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纳米精度马达的研究进展及专利列举

供稿人:ISTIS  供稿时间:2005-10-12   关键字:纳米精度马达  
纳米精度马达是纳米技术的动力部分,被人们称为纳米科技的心脏。它作为一种定位装置,既能有毫米的行程,又能达到原子级的精密度。纳米马达的尺寸很小,直径小于4mm,长度为15mm,但有相当大的功率,在运动方向可推动的重量达3g。这种驱动装置的特性和真空适应性,开辟了许多应用领域,如纳米工艺、微机械、微系统工程、通信技术、半导体技术、电子显微术、微生物技术等。目前国际上制造高精度定位纳米马达的科技力量集中于美国、日本和德国。
纳米电机与其它电机的特性比较
具有纳米精度的精密加工及测量设备仪器,是科研中的关键研究工具,而纳米步进马达则是这些研究工具中最核心的部件。其竞争优势主要体现在:
 
1、与传统PZT启动器相比:行程限制少,分辨率及频率较高,开环运行较好;
 
2、与超音速行波相比:速度及牵引力更低,主转动运行欠佳,低价,小尺寸,寿命较长;
 
3、真空应用方面,与磁电机相比,电机不需通过连接进给,固有制动器;
 
4、精度应用方面,与磁电机相比,响应时间较短,硬度较高,牵引力较高,固有制动器;
 
5、启动器方面,与小型磁电机及齿轮相比,速度-分辨率替换性欠佳,尺寸较小,低价,后冲力较小;
 
6、与小型步进电机相比,速度-分辨率替换性欠佳,尺寸较小。下图为纳米电机与其它电机的特性比较。
 
表:纳米电机与步进电机、直流电机的特性比较
特性
纳米电机
步进电机
直流电机
控制
闭环
开环
开环
速度动态范围
很大
分辨率
紧密度
紧密
分散
分散
速度变动
很好
欠佳
非励磁(通电)硬度
磁场
停滞时间
欠佳
真空兼容性
很好
有限
有限
(出处:德国nanomotion公司)
纳米马达的研制进展
美国物理学教授Zettl A.等人与美国劳伦斯克莱国立研究所联手,试制成功了把多层碳纳米管用作转子的纳米马达。使用硅底板,利用柔性技术制作出马达的骨格结构,再利用二氧化硅形成放置转子的位置,然后使用原子力显微镜安装多层碳纳米管转子。转子使用的碳纳米管直径约为40nm。马达可嵌入到硅芯片上。
 
加里福尼亚大学伯克利分校的物理学教授、伯克利劳伦斯国家实验室的科学家亚历克斯·扎特尔和他率领的研究小组研制出第一个纳米级马达。由金叶片转子和碳纳米管轴组成,它的碳纳米管轴可以“骑在”一个病毒的“背”上。这种纳米级马达的横截面为500 nm,是人发直径的1/300。马达的转子长度为100~300 nm,碳纳米管轴杆的横截面只有几个原子宽,约为5~10 nm。施加交流电压时,转子便前后摆动,就像一个扭力振荡器,其振荡频率如果是微波频率(从几百兆赫到千兆赫),就可用于多种装置——特别是通信装置,如手机或电脑。
 
台湾地区2005年9月公开了确定光波片厚度的测量系统研究报告,该系统采用了步进电机以纳米精度精确调节波片上所接收到光的角度。
德国nanomotion公司的压电陶瓷电机
成立于1992年的德国nanomotion公司一直致力于超声波压电陶瓷电机技术的研发,1996年进入市场的压电陶瓷电机(NM电机)有线性运动和旋转运动,最小步进5纳米,已销售于美国、日本、欧洲等国家和地区的技术领先企业,并具有US05453653等近30项相关专利(检索日期截至为2005年10月8日)。压电陶瓷电机具体技术特征表现为——
 
动力速度范围宽阔:1um-250mm/sec;
 
纳米分辨率:优于5nm;
 
高度的线性力:每单位5N;
 
零停滞时间、行程无限制、尺寸紧凑、没有移动的零件、快速响应;
 
在整洁、真空的环境中平稳运行;
 
极高的真空兼容性(10-10torr);
 
完全无磁性,确保运行接近于E beam设备。可应用于旋转和直线、精密运动系统(x,y,z,t)、显微镜、扫描仪以及相关真空应用(真空腔内部动力化、E Beam书写器、SEM, TEM系统、CD测量等)[15]
相关专利列表
采用“纳米*(马达+电机+机电)”和“nano* and (motor* or H01N2/02 or H02K7/06 or H01L41/08)”策略,在中国专利局网站和欧洲专利局网站进行检索,将所得的相关专利列表如下:
 
1. 专利名
公告号/公告日
申请号/申请日
申请人
CN1619937
2005.5.25
CN200410072545.X
2004.10.28
天津大学
摘要
本发明大行程纳米级步距压电马达,涉及微驱动系统,具体讲是涉及应用于纳米测量或纳米定位大行程纳米级步距压电马达。为提供低价格大行程纳米级步距压电马达,本发明采用的技术方案是,大行程纳米级步距压电马达由第一夹紧器、第二夹紧器、第一驱动器、第二驱动器和驱动轴组成,第一夹紧器与第一驱动器相连,第二夹紧器与第二驱动器相连,第一夹紧器、第二夹紧器、第一驱动器、第二驱动器构成推拉关系。本发明主要用于纳米定位及纳米测量。
主权项
一种大行程纳米级步距压电马达,其特征是,由第一夹紧器、第二夹紧器、第一驱动器、第二驱动器、驱动轴和控制系统组成,第一夹紧器与第一驱动器相连,第二夹紧器与第二驱动器相连,第一夹紧器、第二夹紧器、第一驱动器、第二驱动器构成推拉关系,使驱动轴发生运动,即当第一夹紧器夹紧时,第二夹紧器放松,同时第一驱动器推动驱动轴运动,第二驱动器做预备动作;当第二夹紧器夹紧时,第一夹紧器处于放松状态,第二驱动器继续驱动驱动轴运动,同时第一驱动器做预备动作,如此循环往复,控制系统按时序输出两路三角波、两路方波,经直流放大器放大后,加载到压电马达上对其进行动作控制。
 
 
2. 专利名
公告号/公告日
申请号/申请日
申请人
CN2340120
1999.9.22
CN98216753.9
1998.7.14
厦门大学
摘要
涉及一种直线电动机,由主机和控制电路组成。主机由马达、膜片联轴器、谐波齿轮传动机构、螺旋传动机构、弹性机构等组成,马达与左联轴器连接;波发生器与右半联轴器连接并带动柔轮转动,柔轮与刚轮啮接,柔轮与螺杆连接,螺杆与滑移螺母的内螺纹螺接,滚珠位于滑移螺母与螺帽间的中心位置。控制电路由电源、A/D转换电路、选择开关组成。本实用新型有直线位移,在纳米级细分,驱动力矩≥100N·m,正反转时无回差,无振动。
主权项
纳米级直线电动机,其特征在于包括主机和控制电路,1)电机由马达、固定架、膜片联轴器、谐波齿轮传动机构、螺旋传动机构、弹性机构和机架组成,马达固定在固定架上,马达的轴与膜片联轴器的左半联轴器通过螺钉连接;谐波齿轮传动机构由波发生器、刚轮、柔轮组成,波发生器与右半联轴器由螺钉连接,刚轮固定在机架上,彼发生器带动柔轮转动,柔轮和刚轮组成内啮合齿轮传动:螺旋传动机构由螺杆和滑移螺母组成,柔轮的轴和螺杆由螺钉连接,螺杆的右杆与滑移螺母的内螺纹螺接;弹性机构由滑移螺母、螺帽和滚珠组成,螺帽固定在滑移螺母上,滚珠位于滑移螺母与螺帽间的中心位置;2)控制电路由电源、A/D转换电路、选择开关组成,A/D转换电路的模拟信号输入端、ALE端、启动端接电源,CLK端外接脉冲信号源,数据输出端接选择开关,选择开关再与马达的输入端连接。
 
 
3. 专利名
公告号/公告日
申请号/申请日
申请人
WO2005008708
2005-01-27
WO2004US22922 20040716
UNIV CALIFORNIA (US)
同族专利
WO2005008708 (A3)
US2005017598 (A1)
 
摘要
涉及一种基于碳纳米管的旋转制动器或旋转电机,碳纳米管来自外壁的转盘碳纳米管在硅芯片层上沉积,整个结构的制造采用了匹配于硅制造技术的合适技术,并且包含了一种多面碳纳米管(MWNT),在底座表面下面还覆有固定片。MWNT置于两个锚衬上,包括外壁上的转子并根据电磁输入运动,底座具有防腐功能可确保转子自由转动。电机旋转可以正转也可以反转。
主权项
一种纳米级的装置,包括一个底座,底座上至少一个锚衬,锚衬与一个碳纳米管机械,相连,一个转盘与碳纳米管的转壁相连且围绕碳纳米管旋转,至少一个定子电极与底座相连,当通入适当的电压,电机转盘则受力旋转。
 
 
4.专利名
公告号/公告日
申请号/申请日
申请人
US5453653
1995-09-26
US19930101174 19930803
NANOMOTION LTD (IL)
摘要
一种可驱动物体的微型电机,包括至少一块具有长短边和两面的矩形压电板;附在压电板两面的电极,压电板一边中心有一个陶瓷逆电流器,所产生的弹力作用于另一边,至少有部分电极被交流电或单极脉冲电压气化。
主权项
一种可驱动物体的微型电机,包括至少两块矩形压电板,所述的矩形压电板具有不同的硬度,每块板具有长短边和两面,每一面上都有一些电极,压电板的一边中心有一个陶瓷逆电流器可与物体产生相互作用力,从而使部分电极气化。
 
5.专利名
公告号/公告日
申请号/申请日
申请人
EP1577961
2005-09-21
EP20050075767 19990531
NANOMOTION LTD (IL)
主权项
涉及一种压电马达驱动物体的加速或减速方法,压电马达与物体的接触区域受压引起受力方向上的振动,并具有两个方向上的振幅,该方法包括:a) 需要加速:则逐渐改变第二方向上的振幅和第一方向上的振幅的比例,从零到需要的值;或者b) 需要加速:则逐渐改变第二方向上的振幅和第一方向上的振幅的比例,从原先的非零值到零。
 
 
6.专利名
公告号/公告日
申请号/申请日
申请人
TW222267B
2004-10-11
TW20030110230 20030430
WANG YUNG-LIAN (TW)
摘要
该发明涉及一种线性微型/纳米致动器,其特征在于具有可变形的机械结构,该结构的优点在于一体化构成,无缝隙、无摩擦、无损耗,减少元件个数和装配错误产生。该结构具有一些主体支撑杆,一个无铁芯的电磁线圈,线圈的直径/长/宽/高设计可减少热量产生,改善致动器变形的情况,改善微型/纳米移动的精度。
 
 
7.专利名
公告号/公告日
申请号/申请日
申请人
DE10315961
2004-10-14
DE20031015961 20030406
KORTSCHACK AXEL (DE)
摘要
该定位系统包括了运动平台顶部的压电致动器的系统,可以精确确定物体运动的最终位置。其特征在于具有一个嵌于固定平台的机电致动器(1),可推动心轴(2)快速向上运动提升移动中的平台(3,6)至几厘米高度,平台可以在相应的导向装置(4)中以平缓的角度摩擦滑动。
 
参考文献
1. 标题:大行程纳米级步距压电电动机
出处:机械工程学报 2004,40(8) 119-122
 
2. 标题:A measurement system for determining the thickness of an optical wave plate
出处:Optics Communications v 253 n 1-3 Sep 1 2005. p 2-9
 
3. 标题:Nanomotion Precision Piezo Ceramic Motors
 
4.标题:The nanomotor Motion from the nanoscale world

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