專利名稱：一種光熱驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光熱驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)，用于微納米技術(shù)領(lǐng)域高速、小步距驅(qū)動(dòng)。
背景技術(shù)：
近年來，科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢是朝快速度、大容量和微型化方向飛速邁進(jìn)。其中尤以微/納米技術(shù)、微型機(jī)械技術(shù)、光學(xué)與光電子技術(shù)等的發(fā)展為主要代表。在許多特殊領(lǐng)域，需要采用特種性能的電機(jī)(或稱馬達(dá))作為動(dòng)力源和運(yùn)動(dòng)源。如在光學(xué)與精密機(jī)械系統(tǒng)中用于元器件的精確驅(qū)動(dòng)和定位的馬達(dá)，要求速度高、響應(yīng)快、盡可能小型化；在航天器和空間衛(wèi)星上采用的電機(jī)，既要求力矩大、效率高，又要求重量輕、體積小、壽命長；在微/納米技術(shù)領(lǐng)域，除了力矩大、響應(yīng)快和小型化等要求外，還需要馬達(dá)有十分微小的步距或轉(zhuǎn)角?，F(xiàn)有的馬達(dá)技術(shù)主要有電磁感應(yīng)電機(jī)、靜電馬達(dá)、超聲波電機(jī)、壓電陶瓷沖擊式驅(qū)動(dòng)馬達(dá)或機(jī)構(gòu)等，均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。電磁感應(yīng)電機(jī)力矩大、速度快，但線圈損耗大、不易小型化；靜電馬達(dá)直接利用靜電力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，可小型化，缺點(diǎn)是力矩較小，定子與轉(zhuǎn)子間的摩擦及噪音較大，往往需要將馬達(dá)浸泡在油液中運(yùn)轉(zhuǎn)。超聲波電機(jī)是近年發(fā)展起來的新型特種馬達(dá)，之后國內(nèi)外又開展了表面聲波馬達(dá)的研究。應(yīng)該指出，上述電機(jī)或馬達(dá)都需要通過導(dǎo)線與外部的低壓乃至高壓控制源相連，馬達(dá)主體尺寸雖然較小，但總體結(jié)構(gòu)不易微小化；同時(shí)，導(dǎo)線連接也制約了它們的應(yīng)用范疇。例如，由于控制導(dǎo)線的存在使之無法工作于真空中，也無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離或細(xì)小管道內(nèi)等特殊環(huán)境下的操控。
因此，不斷探索新的驅(qū)動(dòng)源及驅(qū)動(dòng)方法，發(fā)展綜合性能好、易于微小化的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，十分必要和迫切。近年來，我們提出采用激光作為驅(qū)動(dòng)源的光熱驅(qū)動(dòng)新思想，研究微/納米尺度下光熱膨脹與光熱驅(qū)動(dòng)的機(jī)制，發(fā)展步距小、速度高、易于微小化、可實(shí)現(xiàn)無導(dǎo)線控制的微小型光熱驅(qū)動(dòng)馬達(dá)技術(shù)及系統(tǒng)，拓展微特馬達(dá)技術(shù)的新方向，為廣泛的科技和工業(yè)領(lǐng)域提供應(yīng)用基礎(chǔ)。就激光的熱能而言，軍事上采用高能激光作為武器摧毀目標(biāo)，工業(yè)上則用它進(jìn)行金屬切割或作激光熱處理，而光熱光譜技術(shù)則可應(yīng)用于薄膜表面物理特性的測量，此外，激光熱能還在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。但是，在微/納米尺度對激光與固體物質(zhì)相互作用的研究，特別是對光致熱膨脹及其驅(qū)動(dòng)機(jī)理的應(yīng)用基礎(chǔ)研究還很欠缺，目前，國內(nèi)外也尚無同類微小型光熱驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的機(jī)理和方法研究的文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及的目的是提供一種光熱驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)。
它具有脈沖光源系統(tǒng)和轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，脈沖光源系統(tǒng)具有依次設(shè)置的激光器、電光晶體、偏振盤，電光晶體由脈沖信號發(fā)生模塊和放大回路控制，轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)具有和膨脹臂、摩擦片、同軸轉(zhuǎn)子和壓簧片，膨脹臂一端固定，另一端與摩擦片相粘合，壓簧片一端固定，另一端和一彈簧相連，轉(zhuǎn)子與壓簧片、摩擦片相接。
所述的脈沖信號發(fā)生模塊采用555芯片作為振蕩器。放大回路的電路為輸入隔離器依次與加法器、中間放大級、高壓放大級、反饋回路、加法器相接，高壓放大級與保護(hù)電路相接。
本發(fā)明的光熱驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)，用聚焦激光束的脈沖快速照射膨脹臂，因光熱膨脹效應(yīng)，膨脹臂急速伸長，而轉(zhuǎn)子由于慣性仍靜止，之后撤去激光脈沖，膨脹臂以相對較慢速度冷卻收縮，因摩擦面處摩擦力的作用，轉(zhuǎn)子被帶動(dòng)著轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距。轉(zhuǎn)動(dòng)的步距與膨脹臂的光熱膨脹量相當(dāng)。如此周期性地施加快速激光脈沖，轉(zhuǎn)子將以微小步距和較高速度旋轉(zhuǎn)。這種馬達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是步距小、速度高，直接由激光驅(qū)動(dòng)，不需導(dǎo)線連接，因而結(jié)構(gòu)相對獨(dú)立，易于馬達(dá)的微小化，便于將驅(qū)動(dòng)器置于封閉空間(如真空腔)，并可實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距的自由控制?？赏诒姸嗫萍寂c工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。


圖1是光熱驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)的結(jié)構(gòu)平面示意圖；圖2是本發(fā)明的脈沖信號發(fā)生模塊電路圖；圖3是本發(fā)明的放大回路電路圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明采取將激光技術(shù)、微/納米技術(shù)和微特馬達(dá)技術(shù)相結(jié)合的研究方法。利用微/納米尺度光熱效應(yīng)使固體材料產(chǎn)生熱膨脹，直接實(shí)現(xiàn)對馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)。
圖1所示，光熱驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)具有脈沖光源系統(tǒng)1和轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)2，脈沖光源系統(tǒng)1具有依次設(shè)置的激光器3、電光晶體4、偏振盤5，電光晶體4由脈沖信號發(fā)生模塊6和放大回路7控制，轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)2具有和膨脹臂8、摩擦片9、同軸轉(zhuǎn)子10和壓簧片11，膨脹臂8一端固定，另一端與摩擦片9相粘合，壓簧片11一端固定，另一端和一彈簧相連，轉(zhuǎn)子10與壓簧片11、摩擦片9相接。
由電光晶體(LiNbo3)和偏振盤構(gòu)成一個(gè)電光開關(guān)。偏振盤的偏振方向設(shè)計(jì)成和激光器出射的激光偏振方向垂直。通過脈沖信號發(fā)生模塊產(chǎn)生一個(gè)脈沖電壓，經(jīng)過放大器放大后施加到電光晶體上，使經(jīng)過電光晶體的光的振動(dòng)方向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)脈沖電壓輸出一個(gè)半波電壓，激光經(jīng)過電光晶體后偏轉(zhuǎn)π/2，和偏振盤的振動(dòng)方向一致，光經(jīng)過偏振盤后可無損失地投射到膨脹臂上，使膨脹臂受熱而快速膨脹；而當(dāng)脈沖電壓為0時(shí)，從激光器射出的偏振光無偏轉(zhuǎn)地通過電光晶體，和偏振盤偏振方向垂直，故經(jīng)過偏振盤后沒有光投射到膨脹臂上。
如圖2所示，脈沖信號發(fā)生模塊6采用555芯片作為振蕩器，通過調(diào)節(jié)R1和R2來調(diào)節(jié)高電平時(shí)間和低電平時(shí)間(即占空比)以及轉(zhuǎn)速(頻率)大小，參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)后輸出一個(gè)脈沖寬度遠(yuǎn)小于脈沖周期的電壓脈沖，再經(jīng)過高壓放大回路輸出一個(gè)高電平電壓等于電光晶體半波電壓的周期性電壓脈沖來控制電光晶體，從而把激光調(diào)制成一個(gè)周期性的激光脈沖并確保膨脹速度大于冷卻速度。膨脹臂一端固定，另一端與摩擦片相粘合，在激光脈沖的照射下，快速伸長和緩慢收縮。壓簧片一端固定，另一端和一彈簧相連，使得轉(zhuǎn)子和摩擦片較緊密地接觸。當(dāng)膨脹臂快速伸長時(shí)，轉(zhuǎn)子由于慣性保持靜止，而當(dāng)膨脹臂緩慢收縮時(shí)，由于摩擦片和轉(zhuǎn)子之間的摩擦力帶動(dòng)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距。轉(zhuǎn)動(dòng)的步距與膨脹臂的光熱膨脹量相當(dāng)。如此周期性地施加快速激光脈沖，轉(zhuǎn)子將以微小步距和較高速度旋轉(zhuǎn)。輸出步長可以通過改變激光功率在小范圍調(diào)節(jié)，或通過改變熱膨脹臂的材料做大范圍調(diào)節(jié)，范圍可以從納米級到微米級。
如圖3所示，放大回路7的電路為輸入隔離器依次與加法器、中間放大級、高壓放大級、反饋回路、加法器相接，高壓放大級與保護(hù)電路相接。
權(quán)利要求
1.一種光熱驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)，其特征在于它具有脈沖光源系統(tǒng)(1)和轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)(2)，脈沖光源系統(tǒng)(1)具有依次設(shè)置的激光器(3)、電光晶體(4)、偏振盤(5)，電光晶體(4)由脈沖信號發(fā)生模塊(6)和放大回路(7)控制，轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)(2)具有和膨脹臂(8)、摩擦片(9)、同軸轉(zhuǎn)子(10)和壓簧片(11)，膨脹臂(8)一端固定，另一端與摩擦片(9)相粘合，壓簧片(11)一端固定，另一端和一彈簧相連，轉(zhuǎn)子(10)與壓簧片(11)、摩擦片(9)相接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光熱驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)，其特征在于所述的脈沖信號發(fā)生模塊(6)采用555芯片作為振蕩器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光熱驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)，其特征在于所述的放大回路(7)的電路為輸入隔離器依次與加法器、中間放大級、高壓放大級、反饋回路、加法器相接，高壓放大級與保護(hù)電路相接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光熱驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)。它具有脈沖光源系統(tǒng)和轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，脈沖光源系統(tǒng)具有依次設(shè)置的激光器、電光晶體、偏振盤，電光晶體由脈沖信號發(fā)生模塊和放大回路控制，轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)具有和膨脹臂、摩擦片、同軸轉(zhuǎn)子和壓簧片，膨脹臂一端固定，另一端與摩擦片相粘合，壓簧片一端固定，另一端和一彈簧相連，轉(zhuǎn)子與壓簧片、摩擦片相接。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是馬達(dá)輸出步距小、速度高，直接由激光驅(qū)動(dòng)，不需導(dǎo)線連接，因而結(jié)構(gòu)相對獨(dú)立，易于馬達(dá)的微小化，便于將驅(qū)動(dòng)器置于封閉空間(如真空腔)，并可實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距的自由控制?？赏诒姸嗫萍寂c工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
文檔編號H02N10/00GK1777013SQ200510061900
公開日2006年5月24日 申請日期2005年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月8日
發(fā)明者張冬仙, 何玉琳, 章海軍 申請人:浙江大學(xué)