CN103427703A - 基于剪切压电效应的微型纳米马达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于剪切压电效应的微型纳米马达，包括夹持机构、剪切压电陶瓷驱动器、预紧机构以及输出件，所述剪切压电陶瓷驱动器通过预紧机构对夹持机构施加的预紧力与输出件的驱动面相触接，所述输出件为中空结构，且输出件与行进方向相平行的各表面除驱动面外均为镂空板面。由此可知：本申请可以在很大程度上降低输出件的重量，增大了剪切压电叠堆马达的驱动能力，使其能在更低的温度下实现较低电压的行走；同时，本发明具有更大的步进行程，纳米马达可带动输出件连同其上设置的部件实现厘米范围的大行程前进和后退。
Description
技术领域
本发明涉及一种微驱动系统，特别涉及一种基于剪切压电效应的微型纳米马达，属于压电定位器技术领域。
背景技术
纳米技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。随着纳米科学技术的发展，又引发了一系统新的科学技术，如纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等,而纳米马达正是纳米科技研究中用于纳米定位和纳米测量的新型微驱动系统。
纳米马达是指利用压电陶瓷、电致伸缩材料的声震动和微小变形将电能转换为机械部件移动形式的新型微驱动器。由于具有纳米级定位精度、毫米级行程、结构简单牢固，驱动力大等优点，被广泛应用于纳米技术、微机械和微系统、通讯传感技术、半导体技术、光电子技术、电子扫描技术、微生物技术和航空航天等领域，特别是极低温和超强磁场等极端条件下的纳米科学研究中的理想定位装置。
基于剪切压电效应的微型纳米马达，是由美国加州大学的S.H.Pan发明的，以其在低温和超高真空环境下极高的刚性和稳定性而被广泛应用。工作原理为：六个剪切压电体弹压在待移动物体表面将其夹住，给其中一个剪切压电体通一电压信号使之产生切向形变，它在待移物体上的接触面就沿切向滑移，但不会移动待移物体，因单个压电体产生的摩擦力不足以克服剩余压电体的总摩擦力。故可逐次使所有剪切压电体朝同一方向滑离原接触点，而待移物体仍保持原位。当所有剪切压电体上的电压信号同时撤销，就会对待移物体产生相同方向的摩擦力，使其沿该方向移动一步，如此往复可使待移物体步进。因剪切压电体都通过长作用范围的弹力夹住待移物体而非以应力直接去夹，故在大温差时也不会在压电体和待移物体间产生过大或过小的夹力，压电体不会碎裂。但此款马达尚存在较大缺陷：待移物体为重量较大的蓝宝石棱柱，需要较高的电压才能驱动其移动，同时使用六个独立的高压驱动信号，大大增加了驱动设备的采购成本。
发明内容
为了解决现有纳米马达所存在的问题，本发明提供了一种基于剪切压电效应的微型纳米马达，在已有的广泛使用的剪切压电纳米马达的基础上，通过对待移物体的优化改进设计和驱动电压信号通道的减少，增大了纳米马达的驱动力，降低了微型纳米马达的制作成本。
为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：
一种基于剪切压电效应的微型纳米马达，包括夹持机构、剪切压电陶瓷驱动器、预紧机构以及输出件，所述剪切压电陶瓷驱动器通过预紧机构对夹持机构施加的预紧力与输出件的驱动面相触接，所述输出件为中空结构，且输出件与行进方向相平行的各表面除驱动面外均为镂空板面。
作为本发明的进一步改进，所述输出件为中空状长方体，该中空状长方体沿输出件行进方向延伸的两组相对设置的平面中，其中一组为驱动面，另一组则为非驱动面，所述的非驱动面对应的板面镂空板面。
作为本发明的进一步改进，所述的剪切压电陶瓷驱动器包括4个剪切压电叠堆；输出件的两个驱动面分别配置两个剪切压电叠堆，且两个驱动面上的两个剪切压电叠堆之间间距一致。
作为本发明的进一步改进，所述夹持机构包括基座以及陶瓷片，基座对应于输出件的形状以及剪切压电陶瓷驱动器的布置需求开设半封闭空腔，所述半封闭空腔的形状与输出件的外形相适配，陶瓷片的置放位置与半封闭空腔的敞口端相邻近；所述的一个驱动面配置的两个剪切压电叠堆粘接在基座的半封闭空腔内壁，另一个驱动面配置的两个剪切压电叠堆则粘结在陶瓷片上。
作为本发明的进一步改进，所述预紧机构包括弹片，所述弹片的端部通过螺丝安装在基座半封闭空腔的敞口端，而弹片的中部通过圆珠与陶瓷片相抵触。
作为本发明的进一步改进，所述弹片为金属薄片或者蝶形弹簧。
作为本发明的进一步改进，所述镂空板面为矩形框，该矩形框与输出件行进方向相平行的两框架板之间通过1根以上的横向连接筋连接。
作为本发明的进一步改进，所述输出件采用金属钛、蓝宝石或者无磁不锈钢制成。
根据以上的技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下的优点：
1、本发明所述输出件采用中空结构，且输出件与行进方向相平行的各表面除驱动面外均为镂空板面，因此，本申请可以在很大程度上降低输出件的重量，增大了剪切压电叠堆马达的驱动能力，使其能在更低的温度下实现较低电压的行走；同时，本发明具有更大的步进行程，纳米马达可带动输出件连同其上设置的部件实现厘米范围的大行程前进和后退；
2、本发明所述输出件采用中空状长方体结构，因此，只需要4个剪切压电叠堆即可进行输出件的步进驱动，减少了驱动电压信号通道，极大地降低了剪切压电叠堆纳米马达的制作成本；
3、本发明所述夹紧结构包括基座以及陶瓷片，基座对应于输出件的形状以及剪切压电陶瓷驱动器的布置需求开设半封闭空腔，4个剪切压电叠堆中，其中两个粘贴在半封闭空腔内壁，余下两个则粘贴在陶瓷片上，并通过预紧机构施加的预紧力，使得4个剪切压电叠堆均与输出件的驱动面相触，由此可知，本发明具有更加简单牢固的结构，使之不易受外界震动的干扰。
附图说明
图1是本发明所述微型纳米马达的纵向剖切的左视图；
图2是本发明所述微型纳米马达的横向剖切的俯视图；
图3是本发明所述微型纳米马达的工作原理图；
图中：基座1；输出件2；剪切压电叠堆3；陶瓷片4；圆珠5；弹片6。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
如图1和图2所示，本发明所述微型纳米马达包括夹持机构、剪切压电陶瓷驱动器、预紧机构以及输出件，其中：
所述输出件，呈中空状长方体，该中空状长方体沿长度方向延伸的两组相对设置的平面中，其中一组为驱动面，另一组则为非驱动面，所述的非驱动面对应的板面呈镂空状，本申请将非驱动面所对应板面开设呈框状结构；本申请中，所述输出件采用金属钛制成，当然也可以为其他能够满足环境需求材料，比如无磁不锈钢；
所述夹持机构，包括基座以及陶瓷片，基座对应于输出件的形状以及剪切压电陶瓷驱动器的布置需求开设半封闭空腔，本申请中，半封闭空腔的形状与输出件的外形相适配，陶瓷片的置放位置与半封闭空腔的敞口端相邻近；
所述剪切压电陶瓷驱动器，包括多个剪切压电叠堆，本申请中，为四个，输出件的两个驱动面分别配置两个剪切压电叠堆，且两个驱动面上的两个剪切压电叠堆等间距设置；
另外，前述的一个驱动面配置的两个剪切压电叠堆，通过粘接的方式粘接在基座的半封闭空腔内壁，另一个驱动面配置的两个剪切压电叠堆，通过粘接的方式粘结在陶瓷片上；
所述预紧机构，通过对陶瓷片施加面向半封闭空腔的敞口端的相对端的预紧力，以将剪切压电陶瓷驱动器通过挤压的方式设置在输出件的驱动面，所施加的预紧力大小，可以根据剪切压电陶瓷驱动器与输出件驱动面之间的摩擦力大小需求来确定；本申请中，所述预紧机构包括弹片，所述弹片的端部通过螺丝安装在基座半封闭空腔的敞口端，而弹片的中部通过圆珠与陶瓷片相抵触；所述圆珠采用蓝宝石等摩擦系数较小、材质刚度较大的材料制成，所述弹片为一切可以进行弹性形变的薄片或者蝶形弹簧。
如图3所示，图中3a-3d表示4个用于驱动输出件作步进运动的剪切压电叠堆，本发明所述微型纳米马达的工作原理是：
t0时刻，给四个剪切压电叠堆3a-3d同时施加一个相同大小的负电压信号，根据剪切压电片的压电效应，四个剪切压电叠堆将沿同一切向产生一定大小的伸缩，在摩擦力的作用下带动钛滑块前进一定距离后保持伸长状态。
t1时刻，将其中一个剪切压电叠堆上的负电压信号3a变为正电压信号，对应的剪切压电叠堆将向相反方向伸长，由于一个剪切压电叠堆与钛滑块间的摩擦力小于其余三个的摩擦力之和，此剪切压电叠堆将相对钛滑块向后产生滑动到达一新位置，然后保持；t2时刻，同样将第二个剪切压电叠堆3b上的负电压信号变为正电压信号，同样将会使其相对钛滑块向后产生滑动到达一新位置，然后保持；t3时刻，同样将第二个剪切压电叠堆3c上的负电压信号变为正电压信号，同样将会使其相对钛滑块向后产生滑动到达一新位置，然后保持；t4时刻，同样将第二个剪切压电叠堆3d上的负电压信号变为正电压信号，同样将会使其相对钛滑块向后产生滑动到达一新位置，然后保持；
t5时刻，同时撤除施加在四个剪切压电叠堆上的电压信号，剪切压电叠堆将恢复至未伸缩状态，在四个摩擦力的作用下将会带动钛滑块前进一定距离，进而完成了一步行走。
按照t0-t5时刻对应的步骤，往复操作，可驱动钛滑块不断向前步进。
钛滑块向后步进的工作原理与之相同，只是所施加的驱动电压信号的相位角比正向步进的驱动电压相位角相差180°。
Claims (8)
1.一种基于剪切压电效应的微型纳米马达，包括夹持机构、剪切压电陶瓷驱动器、预紧机构以及输出件，所述剪切压电陶瓷驱动器通过预紧机构对夹持机构施加的预紧力与输出件的驱动面相触接，其特征在于：所述输出件为中空结构，且输出件与行进方向相平行的各表面除驱动面外均为镂空板面。
2.根据权利要求1所述基于剪切压电效应的微型纳米马达，其特征在于：所述输出件为中空状长方体，该中空状长方体沿输出件行进方向延伸的两组相对设置的平面中，其中一组为驱动面，另一组则为非驱动面，所述的非驱动面对应的板面镂空板面。
3.根据权利要求2所述基于剪切压电效应的微型纳米马达，其特征在于：所述的剪切压电陶瓷驱动器包括4个剪切压电叠堆；输出件的两个驱动面分别配置两个剪切压电叠堆，且两个驱动面上的两个剪切压电叠堆之间间距一致。
4.根据权利要求3所述基于剪切压电效应的微型纳米马达，其特征在于：所述夹持机构包括基座以及陶瓷片，基座对应于输出件的形状以及剪切压电陶瓷驱动器的布置需求开设半封闭空腔，所述半封闭空腔的形状与输出件的外形相适配，陶瓷片的置放位置与半封闭空腔的敞口端相邻近；所述的一个驱动面配置的两个剪切压电叠堆粘接在基座的半封闭空腔内壁，另一个驱动面配置的两个剪切压电叠堆则粘结在陶瓷片上。
5.根据权利要求4所述基于剪切压电效应的微型纳米马达，其特征在于：所述预紧机构包括弹片，所述弹片的端部通过螺丝安装在基座半封闭空腔的敞口端，而弹片的中部通过圆珠与陶瓷片相抵触。
6.根据权利要求5所述基于剪切压电效应的微型纳米马达，其特征在于：所述弹片为金属薄片或者蝶形弹簧。
7.根据权利要求1所述基于剪切压电效应的微型纳米马达，其特征在于：所述镂空板面为矩形框，该矩形框与输出件行进方向相平行的两框架板之间通过1根以上的横向连接筋连接。
8.根据权利要求1所述基于剪切压电效应的微型纳米马达，其特征在于：所述输出件采用金属钛或者无磁不锈钢制成。
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