专利名称：一种激光诱导表面波马达及其驱动方法
技术领域：
本发明涉及一种激光诱导表面波马达及其驱动方法。用于微型光机电系统、微纳米技术、自动控制、航天航空、光学与精密机械等领域所需的微小型特种驱动。
背景技术：
随着科技的不断发展，在许多特殊领域，需要采用特种性能的微小型电机/马达作为动力源和运动源。例如，在航空航天(如微小型卫星、无人机、飞弹、星际探测车等)系统中采用的电机，在要求力矩大、效率高的同时，还要求重量轻、体积小、寿命长，并尽可能降低能耗；在光学与精密机械系统(如照相机、摄像机、投影机、计算机、精密仪器、军民两用设备)中应用的马达，又要求速度高、响应快、尽可能小型化；而应用于微纳米技术中的马达， 除了力矩大、响应快和小型化等要求外，还需要有微纳米级的步矩或转角。国内外现有的微小型马达主要有电磁感应电机、静电微马达、超声波电机、压电马达、表面波马达等。其中电磁感应马达是种类最多、常规应用最广的马达，其驱动力矩大、速度快，不过其线圈损耗较大，且不易小型化和微型化。静电马达直接利用静电力驱动，结构巧妙，可小型化，缺点是需采用高电压控制，力矩小。超声波电机或压电马达，其定子一般由压电材料与加工出众多齿槽的弹性体胶合而成，据此将压电超声波振动放大，再通过齿槽驱动转子运动，工作频率 50kHz左右，现有超声波电机或压电马达的最大特点是低速度、大力矩、高效率，已成功应用于照相机和摄像机等光学调焦机构中，但马达结构较复杂，制造较困难，不易实现小型化， 此外，其使用寿命一般也不长，原因是齿槽结构易受磨损和疲劳破坏，摩擦发热又会使胶黏剂快速劣化。表面波马达也可归于压电马达，它通过施压超高频电压使压电晶体产生表面波，推动与该表面密合的动子或转子运动，具有结构简洁、速度快、步矩小、输出力矩大等特点，不过，常规的电控表面波马达，需在压电晶体上加工精细的叉指电极，制作和装配要求很高，且需要通过导线施加超高频电压，配置大功率的驱动电路，控制要求较严格，因此，尽管压电马达或表面波马达具有显著优点，但尚存在一些局限性，需要不断发展和创新。因此，本发明采用激光直接实现马达的非接触驱动，设计激光诱导的表面波马达，这种新型马达不仅具有压电马达和表面波马达的全部优点，如速度快、步距小、输出力矩大等，而且结构简洁，无需制作叉指电极，无需导线连，可非接触控制。在微型光机电系统、光学与精密机械系统、微纳米技术、航空航天等领域及其他国家需求的领域具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的是克服现有微小型马达技术存在的局限性，提供一种激光诱导表面波马达及其驱动方法。一种激光诱导表面波马达包括脉冲激光压电晶片定子、基底、聚焦透镜、配重块、 第二动子、不锈钢微珠、导向杆、第一固定块、第二固定块；基底上设有压电晶片定子，压电晶片定子两端分别固定有第一固定块、第二固定块，压电晶片定子上从上到下顺次设有配重块、第二动子、不锈钢微珠，第二动子中间穿有两根平行的导向杆，导向杆两端分别固定在第一固定块和第二固定块上，压电晶片定子一端上方从上到下顺次设有脉冲激光、聚焦透镜，脉冲激光通过聚焦透镜照射到压电晶片定子上，构成直线型马达。所述的脉冲激光和聚焦透镜构成驱动光束。所述的驱动光束为双驱动光束。另一种激光诱导表面波马达包括脉冲激光、聚焦透镜、固定轴、透明有机玻璃转子、环形压电晶片定子、微沟槽、周边开孔转子；环形压电晶片定子上刻有微沟槽，固定轴的一端固定在环形压电晶片定子的轴心上，固定轴的另一端穿过透明有机玻璃转子或周边开孔转子中心，在透明有机玻璃转子上方，或周边开孔转子的小孔上方从上到下顺次设有脉冲激光、聚焦透镜，脉冲激光通过聚焦透镜透过透明有机玻璃转子照射到环形压电晶片定子上，或者脉冲激光通过聚焦透镜穿过周边开孔转子小孔照射到环形压电晶片定子上，构成旋转型马达。激光诱导表面波马达的驱动方法是脉冲激光束照射在压电晶片定子或环形压电晶片定子上，脉冲激光束与压电晶片定子或环形压电晶片定子浅表面质点在分子水平上的快速相互作用，即微纳米尺度光声子效应，其综合作用的结果，使压电晶片定子或环形压电晶片定子表面质点按椭圆形轨迹作高频弹性振动，构成沿表面传播的光致表面弹性波，简称表面波或弹性波，通过微摩擦作用，弹性波推动压电晶片定子上的第一动子作快速运动， 或弹性波推动环形压电晶片定子上的透明有机玻璃转子或周边开孔转子作快速转动，实现光致驱动的目的，从而设计出激光诱导表面波马达，激光诱导表面波马达包括直线型马达和旋转型马达。本发明的激光诱导表面波马达，其优点是结构简洁、速度快、步距小、推动力(矩) 大、无需叉指电极、无需导线连接、不受电磁干扰、可实现非接触控制和遥控、马达主体可微小化，可望在微型光机电系统、光学与精密机械系统、微纳米技术、航空航天等领域及其他国家需求的领域得到广泛的应用。
图1 (a)是单激光束驱动的直线型激光诱导表面波马达结构示意图； 图1(b)是双激光束驱动的直线型激光诱导表面波马达结构示意图2(a)是透明有机玻璃转子的旋转型激光诱导表面波马达结构示意图； 图2(b)是多孔状转子的旋转型激光诱导表面波马达结构示意图； 图3(a)是光致表面弹性波马达的原理示意图； 图3(b)是光致表面弹性波及其驱动原理示意图。图中脉冲激光1、第一动子2、压电晶片3、基底4、聚焦透镜5、配重块6、第二动子 7、不锈钢微珠8、导向杆9、第一固定块10、第二固定块11、轴12、透明有机玻璃转子13、环形压电晶片定子14、微沟槽15、孔状铝合金转子16。
具体实施例方式本发明采用激光诱导直接实现马达的非接触驱动，用于制备微型光机电系统、微纳米技术、自动控制、航天航空、光学与精密机械等领域所需的微小型特种驱动马达。如图1 (a)所示，一种激光诱导表面波马达包括脉冲激光1、压电晶片定子3、基底 4、聚焦透镜5、配重块6、第二动子7、不锈钢微珠8、导向杆9、第一固定块10、第二固定块11 ；基底4上设有压电晶片定子3，压电晶片定子3两端分别固定有第一固定块10、第二固定块11，压电晶片定子3上从上到下顺次设有配重块6、第二动子7、不锈钢微珠8，第二动子7中间穿有两根平行的导向杆9，导向杆9两端分别固定在第一固定块10和第二固定块 11上，压电晶片定子3 —端上方从上到下顺次设有脉冲激光1、聚焦透镜5，脉冲激光1通过聚焦透镜5照射到压电晶片定子3上，构成直线型马达。所述的脉冲激光1和聚焦透镜5构成驱动光束。所述的驱动光束为双驱动光束。如图1 (b)所示，由脉冲激光1和聚焦透镜5构成的驱动光束可以根据需要单独或交替照射定子，即可以是单驱动光束也可以是双驱动光束。如图2 (a)所示，另一种激光诱导表面波马达包括脉冲激光1、聚焦透镜5、固定轴 12、透明有机玻璃转子13、环形压电晶片定子14、微沟槽15、周边开孔转子16 ；环形压电晶片定子14上刻有微沟槽15，固定轴12的一端固定在环形压电晶片定子14的轴心上，固定轴12的另一端穿过透明有机玻璃转子13或周边开孔转子16中心，在透明有机玻璃转子13 上方，或周边开孔转子16的小孔上方从上到下顺次设有脉冲激光1、聚焦透镜5，脉冲激光 1通过聚焦透镜5透过透明有机玻璃转子13照射到环形压电晶片定子14上，或者脉冲激光1通过聚焦透镜5穿过周边开孔转子16小孔照射到环形压电晶片定子14上，构成旋转型马达。在我们设计的直线型和旋转型激光诱导表面波马达，采用的是LiNb03压电晶片定子，Nd: YAG激光器作为激光源，波长1064nm，功率1 10W、脉冲频率IOkHz IOMHz可调，以控制光致弹性波的振幅和频率，最终控制马达的运动参数。激光脉冲频率不要求完全与压电材料固有频率一致，激光也无需聚焦和严格对准，其宽光束、短时间的照射，不会对晶片造成损伤。以后也将选用其他定子材料(如铜片、铝片等)及IOOmW级以上的半导体激光器。图1(a)所示的单向直线型激光诱导表面波马达，动子采用铝合金材料做成，动子底面粘接固定密集的不锈钢微珠，使之与定子有效接触；动子上面用螺钉固定有一个铝合金小配重块(就象砝码)，以调节正压力，最终调节动子的滚珠与定子之间的摩擦力，底座材料也采用铝合金。调节激光功率、脉冲频率及正压力，可控制马达的推动力和运动速度等。 根据不同的需要，设计出始图1(b)所示的双向激光诱导表面波马达]，用脉冲激光单独或交替照射晶片的两侧，实现马达的双向运动。利用同一原理的旋转型激光诱导表面波马达如图2所示。用LiNb03等压电晶片制成圆环状定子，采用如图2(a)所示的透明有机玻璃作转子，或采用图2(b)所示的在转子上打一些通孔，两者都是使激光透过转子，照射到压电晶片上产生光致弹性波。在图2(b) 中，虽然弹性波会有断续，但不影响其传播，在惯性作用下马达仍能平稳转动。在晶片表面刻出一道微沟槽，使弹性波只能沿环状晶片表面定向传播，以实现马达的定向转动。旋转型马达的运动特性控制与直线型类似。通常情况下，马达只需单向转动；如果需要，也可采取用激光照射微沟槽的另一侧晶片表面等方法，改变马达的转动方向。马达样机的总体尺寸在1 IOcm之间，驱动速度(可根据马达直径换算成转速)在Icm lm/s之间(对微小型马达而言已足够)可调，推动力达到0. 5 5N范围。如图3所示，激光诱导表面波马达的驱动方法是脉冲激光束1照射在压电晶片定子3或环形压电晶片定子14上，脉冲激光束1与压电晶片定子3或环形压电晶片定子14浅表面质点在分子水平上的快速相互作用，即微纳米尺度光声子效应，其综合作用的结果， 使压电晶片定子3或环形压电晶片定子14表面质点按椭圆形轨迹作高频弹性振动，构成沿表面传播的光致表面弹性波，简称表面波或弹性波，通过微摩擦作用，弹性波推动压电晶片定子3上的第一动子2作快速运动，或弹性波推动环形压电晶片定子14上的透明有机玻璃转子13或周边开孔转子16作快速转动，实现光致驱动的目的，从而设计出激光诱导表面波马达，激光诱导表面波马达包括直线型马达和旋转型马达。
权利要求
1.一种激光诱导表面波马达，其特征在于包括脉冲激光(1)、压电晶片定子(3)、基底(4)、聚焦透镜(5)、配重块(6)、第二动子(7)、不锈钢微珠(8)、导向杆(9)、第一固定块 (10)、第二固定块(11);基底(4)上设有压电晶片定子(3)，压电晶片定子(3)两端分别固定有第一固定块(10)、第二固定块(11)，压电晶片定子(3)上从上到下顺次设有配重块(6)、 第二动子(7)、不锈钢微珠(8)，第二动子(7)中间穿有两根平行的导向杆(9)，导向杆(9)两端分别固定在第一固定块(10)和第二固定块(11)上，压电晶片定子(3)—端上方从上到下顺次设有脉冲激光(1)、聚焦透镜(5)，脉冲激光(1)通过聚焦透镜(5)照射到压电晶片定子 (3)上，构成直线型马达。
2.如权利要求1所述的一种激光诱导表面波马达，其特征在于所述的脉冲激光(1)和聚焦透镜(5)构成驱动光束。
3.如权利要求2所述的一种激光诱导表面波马达，其特征在于所述的驱动光束为双驱动光束。
4.一种激光诱导表面波马达，其特征在于包括脉冲激光(1)、聚焦透镜(5)、固定轴 (12)、透明有机玻璃转子(13)、环形压电晶片定子(14)、微沟槽(15)、周边开孔转子(16)； 环形压电晶片定子(14)上刻有微沟槽(15)，固定轴(12)的一端固定在环形压电晶片定子 (14)的轴心上，固定轴(12)的另一端穿过透明有机玻璃转子(13)或周边开孔转子(16)中心，在透明有机玻璃转子(13)上方，或周边开孔转子(16)的小孔上方从上到下顺次设有脉冲激光(1)、聚焦透镜(5)，脉冲激光(1)通过聚焦透镜(5)透过透明有机玻璃转子(13)照射到环形压电晶片定子(14)上，或者脉冲激光(1)通过聚焦透镜(5)穿过周边开孔转子(16) 小孔照射到环形压电晶片定子(14)上，构成旋转型马达。
5.一种激光诱导表面波马达的驱动方法，其特征在于脉冲激光束(1)照射在压电晶片定子(3)或环形压电晶片定子(14)上，脉冲激光束(1)与压电晶片定子(3)或环形压电晶片定子(14)浅表面质点在分子水平上的快速相互作用，即微纳米尺度光声子效应，其综合作用的结果，使压电晶片定子(3)或环形压电晶片定子(14)表面质点按椭圆形轨迹作高频弹性振动，构成沿表面传播的光致表面弹性波，简称表面波或弹性波，通过微摩擦作用，弹性波推动压电晶片定子(3)上的第一动子(2)作快速运动，或弹性波推动环形压电晶片定子(14)上的透明有机玻璃转子(13)或周边开孔转子(16)作快速转动，实现光致驱动的目的，从而设计出激光诱导表面波马达，激光诱导表面波马达包括直线型马达和旋转型马达。
全文摘要
本发明公开了一种激光诱导表面波马达及其驱动方法。基底上设有压电晶片定子，压电晶片定子两端分别固定有第一固定块、第二固定块，压电晶片定子上从上到下顺次设有配重块、第二动子、不锈钢微珠，第二动子中间穿有两根平行的导向杆，导向杆两端分别固定在第一固定块和第二固定块上，压电晶片定子一端上方从上到下顺次设有脉冲激光、聚焦透镜，脉冲激光通过聚焦透镜照射到压电晶片定子上，构成直线型马达。本发明的激光诱导表面波马达实现了真正意义上的激光直接驱动新方法，具有结构简洁、速度快、步距小、推动力(矩)大、无需叉指电极、无需导线连接、不受电磁干扰、可实现非接触控制和遥控、马达主体可微小化等优点。
文档编号H02N2/02GK102355158SQ201110295658
公开日2012年2月15日 申请日期2011年9月28日 优先权日2011年9月28日
发明者张冬仙, 李方浩, 章海军 申请人:浙江大学