双折叠十字多维压电马达及其控制方法和扫描探针显微镜
阅读说明：本技术 双折叠十字多维压电马达及其控制方法和扫描探针显微镜 (Double-folding cross multi-dimensional piezoelectric motor, control method thereof and scanning probe microscope ) 是由 郑少锋 陆轻铀 张晶 王纪浩 孟文杰 侯玉斌 冯启元 王泽� 于 2020-10-09 设计创作，主要内容包括：双折叠十字多维压电马达及其控制方法和扫描探针显微镜。本申请是申请号为202011073350.2的分案申请。本发明提供了一种双折叠十字二维压电马达,包括滑板,所述滑板为上下双层结构,所述滑板内设有XY压电体架,所述XY压电体架平行地置于所述双层板之间,所述XY压电体架在X方向与Y方向的两端分别为X+和X-端、Y+和Y-端,所述XY压电体架内设有X压电体部、Y压电体部,所述X压电体部、Y压电体部垂直交叉布置,所述X+压电体、X-压电体的自由端与双层板的下板相压,Y+压电体、Y-压电体的自由端与双层板的上板相压。其优点是：压电体利用率高,推力大,尺寸小,弹力自调节,行程广,工作温区大。(A double-folded cross multi-dimensional piezoelectric motor, a control method thereof and a scanning probe microscope are provided. This application is a divisional application with application number 202011073350.2. The invention provides a double-folding cross two-dimensional piezoelectric motor which comprises a sliding plate, wherein the sliding plate is of an upper and lower double-layer structure, an XY piezoelectric body frame is arranged in the sliding plate and is arranged between double-layer plates in parallel, two ends of the XY piezoelectric body frame in the X direction and the Y direction are respectively an X + end, an X-end, a Y + end and a Y-end, an X piezoelectric body part and a Y piezoelectric body part are arranged in the XY piezoelectric body frame, the X piezoelectric body part and the Y piezoelectric body part are vertically and crosswise arranged, free ends of the X + piezoelectric body and the X-piezoelectric body are pressed with the lower plate of the double-layer plates, and free ends of the Y + piezoelectric body and the Y-piezoelectric body are pressed with the upper plate of the double-layer plates. The advantages are that: the piezoelectric body has high utilization rate, large thrust, small size, self-adjusting elasticity, wide stroke and large working temperature area.)
本申请是分案申请，原申请的申请号为202011073350.2，申请日期为2020年10月09日，发明名称为“双折叠十字多维压电马达及其控制方法和扫描探针显微镜”
技术领域
本发明涉及压电步进器及其控制方法，以及利用其制成的三维压电马达和扫描探针显微镜，特别涉及一种相向摩擦减阻力的二维压电马达及其控制方法，以及利用其制成的三维压电马达和扫描探针显微镜，属于压电定位器
技术领域
和扫描探针显微镜技术领域。背景技术
压电马达是一种能够同时实现微观纳米级定位精度与宏观厘米级行程的器件，主要是利用压电材料产生较小的、可累积的周期性电致伸缩形变从而实现步进。由于其定位精度高、体积小，被广泛应用于微机电产品的定位加工，光学领域的精密移动平台，生物医学领域精密操控以及纳米科学成像等。是现代科学研究与工业制造不可或缺的高精尖技术应用。
近几年，二维压电马达的发展趋势是结构小、推力大、刚性强、行程大、高精度。但这些指标之间又存在着矛盾。如：结构小难以实现大行程，并且难会降低推力，而推力大会破坏精度，小结构与高刚性也难以兼容等。
我们在2018年提出过“一种利用相向摩擦减阻力的二维压电马达及其控制方法”(详见专利公开号：CN 109525142 A)，其技术特征是：包括滑板、XY形变压电体和基座，所述XY形变压电体设置于基座与滑板之间，其一端与基座固定，另一端与滑板固定，其特征在于还包括X伸缩形变压电体和Y伸缩形变压电体，所述X伸缩形变压电体和Y伸缩形变压电体之间相互固定，形成X方向形变和Y方向形变独立可控结构，称为垂直形变结构，设置将所述X伸缩形变压电体形变的两端和Y伸缩形变压电体形变的两端与滑板同时相压的正压力。该发明的优点是结构简单、推力大、精度高、行程大。
然而该发明仍然具有以下缺点：(1)垂直形变结构与滑板之间的四个接触点难以共处同一个平面。因为三点决定一个平面，该发明中垂直形变结构与滑板之间的四个接触点难以理想地同处一个滑板的平面，而只要有一个接触点与滑板接触得不好，就会影响该点的摩擦力，使得马达工作时摩擦力不能很好地抵消，这对整个马达的工作都是致命的。(2)推力不够大。马达是利用惯性力工作的，输出推力有限(3)难以精确调节垂直结构与滑板之间的正压力。受力片需要多次调节才能使得垂直结构与滑板之间四个接触点的正压力大致相等，操作困难。(4)马达的步进速度有限。由于马达利用惯性力工作，步进开始时需要使XY形变压电体缓慢形变，这会限制马达的步进速度。
发明内容
本发明则提出了一种新的双交叠十字二维压电马达及其控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。本发明还提出了用该马达制成的三维压电马达和扫描探针显微镜。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种双折叠十字二维压电马达，包括滑板，所述滑板为上下双层结构，所述滑板内设有XY压电体架，所述XY压电体架平行地置于所述双层板之间，所述XY压电体架在X方向与Y方向的两端分别为X+和X-端、Y+和Y-端，所述XY压电体架内设有X压电体部、Y压电体部，所述X压电体部、Y压电体部垂直交叉布置；
所述X压电体部包括X+压电体、X-压电体，所述X+压电体的一端固定于X-端，另一端为自由端并指向X+端，X-压电体的一端固定于X+端，另一端为自由端并指向X-端，所述X+压电体和X-压电体上下布置形成双层折叠结构；
所述Y压电体部包括Y+压电体、Y-压电体，所述Y+压电体的一端固定于Y-端，另一端为自由端并指向Y+端，所述Y-压电体的一端固定于Y+端，另一端为自由端并指向Y-端，所述Y+压电体和Y-压电体上下布置形成双层折叠结构；
所述X+压电体、X-压电体的自由端与双层板的下板相压，Y+压电体、Y-压电体的自由端与双层板的上板相压。
作为本发明进一步的方案：所述X+压电体、X-压电体、Y+压电体、Y-压电体的自由端均固定连接有弹簧片并通过所述弹簧片与所述滑板滑动连接。
一种双折叠十字二维压电马达的控制方法，按如下时序的变形布置实现X+方向的一步行走：
S1、X+压电体处于伸长状态，X-压电体处于收缩状态，Y+压电体、Y-压电体都处于伸长状态或收缩状态；
S2、X+压电体、X-压电体同时反向形变，在此过程中，Y+压电体、Y-压电体同时做至少半个周期的周期性相向伸缩形变；
S3、X+压电体伸长形变、其余三个压电体静止；
S4、X-压电体收缩形变、其余三个压电体静止；完成X+方向上的一步行走；
其余X-方向、Y+方向、Y-方向与X+方向移动方法类似。
一种使用双折叠十字二维压电马达制成的三维压电马达，所述XY压电体上端设有Z压电马达，所述Z压电马达的输出推力方向垂直于所述XY压电体架所在平面。
作为本发明进一步的方案：所述Z压电马达是坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器，或是利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达，或是多区驱动的惯性压电马达装置，或是双压电体线性纳米定位压电驱动器。
一种使用双折叠十字二维压电马达制成的扫描探针显微镜，还包括基座以及多区驱动的惯性压电马达装置，所述的多区驱动的惯性压电马达装置固定于XY压电体架上，基座的一部分表面正对着所述多区驱动的惯性压电马达装置的输出推力方向。
作为本发明进一步的方案：所述XY压电体架与多区驱动的惯性压电马达装置均固定于基座上，所述多区驱动的惯性压电马达装置的输出推力方向正对着所述XY压电体架的方向。
作为本发明进一步的方案：所述多区驱动的惯性压电马达装置固定于基座上，所述多区驱动的惯性压电马达装置的输出端与所述基座固定连接，所述基座的一部分表面平行于X方向和Y方向。
本发明的双交叠十字二维压电马达的工作原理是：以马达X+方向上的步进为例，工作时，先让Y+、Y-压电体同时处于伸长或收缩状态，X+压电体保持伸长状态，X-压电体保持收缩状态。接着，X+、X-压电体同时反向形变，在此过程中，Y+、Y-压电体以较高的频率做周期性相向形变。因为Y+、Y-压电体相向形变，使其受到的两个滑动摩擦力相抵消，而X+、X-压电体做的形变方向相同，使其受到方向相同的两个静摩擦力。X+、X-压电体所受的最大静摩擦力之和的大小大于Y+、Y-压电体所受的动摩擦力之和的大小。这将导致十字XY压电体的中心相对于滑板会被拉移动一段距离。然后，X+压电体做伸长形变，其余三个压电体保持静止。最后，X-压电体做收缩形变、其余三个压电体保持静止。因为每次只有一个压电体做形变，三个压电体所受的静摩擦力大小总和大于做形变的一个压电体所受的滑动摩擦力大小，所以在这一过程中十字XY压电体的中心相对于滑板的位置不变。至此马达已在X+方向步进了一步。如此重复可实现在在X+方向上一步步地行走。类似地原理能让马达在四个方向上完成步进，因为马达在四个行走方向上是对称的。需要注意的是，在上述步进过程中的第二个步骤，当X+、X-压电体同时反向形变完成时，Y+、Y-压电体至少完成了超过半个周期的形变运动，否则，马达有可能效率较低甚至不工作。这是因为：如果X+、X-压电体收缩或伸长形变已经开始时，Y+、Y-压电体还处于静止状态，那么X+、X-压电体就需要克服Y+、Y-压电体和滑板之间的静摩擦力才能工作，如果X+、X-压电体的推力之和大于Y+、Y-压电体所受的静摩擦力力之和，马达仍能实现工作，但马达的输出效率将极大的降低，反之，马达则无法实现工作。这一分析对马达在所有四个方向步进都同样成立。
我们可以设置滑板为一体的双层板结构，将所述十字XY压电体平行地置于双层板之间，所述Y+、Y-压电体的自由端与双层板的之一相压，X+、X-压电体与双层板的另一个板相压。由于三点决定一个平面，四个压电体的自由端难以同时精确地与一个平面接触。而设置两个接触面可以避开这样的问题，并且使得夹在滑板中间的十字XY压电体类似于跷跷板，根据杠杆原理，四个压电体自由端上所受的来自滑板的正压力会自动调整，在不计十字XY压电体质量的情况下，马达工作时四个压电体自由端上所受的滑动摩擦力也会自动相等。
我们可以在所述的X+、X-、Y+、Y-压电体自由端分别固定弹簧片，弹簧片与滑板弹性相压。这样，就是以四弹簧片在滑板上滑动着行走，可以保护十字XY压电体，避免十字XY压电体在滑板上磨损，并且能提供长程相互作用的弹力。
我们可以将所述的双折叠十字二维压电马达制成三维压电马达，在所述的XY压电体架上增设一个Z压电马达与之固定，所述Z压电马达的输出推力方向垂直于X方向和Y方向。
所述的Z压电马达可以是多区驱动的惯性压电马达装置，其中国专利公开号：CN103986365B也可以是坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器，其中国专利公开号：CN102856305B，还可以是利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达，其中国专利公开号：CN104953889A，还可以是双压电体线性纳米定位压电驱动器，其专利公开号：CN1996737A。
我们可以将所述的双折叠十字二维压电马达制制成扫描探针显微镜，增设多区驱动的惯性压电马达装置(其中国专利公开号：CN103986365B)和基座，将所述的双折叠十字二维压电马达固定于基座上，所述的多区驱动的惯性压电马达装置固定于XY压电体架上，设基座的一部分表面正对着多区驱动的惯性压电马达装置的输出推力方向。这样，所述双折叠十字二维压电马达可以带动多区驱动的惯性压电马达装置进行XY二维平面上的移动，而多区驱动的惯性压电马达装置负责进行Z方向上的行走与扫描。
我们也可以将所述的滑板与多区驱动的惯性压电马达装置均固定于基座上，设多区驱动的惯性压电马达装置的输出推力方向正对着所述十字XY压电体的中心。这样的结构可以实现在所述的双折叠十字二维压电马达完成XY二维平面上的移动后，用多区驱动的惯性压电马达装置进行Z方向上的行走和扫描。
我们还可以将所述多区驱动的惯性压电马达装置固定于基座上，令其输出端与所述的滑板固定，设所述基座的一部分表面平行于X方向和Y方向。这样，多区驱动的惯性压电马达装置可以带动滑板进行Z方向上的行走和扫描，而所述十字XY压电体可以在滑板上进行XY二维平面上的移动
根据上述原理，与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本申请的二维压电马达的压电材料的使用效率高、推力大，四个压电体足够宽，足够长，并且整个压电体的形变对马达的工作都有贡献，因此马达的推力大。由其制成的三维马达和扫描探针显微镜可以在低温强磁场等极端条件中应用。
2、本申请的二维压电马达的尺寸小，四个压电体不在同一个平面上，其长度和宽度不会受到彼此的限制，因此可以在不牺牲二维马达推力的前提下，将二维马达在XY平面上的尺寸设置得尽量小，由其制成的三维马达和扫描探针显微镜可以应用在空间有限的环境中。
3、本申请的十字XY压电体受到的弹力自动调节，若是采用一体的双层板结构的滑板将十字XY压电体弹性地夹在中间，Y+、Y-压电体和X+、X-压电体分别与滑板不同的两个平面接触，类似于跷跷板结构，根据杠杆原理，四个压电体受到的来自滑板的弹力会自动调整，这将简化复杂的二维马达摩擦力调节步骤。
4、本申请的二维压电马达行程大，理论上的行程只受滑板的尺寸的限制。
5、本申请的二维压电马达工作温区大：本发明中的十字XY压电体与滑板之间的压力来源是长程作用的弹力，因此即使工作时温度有很大变化也不会明显改变摩擦力的原有配合，马达可以照常工作，非常适合于在低温强磁场等极端条件中应用。
附图说明
图1为本申请实施例1主视图；
图2为本申请实施例1侧视图；
图3为本申请实施例1俯视图；
图4为本申请实施例2主视图；
图5为本申请实施例2侧视图；
图6为本申请实施例2俯视图；
图7为本申请实施例1控制方法示意图；
图8、图9为本申请实施例3的三维压电马达示意图；
图10本申请实施例4的扫描探针显微镜示意图；
图11为本申请实施例4的分离性扫描探针显微镜示意图；
图12为本申请实施例4的伞形扫描探针显微镜示意图。
图中：1-滑板、2-XY压电体架、3a-Y+压电体、3b-X+压电体、3c-Y-压电体、3d-X-压电体、4-多区驱动的惯性压电马达装置、5-基座、P1-X+压电体控制信号波形，P2-X-压电体控制信号波形，P3-Y+、Y-压电体控制信号波形。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见附图1-3，本实施例为基本型的双交叠十字二维压电马达，包括一个XY压电体架2、X+压电体3b、X-压电体3d、Y+压电体3a、Y-压电体3c，该XY压电体架2在X方向与Y方向的两端分别称为X+和X-端、Y+和Y-端，X+压电体3b的一端固定于X-端，另一端为自由端并指向X+端，X-压电体3d的一端固定于X+端，另一端为自由端并指向X-端，X+压电体3b和X-压电体3d是一上一下的结构进行布置，形成双层折叠X压电体；Y+压电体3a的一端固定于Y-端，另一端为自由端并指向Y+端，Y-压电体3c的一端固定于Y+端，另一端为自由端并指向Y-端，Y+压电体3a和Y-压电体3c是一上一下的结构进行布置，形成双层折叠Y压电体；双层折叠X压电体和双层折叠Y压电体在XY压电体架2上按照十字交叠设置，和XY压电体架2一同构成十字XY压电体，增设配合该十字XY压电体在X方向和Y方向滑动的滑板1，设置四个大小相等的正压力将X+、X-、Y+、Y-压电体3a、3b、3c、3d的自由端压于滑板1的滑面上。
以马达X+方向上的步进为例，工作时，先让Y+、Y-压电体3a、3c同时处于伸长或收缩状态，X+压电体3b保持伸长状态，X-压电体3d保持收缩状态。接着，X+、X-压电体3b、3d同时反向形变，在此过程中，Y+、Y-压电体3a、3c以较高的频率做周期性相向形变。因为Y+、Y-压电体3a、3c相向形变，使其受到的两个滑动摩擦力相抵消，而X+、X-压电体3b、3d做的形变方向相同，使其受到方向相同的两个静摩擦力。X+、X-压电体3b、3d所受的最大静摩擦力之和的大小大于Y+、Y-压电体3a、3c所受的动摩擦力之和的大小。这将导致十字XY压电体的中心相对于滑板1会被拉移动一段距离。然后，X+压电体3b做伸长形变，其余三个压电体3a、3c、3d保持静止。最后，X-压电体3d做收缩形变、其余三个压电体3a、3b、3c保持静止。因为每次只有一个压电体做形变，三个压电体所受的静摩擦力大小总和大于做形变的一个压电体所受的滑动摩擦力大小，所以在这一过程中十字XY压电体的中心相对于滑板1的位置不变。至此马达已在X+方向步进了一步。如此重复可实现在在X+方向上一步步地行走。类似地原理能让马达在四个方向上完成步进，因为马达在四个行走方向上是对称的。
实施例2
参见附图4-6，本实施例为双层滑板型双交叠十字二维压电马达，在本实施例中，滑板1设置为一体的双层板结构，将十字XY压电体架2平行地置于双层板之间，Y+压电体3a、Y-压电体3c的自由端与双层板的之一相压，X+压电体3b、X-压电体3d与双层板的另一个板相压。由于三点决定一个平面，四个压电体Y+压电体3a、X+压电体3b、Y-压电体3c、X-压电体3d的自由端难以同时精确地与一个平面接触。而设置两个接触面可以避开这样的问题，并且使得夹在滑板1中间的十字XY压电体架2类似于跷跷板，根据杠杆原理，四个压电体Y+压电体3a、X+压电体3b、Y-压电体3c、X-压电体3d的自由端上所受的来自滑板1的正压力会自动调整，在不计十字XY压电体质量的情况下，马达工作时四个压电体Y+压电体3a、X+压电体3b、Y-压电体3c、X-压电体3d的自由端上所受的滑动摩擦力也会自动相等。
实施例3
本实施例是带有弹簧片型的双交叠十字二维压电马达，上述实施例1和实施例2中，在Y+压电体3a、X+压电体3b、Y-压电体3c、X-压电体3d的自由端分别固定弹簧片，弹簧片与滑板1弹性相压。这样，就是以四弹簧片在滑板1上滑动着行走，可以保护十字XY压电体，避免十字XY压电体在滑板1上磨损，并且能提供长程相互作用的弹力。
实施例4
请参见附图7，本实施例为基本型的双交叠十字二维压电马达的控制方法，双交叠十字二维压电马达控制方法对应的控制信号波形见附图7。
以马达X+方向上的步进为例，其工作分包括以下步骤
S1、先让Y+压电体3a、Y-压电体3c同时处于收缩状态，X+压电体3b保持伸长状态，X-压电体3d保持收缩状态；
S2、第二步，X+压电体3b、X-压电体3d同时反向形变，在此过程中，Y+压电体3a、Y-压电体3c以较高的频率做周期性相向伸缩形变；
S3、第三步，X+压电体3b做伸长形变，其余三个压电体Y+压电体3a、Y-压电体3c、X-压电体3d保持静止；
S4、第四步，X-压电体3d做收缩形变、其余三个压电体Y+压电体3a、X+压电体3b、Y-压电体3c保持静止。
重复上述步骤可以实现马达在X+方向的大范围步进。
类似的工作步骤适用于马达其他三个方向的步进。
需要注意的是，在上述步进过程中的第二个步骤，当X+压电体3b、X-压电体3d同时反向形变完成时，Y+压电体3a、Y-压电体3c至少完成了超过半个周期的形变运动，否则，马达有可能效率较低甚至不工作。这是因为：如果X+压电体3b、X-压电体3d收缩或伸长形变已经开始时，Y+压电体3a、Y-压电体3c还处于静止状态，那么X+压电体3b、X-压电体3d就需要克服Y+压电体3a、Y-压电体3c和滑板1之间的静摩擦力才能工作，如果X+压电体3b、X-压电体3d的推力之和大于Y+压电体3a、Y-压电体3c所受的静摩擦力力之和，马达仍能实现工作，但马达的输出效率将极大的降低，反之，马达则无法实现工作。这一分析对马达在所有四个方向步进都同样成立。
实施例5
本实施例是以实施例1中的双交叠十字二维压电马达制成三维压电马达，在XY压电体架2上增设一个Z压电马达并使Z压电马达与XY压电体架2固定，Z压电马达的输出推力方向垂直于X方向和Y方向。即垂直于XY压电体架2所在平面。
Z压电马达可以是多区驱动的惯性压电马达装置4(如中国专利CN103986365B所述公开的关系马达)，参见附图8-9，也可以是坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器(如中国专利CN102856305B所述公开的步进器)，还可以是利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达(如中国专利公开号：CN104953889A公开的叠堆压电马达)，还可以是双压电体线性纳米定位压电驱动器(如中国专利CN1996737A所公开的压电驱动器)。
实施例6
参见附图10，本实施例是将实施例1中的双折叠十字二维压电马达制成扫描探针显微镜，增设多区驱动的惯性压电马达装置4(如中国专利CN103986365B所述公开的压电马达)和基座5，将双折叠十字二维压电马达固定于基座5上，多区驱动的惯性压电马达装置4固定于XY压电体架2上，设基座5的一部分表面正对着多区驱动的惯性压电马达装置4的输出推力方向。这样，双折叠十字二维压电马达可以带动多区驱动的惯性压电马达装置4进行XY二维平面上的移动，而多区驱动的惯性压电马达装置4负责进行Z方向上的行走与扫描。
实施例7
参见附图11，本实施例是将实施例1中的双折叠十字二维压电马达制制成扫描探针显微镜，增设多区驱动的惯性压电马达装置4(如中国专利CN103986365B公开的压电马达)和基座5，将滑板1与多区驱动的惯性压电马达装置4均固定于基座5上，设多区驱动的惯性压电马达装置4的输出推力方向正对着所述十字XY压电体架2的中心。这样的结构可以实现在所述的双折叠十字二维压电马达完成XY二维平面上的移动后，用多区驱动的惯性压电马达装置4进行Z方向上的行走和扫描。
实施例8
参见附图12，本实施例是将实施例1中所述的双折叠十字二维压电马达制制成扫描探针显微镜，增设多区驱动的惯性压电马达装置4(如中国专利CN103986365B公开的压电马上)和基座5，将多区驱动的惯性压电马达装置4固定于基座5上，令其输出端与所述的滑板1固定，构成伞形结构，设基座5的一部分表面平行于X方向和Y方向。这样，多区驱动的惯性压电马达装置4可以带动滑板1进行Z方向上的行走和扫描，而十字XY压电体可以在滑板1上进行XY二维平面上的移动
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
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