專(zhuān)利名稱(chēng)：連續(xù)納米精度位移微動(dòng)量驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種連續(xù)納米精度位移驅(qū)動(dòng)方法，特別是一種連續(xù)納米精度位移微動(dòng)量驅(qū)動(dòng)方法，屬于納米技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
納米技術(shù)依賴于納米精度驅(qū)動(dòng)、定位、位移測(cè)量及相關(guān)加工技術(shù)與設(shè)備。實(shí)現(xiàn)連續(xù)的納米位移是納米加工、操縱、測(cè)量等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。納米位移驅(qū)動(dòng)器在納米加工、光通信、航海、航天、天文、光學(xué)等廣泛的領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。采用傳統(tǒng)的步進(jìn)馬達(dá)原理和技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)無(wú)振動(dòng)及重復(fù)精度的納米運(yùn)動(dòng)是不可能的。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，2001年美國(guó)專(zhuān)利號(hào)為US61948811，名稱(chēng)為Drive apparatus(驅(qū)動(dòng)器)，該專(zhuān)利介紹了一種新的納米運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)制，通過(guò)把重力勢(shì)能逐步釋放轉(zhuǎn)化為位移驅(qū)動(dòng)。其工作原理是這樣的運(yùn)動(dòng)桿和軸心座存在摩擦力F，當(dāng)F大于重力W時(shí)，運(yùn)動(dòng)桿是靜止的，不發(fā)生運(yùn)動(dòng)。當(dāng)壓電晶體施加一脈沖電壓，壓電晶體在脈沖電壓驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的膨脹力和重力共同作用，運(yùn)動(dòng)桿發(fā)生運(yùn)動(dòng)。當(dāng)脈沖電壓處于零電平時(shí)，壓電晶體發(fā)生回復(fù)，運(yùn)動(dòng)桿發(fā)生回復(fù)，這時(shí)回復(fù)的方向與重力方向相反，回復(fù)位移要比前進(jìn)位移小。夾緊裝置使壓電晶體發(fā)生回復(fù)時(shí)，運(yùn)動(dòng)桿不發(fā)生回復(fù)，從而在連續(xù)脈沖電壓作用下，運(yùn)動(dòng)桿產(chǎn)生連續(xù)的微小步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)脈沖寬度足夠小，這一微小步進(jìn)具有納米精度。但由于夾緊裝置很難與壓電晶體發(fā)生回復(fù)完全同步，使得運(yùn)動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是一帶有鋸齒振動(dòng)的位移運(yùn)動(dòng)。該專(zhuān)利技術(shù)在納米運(yùn)動(dòng)機(jī)制上比以往以尺蠕為基本原理的驅(qū)動(dòng)機(jī)制上有了突破，但其所工作原理是采用通過(guò)力的傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)位移驅(qū)動(dòng)。由于按現(xiàn)有技術(shù)，產(chǎn)生微小可以控制的力，只能采用壓電晶體在脈沖電壓驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的膨脹力。這樣，采用壓電晶體與運(yùn)動(dòng)桿連接的力的傳遞方法驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)桿發(fā)生運(yùn)動(dòng)，就存在當(dāng)脈沖電壓處于零電平時(shí)，壓電晶體發(fā)生回復(fù)的問(wèn)題。同時(shí)，該專(zhuān)利技術(shù)沒(méi)有擺脫尺蠕結(jié)構(gòu)中的夾緊機(jī)構(gòu)。因此導(dǎo)致存在如下缺陷1、直接用勢(shì)能釋放驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)桿產(chǎn)生連續(xù)納米位移，由于壓電晶體在脈沖電壓驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生膨脹，當(dāng)脈沖電壓處于零電平時(shí)，壓電晶體發(fā)生回復(fù)，使得運(yùn)動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是一帶有鋸齒振動(dòng)的位移運(yùn)動(dòng)，即工作狀態(tài)不平穩(wěn)；2、采用壓電晶體驅(qū)動(dòng)的夾子來(lái)控制運(yùn)動(dòng)桿的自由隨機(jī)滑動(dòng)，加工精度要求高，容易由于夾子力和相位不對(duì)稱(chēng)產(chǎn)生的橫向振動(dòng)，這種橫向振動(dòng)對(duì)納米精度的位移驅(qū)動(dòng)器是致命。同時(shí)，由于采用重力作為勢(shì)能源，使得驅(qū)動(dòng)器件不能發(fā)生傾斜，只能用于水平工作狀態(tài)，所采用的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)制無(wú)法實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
和
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，尤其是針對(duì)由于采用力的傳遞，而導(dǎo)致不可避免的壓電晶體當(dāng)脈沖電壓處于零電平時(shí)的回復(fù)力，本發(fā)明提出一種連續(xù)納米精度位移微動(dòng)量驅(qū)動(dòng)方法，通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的該方法具體如下1、動(dòng)量接受器連續(xù)接受動(dòng)量驅(qū)動(dòng)桿所產(chǎn)生的定向沖量當(dāng)壓電晶體上施加脈沖電壓，壓電晶體發(fā)生瞬間膨脹，壓電晶體前端的驅(qū)動(dòng)桿與壓電晶體后端的質(zhì)量塊，分別產(chǎn)生大小相等方向相反的力，確定質(zhì)量塊的質(zhì)量大于驅(qū)動(dòng)桿的質(zhì)量，動(dòng)量驅(qū)動(dòng)桿即產(chǎn)生定向沖量。
2、把驅(qū)動(dòng)桿上的微小動(dòng)量通過(guò)與運(yùn)動(dòng)桿一體的動(dòng)量接受桿傳遞給運(yùn)動(dòng)桿，根據(jù)動(dòng)量守恒，通過(guò)彈性碰撞，運(yùn)動(dòng)桿獲得一定初速度；3、控制在運(yùn)動(dòng)桿上施加恒定的摩擦力，使運(yùn)動(dòng)桿不能自由滑動(dòng)，相對(duì)靜止當(dāng)運(yùn)動(dòng)桿獲得驅(qū)動(dòng)桿傳遞的微小動(dòng)量，產(chǎn)生一定初速度，由于摩擦力的作用，運(yùn)動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)一微小位移后就停止。
通過(guò)精確控制施加在壓電晶體上的脈沖電壓的寬度和幅度，使運(yùn)動(dòng)桿向前微小位移步進(jìn)具有納米精度。
在連續(xù)脈沖電壓作用下，使動(dòng)量驅(qū)動(dòng)桿連續(xù)把微動(dòng)量傳遞給了運(yùn)動(dòng)桿，運(yùn)動(dòng)桿就產(chǎn)生連續(xù)的納米位移步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。
4、確定運(yùn)動(dòng)桿和驅(qū)動(dòng)桿分體的結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)桿和驅(qū)動(dòng)桿相互是斷開(kāi)不連接的由于運(yùn)動(dòng)桿和驅(qū)動(dòng)桿相互是不連接的，因此當(dāng)脈沖電壓處于零電平時(shí)，壓電晶體發(fā)生回復(fù)，運(yùn)動(dòng)桿不發(fā)生回復(fù)。
5、為了產(chǎn)生連續(xù)的納米步進(jìn)位移運(yùn)動(dòng)，必須在一個(gè)脈沖作用后，第二脈沖作用前，使驅(qū)動(dòng)桿跟進(jìn)到與運(yùn)動(dòng)桿一體的動(dòng)量接受桿初始的相對(duì)位置采用彈簧結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)彈簧的壓縮彈性勢(shì)能的釋放，來(lái)實(shí)現(xiàn)在連續(xù)電壓脈沖作用下，壓電晶體不斷使驅(qū)動(dòng)桿具有動(dòng)量，這一動(dòng)量不斷傳遞給了運(yùn)動(dòng)桿，使運(yùn)動(dòng)桿克服摩擦力產(chǎn)生微小位移，彈簧的彈性勢(shì)能不斷釋放，使每個(gè)電壓脈沖周期后，運(yùn)動(dòng)桿與驅(qū)動(dòng)桿的相對(duì)位置復(fù)原，從而使運(yùn)動(dòng)桿受到驅(qū)動(dòng)桿連續(xù)遞給的動(dòng)量脈沖，產(chǎn)生連續(xù)的納米步進(jìn)位移運(yùn)動(dòng)。
6、采用以運(yùn)動(dòng)桿兩端為對(duì)稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)方法，實(shí)現(xiàn)雙向平穩(wěn)的往復(fù)位移當(dāng)運(yùn)動(dòng)桿一側(cè)的壓電晶體工作時(shí)，與壓電晶體相連接的驅(qū)動(dòng)桿把動(dòng)量傳遞給運(yùn)動(dòng)桿，使運(yùn)動(dòng)桿向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，而當(dāng)運(yùn)動(dòng)桿另一側(cè)的壓電晶體工作時(shí)，與壓電晶體相連接的驅(qū)動(dòng)桿把動(dòng)量傳遞給運(yùn)動(dòng)桿，使運(yùn)動(dòng)桿向相反方向運(yùn)動(dòng)。
動(dòng)力學(xué)分析證明，當(dāng)壓電晶體的膨脹力，作用在運(yùn)動(dòng)桿上的摩擦力和彈簧的彈性滿足一定條件，這種往復(fù)運(yùn)動(dòng)是可以實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，本發(fā)明采用把彈性勢(shì)能逐步釋放，應(yīng)用不受空間方向限制，可在三維空間任意轉(zhuǎn)動(dòng)；采用首先把微勢(shì)能轉(zhuǎn)化為微動(dòng)量，再用微動(dòng)量驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)桿產(chǎn)生納米位移；由于動(dòng)量具有方向性，不存在運(yùn)動(dòng)桿回復(fù)的因素；采用可控的均勻摩擦力，控制運(yùn)動(dòng)桿的自由隨機(jī)滑動(dòng)，不存在橫向振動(dòng)，而且縱向振動(dòng)只要向前半周期。本發(fā)明的方法可應(yīng)用各種尺寸，形狀的納米位移驅(qū)動(dòng)器，在納米加工、光通信、航海、航天、天文、光學(xué)等涉及精密定位的領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)納米往復(fù)位移微動(dòng)量驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于具體如下(1)動(dòng)量接受器連續(xù)接受動(dòng)量驅(qū)動(dòng)桿所產(chǎn)生的定向沖量；(2)把驅(qū)動(dòng)桿上的微小動(dòng)量通過(guò)與運(yùn)動(dòng)桿一體的動(dòng)量接受桿傳遞給運(yùn)動(dòng)桿，通過(guò)彈性碰撞，運(yùn)動(dòng)桿獲得初速度；(3)控制在運(yùn)動(dòng)桿上施加恒定的摩擦力，運(yùn)動(dòng)桿相對(duì)靜止；(4)確定運(yùn)動(dòng)桿和驅(qū)動(dòng)桿分體的結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)桿和驅(qū)動(dòng)桿相互是斷開(kāi)的；(5)必須在一個(gè)脈沖作用后，第二脈沖作用前，使驅(qū)動(dòng)桿為了產(chǎn)生連續(xù)的納米步進(jìn)位移運(yùn)動(dòng)，跟進(jìn)到與運(yùn)動(dòng)桿一體的動(dòng)量接受桿初始的相對(duì)位置；(6)采用以運(yùn)動(dòng)桿兩端為對(duì)稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)方法，實(shí)現(xiàn)雙向平穩(wěn)的往復(fù)位移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種連續(xù)納米往復(fù)位移微動(dòng)量驅(qū)動(dòng)方法，其特征是所述的動(dòng)量接受器連續(xù)接受動(dòng)量驅(qū)動(dòng)桿其產(chǎn)生的定向沖量是指當(dāng)壓電晶體上施加脈沖電壓，壓電晶體發(fā)生瞬間膨脹，壓電晶體前端的驅(qū)動(dòng)桿與壓電晶體后端的質(zhì)量塊，分別產(chǎn)生大小相等方向相反的力，確定質(zhì)量塊的質(zhì)量大于驅(qū)動(dòng)桿的質(zhì)量，動(dòng)量驅(qū)動(dòng)桿即產(chǎn)生定向沖量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種連續(xù)納米往復(fù)位移微動(dòng)量驅(qū)動(dòng)方法，其特征是所述的控制在運(yùn)動(dòng)桿上施加恒定的摩擦力，相對(duì)靜止是指當(dāng)運(yùn)動(dòng)桿獲得驅(qū)動(dòng)桿傳遞的微小動(dòng)量，產(chǎn)生一定初速度，由于摩擦力的作用，運(yùn)動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)一微小位移后就停止。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的這種連續(xù)納米往復(fù)位移微動(dòng)量驅(qū)動(dòng)方法，其特征是通過(guò)精確控制施加在壓電晶體上的脈沖電壓的寬度和幅度，運(yùn)動(dòng)桿向前微小位移步進(jìn)具有納米精度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的這種連續(xù)納米往復(fù)位移微動(dòng)量驅(qū)動(dòng)方法，其特征是所述的在連續(xù)脈沖電壓作用下，動(dòng)量驅(qū)動(dòng)桿連續(xù)把微動(dòng)量傳遞給了運(yùn)動(dòng)桿，運(yùn)動(dòng)桿就產(chǎn)生連續(xù)的納米位移步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種連續(xù)納米往復(fù)位移微動(dòng)量驅(qū)動(dòng)方法，其特征是所述的必須在一個(gè)脈沖作用后，第二脈沖作用前，使驅(qū)動(dòng)桿為了產(chǎn)生連續(xù)的納米步進(jìn)位移運(yùn)動(dòng)，跟進(jìn)到與運(yùn)動(dòng)桿一體的動(dòng)量接受桿初始的相對(duì)位置是指采用彈用彈簧結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)彈簧的壓縮彈性勢(shì)能的釋放，來(lái)實(shí)現(xiàn)在連續(xù)電壓脈沖作用下，壓電晶體連續(xù)使驅(qū)動(dòng)桿具有動(dòng)量，這一動(dòng)量連續(xù)傳遞給了運(yùn)動(dòng)桿，運(yùn)動(dòng)桿克服摩擦力產(chǎn)生微小位移，彈簧的彈性勢(shì)能連續(xù)釋放，使每個(gè)電壓脈沖周期后，運(yùn)動(dòng)桿與驅(qū)動(dòng)桿的相對(duì)位置復(fù)原，從而運(yùn)動(dòng)桿受到驅(qū)動(dòng)桿連續(xù)遞給的動(dòng)量脈沖，產(chǎn)生連續(xù)的納米步進(jìn)位移運(yùn)動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種連續(xù)納米往復(fù)位移微動(dòng)量驅(qū)動(dòng)方法，其特征是所述的采用以運(yùn)動(dòng)桿兩端為對(duì)稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)方法，實(shí)現(xiàn)雙向平穩(wěn)的往復(fù)位移是指當(dāng)運(yùn)動(dòng)桿一側(cè)的壓電晶體工作時(shí)，與壓電晶體相連接的驅(qū)動(dòng)桿把動(dòng)量傳遞給運(yùn)動(dòng)桿，使運(yùn)動(dòng)桿向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，而當(dāng)運(yùn)動(dòng)桿另一側(cè)的壓電晶體工作時(shí)，與壓電晶體相連接的驅(qū)動(dòng)桿把動(dòng)量傳遞給運(yùn)動(dòng)桿，使運(yùn)動(dòng)桿向相反方向運(yùn)動(dòng)。
全文摘要
一種連續(xù)納米往復(fù)位移微動(dòng)量驅(qū)動(dòng)方法屬于納米技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明具體如下動(dòng)量接受器連續(xù)接受動(dòng)量驅(qū)動(dòng)桿其產(chǎn)生的定向沖量；把驅(qū)動(dòng)桿上的微小動(dòng)量通過(guò)與運(yùn)動(dòng)桿一體的動(dòng)量接受桿傳遞給運(yùn)動(dòng)桿獲得初速度；控制摩擦力，運(yùn)動(dòng)桿相對(duì)靜止；確定運(yùn)動(dòng)桿和驅(qū)動(dòng)桿分體的結(jié)構(gòu)；必須在一個(gè)脈沖作用后，第二脈沖作用前，驅(qū)動(dòng)桿跟進(jìn)到與運(yùn)動(dòng)桿一體的動(dòng)量接受桿初始的相對(duì)位置；采用以運(yùn)動(dòng)桿兩端為對(duì)稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)方法。本發(fā)明的應(yīng)用不受空間方向限制，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)桿產(chǎn)生納米位移，不存在運(yùn)動(dòng)桿回復(fù)的因素，控制運(yùn)動(dòng)桿的自由隨機(jī)滑動(dòng)，不存在橫向振動(dòng)。本發(fā)明在納米加工、光通信、航海、航天、天文、光學(xué)等涉及精密定位的領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。
文檔編號(hào)H02N2/02GK1402422SQ0213725
公開(kāi)日2003年3月12日 申請(qǐng)日期2002年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月29日
發(fā)明者王慶康 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)