CN105703601A - 一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台、该平台的驱动方法及该平台的驱动装置 - Google Patents

一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台、该平台的驱动方法及该平台的驱动装置 Download PDF

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黄本松
翟文贺
荣伟彬
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K49/00—Dynamo-electric clutches; Dynamo-electric brakes
    • H02K49/10—Dynamo-electric clutches; Dynamo-electric brakes of the permanent-magnet type
    • H02K49/102—Magnetic gearings, i.e. assembly of gears, linear or rotary, by which motion is magnetically transferred without physical contact

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Abstract

一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台、该平台的驱动方法及该平台的驱动装置，涉及微小旋转平台领域。本发明是为了解决现有微小轴承支撑、微小电机驱动的微小平台电机传动机构会产生摩擦、装置复杂难以实现系统的精确可靠装配、且难以进一步微型化的问题。本发明利用液滴与微平台间的毛细作用力，使微平台浮于液滴表面上。利用三对正交放置的亥姆霍兹线圈对产生均匀旋转磁场，实现微平台的旋转运动。通过改变旋转磁场的旋转频率，可以改变微旋转平台的旋转速度。通过改变旋转磁场的旋转轴向，可以改变微旋转平台的旋转轴向。简化了电机传动机构，消除了固体与固体之间的摩擦，可以有效地提高平台的旋转柔顺性，使平台进一步微型化。

Description

一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台、该平台的驱动方法及该平台的驱动装置
技术领域
本发明属于微小旋转平台及其驱动装置领域。
背景技术
精密微小旋转平台在微机电系统、光学、生物医学等领域具有广阔的应用前景。以微机电系统领域为例，微小旋转平台可用于微器件的定位和动态测试，也可在其上放置微操作工具以增加微操作的灵活性。目前，对于小型旋转平台主要是通过微小轴承部件实现支撑，通过微小电机进行驱动。然而，采用电机驱动平台会不可避免地在传动机构处产生机械摩擦。随着平台的尺寸的不断减小，机械摩擦的影响会表现地更加突出。另外，对于微小型平台，由于装置的复杂性，难以实现系统的精确和可靠装配，因此难以实现平台尺寸的进一步微型化。
发明内容
本发明是为了解决现有微小轴承支撑、微小电机驱动的微小平台电机传动机构会产生摩擦、装置复杂难以实现系统的精确可靠装配、且难以进一步微型化的问题，现提供一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台、该平台的驱动方法及该平台的驱动装置。
一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台，它包括：磁性平台1、液滴2和液滴基底3；液滴2位于液滴基底3上，磁性平台1水平漂浮在液滴2的上表面。
磁性平台1为方形磁性薄片，材料为弹簧钢，厚度为0.02mm，长和宽均为1mm。
液滴2体积为0.3μL，液滴2为去离子水。
一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台的驱动方法，该方法为：
利用外磁场驱动磁性平台1，所述外磁场为均匀旋转磁场，
通过改变外磁场的旋转频率，改变磁性平台1的旋转速度，
通过改变外磁场的旋转轴向，改变磁性平台1的旋转轴向。
一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台的驱动装置，它包括：三对亥姆霍兹线圈对和驱动单元；
每对亥姆霍兹线圈对的两个亥姆霍兹线圈完全相同且同轴设置，每对亥姆霍兹线圈对的轴线两两正交，
驱动单元包括三个驱动组，每个驱动组包括数字/模拟转换单元和线圈驱动器；
数字/模拟转换单元的模拟信号输出端连接线圈驱动器的信号输入端，
线圈驱动器用于驱动亥姆霍兹线圈对。
微小旋转平台放置于基底支撑底座上，且位于三对亥姆霍兹线圈对的中心。
本发明所述的一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台，利用液滴与微平台间的毛细作用力，使微平台浮于液滴表面上。利用液滴来支撑，与现有的由微小轴承部件实现支撑的平台相比较，简化了电机传动机构，消除了固体与固体之间的摩擦，可以有效地提高平台的旋转柔顺性，结构简单、易于控制，实现了整体结构的简单化，使平台进一步微型化。
本发明所述的一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台的驱动方法，采用由磁性材料制作的微小旋转平台，利用外界磁场来控制平台的旋转，简化了电机传动机构，消除了固体与固体之间的摩擦，控制方式简单，实现系统的精确可靠装配。
本发明所述的一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台的驱动装置，利用三对正交放置的亥姆霍兹线圈对产生均匀旋转磁场，实现微平台的旋转运动。通过改变旋转磁场的旋转频率，可以改变微旋转平台的旋转速度。通过改变旋转磁场的旋转轴向，可以改变微旋转平台的旋转轴向。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台的结构示意图；
图2为具体实施方式五所述的一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台的驱动装置的结构示意图；
图3为具体实施方式五所述的一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台的驱动装置的驱动原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台，它包括：磁性平台1、液滴2和液滴基底3；
液滴2位于液滴基底3上，磁性平台1水平漂浮在液滴2的上表面。
本实施方式所述的一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台，其中磁性平台1由磁性材料制成，有磁性。
本实施方式利用液滴2与磁性平台1之间形成的毛细作用力，使磁性平台1水平粘附在液滴2上表面。由于磁性平台1采用单液滴来支撑，与现有的由微小轴承部件实现支撑的平台相比较，没有固体与固体之间的摩擦，可以有效地提高平台的旋转柔顺性。通过控制外磁场的电流实现磁性平台1的旋转，具有控制简单的特点。另外，通过控制外磁场线圈产生磁场的旋转轴向，可以控制磁性平台1的旋转轴向，具有控制灵活的特点。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台作进一步说明，本实施方式中，磁性平台1为方形磁性薄片，材料为弹簧钢，厚度为0.02mm，长和宽均为1mm。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台作进一步说明，本实施方式中，液滴2体积为0.3μL，液滴2为去离子水。
具体实施方式四：本实施方式为具体实施方式一、二或三所述的一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台的驱动方法，该方法为：
利用外磁场驱动磁性平台1，所述外磁场为均匀旋转磁场，
通过改变外磁场的旋转频率，改变磁性平台1的旋转速度，
通过改变外磁场的旋转轴向，改变磁性平台1的旋转轴向。
具体实施方式五：参照图2和图3具体说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一、二或三所述的一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台的驱动装置，它包括：三对亥姆霍兹线圈对和驱动单元；
每对亥姆霍兹线圈对的两个亥姆霍兹线圈完全相同且同轴设置，每对亥姆霍兹线圈对的轴线两两正交，
驱动单元包括三个驱动组，每个驱动组包括数字/模拟转换单元和线圈驱动器；
数字/模拟转换单元的模拟信号输出端连接线圈驱动器的信号输入端，
线圈驱动器用于驱动亥姆霍兹线圈对。
本实施方式中的驱动装置为三对两两正交的亥姆霍兹线圈对，三对亥姆霍兹线圈对的轴向分别对应磁场发生系统的X、Y和Z轴，如图2所示。每对线圈对均连接一个驱动器作为可控直流源，每对线圈接线端子的正、负极分别与驱动器电流输出端的正、负极相连接。
在实际应用时，如图3所示，三个驱动组分别接收三个方向的输入信号，进而对三对亥姆霍兹线圈分别施加一定幅值、频率和相位的电流，三对线圈的磁场叠加形成绕某固定轴的均匀旋转磁场。由于微小旋转平台具有磁性，在旋转磁场的作用下，微小旋转平台实现旋转。改变旋转磁场的频率，从而改变微小旋转平台的旋转速度。通过改变旋转磁场的旋转轴向，从而改变微旋转平台的旋转轴向。
通过控制三对亥姆霍兹线圈的电流实现微小平台的旋转，具有控制简单的特点。另外，通过控制亥姆霍兹线圈产生磁场的旋转轴向，可以控制微小旋转的平台旋转轴向，具有控制灵活的特点。
工作原理：由于液滴与磁性平台间的毛细作用力大于磁性平台自身的重力，磁性平台会浮在液滴表面上。每对亥姆霍兹线圈对均可产生最大10mT的匀强磁场。驱动单元通过控制驱动器输出电流的幅值、相位和频率，从而控制三对亥姆霍兹线圈对中的电流，在三对线圈对的中心附近产生幅值为8mT的旋转磁场。当磁场旋转时，微平台跟随磁场旋转。在一定频率范围内，微平台的旋转速度随着旋转磁场的频率的提高而增大，最大可达40转/秒以上。在一定角度范围内改变旋转磁场的轴向，微旋转平台的旋转轴向也随之改变。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台的驱动装置作进一步说明，本实施方式中，微小旋转平台均放置于基底支撑底座上，且位于三对亥姆霍兹线圈对的中心。

Claims (6)

1.一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台，其特征在于，它包括：磁性平台(1)、液滴(2)和液滴基底(3)；
液滴(2)位于液滴基底(3)上，磁性平台(1)水平漂浮在液滴(2)的上表面。
2.根据权利要求1所述的一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台，其特征在于，磁性平台(1)为方形磁性薄片，材料为弹簧钢，厚度为0.02mm，长和宽均为1mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台，其特征在于，液滴(2)体积为0.3μL，液滴(2)为去离子水。
4.权利要求1、2或3所述的一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台的驱动方法，其特征在于，该方法为：
利用外磁场驱动磁性平台(1)，所述外磁场为均匀旋转磁场，
通过改变外磁场的旋转频率，改变磁性平台(1)的旋转速度，
通过改变外磁场的旋转轴向，改变磁性平台(1)的旋转轴向。
5.权利要求1、2或3所述的一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台的驱动装置，其特征在于，它包括：三对亥姆霍兹线圈对和驱动单元；
每对亥姆霍兹线圈对的两个亥姆霍兹线圈完全相同且同轴设置，每对亥姆霍兹线圈对的轴线两两正交，
驱动单元包括三个驱动组，每个驱动组包括数字/模拟转换单元和线圈驱动器；
数字/模拟转换单元的模拟信号输出端连接线圈驱动器的信号输入端，
线圈驱动器用于驱动亥姆霍兹线圈对。
6.根据权利要求5所述的一种基于单液滴支撑的外磁场驱动微小旋转平台的驱动装置，其特征在于，微小旋转平台放置于基底支撑底座上，且位于三对亥姆霍兹线圈对的中心。
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