本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。本专利技术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。
技术介绍
纳米技术一般是指纳米级(0. I-IOOnm)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。
技术实现思路
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，本专利技术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，本专利技术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。实施本专利技术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为本专利技术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，本专利技术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所示的本专利技术纳米马达的结构示意图及多向的剖视图可见，概括来看本专利技术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。从本专利技术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。通过这本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：楼柿涛，刘代贵，钱波，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：
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