專利名稱：一種激光誘導表面波馬達的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種激光誘導表面波馬達。用于微型光機電系統、微納米技術、自動控制、航天航空、光學與精密機械等領域所需的微小型特種驅動。
背景技術：
隨著科技的不斷發展，在許多特殊領域，需要采用特種性能的微小型電機/馬達作為動力源和運動源。例如，在航空航天(如微小型衛星、無人機、飛彈、星際探測車等)系統中采用的電機，在要求力矩大、效率高的同時，還要求重量輕、體積小、壽命長，并盡可能降低能耗；在光學與精密機械系統(如照相機、攝像機、投影機、計算機、精密儀器、軍民兩用設備)中應用的馬達，又要求速度高、響應快、盡可能小型化；而應用于微納米技術中的馬達，除了力矩大、響應快和小型化等要求外，還需要有微納米級的步矩或轉角。國內外現有的微小型馬達主要有電磁感應電機、靜電微馬達、超聲波電機、壓電馬達、表面波馬達等。 其中電磁感應馬達是種類最多、常規應用最廣的馬達，其驅動力矩大、速度快，不過其線圈損耗較大，且不易小型化和微型化。靜電馬達直接利用靜電力驅動，結構巧妙，可小型化，缺點是需采用高電壓控制，力矩小。超聲波電機或壓電馬達，其定子一般由壓電材料與加工出眾多齒槽的彈性體膠合而成，據此將壓電超聲波振動放大，再通過齒槽驅動轉子運動，工作頻率50kHz左右，現有超聲波電機或壓電馬達的最大特點是低速度、大力矩、高效率，已成功應用于照相機和攝像機等光學調焦機構中，但馬達結構較復雜，制造較困難，不易實現小型化，此外，其使用壽命一般也不長，原因是齒槽結構易受磨損和疲勞破壞，摩擦發熱又會使膠黏劑快速劣化。表面波馬達也可歸于壓電馬達，它通過施壓超高頻電壓使壓電晶體產生表面波，推動與該表面密合的動子或轉子運動，具有結構簡潔、速度快、步矩小、輸出力矩大等特點，不過，常規的電控表面波馬達，需在壓電晶體上加工精細的叉指電極，制作和裝配要求很高，且需要通過導線施加超高頻電壓，配置大功率的驅動電路，控制要求較嚴格， 因此，盡管壓電馬達或表面波馬達具有顯著優點，但尚存在一些局限性，需要不斷發展和創新。因此，本實用新型采用激光直接實現馬達的非接觸驅動，設計激光誘導的表面波馬達， 這種新型馬達不僅具有壓電馬達和表面波馬達的全部優點，如速度快、步距小、輸出力矩大等，而且結構簡潔，無需制作叉指電極，無需導線連，可非接觸控制。在微型光機電系統、光學與精密機械系統、微納米技術領域具有廣泛的應用前景。
發明內容本實用新型的目的是克服現有微小型馬達技術存在的局限性，提供一種激光誘導表面波馬達。一種激光誘導表面波馬達包括脈沖激光、壓電晶片定子、基底、聚焦透鏡、配重塊、 第二動子、不銹鋼微珠、導向桿、第一固定塊、第二固定塊；基底上設有壓電晶片定子，壓電晶片定子兩端分別固定有第一固定塊、第二固定塊，壓電晶片定子上從上到下順次設有配重塊、第二動子、不銹鋼微珠，第二動子中間穿有兩根平行的導向桿，導向桿兩端分別固定在第一固定塊和第二固定塊上，壓電晶片定子一端上方從上到下順次設有脈沖激光、聚焦透鏡，脈沖激光通過聚焦透鏡照射到壓電晶片定子上，構成直線型馬達。所述的脈沖激光和聚焦透鏡構成驅動光束。所述的驅動光束為雙驅動光束。另一種激光誘導表面波馬達包括脈沖激光、聚焦透鏡、固定軸、透明有機玻璃轉子、環形壓電晶片定子、微溝槽、周邊開孔轉子；環形壓電晶片定子上刻有微溝槽，固定軸的一端固定在環形壓電晶片定子的軸心上，固定軸的另一端穿過透明有機玻璃轉子或周邊開孔轉子中心，在透明有機玻璃轉子上方，或周邊開孔轉子的小孔上方從上到下順次設有脈沖激光、聚焦透鏡，脈沖激光通過聚焦透鏡透過透明有機玻璃轉子照射到環形壓電晶片定子上，或者脈沖激光通過聚焦透鏡穿過周邊開孔轉子小孔照射到環形壓電晶片定子上，構成旋轉型馬達。本實用新型的激光誘導表面波馬達，其優點是結構簡潔、速度快、步距小、推動力 (矩)大、無需叉指電極、無需導線連接、不受電磁干擾、可實現非接觸控制和遙控、馬達主體可微小化，可望在微型光機電系統、光學與精密機械系統、微納米技術領域得到廣泛的應用。
圖1 (a)是單激光束驅動的直線型激光誘導表面波馬達結構示意圖；圖1 (b)是雙激光束驅動的直線型激光誘導表面波馬達結構示意圖；圖2(a)是透明有機玻璃轉子的旋轉型激光誘導表面波馬達結構示意圖；圖2(b)是多孔狀轉子的旋轉型激光誘導表面波馬達結構示意圖；圖3(a)是光致表面彈性波馬達的原理示意圖；圖3(b)是光致表面彈性波及其驅動原理示意圖。圖中脈沖激光1、第一動子2、壓電晶片3、基底4、聚焦透鏡5、配重塊6、第二動子 7、不銹鋼微珠8、導向桿9、第一固定塊10、第二固定塊11、軸12、透明有機玻璃轉子13、環形壓電晶片定子14、微溝槽15、孔狀鋁合金轉子16。
具體實施方式
本實用新型采用激光誘導直接實現馬達的非接觸驅動，用于制備微型光機電系統、微納米技術、自動控制、航天航空、光學與精密機械等領域所需的微小型特種驅動馬達。如圖1(a)所示，一種激光誘導表面波馬達包括脈沖激光1、壓電晶片定子3、基底 4、聚焦透鏡5、配重塊6、第二動子7、不銹鋼微珠8、導向桿9、第一固定塊10、第二固定塊 11 ；基底4上設有壓電晶片定子3，壓電晶片定子3兩端分別固定有第一固定塊10、第二固定塊11，壓電晶片定子3上從上到下順次設有配重塊6、第二動子7、不銹鋼微珠8，第二動子7中間穿有兩根平行的導向桿9，導向桿9兩端分別固定在第一固定塊10和第二固定塊 11上，壓電晶片定子3 —端上方從上到下順次設有脈沖激光1、聚焦透鏡5，脈沖激光1通過聚焦透鏡5照射到壓電晶片定子3上，構成直線型馬達。所述的脈沖激光1和聚焦透鏡5構成驅動光束。所述的驅動光束為雙驅動光束。如圖1 (b)所示，由脈沖激光1和聚焦透鏡5構成的驅動光束可以根據需要單獨或交替照射定子，即可以是單驅動光束也可以是雙驅動光束。
4[0019]如圖2(a)所示，另一種激光誘導表面波馬達包括脈沖激光1、聚焦透鏡5、固定軸 12、透明有機玻璃轉子13、環形壓電晶片定子14、微溝槽15、周邊開孔轉子16 ；環形壓電晶片定子14上刻有微溝槽15，固定軸12的一端固定在環形壓電晶片定子14的軸心上，固定軸12的另一端穿過透明有機玻璃轉子13或周邊開孔轉子16中心，在透明有機玻璃轉子13 上方，或周邊開孔轉子16的小孔上方從上到下順次設有脈沖激光1、聚焦透鏡5，脈沖激光 1通過聚焦透鏡5透過透明有機玻璃轉子13照射到環形壓電晶片定子14上，或者脈沖激光1通過聚焦透鏡5穿過周邊開孔轉子16小孔照射到環形壓電晶片定子14上，構成旋轉型馬達。在我們設計的直線型和旋轉型激光誘導表面波馬達，采用的是LiNb03壓電晶片定子，Nd: YAG激光器作為激光源，波長1064nm，功率1 10W、脈沖頻率IOkHz IOMHz可調，以控制光致彈性波的振幅和頻率，最終控制馬達的運動參數。激光脈沖頻率不要求完全與壓電材料固有頻率一致，激光也無需聚焦和嚴格對準，其寬光束、短時間的照射，不會對晶片造成損傷。以后也將選用其他定子材料(如銅片、鋁片等)及IOOmW級以上的半導體激光器。圖1(a)所示的單向直線型激光誘導表面波馬達，動子采用鋁合金材料做成，動子底面粘接固定密集的不銹鋼微珠，使之與定子有效接觸；動子上面用螺釘固定有一個鋁合金小配重塊(就象砝碼)，以調節正壓力，最終調節動子的滾珠與定子之間的摩擦力，底座材料也采用鋁合金。調節激光功率、脈沖頻率及正壓力，可控制馬達的推動力和運動速度等。根據不同的需要，設計出始圖1(b)所示的雙向激光誘導表面波馬達]，用脈沖激光單獨或交替照射晶片的兩側，實現馬達的雙向運動。利用同一原理的旋轉型激光誘導表面波馬達如圖2所示。用LiNb03等壓電晶片制成圓環狀定子，采用如圖2(a)所示的透明有機玻璃作轉子，或采用圖2(b)所示的在轉子上打一些通孔，兩者都是使激光透過轉子，照射到壓電晶片上產生光致彈性波。在圖2(b) 中，雖然彈性波會有斷續，但不影響其傳播，在慣性作用下馬達仍能平穩轉動。在晶片表面刻出一道微溝槽，使彈性波只能沿環狀晶片表面定向傳播，以實現馬達的定向轉動。旋轉型馬達的運動特性控制與直線型類似。通常情況下，馬達只需單向轉動；如果需要，也可采取用激光照射微溝槽的另一側晶片表面等方法，改變馬達的轉動方向。馬達樣機的總體尺寸在1 IOcm之間，驅動速度(可根據馬達直徑換算成轉速)在Icm lm/s之間(對微小型馬達而言已足夠)可調，推動力達到0. 5 5N范圍。如圖3所示，激光誘導表面波馬達的驅動方法是脈沖激光束1照射在壓電晶片定子3或環形壓電晶片定子14上，脈沖激光束1與壓電晶片定子3或環形壓電晶片定子14 淺表面質點在分子水平上的快速相互作用，即微納米尺度光聲子效應，其綜合作用的結果， 使壓電晶片定子3或環形壓電晶片定子14表面質點按橢圓形軌跡作高頻彈性振動，構成沿表面傳播的光致表面彈性波，簡稱表面波或彈性波，通過微摩擦作用，彈性波推動壓電晶片定子3上的第一動子2作快速運動，或彈性波推動環形壓電晶片定子14上的透明有機玻璃轉子13或周邊開孔轉子16作快速轉動，實現光致驅動的目的，從而設計出激光誘導表面波馬達，激光誘導表面波馬達包括直線型馬達和旋轉型馬達。
權利要求1.一種激光誘導表面波馬達，其特征在于包括脈沖激光(1)、壓電晶片定子(3)、基底(4)、聚焦透鏡(5)、配重塊(6)、第二動子(7)、不銹鋼微珠(8)、導向桿(9)、第一固定塊 (10)、第二固定塊(11);基底(4)上設有壓電晶片定子(3)，壓電晶片定子(3)兩端分別固定有第一固定塊(10)、第二固定塊(11)，壓電晶片定子(3)上從上到下順次設有配重塊(6)、 第二動子(7)、不銹鋼微珠(8)，第二動子(7)中間穿有兩根平行的導向桿(9)，導向桿(9)兩端分別固定在第一固定塊(10)和第二固定塊(11)上，壓電晶片定子(3)—端上方從上到下順次設有脈沖激光(1)、聚焦透鏡(5)，脈沖激光(1)通過聚焦透鏡(5)照射到壓電晶片定子 (3)上，構成直線型馬達。
2.如權利要求1所述的一種激光誘導表面波馬達，其特征在于所述的脈沖激光(1)和聚焦透鏡(5)構成驅動光束。
3.如權利要求2所述的一種激光誘導表面波馬達，其特征在于所述的驅動光束為雙驅動光束。
4.一種激光誘導表面波馬達，其特征在于包括脈沖激光(1)、聚焦透鏡(5)、固定軸 (12)、透明有機玻璃轉子(13)、環形壓電晶片定子(14)、微溝槽(15)、周邊開孔轉子(16)； 環形壓電晶片定子(14)上刻有微溝槽(15)，固定軸(12)的一端固定在環形壓電晶片定子 (14)的軸心上，固定軸(12)的另一端穿過透明有機玻璃轉子(13)或周邊開孔轉子(16)中心，在透明有機玻璃轉子(13)上方，或周邊開孔轉子(16)的小孔上方從上到下順次設有脈沖激光(1)、聚焦透鏡(5)，脈沖激光(1)通過聚焦透鏡(5)透過透明有機玻璃轉子(13)照射到環形壓電晶片定子(14)上，或者脈沖激光(1)通過聚焦透鏡(5)穿過周邊開孔轉子(16) 小孔照射到環形壓電晶片定子(14)上，構成旋轉型馬達。
專利摘要本實用新型公開了一種激光誘導表面波馬達。由脈沖激光、壓電晶片定子、基底、聚焦透鏡、配重塊、第二動子、不銹鋼微珠、導向桿、第一固定塊、第二固定塊構成直線型馬達。由包括脈沖激光、聚焦透鏡、固定軸、透明有機玻璃轉子、環形壓電晶片定子、微溝槽、周邊開孔轉子構成旋轉型馬達。本實用新型的激光誘導表面波馬達實現了真正意義上的激光直接驅動新方法，具有結構簡潔、速度快、步距小、推動力(矩)大、無需叉指電極、無需導線連接、不受電磁干擾、可實現非接觸控制和遙控、馬達主體可微小化等優點。
文檔編號H02N2/10GK202285373SQ20112037229
公開日2012年6月27日 申請日期2011年9月28日 優先權日2011年9月28日
發明者張冬仙, 李方浩, 章海軍 申請人:浙江大學