纳米电磁致动器的发展

　　纳米技术是20世纪80年代初迅速发展起来的高新技术,并将在21世纪获得更大发展,从而导致人类认识和改造世界能力的重大突破[1,2]。伴随着纳米技术的发展,科技工作者研制出大量不同原理、不同结构的纳米致动器[3],如压电式、电磁式、静电式、形状记忆合金式和热变式等。此外,超导式、凝胶等高分子式、光驱动式和超声波驱动式等也有研究。值得回味的是,在常规驱动和微米精密驱动中占有绝对优势的电磁式,在纳米超精密驱动中却远远落在压电式的后面。现有的纳米电磁致动器主要基于电磁冲击运动和磁致伸缩2种不同的原理[4～8]。本文将讨论纳米冲击式电磁致动器的工作原理,给出冲击式电磁致动器的一些典型结构,并介绍笔者研制的一种新原理组合式致动器。

　　1　冲击式电磁致动原理

　　由动量原理可知,物体动量的改变和2个因素有关:一个是作用在物体上的合外力,另一个是合外力持续作用的时间。物体在运动过程中所受合外力的冲量,等于这物体动量的增量。为使问题简化,下面的讨论仅限于等加速和等减速运动形式。

　　图1所示的质量块m最初处于静止状态,速度v1= 0。当外加一个大于阻力f的冲击力F时,质量块m将产生加速运动。经过Δt1时间,质量块m移动距离S1,速度达到v2=v。撤去冲击力F,质　　量块m在阻力f的作用下开始作减速运动。经过Δt2时间,质量块m又移动距离S2,速度降至v3=0,重新回到静止状态。整个运动过程移动的总距离S=S1+S2。用方程组将上述各变量之间的关　　系表示如下:

　　当f一定时,改变冲击力F的大小和作用时间Δt1,就可控制移动距离的大小。由电磁场理论可知,通电导体或线圈在磁场中会受到力的作用,如果通过的是冲击电流则会受到一个冲击力的作用。若将通电导体或线圈与上述质量块m固定在一起,置于磁场之中,通过改变冲击电流的大小和作用时间就可以方便地控制质量块m以指定的距离移动,这就是冲击式电磁致动原理。

　　2　典型结构

　　2.1　Smith微定位器

　　图2为Douglas P.E. Smith等[5]设计的一维电磁微定位器原理图。玻璃上的样品托下部装有一个永久磁铁,磁场沿垂直方向。3个滚珠轴承与样品托三条腿的底部紧紧连接,使之与玻璃片有低摩擦的确定性接触。电流以脉冲方式通过矩形架上缠绕的线圈,在永久磁铁下形成一个电流回路。由于下边产生的电磁力远小于上边产生的电磁力,样品托受到一个方向与上边电流和磁场方向垂直的合力。放在样品托上的样品根据脉冲电流方向的改变可作前进与后退运动。运动范围被限制在线圈与磁铁的重叠区域内。样品托受轴承运动轨线的限制而不会朝侧面乱走。本装置前进后退运动的重复性很好。