基于剪切壓電效應(yīng)的微型納米馬達的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于剪切壓電效應(yīng)的微型納米馬達，包括夾持機構(gòu)、剪切壓電陶瓷驅(qū)動器、預(yù)緊機構(gòu)以及輸出件，所述剪切壓電陶瓷驅(qū)動器通過預(yù)緊機構(gòu)對夾持機構(gòu)施加的預(yù)緊力與輸出件的驅(qū)動面相觸接，所述輸出件為中空結(jié)構(gòu)，且輸出件與行進方向相平行的各表面除驅(qū)動面外均為鏤空板面。由此可知：本申請可以在很大程度上降低輸出件的重量，增大了剪切壓電疊堆馬達的驅(qū)動能力，使其能在更低的溫度下實現(xiàn)較低電壓的行走；同時，本發(fā)明具有更大的步進行程，納米馬達可帶動輸出件連同其上設(shè)置的部件實現(xiàn)厘米范圍的大行程前進和后退。
【專利說明】基于剪切壓電效應(yīng)的微型納米馬達
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微驅(qū)動系統(tǒng)，特別涉及一種基于剪切壓電效應(yīng)的微型納米馬達，屬于壓電定位器【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]納米技術(shù)是用單個原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)，研究結(jié)構(gòu)尺寸在0.1至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用。隨著納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，又引發(fā)了一系統(tǒng)新的科學(xué)技術(shù)，如納米物理學(xué)、納米生物學(xué)、納米化學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工技術(shù)和納米計量學(xué)等，而納米馬達正是納米科技研究中用于納米定位和納米測量的新型微驅(qū)動系統(tǒng)。
[0003]納米馬達是指利用壓電陶瓷、電致伸縮材料的聲震動和微小變形將電能轉(zhuǎn)換為機械部件移動形式的新型微驅(qū)動器。由于具有納米級定位精度、毫米級行程、結(jié)構(gòu)簡單牢固，驅(qū)動力大等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于納米技術(shù)、微機械和微系統(tǒng)、通訊傳感技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、光電子技術(shù)、電子掃描技術(shù)、微生物技術(shù)和航空航天等領(lǐng)域，特別是極低溫和超強磁場等極端條件下的納米科學(xué)研究中的理想定位裝置。
[0004]基于剪切壓電效應(yīng)的微型納米馬達，是由美國加州大學(xué)的S.H.Pan發(fā)明的，以其在低溫和超高真空環(huán)境下極高的剛性和穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用。工作原理為:六個剪切壓電體彈壓在待移動物體表面將其夾住，給其中一個剪切壓電體通一電壓信號使之產(chǎn)生切向形變，它在待移物體上的接觸面就沿切向滑移，但不會移動待移物體，因單個壓電體產(chǎn)生的摩擦力不足以克服剩余壓電體的總摩擦力。故可逐次使所有剪切壓電體朝同一方向滑離原接觸點，而待移物體仍保持原位。當(dāng)所有剪切壓電體上的電壓信號同時撤銷，就會對待移物體產(chǎn)生相同方向的摩擦力，使其沿該方向移動一步，如此往復(fù)可使待移物體步進。因剪切壓電體都通過長作用范圍的彈力夾住待移物體而非以應(yīng)力直接去夾，故在大溫差時也不會在壓電體和待移物體間產(chǎn)生過大或過小的夾力，壓電體不會碎裂。但此款馬達尚存在較大缺陷:待移物體為重量較大的藍寶石棱柱，需要較高的電壓才能驅(qū)動其移動，同時使用六個獨立的高壓驅(qū)動信號，大大增加了驅(qū)動設(shè)備的采購成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有納米馬達所存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于剪切壓電效應(yīng)的微型納米馬達，在已有的廣泛使用的剪切壓電納米馬達的基礎(chǔ)上，通過對待移物體的優(yōu)化改進設(shè)計和驅(qū)動電壓信號通道的減少，增大了納米馬達的驅(qū)動力，降低了微型納米馬達的制作成本。
[0006]為實現(xiàn)以上的技術(shù)目的，本發(fā)明將采取以下的技術(shù)方案:
一種基于剪切壓電效應(yīng)的微型納米馬達，包括夾持機構(gòu)、剪切壓電陶瓷驅(qū)動器、預(yù)緊機構(gòu)以及輸出件，所述剪切壓電陶瓷驅(qū)動器通過預(yù)緊機構(gòu)對夾持機構(gòu)施加的預(yù)緊力與輸出件的驅(qū)動面相觸接，所述輸出件為中空結(jié)構(gòu)，且輸出件與行進方向相平行的各表面除驅(qū)動面外均為鏤空板面。[0007]作為本發(fā)明的進一步改進，所述輸出件為中空狀長方體，該中空狀長方體沿輸出件行進方向延伸的兩組相對設(shè)置的平面中，其中一組為驅(qū)動面，另一組則為非驅(qū)動面，所述的非驅(qū)動面對應(yīng)的板面鏤空板面。
[0008]作為本發(fā)明的進一步改進，所述的剪切壓電陶瓷驅(qū)動器包括4個剪切壓電疊堆；輸出件的兩個驅(qū)動面分別配置兩個剪切壓電疊堆，且兩個驅(qū)動面上的兩個剪切壓電疊堆之間間距一致。
[0009]作為本發(fā)明的進一步改進，所述夾持機構(gòu)包括基座以及陶瓷片，基座對應(yīng)于輸出件的形狀以及剪切壓電陶瓷驅(qū)動器的布置需求開設(shè)半封閉空腔，所述半封閉空腔的形狀與輸出件的外形相適配，陶瓷片的置放位置與半封閉空腔的敞口端相鄰近；所述的一個驅(qū)動面配置的兩個剪切壓電疊堆粘接在基座的半封閉空腔內(nèi)壁，另一個驅(qū)動面配置的兩個剪切壓電疊堆則粘結(jié)在陶瓷片上。
[0010]作為本發(fā)明的進一步改進，所述預(yù)緊機構(gòu)包括彈片，所述彈片的端部通過螺絲安裝在基座半封閉空腔的敞口端，而彈片的中部通過圓珠與陶瓷片相抵觸。
[0011]作為本發(fā)明的進一步改進，所述彈片為金屬薄片或者蝶形彈簧。
[0012]作為本發(fā)明的進一步改進，所述鏤空板面為矩形框，該矩形框與輸出件行進方向相平行的兩框架板之間通過I根以上的橫向連接筋連接。
[0013]作為本發(fā)明的進一步改進，所述輸出件采用金屬鈦、藍寶石或者無磁不銹鋼制成。
[0014]根據(jù)以上的技術(shù)方案，相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下的優(yōu)點:
1、本發(fā)明所述輸出件采用中空結(jié)構(gòu)，且輸出件與行進方向相平行的各表面除驅(qū)動面外均為鏤空板面，因此，本申請可以在很大程度上降低輸出件的重量，增大了剪切壓電疊堆馬達的驅(qū)動能力，使其能在更低的溫度下實現(xiàn)較低電壓的行走；同時，本發(fā)明具有更大的步進行程，納米馬達可帶動輸出件連同其上設(shè)置的部件實現(xiàn)厘米范圍的大行程前進和后退；
2、本發(fā)明所述輸出件采用中空狀長方體結(jié)構(gòu)，因此，只需要4個剪切壓電疊堆即可進行輸出件的步進驅(qū)動，減少了驅(qū)動電壓信號通道，極大地降低了剪切壓電疊堆納米馬達的制作成本；
3、本發(fā)明所述夾緊結(jié)構(gòu)包括基座以及陶瓷片，基座對應(yīng)于輸出件的形狀以及剪切壓電陶瓷驅(qū)動器的布置需求開設(shè)半封閉空腔，4個剪切壓電疊堆中，其中兩個粘貼在半封閉空腔內(nèi)壁，余下兩個則粘貼在陶瓷片上，并通過預(yù)緊機構(gòu)施加的預(yù)緊力，使得4個剪切壓電疊堆均與輸出件的驅(qū)動面相觸，由此可知，本發(fā)明具有更加簡單牢固的結(jié)構(gòu)，使之不易受外界震動的干擾。
[0015]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明所述微型納米馬達的縱向剖切的左視圖；
圖2是本發(fā)明所述微型納米馬達的橫向剖切的俯視圖；
圖3是本發(fā)明所述微型納米馬達的工作原理圖；
圖中:基座I ;輸出件2 ;剪切壓電疊堆3 ;陶瓷片4 ;圓珠5 ;彈片6。
【具體實施方式】[0017]附圖非限制性地公開了本發(fā)明所涉及優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；以下將結(jié)合附圖詳細地說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0018]如圖1和圖2所示，本發(fā)明所述微型納米馬達包括夾持機構(gòu)、剪切壓電陶瓷驅(qū)動器、預(yù)緊機構(gòu)以及輸出件，其中:
所述輸出件，呈中空狀長方體，該中空狀長方體沿長度方向延伸的兩組相對設(shè)置的平面中，其中一組為驅(qū)動面，另一組則為非驅(qū)動面，所述的非驅(qū)動面對應(yīng)的板面呈鏤空狀，本申請將非驅(qū)動面所對應(yīng)板面開設(shè)呈框狀結(jié)構(gòu)；本申請中，所述輸出件采用金屬鈦制成，當(dāng)然也可以為其他能夠滿足環(huán)境需求材料，比如無磁不銹鋼；
所述夾持機構(gòu)，包括基座以及陶瓷片，基座對應(yīng)于輸出件的形狀以及剪切壓電陶瓷驅(qū)動器的布置需求開設(shè)半封閉空腔，本申請中，半封閉空腔的形狀與輸出件的外形相適配，陶瓷片的置放位置與半封閉空腔的敞口端相鄰近；
所述剪切壓電陶瓷驅(qū)動器，包括多個剪切壓電疊堆，本申請中，為四個，輸出件的兩個驅(qū)動面分別配置兩個剪切壓電疊堆，且兩個驅(qū)動面上的兩個剪切壓電疊堆等間距設(shè)置；另外，前述的一個驅(qū)動面配置的兩個剪切壓電疊堆，通過粘接的方式粘接在基座的半封閉空腔內(nèi)壁，另一個驅(qū)動面配置的兩個剪切壓電疊堆，通過粘接的方式粘結(jié)在陶瓷片上；
所述預(yù)緊機構(gòu)，通過對陶瓷片施加面向半封閉空腔的敞口端的相對端的預(yù)緊力，以將剪切壓電陶瓷驅(qū)動器通過擠壓的方式設(shè)置在輸出件的驅(qū)動面，所施加的預(yù)緊力大小，可以根據(jù)剪切壓電陶瓷驅(qū)動器與輸出件驅(qū)動面之間的摩擦力大小需求來確定；本申請中，所述預(yù)緊機構(gòu)包括彈片，所·述彈片的端部通過螺絲安裝在基座半封閉空腔的敞口端，而彈片的中部通過圓珠與陶瓷片相抵觸；所述圓珠采用藍寶石等摩擦系數(shù)較小、材質(zhì)剛度較大的材料制成，所述彈片為一切可以進行彈性形變的薄片或者蝶形彈簧。
[0019]如圖3所示，圖中3a_3d表示4個用于驅(qū)動輸出件作步進運動的剪切壓電疊堆，本發(fā)明所述微型納米馬達的工作原理是:
t0時刻，給四個剪切壓電疊堆3a_3d同時施加一個相同大小的負電壓信號,根據(jù)剪切壓電片的壓電效應(yīng)，四個剪切壓電疊堆將沿同一切向產(chǎn)生一定大小的伸縮，在摩擦力的作用下帶動鈦滑塊前進一定距離后保持伸長狀態(tài)。
[0020]時刻,將其中一個剪切壓電疊堆上的負電壓信號3a變?yōu)檎妷盒盘?對應(yīng)的剪切壓電疊堆將向相反方向伸長，由于一個剪切壓電疊堆與鈦滑塊間的摩擦力小于其余三個的摩擦力之和，此剪切壓電疊堆將相對鈦滑塊向后產(chǎn)生滑動到達一新位置，然后保持；t2時亥IJ，同樣將第二個剪切壓電疊堆3b上的負電壓信號變?yōu)檎妷盒盘?，同樣將會使其相對鈦滑塊向后產(chǎn)生滑動到達一新位置，然后保持；t3時刻，同樣將第二個剪切壓電疊堆3c上的負電壓信號變?yōu)檎妷盒盘?，同樣將會使其相對鈦滑塊向后產(chǎn)生滑動到達一新位置，然后保持；t4時刻，同樣將第二個剪切壓電疊堆3d上的負電壓信號變?yōu)檎妷盒盘?，同樣將會使其相對鈦滑塊向后產(chǎn)生滑動到達一新位置，然后保持；
t5時刻，同時撤除施加在四個剪切壓電疊堆上的電壓信號，剪切壓電疊堆將恢復(fù)至未伸縮狀態(tài)，在四個摩擦力的作用下將會帶動鈦滑塊前進一定距離，進而完成了一步行走。
[0021]按照?(Γ?5時刻對應(yīng)的步驟，往復(fù)操作，可驅(qū)動鈦滑塊不斷向前步進。
[0022]鈦滑塊向后步進的工作原理與之相同，只是所施加的驅(qū)動電壓信號的相位角比正 向步進的驅(qū)動電壓相位角相差180°。
【權(quán)利要求】
1.一種基于剪切壓電效應(yīng)的微型納米馬達，包括夾持機構(gòu)、剪切壓電陶瓷驅(qū)動器、預(yù)緊機構(gòu)以及輸出件，所述剪切壓電陶瓷驅(qū)動器通過預(yù)緊機構(gòu)對夾持機構(gòu)施加的預(yù)緊力與輸出件的驅(qū)動面相觸接，其特征在于:所述輸出件為中空結(jié)構(gòu)，且輸出件與行進方向相平行的各表面除驅(qū)動面外均為鏤空板面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于剪切壓電效應(yīng)的微型納米馬達，其特征在于:所述輸出件為中空狀長方體，該中空狀長方體沿輸出件行進方向延伸的兩組相對設(shè)置的平面中，其中一組為驅(qū)動面，另一組則為非驅(qū)動面，所述的非驅(qū)動面對應(yīng)的板面鏤空板面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于剪切壓電效應(yīng)的微型納米馬達，其特征在于:所述的剪切壓電陶瓷驅(qū)動器包括4個剪切壓電疊堆；輸出件的兩個驅(qū)動面分別配置兩個剪切壓電疊堆，且兩個驅(qū)動面上的兩個剪切壓電疊堆之間間距一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于剪切壓電效應(yīng)的微型納米馬達，其特征在于:所述夾持機構(gòu)包括基座以及陶瓷片，基座對應(yīng)于輸出件的形狀以及剪切壓電陶瓷驅(qū)動器的布置需求開設(shè)半封閉空腔，所述半封閉空腔的形狀與輸出件的外形相適配，陶瓷片的置放位置與半封閉空腔的敞口端相鄰近；所述的一個驅(qū)動面配置的兩個剪切壓電疊堆粘接在基座的半封閉空腔內(nèi)壁，另一個驅(qū)動面配置的兩個剪切壓電疊堆則粘結(jié)在陶瓷片上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述基于剪切壓電效應(yīng)的微型納米馬達，其特征在于:所述預(yù)緊機構(gòu)包括彈片，所述彈片的端部通過螺絲安裝在基座半封閉空腔的敞口端，而彈片的中部通過圓珠與陶瓷片相抵觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于剪切壓電效應(yīng)的微型納米馬達，其特征在于:所述彈片為金屬薄片或者蝶形彈簧。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于剪切壓電效應(yīng)的微型納米馬達，其特征在于:所述鏤空板面為矩形框，該矩形框與輸出件行進方向相平行的兩框架板之間通過I根以上的橫向連接筋連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于剪切壓電效應(yīng)的微型納米馬達，其特征在于:所述輸出件采用金屬鈦或者無磁不銹鋼制成。
【文檔編號】H02N2/02GK103427703SQ201310292188
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2013年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月11日
【發(fā)明者】龐宗強, 李茂保 申請人:南京郵電大學(xué)