專利名稱：連續納米精度位移微動量驅動方法
技術領域：
本發明涉及的是一種連續納米精度位移驅動方法，特別是一種連續納米精度位移微動量驅動方法，屬于納米技術領域。
背景技術：
納米技術依賴于納米精度驅動、定位、位移測量及相關加工技術與設備。實現連續的納米位移是納米加工、操縱、測量等領域的關鍵技術。納米位移驅動器在納米加工、光通信、航海、航天、天文、光學等廣泛的領域具有重要應用。采用傳統的步進馬達原理和技術，要實現無振動及重復精度的納米運動是不可能的。經對現有技術的文獻檢索發現，2001年美國專利號為US61948811，名稱為Drive apparatus(驅動器)，該專利介紹了一種新的納米運動驅動機制，通過把重力勢能逐步釋放轉化為位移驅動。其工作原理是這樣的運動桿和軸心座存在摩擦力F，當F大于重力W時，運動桿是靜止的，不發生運動。當壓電晶體施加一脈沖電壓，壓電晶體在脈沖電壓驅動下產生的膨脹力和重力共同作用，運動桿發生運動。當脈沖電壓處于零電平時，壓電晶體發生回復，運動桿發生回復，這時回復的方向與重力方向相反，回復位移要比前進位移小。夾緊裝置使壓電晶體發生回復時，運動桿不發生回復，從而在連續脈沖電壓作用下，運動桿產生連續的微小步進運動，當脈沖寬度足夠小，這一微小步進具有納米精度。但由于夾緊裝置很難與壓電晶體發生回復完全同步，使得運動桿的運動過程是一帶有鋸齒振動的位移運動。該專利技術在納米運動機制上比以往以尺蠕為基本原理的驅動機制上有了突破，但其所工作原理是采用通過力的傳遞來實現位移驅動。由于按現有技術，產生微小可以控制的力，只能采用壓電晶體在脈沖電壓驅動下產生的膨脹力。這樣，采用壓電晶體與運動桿連接的力的傳遞方法驅動運動桿發生運動，就存在當脈沖電壓處于零電平時，壓電晶體發生回復的問題。同時，該專利技術沒有擺脫尺蠕結構中的夾緊機構。因此導致存在如下缺陷1、直接用勢能釋放驅動運動桿產生連續納米位移，由于壓電晶體在脈沖電壓驅動下產生膨脹，當脈沖電壓處于零電平時，壓電晶體發生回復，使得運動桿的運動過程是一帶有鋸齒振動的位移運動，即工作狀態不平穩；2、采用壓電晶體驅動的夾子來控制運動桿的自由隨機滑動，加工精度要求高，容易由于夾子力和相位不對稱產生的橫向振動，這種橫向振動對納米精度的位移驅動器是致命。同時，由于采用重力作為勢能源，使得驅動器件不能發生傾斜，只能用于水平工作狀態，所采用的結構和驅動機制無法實現往復運動。
發明內容
和
具體實施例方式
本發明的目的在于克服現有技術中的不足，尤其是針對由于采用力的傳遞，而導致不可避免的壓電晶體當脈沖電壓處于零電平時的回復力，本發明提出一種連續納米精度位移微動量驅動方法，通過以下的技術方案實現的該方法具體如下1、動量接受器連續接受動量驅動桿所產生的定向沖量當壓電晶體上施加脈沖電壓，壓電晶體發生瞬間膨脹，壓電晶體前端的驅動桿與壓電晶體后端的質量塊，分別產生大小相等方向相反的力，確定質量塊的質量大于驅動桿的質量，動量驅動桿即產生定向沖量。
2、把驅動桿上的微小動量通過與運動桿一體的動量接受桿傳遞給運動桿，根據動量守恒，通過彈性碰撞，運動桿獲得一定初速度；3、控制在運動桿上施加恒定的摩擦力，使運動桿不能自由滑動，相對靜止當運動桿獲得驅動桿傳遞的微小動量，產生一定初速度，由于摩擦力的作用，運動桿運動一微小位移后就停止。
通過精確控制施加在壓電晶體上的脈沖電壓的寬度和幅度，使運動桿向前微小位移步進具有納米精度。
在連續脈沖電壓作用下，使動量驅動桿連續把微動量傳遞給了運動桿，運動桿就產生連續的納米位移步進運動。
4、確定運動桿和驅動桿分體的結構，運動桿和驅動桿相互是斷開不連接的由于運動桿和驅動桿相互是不連接的，因此當脈沖電壓處于零電平時，壓電晶體發生回復，運動桿不發生回復。
5、為了產生連續的納米步進位移運動，必須在一個脈沖作用后，第二脈沖作用前，使驅動桿跟進到與運動桿一體的動量接受桿初始的相對位置采用彈簧結構來實現，通過彈簧的壓縮彈性勢能的釋放，來實現在連續電壓脈沖作用下，壓電晶體不斷使驅動桿具有動量，這一動量不斷傳遞給了運動桿，使運動桿克服摩擦力產生微小位移，彈簧的彈性勢能不斷釋放，使每個電壓脈沖周期后，運動桿與驅動桿的相對位置復原，從而使運動桿受到驅動桿連續遞給的動量脈沖，產生連續的納米步進位移運動。
6、采用以運動桿兩端為對稱的驅動方法，實現雙向平穩的往復位移當運動桿一側的壓電晶體工作時，與壓電晶體相連接的驅動桿把動量傳遞給運動桿，使運動桿向一個方向運動，而當運動桿另一側的壓電晶體工作時，與壓電晶體相連接的驅動桿把動量傳遞給運動桿，使運動桿向相反方向運動。
動力學分析證明，當壓電晶體的膨脹力，作用在運動桿上的摩擦力和彈簧的彈性滿足一定條件，這種往復運動是可以實現的。
本發明具有實質性特點和顯著進步，本發明采用把彈性勢能逐步釋放，應用不受空間方向限制，可在三維空間任意轉動；采用首先把微勢能轉化為微動量，再用微動量驅動運動桿產生納米位移；由于動量具有方向性，不存在運動桿回復的因素；采用可控的均勻摩擦力，控制運動桿的自由隨機滑動，不存在橫向振動，而且縱向振動只要向前半周期。本發明的方法可應用各種尺寸，形狀的納米位移驅動器，在納米加工、光通信、航海、航天、天文、光學等涉及精密定位的領域有廣泛應用。
權利要求
1.一種連續納米往復位移微動量驅動方法，其特征在于具體如下(1)動量接受器連續接受動量驅動桿所產生的定向沖量；(2)把驅動桿上的微小動量通過與運動桿一體的動量接受桿傳遞給運動桿，通過彈性碰撞，運動桿獲得初速度；(3)控制在運動桿上施加恒定的摩擦力，運動桿相對靜止；(4)確定運動桿和驅動桿分體的結構，運動桿和驅動桿相互是斷開的；(5)必須在一個脈沖作用后，第二脈沖作用前，使驅動桿為了產生連續的納米步進位移運動，跟進到與運動桿一體的動量接受桿初始的相對位置；(6)采用以運動桿兩端為對稱的驅動方法，實現雙向平穩的往復位移。
2.根據權利要求1所述的這種連續納米往復位移微動量驅動方法，其特征是所述的動量接受器連續接受動量驅動桿其產生的定向沖量是指當壓電晶體上施加脈沖電壓，壓電晶體發生瞬間膨脹，壓電晶體前端的驅動桿與壓電晶體后端的質量塊，分別產生大小相等方向相反的力，確定質量塊的質量大于驅動桿的質量，動量驅動桿即產生定向沖量。
3.根據權利要求1所述的這種連續納米往復位移微動量驅動方法，其特征是所述的控制在運動桿上施加恒定的摩擦力，相對靜止是指當運動桿獲得驅動桿傳遞的微小動量，產生一定初速度，由于摩擦力的作用，運動桿運動一微小位移后就停止。
4.根據權利要求1或3所述的這種連續納米往復位移微動量驅動方法，其特征是通過精確控制施加在壓電晶體上的脈沖電壓的寬度和幅度，運動桿向前微小位移步進具有納米精度。
5.根據權利要求4所述的這種連續納米往復位移微動量驅動方法，其特征是所述的在連續脈沖電壓作用下，動量驅動桿連續把微動量傳遞給了運動桿，運動桿就產生連續的納米位移步進運動。
6.根據權利要求1所述的這種連續納米往復位移微動量驅動方法，其特征是所述的必須在一個脈沖作用后，第二脈沖作用前，使驅動桿為了產生連續的納米步進位移運動，跟進到與運動桿一體的動量接受桿初始的相對位置是指采用彈用彈簧結構來實現，通過彈簧的壓縮彈性勢能的釋放，來實現在連續電壓脈沖作用下，壓電晶體連續使驅動桿具有動量，這一動量連續傳遞給了運動桿，運動桿克服摩擦力產生微小位移，彈簧的彈性勢能連續釋放，使每個電壓脈沖周期后，運動桿與驅動桿的相對位置復原，從而運動桿受到驅動桿連續遞給的動量脈沖，產生連續的納米步進位移運動。
7.根據權利要求1所述的這種連續納米往復位移微動量驅動方法，其特征是所述的采用以運動桿兩端為對稱的驅動方法，實現雙向平穩的往復位移是指當運動桿一側的壓電晶體工作時，與壓電晶體相連接的驅動桿把動量傳遞給運動桿，使運動桿向一個方向運動，而當運動桿另一側的壓電晶體工作時，與壓電晶體相連接的驅動桿把動量傳遞給運動桿，使運動桿向相反方向運動。
全文摘要
一種連續納米往復位移微動量驅動方法屬于納米技術領域。本發明具體如下動量接受器連續接受動量驅動桿其產生的定向沖量；把驅動桿上的微小動量通過與運動桿一體的動量接受桿傳遞給運動桿獲得初速度；控制摩擦力，運動桿相對靜止；確定運動桿和驅動桿分體的結構；必須在一個脈沖作用后，第二脈沖作用前，驅動桿跟進到與運動桿一體的動量接受桿初始的相對位置；采用以運動桿兩端為對稱的驅動方法。本發明的應用不受空間方向限制，驅動運動桿產生納米位移，不存在運動桿回復的因素，控制運動桿的自由隨機滑動，不存在橫向振動。本發明在納米加工、光通信、航海、航天、天文、光學等涉及精密定位的領域有廣泛應用。
文檔編號H02N2/02GK1402422SQ0213725
公開日2003年3月12日 申請日期2002年9月29日 優先權日2002年9月29日
發明者王慶康 申請人:上海交通大學