電磁懸浮與驅動的空間微運動機械裝置的製作方法

2023-05-28 11:52:46 1

專利名稱：電磁懸浮與驅動的空間微運動機械裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電磁懸浮與驅動的空間微運動機械裝置。
背景技術：
當前，各種微操作器驅動技術，雖然有多種微驅動方法和驅動器，如壓電驅 動器、靜電驅動器和形狀記憶合金驅動器，但對微操作驅動器的研究往往只論 述和側重於提高運動精度或解析度這單一參數，雖然運動精度或解析度可以達 到較高指標，具有納米級甚至亞納米級的運動精度和解析度，但是它們的運動 範圍卻很小， 一般只限於微米量級以下的小運動範圍，即現有的各種微驅動方 法均不能兼顧高運動精度和大運動範圍這一矛盾。其次，當前各種微操作器驅 動技術，均採用單一形式的驅動方式，可實現的自由度一般為單自由度和兩自 由度，難以滿足微操作器位置姿態調整需要的多自由度要求。因此，當前各種 微操作器驅動技術，運動響應速度較慢、加速度較小。 本發明內容
針對當前微操作器運動範圍小、自由度低、響應慢的不足，本實用新型的 目的在於提供一種電磁懸浮與驅動的空間微運動機械裝置。 本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是
1. 一種電磁懸浮與驅動的空間微運動方法
將微操作器固定在運動體上，在運動體的四個側面和底面分別嵌入一組永 磁陣列，與每組永磁陣列對應布置一組導線陣列，當運動體底面下的導線陣列
通入電流時，導線陣列產生的電磁場與永磁陣列產生的電磁場相互作用，使運 動體處於懸浮狀態；改變通過每組導線陣列電流的大小和方向，能實現運動體 上的微操作器所需6自由度的空間微運動。
每組導線陣列的高斯形磁場位置隨對應永磁陣列同步移動，始終保持兩磁 場的準確作用位置。
2. —種電磁懸浮與驅動的空間微運動機械裝置
包括四組導線陣列，四組永磁陣列，運動體，運動體底面下的一組永磁陣 列，運動體底面下的一組導線陣列，微操作器固定座。微操作器安裝在微操作 器固定座上，徽操作器固定座固定在運動體上，運動體的四個fll面和底面分別 嵌入一組永磁陣列，與分別嵌入一組永磁陣列的運動體的四個側面和底面，對 應布置一組導線陣列。所述的微操作器為微探針、微吸管或微夾持器。
本實用新型具有的有益效果是採用磁懸浮技術，可實現運動體在X、 Y、 Z方向的平動及繞X、 Y、 Z軸的旋轉運動等6自由度、大運動範圍、高運動精 度、快響應速度的微運動，運動精度可達納米級、運動範圍可達毫米級。該裝 置主要適用於微機電系統、生物工程、集成電路晶片製造技術、分子原子操縱 等納米級大範圍運動操作領域。

圖1是本實用新型的總體結構示意圖。
圖中丄第一組導線陣列，2.第一組永磁陣列，3.運動體4.第二組導線陣列， 5.第二組永磁陣列，6.第三組永磁陣列，7.第三導線陣列，8.運動體底面下的一 組導線陣列，9.第四組導線陣列，IO.第四組永磁陣列，ll.微操作器固定座。
具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
如圖1所示，本實用新型包括包括四組導線陣列1、 4、 7、 9，四組永磁陣 列2、 5、 6、 10，運動體3，運動體底面下的一組永磁陣列，運動體底面下的一 組導線陣列8，微操作器固定座ll;微操作器安裝在微操作器固定座11上，微 操作器固定座11固定在運動體3上，運動體3的四個側面和底面分別嵌入一組 永磁陣列，與分別嵌入一組永磁陣列的運動體3的四個側面和底面，對應布置 一組導線陣列。即第一組永磁陣列2與第一組導線陣列1、第二組永磁陣列5與 第二組導線陣列4、第三組永磁陣列6與第三組導線陣列7、第四組永磁陣列10 與第四組導線陣列9、運動體底面下的一組永磁陣列(圖中未標出)與運動體底面 下的一組導線陣列8分別相對應。運動體3由五組永磁陣列和導線陣列實現電 磁懸浮與驅動，是一個多驅動源的複雜系統。以上所述的微操作器為微探針、 微吸管或微夾持器等。
永磁陣列是由基本的Halbach陣列經過二維矢量疊加而成的。這種方式排列 的磁體陣列， 一個表面產生的磁場強度是常規排列方式的磁場強度的W倍，相 應聚集的磁能是按常規排列方式的磁能的兩倍，而另一表面幾乎沒有磁場強度 存在。導線陣列產生的磁場強度大小與磁場強度峰值的位置，隨通入導線陣列 的電流大小和方向而變化。在導線陣列中通入電流，則在導線陣列表面產生高 斯形的磁場強度波形。當永磁陣列隨運動體運動時，改變導線陣列的不同導線 通電，可使導線陣列的高斯形磁場位置隨對應永磁陣列同步移動，始終保持導 線陣列和永磁陣列的兩磁場的準確作用位置。
首先運動體底面下的一組導線陣列8中的某些導線通入電流，運動體底面 下的一組導線陣列8產生的電磁場與運動體底面下的一組永磁陣列(圖中未標出)
產生的電磁場相互作用，使運動體處於懸浮狀態。
(1) 運動體在z方向的運動實現
運動體(微操作器)所需Z方向的運動軌跡和位移等參數經數學變換後， 轉換成運動體的運動參數。通過此參數，改變運動體底面下的一組導線陣列8 中的電流大小，使運動體底面下的一組導線陣列8產生的磁場和運動體底面下
的一組永磁陣列(圖中未標出)的磁場相互作用力大小變化，實現z方向的位置移
動；同時，改變通過四組導線陣列l、 4、 7、 9電流的大小和方向，使側面導線 陣列的高斯形磁場位置分別隨四組永磁陣列2、 5、 6、 10同步移動，始終保持 兩磁場的準確作用位置，保持運動體的穩定。
(2) 運動體在X方向的運動實現
運動體(微操作器)所需X方向的運動軌跡和位移等參數經數學變換後， 轉換成運動體的運動參數；通過此參數，改變第二、第四組導線陣列4、 9中的 電流大小，使第二、第四組導線陣列4、 9的磁場和第二、第四組永磁陣列5、 IO的磁場相互作用力大小，按相反的方向變化，實現X方向的位置移動；同時， 改變運動體底面下的一組導線陣列8和第一、第三組導線陣列l、 7中電流的大 小和方向，使導線陣列的高斯形磁場位置分別隨運動體底面下的一組永磁陣列 (圖中未標出)和第一、第三組永磁陣列2、 6同步移動，始終保持兩磁場的準確 作用位置，保持運動體的穩定。
(3) 運動體在Y方向的運動實現
運動體(微操作器)所需Y方向的運動軌跡和位移等參數經數學變換後， 轉換成運動體的運動參數；通過此參數，改變第一、第三組導線陣列l、 7中的 電流大小，使第一、第三組導線陣列l、 7的磁場和第一、第三組永磁陣列2、 6 的磁場相互作用力大小，按相反的方向變化，實現Y方向的位置移動；同時， 改變運動體底面下的一組導線陣列8和第二、第四組導線陣列4、 9中電流的大 小和方向，使導線陣列的高斯形磁場位置分別隨運動體底面下的一組永磁陣列 (圖中未標出)和第二、第四組永磁陣列5、 10同步移動，始終保持兩磁場的準 確作用位置，保持運動體的穩定。
(4) 運動體繞X軸旋轉的實現
運動體繞X軸旋轉是通過改變運動體底面下的一組導線陣列8的電流大小
和方向來實現的。
運動體(微操作器)所需繞X軸旋轉運動軌跡和角位移等參數經數學變換 後，轉換成運動體的運動參數；通過此參數,改變運動體底面下的一組導線陣列 8中的電流大小和方向，使運動體底面下的一組導線陣列8產生的磁場和運動體
底面下的一組永磁陣列(圖中未標出)的磁場相互作用力大小,在Y軸的正負方向 按相反的規律變化，實現繞X軸旋轉；同時，改變通過四組導線陣列l、 4、 7、 9中電流的大小和方向，使導線陣列的高斯形磁場位置可隨永磁陣列同步移動， 始終保持兩磁場的準確作用位置，保持運動體的穩定。
(5) 運動體繞Y軸旋轉的實現
運動體繞Y軸旋轉是通過改變運動體底面下的一組導線陣列8的電流大小
和方向來實現的。
運動體(微操作器)所需繞Y軸旋轉運動軌跡和角位移等參數經數學變換 後，轉換成運動體的運動參數；通過此參數，改變運動體底面下的一組導線陣列 8中的電流大小和方向，使運動體底面下的一組導線陣列8產生的磁場和運動體 底面下的 -組永磁陣列(圖中未標出)的磁場相互作用力大小，在X軸的正負方向 按相反的規律變化，實現繞Y軸旋轉；同時，改變通過四組導線陣列l、 4、 7、 9中電流的大小和方向，使導線陣列的高斯形磁場位置可隨永磁陣列同步移動， 始終保持兩磁場的準確作用位置，保持運動體的穩定。
(6) 運動體繞Z軸旋轉的實現
運動體繞Z軸旋轉是通過改變四組導線陣列1、 4、 7、 9的電流大小和方向
來實現的。
運動體(微操作器)所需繞Z軸旋轉運動軌跡和角位移等參數經數學變換 後，轉換成運動體的運動參數；通過此參數，改變四組導線陣列l、 4、 7、 9中 的電流大小，使四組導線陣列1、 4、 7、 9的磁場和四組永磁陣列2、 5、 6、 10 的磁場分別相互作用力的大小變化，實現繞Z軸旋轉；同時，改變通過運動體 底面下的一組導線陣列8中電流的大小和方向，使導線陣列的高斯形磁場位置 可隨運動體底面下的一組永磁陣列(圖中未標出)同步移動，始終保持兩磁場的準 確作用位置，保持運動體的穩定。
上述具體實施方式
用來解釋說明本實用新型，而不是對本進行限制，在本 實用新型的精神和權利要求的保護範圍內，對本實用新型作出的任何修改和改 變，都落入本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種電磁懸浮與驅動的空間微運動機械裝置，其特徵在於包括四組導線陣列，四組永磁陣列，運動體，運動體底面下的一組永磁陣列，運動體底面下的一組導線陣列，微操作器固定座；微操作器安裝在微操作器固定座上，微操作器固定座固定在運動體上，運動體的四個側面和底面分別嵌入一組永磁陣列，與分別嵌入一組永磁陣列的運動體的四個側面和底面，對應布置一組導線陣列。
2. 根據權利要求2所述的一種電磁懸浮與驅動的空間微運動機械裝置，其特徵在於所述的微操作器為微探針、微吸管或微夾持器。
專利摘要本實用新型公開了一種電磁懸浮與驅動的空間微運動機械裝置。將微操作器固定在運動體上，在運動體的四個側面和底面分別嵌入一組永磁陣列，與每組永磁陣列對應布置一組導線陣列，當運動體底面下的導線陣列通入電流時，導線陣列產生的電磁場與永磁陣列產生的電磁場相互作用，使運動體處於懸浮狀態；改變通過每組導線陣列電流的大小和方向，能實現運動體上的微操作器所需6自由度的空間微運動、運動範圍大、運動精度高、響應快的納米級大範圍運動。該裝置主要適用於微機電系統、生物工程、集成電路晶片製造技術、分子原子操縱等納米級大範圍運動操作領域。
文檔編號H02N15/00GK201001090SQ20062010860
公開日2008年1月2日 申請日期2006年10月12日 優先權日2006年10月12日
發明者孫政榮, 濤 楊, 潘科榮, 王俊茹, 陳本永 申請人:浙江理工大學