CN102522916A - 基于摩擦力变化的纳米马达 - Google Patents

基于摩擦力变化的纳米马达 Download PDF

Info

Publication number
CN102522916A
CN102522916A CN2011104363833A CN201110436383A CN102522916A CN 102522916 A CN102522916 A CN 102522916A CN 2011104363833 A CN2011104363833 A CN 2011104363833A CN 201110436383 A CN201110436383 A CN 201110436383A CN 102522916 A CN102522916 A CN 102522916A
Authority
CN
China
Prior art keywords
group
piezoelectric ceramic
controller
base
change
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2011104363833A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102522916B (zh
Inventor
楼柿涛
刘代贵
钱波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Original Assignee
Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS filed Critical Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority to CN201110436383.3A priority Critical patent/CN102522916B/zh
Publication of CN102522916A publication Critical patent/CN102522916A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102522916B publication Critical patent/CN102522916B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于摩擦力变化的纳米马达，其具有一体相连的底板及支撑底座，该支撑底座与底板围成槽型结构，该槽型结构中设有由接触头和两组压电陶瓷构成的驱动器，该支撑底座顶面设有两对以上的滑珠，该滑块盖接在滑珠之上，且两块盖片压接在滑块两侧，分别与支撑底座的顶面相固接，驱动器的控制器集成在两块盖片之上，其中相对偏上的第一组压电陶瓷的极化方向平行于控制器的电场方向，而位于相对底部的第二组压电陶瓷的极化方向垂直于控制器的电场方向，在电压变化下所述第一组压电陶瓷发生厚度变化，该第二组压电陶瓷发生在槽型结构延伸方向内相对底板摇摆式的切形变，该纳米马达在由控制器的电压时序控制下进行一维纳米尺度的运动。

Description

基于摩擦力变化的纳米马达
技术领域
本发明涉及一种微驱动系统，尤其指一种通过调控关键部件间的摩擦力变化而能够长距离、延长使用寿命和提高推动力同时具有高精度和高分辨率的纳米马达。本发明广泛适用于在纳米技术、微机械和微系统、通讯传感技术、电子扫描技术、微生物技术、航空航天技术等方面。
背景技术
纳米技术一般是指纳米级(0.1-100nm)的材料设计、制造、测量、控制和产品相关技术。纳米技术主要包括：纳米材料；纳米动力学；纳米生物学；纳米药物学和纳米电子学等。随着纳米技术的迅猛发展，纳米马达是近年发展起来的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基片或薄膜、电致伸缩材料的声震动和微小变形将电能转换为移动的机械输出运动形式的新型驱动器。由于它具有结构简单设计灵活，位移精密高等特点，国际上纳米马达已经在纳米技术、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、航空航天技术等方面得到了实际应用。
目前的纳米马达按照其具体的实现方式可以分为三类：(1)微尺蠖仿生型纳米马达，其特点是利用三组压电陶瓷或其他元件有规律的扩张和收缩来驱动主轴作线性运动。(2)纳米惯性马达，其特点是依靠物体的惯性和环境的摩擦力驱动马达。当马达本身进行缓慢变动时，环境给予马达的摩擦力大于马达变动时产生的惯性力，马达和环境的接触部位不会发生位移。当马达的本身发生剧烈恢复时，产生很强的惯性力，导致马达和环境发生纳米级滑动。该类马达在向一个方向运动时，每一步中包含了前进一大步，后退一小步。(3)微推进型纳米马达，其特点是依靠压电陶瓷的周期性运动来推动线性平移平台或转动平台。在压电陶瓷的部分运动周期给予平台一个方向的推力，而另一部分周期与平台的作用远小于驱动方向。上述各种类型的纳米马达的共同特点是利用压电陶瓷的压电性质，控制不同部件间的相互位移在纳米量级，同时利用摩擦力来推动相对位移或阻止位移恢复。
虽然纳米马达已经达到了应用的水平，但是现有纳米马达价格比较昂贵，而且在体积、精度和分辨率等方面还存在改善的空间，适当改变纳米马达的结构可以进一步降低纳米马达的成本及提高纳米马达的性能。
发明内容
为克服上述现有技术中价格昂贵、体积、精度和分辨率等方面的不足，本发明的目的在于适当改变纳米马达的结构来进一步降低纳米马达的成本及提高纳米马达的性能，同时使其具有高精度和高分辨率特性。
为了解决以上技术问题，本发明基于摩擦力变化的纳米马达，其特征在于所述纳米马达具有一体相连的底板及支撑底座，所述支撑底座与底板围成槽型结构，所述槽型结构中设有由接触头和两组压电陶瓷构成的驱动器，所述支撑底座顶面沿槽型结构延伸方向排布设有两对以上的滑珠，滑块盖接在滑珠之上沿槽型结构滑移，且两块盖片压接在滑块两侧，分别与支撑底座的顶面相固接，驱动器的控制器集成在两块盖片之上，其中相对偏上的第一组压电陶瓷的极化方向平行于控制器的电场方向，而位于相对底部的第二组压电陶瓷的极化方向垂直于控制器的电场方向，在电压变化下所述第一组压电陶瓷发生厚度变化，所述第二组压电陶瓷发生在槽型结构延伸方向内相对底板摇摆式的切形变。
进一步地，所述驱动器的第一组压电陶瓷与接触头间设有用于固封的环氧树脂。
进一步地，所述控制器外接有输出电压可调的电压源。
进一步地，所述滑珠为一体固设在支撑底座顶面上的半球形珠体，或者所述支撑底座顶面设有凹孔，所述滑珠为置放其中可自由滚动的球形珠体。
实施本发明的有益效果为：该基于尺蠖运动的纳米马达，一方面可以通过第一组压电陶瓷的电压大小，调整摩擦力大小变化；另一方面也可以通过改变第二组压电陶瓷的电压大小，以改变尺蠖运动每一步的步长，进而实现步长从10纳米到100纳米的改变，从而达到位移控制的高精度，且实现成本低廉。
附图说明
图1为本发明纳米马达的结构示意图的俯视图。
图2为图1的A-A向侧视示意图。
图3为图1的A-A向剖视示意图。
图4为图1的B-B向剖视示意图。
具体实施方式
出于产品制造成本及产品性能等多方面的考虑，本发明突破传统纳米马达的结构和工艺缺陷，创新提出了一项基于摩擦力变化的纳米马达。
如图1至图4所示的本发明纳米马达的结构示意图及多向的剖视图可见，概括来看本发明纳米马达的产品结构。其具有一体相连的底板5及支撑底座3，支撑底座3与底板5围成槽型结构，所述槽型结构中设有由接触头61和两组压电陶瓷构成的驱动器，所述支撑底座3顶面沿槽型结构延伸方向排布设有两对以上的滑珠4，滑块2盖接在滑珠4之上沿槽型结构滑移，且两块盖片1压接在滑块2两侧，分别与支撑底座3的顶面相固接，驱动器的控制器集成在两块盖片1之上，其中相对偏上的第一组压电陶瓷61的极化方向平行于控制器的电场方向，而位于相对底部的第二组压电陶瓷62的极化方向垂直于控制器的电场方向，在电压变化下所述第一组压电陶瓷62发生厚度变化，所述第二组压电陶瓷63发生在槽型结构延伸方向内相对底板摇摆式的切形变。通常情况下，盖片和支撑底座螺接固定，底板和支撑底座也可以用螺丝固定。
上述技术方案的进一步优化方案为：该驱动器的第一组压电陶瓷62与接触头61间设有用于固封的环氧树脂。并且，该控制器外接有输出电压可调的电压源，从外部可实现对两组压电陶瓷的控制，进而实现控制摩擦力和纳米马达的步长。
上述滑珠4可以是一体固设在支撑底座顶面上的半球形珠体。除此之外，也可以是先在支撑底座顶面设有凹孔，并与之对应的该滑珠为置放其中可自由滚动的球形珠体。只需满足与滑块之间点接触相对滑移即可。
从本发明纳米马达的具体运作来理解本技术方案的原理，该基于摩擦力变化的纳米马达功能实现是基于驱动器中的两组压电陶瓷实现的。第一组压电陶瓷的极化方向平行于控制器的电场方向，当所施加的电压增大时，压电陶瓷的厚度发生增厚变化。第二组压电陶瓷的极化方向垂直于对应控制器的电场方向，当电场发生变化时，压电陶瓷发生切形变。由于第一组压电陶瓷和接触头在用环氧树脂固定，该第二组压电陶瓷的切形变将带动接触头相应地呈波浪形变化，进而带动其上的滑块步进地滑动。以纳米马达向前运动为例的顺序为：第一组压电陶瓷膨胀，第二组压电陶瓷向前倾斜，第一组压电陶瓷收缩，第二组压电陶瓷退回原地；再以向后退步运动的操作顺序为：第一组压电陶瓷膨胀，第二组压电陶瓷向后倾斜，第一组压电陶瓷收缩，第二组压电陶瓷退回原地。
具体地，以图4所示滑块向右运动为向前走，其工作步骤是：Ⅰ、给第一组压电陶瓷62加正高电压使其膨胀，驱动器夹紧滑块；Ⅱ、给第二组压电陶瓷63加正高电压，驱动器接触头61向右偏，带动滑块2向右移动一小段距离；Ⅲ、再给第一组压电陶瓷加负高电压使其收缩，驱动器松开滑块；Ⅳ、续后给第二组压电陶瓷改为零电压，驱动器接触头恢复原位，滑块留在前面位置。通过这个过程，滑块就向前移动了一步，其距离为驱动器缩短的距离。周而复始的重复该过程可以达到纳米马达前进的效果。
再从其反向（图4所示滑块左移方向）顺序来看，其工作步骤为：Ⅰ、给第一组压电陶瓷62加正高电压使其膨胀，驱动器夹紧滑块；Ⅱ、给第二组压电陶瓷63加负高电压，驱动器接触头61向左偏，带动滑块2向左移动一小段距离；Ⅲ、再给第一组压电陶瓷加负高电压使其收缩，驱动器松开滑块；Ⅳ、续后给第二组压电陶瓷改为零电压，驱动器接触头恢复原位，滑块留在前面位置。通过这个过程，滑块就向反向的前向移动了一步，其距离为驱动器缩短的距离。周而复始的重复该过程可以达到纳米马达步进的效果。
实施本发明的有益效果为：该基于尺蠖运动的纳米马达，一方面可以通过第一组压电陶瓷的电压大小，调整摩擦力大小变化；另一方面也可以通过改变第二组压电陶瓷的电压大小，以改变尺蠖运动每一步的步长，进而实现步长从10纳米到100纳米的改变，从而达到位移控制的高精度，且实现成本低廉。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.基于摩擦力变化的纳米马达，其特征在于所述纳米马达具有一体相连的底板及支撑底座，所述支撑底座与底板围成槽型结构，所述槽型结构中设有由接触头和两组压电陶瓷构成的驱动器，所述支撑底座顶面沿槽型结构延伸方向排布设有两对以上的滑珠，滑块盖接在滑珠之上沿槽型结构滑移，且两块盖片压接在滑块两侧，分别与支撑底座的顶面相固接，驱动器的控制器集成在两块盖片之上，其中相对偏上的第一组压电陶瓷的极化方向平行于控制器的电场方向，而位于相对底部的第二组压电陶瓷的极化方向垂直于控制器的电场方向，在电压变化下所述第一组压电陶瓷发生厚度变化，所述第二组压电陶瓷发生在槽型结构延伸方向内相对底板摇摆式的切形变。
2.根据权利要求1所述的基于摩擦力变化的纳米马达，其特征在于：所述驱动器的第一组压电陶瓷与接触头间设有用于固封的环氧树脂。
3.根据权利要求1所述的基于摩擦力变化的纳米马达，其特征在于：所述控制器外接有输出电压可调的电压源。
4.根据权利要求1所述的基于摩擦力变化的纳米马达，其特征在于：所述滑珠为一体固设在支撑底座顶面上的半球形珠体。
5.根据权利要求1所述的基于摩擦力变化的纳米马达，其特征在于：所述支撑底座顶面设有凹孔，所述滑珠为置放其中可自由滚动的球形珠体。
CN201110436383.3A 2011-12-23 2011-12-23 基于摩擦力变化的纳米马达 Expired - Fee Related CN102522916B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201110436383.3A CN102522916B (zh) 2011-12-23 2011-12-23 基于摩擦力变化的纳米马达

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201110436383.3A CN102522916B (zh) 2011-12-23 2011-12-23 基于摩擦力变化的纳米马达

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102522916A true CN102522916A (zh) 2012-06-27
CN102522916B CN102522916B (zh) 2015-04-01

Family

ID=46293735

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201110436383.3A Expired - Fee Related CN102522916B (zh) 2011-12-23 2011-12-23 基于摩擦力变化的纳米马达

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102522916B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103684037A (zh) * 2012-09-13 2014-03-26 中国科学技术大学 一种利用相向搓动降低摩擦力的双端夹持压电马达及控制方法
CN113315412A (zh) * 2021-06-01 2021-08-27 上海隐冠半导体技术有限公司 压电陶瓷致动器
WO2021218838A1 (zh) * 2020-04-30 2021-11-04 维沃移动通信有限公司 马达及电子设备

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200407657A (en) * 2001-11-07 2004-05-16 Asml Netherlands Bv A piezoelectric actuator and a lithographic apparatus and a device manufacturing method
US20040201443A1 (en) * 2003-03-31 2004-10-14 Olympus Corporation Actuator, actuator driving method, and actuator system
CN1592072A (zh) * 2003-08-26 2005-03-09 财团法人工业技术研究院 可调负重的表面声波致动装置
CN101252330A (zh) * 2008-03-27 2008-08-27 大连理工大学 一种用压电叠堆精密定位的方法和装置
WO2010140681A1 (ja) * 2009-06-05 2010-12-09 株式会社ニコン 圧電アクチュエータ、レンズ鏡筒及びカメラ

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200407657A (en) * 2001-11-07 2004-05-16 Asml Netherlands Bv A piezoelectric actuator and a lithographic apparatus and a device manufacturing method
US20040201443A1 (en) * 2003-03-31 2004-10-14 Olympus Corporation Actuator, actuator driving method, and actuator system
CN1592072A (zh) * 2003-08-26 2005-03-09 财团法人工业技术研究院 可调负重的表面声波致动装置
CN101252330A (zh) * 2008-03-27 2008-08-27 大连理工大学 一种用压电叠堆精密定位的方法和装置
WO2010140681A1 (ja) * 2009-06-05 2010-12-09 株式会社ニコン 圧電アクチュエータ、レンズ鏡筒及びカメラ

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103684037A (zh) * 2012-09-13 2014-03-26 中国科学技术大学 一种利用相向搓动降低摩擦力的双端夹持压电马达及控制方法
CN103684037B (zh) * 2012-09-13 2016-01-20 中国科学技术大学 一种利用相向搓动降低摩擦力的双端夹持压电马达及控制方法
WO2021218838A1 (zh) * 2020-04-30 2021-11-04 维沃移动通信有限公司 马达及电子设备
CN113315412A (zh) * 2021-06-01 2021-08-27 上海隐冠半导体技术有限公司 压电陶瓷致动器
CN113315412B (zh) * 2021-06-01 2022-12-06 上海隐冠半导体技术有限公司 压电陶瓷致动器

Also Published As

Publication number Publication date
CN102522916B (zh) 2015-04-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. Stepping piezoelectric actuators with large working stroke for nano-positioning systems: A review
Wang et al. A review of recent studies on non-resonant piezoelectric actuators
Cheng et al. A novel trapezoid-type stick–slip piezoelectric linear actuator using right circular flexure hinge mechanism
CN107147328B (zh) 弯曲压电振子的两自由度压电驱动器及采用该驱动器实现的两自由度运动的激励方法
CN102291039B (zh) 多自由度仿生压电驱动装置
US6337532B1 (en) Fine walking actuator
CN104467525A (zh) 可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台
CN105723608A (zh) 压电陶瓷平面电机及其驱动方法
CN109861580B (zh) 一种六自由度压电运动平台及其激励方法
CN102647107A (zh) 基于寄生运动原理的大行程微纳米级直线驱动器
CN110336485B (zh) 一种压电冲击驱动二维并联跨尺度精密定位平台
Li et al. A parasitic type piezoelectric actuator with the asymmetrical trapezoid flexure mechanism
CN102522916B (zh) 基于摩擦力变化的纳米马达
CN110798094B (zh) 一种基于寄生惯性原理的压电直线精密驱动装置
CN110768571B (zh) 一种基于寄生惯性原理的仿生爬行式压电精密驱动装置
CN110912444B (zh) 一种仿生爬行式压电驱动器
CN105897043A (zh) 菱形铰链斜拉式正交驱动型压电粘滑直线马达及其复合激励方法
CN109951101B (zh) 压电驱动的超精密四自由度定位调姿机构及其激励方法
CN203466750U (zh) 仿生型压电足式驱动器
CN109412457A (zh) 口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达及其控制法
CN101018024A (zh) 压电惯性步进驱动装置
CN109889087B (zh) 四自由度压电载物台及其激励方法
CN109951102B (zh) 一种两自由度超精密压电驱动平台及其激励方法
CN209526667U (zh) 一种基于弹簧复位的粘滑式压电惯性直线驱动器
CN202135076U (zh) 多自由度仿生压电驱动装置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20150401

Termination date: 20201223