專利名稱：電磁懸浮與驅(qū)動(dòng)的空間微運(yùn)動(dòng)機(jī)械裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電磁懸浮與驅(qū)動(dòng)的空間微運(yùn)動(dòng)機(jī)械裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，各種微操作器驅(qū)動(dòng)技術(shù)，雖然有多種微驅(qū)動(dòng)方法和驅(qū)動(dòng)器，如壓電驅(qū) 動(dòng)器、靜電驅(qū)動(dòng)器和形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器，但對微操作驅(qū)動(dòng)器的研究往往只論 述和側(cè)重于提高運(yùn)動(dòng)精度或分辨率這單一參數(shù)，雖然運(yùn)動(dòng)精度或分辨率可以達(dá) 到較高指標(biāo)，具有納米級甚至亞納米級的運(yùn)動(dòng)精度和分辨率，但是它們的運(yùn)動(dòng) 范圍卻很小， 一般只限于微米量級以下的小運(yùn)動(dòng)范圍，即現(xiàn)有的各種微驅(qū)動(dòng)方 法均不能兼顧高運(yùn)動(dòng)精度和大運(yùn)動(dòng)范圍這一矛盾。其次，當(dāng)前各種微操作器驅(qū) 動(dòng)技術(shù)，均采用單一形式的驅(qū)動(dòng)方式，可實(shí)現(xiàn)的自由度一般為單自由度和兩自 由度，難以滿足微操作器位置姿態(tài)調(diào)整需要的多自由度要求。因此，當(dāng)前各種 微操作器驅(qū)動(dòng)技術(shù)，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)速度較慢、加速度較小。 本發(fā)明內(nèi)容
針對當(dāng)前微操作器運(yùn)動(dòng)范圍小、自由度低、響應(yīng)慢的不足，本實(shí)用新型的 目的在于提供一種電磁懸浮與驅(qū)動(dòng)的空間微運(yùn)動(dòng)機(jī)械裝置。 本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
1. 一種電磁懸浮與驅(qū)動(dòng)的空間微運(yùn)動(dòng)方法
將微操作器固定在運(yùn)動(dòng)體上，在運(yùn)動(dòng)體的四個(gè)側(cè)面和底面分別嵌入一組永 磁陣列，與每組永磁陣列對應(yīng)布置一組導(dǎo)線陣列，當(dāng)運(yùn)動(dòng)體底面下的導(dǎo)線陣列
通入電流時(shí)，導(dǎo)線陣列產(chǎn)生的電磁場與永磁陣列產(chǎn)生的電磁場相互作用，使運(yùn) 動(dòng)體處于懸浮狀態(tài)；改變通過每組導(dǎo)線陣列電流的大小和方向，能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)體 上的微操作器所需6自由度的空間微運(yùn)動(dòng)。
每組導(dǎo)線陣列的高斯形磁場位置隨對應(yīng)永磁陣列同步移動(dòng)，始終保持兩磁 場的準(zhǔn)確作用位置。
2. —種電磁懸浮與驅(qū)動(dòng)的空間微運(yùn)動(dòng)機(jī)械裝置
包括四組導(dǎo)線陣列，四組永磁陣列，運(yùn)動(dòng)體，運(yùn)動(dòng)體底面下的一組永磁陣 列，運(yùn)動(dòng)體底面下的一組導(dǎo)線陣列，微操作器固定座。微操作器安裝在微操作 器固定座上，徽操作器固定座固定在運(yùn)動(dòng)體上，運(yùn)動(dòng)體的四個(gè)fll面和底面分別 嵌入一組永磁陣列，與分別嵌入一組永磁陣列的運(yùn)動(dòng)體的四個(gè)側(cè)面和底面，對 應(yīng)布置一組導(dǎo)線陣列。所述的微操作器為微探針、微吸管或微夾持器。
本實(shí)用新型具有的有益效果是采用磁懸浮技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)體在X、 Y、 Z方向的平動(dòng)及繞X、 Y、 Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等6自由度、大運(yùn)動(dòng)范圍、高運(yùn)動(dòng)精 度、快響應(yīng)速度的微運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)精度可達(dá)納米級、運(yùn)動(dòng)范圍可達(dá)毫米級。該裝 置主要適用于微機(jī)電系統(tǒng)、生物工程、集成電路芯片制造技術(shù)、分子原子操縱 等納米級大范圍運(yùn)動(dòng)操作領(lǐng)域。

圖1是本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中丄第一組導(dǎo)線陣列，2.第一組永磁陣列，3.運(yùn)動(dòng)體4.第二組導(dǎo)線陣列， 5.第二組永磁陣列，6.第三組永磁陣列，7.第三導(dǎo)線陣列，8.運(yùn)動(dòng)體底面下的一 組導(dǎo)線陣列，9.第四組導(dǎo)線陣列，IO.第四組永磁陣列，ll.微操作器固定座。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
如圖1所示，本實(shí)用新型包括包括四組導(dǎo)線陣列1、 4、 7、 9，四組永磁陣 列2、 5、 6、 10，運(yùn)動(dòng)體3，運(yùn)動(dòng)體底面下的一組永磁陣列，運(yùn)動(dòng)體底面下的一 組導(dǎo)線陣列8，微操作器固定座ll;微操作器安裝在微操作器固定座11上，微 操作器固定座11固定在運(yùn)動(dòng)體3上，運(yùn)動(dòng)體3的四個(gè)側(cè)面和底面分別嵌入一組 永磁陣列，與分別嵌入一組永磁陣列的運(yùn)動(dòng)體3的四個(gè)側(cè)面和底面，對應(yīng)布置 一組導(dǎo)線陣列。即第一組永磁陣列2與第一組導(dǎo)線陣列1、第二組永磁陣列5與 第二組導(dǎo)線陣列4、第三組永磁陣列6與第三組導(dǎo)線陣列7、第四組永磁陣列10 與第四組導(dǎo)線陣列9、運(yùn)動(dòng)體底面下的一組永磁陣列(圖中未標(biāo)出)與運(yùn)動(dòng)體底面 下的一組導(dǎo)線陣列8分別相對應(yīng)。運(yùn)動(dòng)體3由五組永磁陣列和導(dǎo)線陣列實(shí)現(xiàn)電 磁懸浮與驅(qū)動(dòng)，是一個(gè)多驅(qū)動(dòng)源的復(fù)雜系統(tǒng)。以上所述的微操作器為微探針、 微吸管或微夾持器等。
永磁陣列是由基本的Halbach陣列經(jīng)過二維矢量疊加而成的。這種方式排列 的磁體陣列， 一個(gè)表面產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度是常規(guī)排列方式的磁場強(qiáng)度的W倍，相 應(yīng)聚集的磁能是按常規(guī)排列方式的磁能的兩倍，而另一表面幾乎沒有磁場強(qiáng)度 存在。導(dǎo)線陣列產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度大小與磁場強(qiáng)度峰值的位置，隨通入導(dǎo)線陣列 的電流大小和方向而變化。在導(dǎo)線陣列中通入電流，則在導(dǎo)線陣列表面產(chǎn)生高 斯形的磁場強(qiáng)度波形。當(dāng)永磁陣列隨運(yùn)動(dòng)體運(yùn)動(dòng)時(shí)，改變導(dǎo)線陣列的不同導(dǎo)線 通電，可使導(dǎo)線陣列的高斯形磁場位置隨對應(yīng)永磁陣列同步移動(dòng)，始終保持導(dǎo) 線陣列和永磁陣列的兩磁場的準(zhǔn)確作用位置。
首先運(yùn)動(dòng)體底面下的一組導(dǎo)線陣列8中的某些導(dǎo)線通入電流，運(yùn)動(dòng)體底面 下的一組導(dǎo)線陣列8產(chǎn)生的電磁場與運(yùn)動(dòng)體底面下的一組永磁陣列(圖中未標(biāo)出)
產(chǎn)生的電磁場相互作用，使運(yùn)動(dòng)體處于懸浮狀態(tài)。
(1) 運(yùn)動(dòng)體在z方向的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)
運(yùn)動(dòng)體(微操作器)所需Z方向的運(yùn)動(dòng)軌跡和位移等參數(shù)經(jīng)數(shù)學(xué)變換后， 轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。通過此參數(shù)，改變運(yùn)動(dòng)體底面下的一組導(dǎo)線陣列8 中的電流大小，使運(yùn)動(dòng)體底面下的一組導(dǎo)線陣列8產(chǎn)生的磁場和運(yùn)動(dòng)體底面下
的一組永磁陣列(圖中未標(biāo)出)的磁場相互作用力大小變化，實(shí)現(xiàn)z方向的位置移
動(dòng)；同時(shí)，改變通過四組導(dǎo)線陣列l(wèi)、 4、 7、 9電流的大小和方向，使側(cè)面導(dǎo)線 陣列的高斯形磁場位置分別隨四組永磁陣列2、 5、 6、 10同步移動(dòng)，始終保持 兩磁場的準(zhǔn)確作用位置，保持運(yùn)動(dòng)體的穩(wěn)定。
(2) 運(yùn)動(dòng)體在X方向的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)
運(yùn)動(dòng)體(微操作器)所需X方向的運(yùn)動(dòng)軌跡和位移等參數(shù)經(jīng)數(shù)學(xué)變換后， 轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)；通過此參數(shù)，改變第二、第四組導(dǎo)線陣列4、 9中的 電流大小，使第二、第四組導(dǎo)線陣列4、 9的磁場和第二、第四組永磁陣列5、 IO的磁場相互作用力大小，按相反的方向變化，實(shí)現(xiàn)X方向的位置移動(dòng)；同時(shí)， 改變運(yùn)動(dòng)體底面下的一組導(dǎo)線陣列8和第一、第三組導(dǎo)線陣列l(wèi)、 7中電流的大 小和方向，使導(dǎo)線陣列的高斯形磁場位置分別隨運(yùn)動(dòng)體底面下的一組永磁陣列 (圖中未標(biāo)出)和第一、第三組永磁陣列2、 6同步移動(dòng)，始終保持兩磁場的準(zhǔn)確 作用位置，保持運(yùn)動(dòng)體的穩(wěn)定。
(3) 運(yùn)動(dòng)體在Y方向的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)
運(yùn)動(dòng)體(微操作器)所需Y方向的運(yùn)動(dòng)軌跡和位移等參數(shù)經(jīng)數(shù)學(xué)變換后， 轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)；通過此參數(shù)，改變第一、第三組導(dǎo)線陣列l(wèi)、 7中的 電流大小，使第一、第三組導(dǎo)線陣列l(wèi)、 7的磁場和第一、第三組永磁陣列2、 6 的磁場相互作用力大小，按相反的方向變化，實(shí)現(xiàn)Y方向的位置移動(dòng)；同時(shí)， 改變運(yùn)動(dòng)體底面下的一組導(dǎo)線陣列8和第二、第四組導(dǎo)線陣列4、 9中電流的大 小和方向，使導(dǎo)線陣列的高斯形磁場位置分別隨運(yùn)動(dòng)體底面下的一組永磁陣列 (圖中未標(biāo)出)和第二、第四組永磁陣列5、 10同步移動(dòng)，始終保持兩磁場的準(zhǔn) 確作用位置，保持運(yùn)動(dòng)體的穩(wěn)定。
(4) 運(yùn)動(dòng)體繞X軸旋轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)
運(yùn)動(dòng)體繞X軸旋轉(zhuǎn)是通過改變運(yùn)動(dòng)體底面下的一組導(dǎo)線陣列8的電流大小
和方向來實(shí)現(xiàn)的。
運(yùn)動(dòng)體(微操作器)所需繞X軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡和角位移等參數(shù)經(jīng)數(shù)學(xué)變換 后，轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)；通過此參數(shù),改變運(yùn)動(dòng)體底面下的一組導(dǎo)線陣列 8中的電流大小和方向，使運(yùn)動(dòng)體底面下的一組導(dǎo)線陣列8產(chǎn)生的磁場和運(yùn)動(dòng)體
底面下的一組永磁陣列(圖中未標(biāo)出)的磁場相互作用力大小,在Y軸的正負(fù)方向 按相反的規(guī)律變化，實(shí)現(xiàn)繞X軸旋轉(zhuǎn)；同時(shí)，改變通過四組導(dǎo)線陣列l(wèi)、 4、 7、 9中電流的大小和方向，使導(dǎo)線陣列的高斯形磁場位置可隨永磁陣列同步移動(dòng)， 始終保持兩磁場的準(zhǔn)確作用位置，保持運(yùn)動(dòng)體的穩(wěn)定。
(5) 運(yùn)動(dòng)體繞Y軸旋轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)
運(yùn)動(dòng)體繞Y軸旋轉(zhuǎn)是通過改變運(yùn)動(dòng)體底面下的一組導(dǎo)線陣列8的電流大小
和方向來實(shí)現(xiàn)的。
運(yùn)動(dòng)體(微操作器)所需繞Y軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡和角位移等參數(shù)經(jīng)數(shù)學(xué)變換 后，轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)；通過此參數(shù)，改變運(yùn)動(dòng)體底面下的一組導(dǎo)線陣列 8中的電流大小和方向，使運(yùn)動(dòng)體底面下的一組導(dǎo)線陣列8產(chǎn)生的磁場和運(yùn)動(dòng)體 底面下的 -組永磁陣列(圖中未標(biāo)出)的磁場相互作用力大小，在X軸的正負(fù)方向 按相反的規(guī)律變化，實(shí)現(xiàn)繞Y軸旋轉(zhuǎn)；同時(shí)，改變通過四組導(dǎo)線陣列l(wèi)、 4、 7、 9中電流的大小和方向，使導(dǎo)線陣列的高斯形磁場位置可隨永磁陣列同步移動(dòng)， 始終保持兩磁場的準(zhǔn)確作用位置，保持運(yùn)動(dòng)體的穩(wěn)定。
(6) 運(yùn)動(dòng)體繞Z軸旋轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)
運(yùn)動(dòng)體繞Z軸旋轉(zhuǎn)是通過改變四組導(dǎo)線陣列1、 4、 7、 9的電流大小和方向
來實(shí)現(xiàn)的。
運(yùn)動(dòng)體(微操作器)所需繞Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡和角位移等參數(shù)經(jīng)數(shù)學(xué)變換 后，轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)；通過此參數(shù)，改變四組導(dǎo)線陣列l(wèi)、 4、 7、 9中 的電流大小，使四組導(dǎo)線陣列1、 4、 7、 9的磁場和四組永磁陣列2、 5、 6、 10 的磁場分別相互作用力的大小變化，實(shí)現(xiàn)繞Z軸旋轉(zhuǎn)；同時(shí)，改變通過運(yùn)動(dòng)體 底面下的一組導(dǎo)線陣列8中電流的大小和方向，使導(dǎo)線陣列的高斯形磁場位置 可隨運(yùn)動(dòng)體底面下的一組永磁陣列(圖中未標(biāo)出)同步移動(dòng)，始終保持兩磁場的準(zhǔn) 確作用位置，保持運(yùn)動(dòng)體的穩(wěn)定。
上述具體實(shí)施方式
用來解釋說明本實(shí)用新型，而不是對本進(jìn)行限制，在本 實(shí)用新型的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本實(shí)用新型作出的任何修改和改 變，都落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種電磁懸浮與驅(qū)動(dòng)的空間微運(yùn)動(dòng)機(jī)械裝置，其特征在于包括四組導(dǎo)線陣列，四組永磁陣列，運(yùn)動(dòng)體，運(yùn)動(dòng)體底面下的一組永磁陣列，運(yùn)動(dòng)體底面下的一組導(dǎo)線陣列，微操作器固定座；微操作器安裝在微操作器固定座上，微操作器固定座固定在運(yùn)動(dòng)體上，運(yùn)動(dòng)體的四個(gè)側(cè)面和底面分別嵌入一組永磁陣列，與分別嵌入一組永磁陣列的運(yùn)動(dòng)體的四個(gè)側(cè)面和底面，對應(yīng)布置一組導(dǎo)線陣列。
2. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電磁懸浮與驅(qū)動(dòng)的空間微運(yùn)動(dòng)機(jī)械裝置，其特征在于所述的微操作器為微探針、微吸管或微夾持器。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種電磁懸浮與驅(qū)動(dòng)的空間微運(yùn)動(dòng)機(jī)械裝置。將微操作器固定在運(yùn)動(dòng)體上，在運(yùn)動(dòng)體的四個(gè)側(cè)面和底面分別嵌入一組永磁陣列，與每組永磁陣列對應(yīng)布置一組導(dǎo)線陣列，當(dāng)運(yùn)動(dòng)體底面下的導(dǎo)線陣列通入電流時(shí)，導(dǎo)線陣列產(chǎn)生的電磁場與永磁陣列產(chǎn)生的電磁場相互作用，使運(yùn)動(dòng)體處于懸浮狀態(tài)；改變通過每組導(dǎo)線陣列電流的大小和方向，能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)體上的微操作器所需6自由度的空間微運(yùn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)范圍大、運(yùn)動(dòng)精度高、響應(yīng)快的納米級大范圍運(yùn)動(dòng)。該裝置主要適用于微機(jī)電系統(tǒng)、生物工程、集成電路芯片制造技術(shù)、分子原子操縱等納米級大范圍運(yùn)動(dòng)操作領(lǐng)域。
文檔編號H02N15/00GK201001090SQ20062010860
公開日2008年1月2日 申請日期2006年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月12日
發(fā)明者孫政榮, 濤 楊, 潘科榮, 王俊茹, 陳本永 申請人:浙江理工大學(xué)