光阑用螺纹式超声电机

研制了一种新型螺纹式空心超声电机,用于驱动光阑并控制和调节光束。由于光阑仅需有限角度转动,故采取螺纹方式连接超声电机定子和转子来施加轴向预压力和实现转子周向运动的耦合。电机仅由转子、定子和底座组成;其中转子与光阑定圈固定,实现了与光阑的一体化设计。运用有限元软件对定子进行了模态分析,选定工作频率为38.26kHz。受可加工螺纹螺距尺寸的限制,电机轴向运动使电机预压力变化较大,电机转动角度小,不能驱动光阑完成闭合或开启,故对转子进行了柔性化设计。仿真实验表明,在转动90°范围内,定、转子预压力变化在27%之内。试验研究表明:设计的电机定子振动特性良好,干扰模态距工作模态5kHz以上;阻抗值变化不超过10%。得到的结果验证了预压力变化对电机影响小;电机驱动光阑开启时间为5s,闭合时间为4.4s,开启、闭合直径与电机运行时间呈线性关系。该空心电机满足了光阑调节需求,具有结构简单、零部件少等特点。     

新型行波压电电动机的结构研究及理论分析

环型和圆盘型行波压电电动机小直径条件下,输出性能逐渐失去低速大力矩的特点。由于结构限制,其定转子的动态点接触导致电动机运转不平稳、磨损大和驱动力矩小等不足。针对这些不足提出一种新型行波柱面驱动压电电动机,将传统的点接触改进成现在的线接触,即环型或圆盘型定子改进成圆柱型定子。阐述了行波压电电动机的运行机理以及电动机驱动系统原理。通过对压电电动机定子结构的振动理论分析,证明此新型结构电动机符合一般压电电动机形成驱动及正常工作的基本条件。利用ANSYS有限元软件分析电动机定子的振动模态, 给出选取振动模态的理论依据。制作了直径为20 mm的柱面驱动压电电动机,并对其输出特性进行测试,得到测试结果为输出力矩／质量比是0．426。     

基于扭振斜向贴片式应力型纵扭复合超声电机

设计了一种新型双转子应力型纵扭复合超声电机,并对该型电机的结构进行了设计; 提出了一种基于扭转振动斜向粘贴压电片方式,利用矩形压电陶瓷贴置在开有斜槽的圆形定子基体上的布局方案,用于激励出定子基体产生一阶扭转振动模态; 通过有限元软件计算出定子基体一阶扭振模态和定/转子整体的二阶纵振模态,并对两者模态的固有频率一致性进行设计。对设计的10 mm贴片式双转子应力型纵扭复合超声电机进行振动测试实验并选择其最佳的工作频率,实验结果验证该方案的可实施性。     

用于光阑的旋转型驻波压电作动器

为了驱动光阑实现对光束的控制和调节,提出一种新型的旋转型驻波压电作动器。现有压电作动器中,性能稳定的多为单一振子复合模态工作方式,要求各工作模态频率差小,除了对加工精度要求高之外,由于工作磨损对各模态频率影响不同,工作模态的频率差增大,使作动器的性能和效率下降。针对这一问题和光阑的工作特点,研制了一种新型的旋转型压电作动器。该作动器利用两个相同结构杆形压电振子的同形模态,经摩擦驱动光阑活动环转动,达到调节光阑孔径的目的。原理样机实验表明:当预压力为8N时,在驱动电压为200V_(p-p)～400V_(p-p)范围内,作动器的旋转速度与电压成正比,最大的逆时针旋转速度为75.36rad/min,最大的顺时针运动速度为62.8rad/min;在驱动电压为400V_(p-p)下分辨率可以达到0.34mrad。该压电作动器满足了光阑光束控制的要求,具有结构简单、响应快速、调速平稳和精度高等优点。     

环形超声电机定子的振动模态与谐响应分析

振动模态分析和谐响应分析是超声电机优化设计的重要步骤。基于本实验室提出的压电定子和压电转子振型嵌合式环形超声电机,利用有限元软件Ansys10.0建立了直径为60 mm的环形超声定子的模型,并对此电机定子进行模态分析以及谐响应分析,得出了定子的固有频率和振型以及理论振幅值,特别阐述了此电机定子最优振动模态的选择。同时利用Agilent 35670A对制作的电机定子进行扫频测试,结果表明:分析结果与实测结果基本接近。研究结论为超声电机的优化设计提供了理论依据。     

基于面内模态的双腿式微型旋转超声电机

针对现有旋转超声电机不易与其他装置连接,以及因弹簧预紧造成轴向尺寸过长等问题,笔者提出了一种基于面内模态的双腿式微型旋转超声电机。电机由定子和锥形转子组成,定子采用一圆环加双腿式结构,在定子双腿外侧贴有纵振和弯振压电陶瓷片,双腿内侧有4个连接耳。电机定转子之间采用硅胶环和E型卡环进行预压力施加和端部紧固。电机利用圆环内侧周向行进的面内行波驱动转子旋转。利用ANSYS有限元软件对定子进行仿真分析,研究结构对模态的影响,以确定夹持和压电陶瓷片的粘贴位置;并对定子模态频率进行灵敏度分析,指导定子结构尺寸(设计变量)的修改,以提高优化效率。制作多组样机并开展实验研究,机械输出特性的实验结果表明:该电机体积小,最大宽度仅为12 mm;结构紧凑,总质量为6.9 g,易于与其他驱动装置连接;最大空载转速为338 r/min,最大输出扭矩为1.44 mN·m。     

一种用于鸭翼控制的摇头型双圆环压电马达研究

针对制导弹药平台对舵机的紧凑、直驱等要求,提出了一种采用夹心式换能器诱发双圆环弯曲振动的复合型压电定子结构,由此可构成结构精巧的摇头型双圆环旋转压电马达,用以驱动鸭式舵翼产生特定的偏转运动。该马达中的复合定子主体为一个具有四片压电陶瓷片的夹心式换能器,分别在换能器两输出端设计了利于放大振幅的环形圆盘;夹心式换能器的摇头运动激励出两端环形圆盘的五阶弯曲模态,通过圆环将输出振幅进一步放大;两个圆盘形转子在一定的预压力作用下与复合型压电定子两端的圆环表面保持紧密接触,通过摩擦将圆环表面的椭圆轨迹转换为转子的旋转运动。设计了可用于某制导系统鸭舵偏转操纵的直驱马达结构,建立了基于夹心式换能器的双圆环形定子结构动力学模型,通过有限元软件对定子的模态进行了仿真分析,设计并加工出了样机。搭建了测试平台对样机的输出特性进行了实验,测试结果表明：该双圆环（双）输出轴马达可实现双输出轴同时旋转,在300 V峰峰值的驱动电压下,最大转速可达190 r/min,最大输出扭矩可达0.07 N·m。     

轮式直线型超声电机定子的动态设计和分析

利用非统一截面梁在正交方向上的2个同形弯曲振动模态作为工作模态,设计了一种新型直线超声电机.基于有限元理论叙述了该定子的动态设计过程,对定子驱动足位置、压电陶瓷安装位置和定子的不同夹持方式进行了仿真计算,分析了不同阶次弯曲振动模态作为定子工作模态的优缺点以及不同支撑方式对定子振动模态的影响.制造了一台原理性样机,样机定子直径为10 mm,长为55 mm,重为30 g.在驱动电压峰峰值为200 V,驱动频率为49.52 kHz,摩擦副为陶瓷摩擦材料对不锈钢的情况下,电机空载速度为374 mm/s,最大推力为13 N,推重比达到了43: 1.     

大型分体式磁轴承电动机系统定子模态分析

准确分析定子固有模态对低振动噪声电机系统优化设计和控制有十分重要的意义。针对大型分体式磁轴承电动机系统,采用有限元仿真方法分析轴向磁轴承定子绕组、径向磁轴承定子叠片结构、机座螺栓连接以及底座附加质量对大型分体式磁轴承电动机系统定子模态的影响。结果表明:轴向轴承定子绕组对定子固有频率影响较大,宜采用质量计入铁心的方式处理;径向轴承定子叠片结构对定子固有频率的影响较小,可按各向同性处理;机座螺栓连接刚度对机座固有频率有一定影响,但当连接刚度远大于机座刚度时,影响较小;底座附加质量对整机模态频率有一定的影响,但对不同振型的固有频率的影响效果相差较大。计算了整机的模态频率,并与振动试验结果进行了对比验证。     

中空型超声电机定子的有效机电耦合系数分析

为了提高中空型超声电机的输出效率,对电机定子的有效机电耦合系数进行了研究分析。首先,利用等效电路法分析了电机定子的压电阻抗特性,确定了有效机电耦合系数的计算方法;其次,通过ANSYS软件对电机定子的压电阻抗特性进行了有限元仿真,分析了定子的振动模态、金属弹性体和压电陶瓷的结构尺寸对有效机电耦合系数的影响;然后,根据仿真结果设计制作了4个不同的定子,并利用阻抗分析仪对4个定子进行了测试,实测值与仿真值进行对比,相对误差均小于10%,获得的阻抗特性曲线和仿真结果相吻合;最后,将4个定子装配成样机,并搭建了电机性能测试平台进行实验测试,4个样机均获得了较好的输出性能。实验结果表明,提高定子的有效机电耦合系数能获得较低的功耗,进而提高电机的输出效率,具有较高的工程应用价值。     

悬浮式球转子压电作动器的设计及实验研究

针对机械转子式陀螺仪对支承和高转速的特定要求，设计出一种兰杰文振子和压电圆盘复合驱动的定子，从而在定子振动输出面获得足够振幅的行波运动，实现对球转子的超声近场非接触支承和高速驱动。对圆盘定子进行了结构动力学设计，使其工作频率与兰杰文振子频率基本一致。样机模态实验表明复合定子频率一致性较好。通过悬浮高度和转速测试发现，转子悬浮稳定，转速与驱动频率有关，在200 V激励电压下的共振频率附近可获得最大转速3 880  r/min。     

一种新型中空轴压电电机的结构设计

中空轴压电电机作为一种新型微特电机,在一些特殊领域有良好的应用前景。鉴于行波驱动中空轴压电电机的一些不足,提出一种依靠驻波驱动的中空轴压电电机的结构设计。该电机设计结构简单,容易实现。根据实际需要,中空轴直径可大幅度调节,输出推力也可灵活调节。     

低速重载球面摩擦副石墨镶嵌润滑结构设计及比较

人字闸门底枢作为半球面摩擦副，在水下长时间以低速、重载工况运行，易因磨损导致故障。传统的油脂润滑容易造成环境污染，而固体镶嵌润滑是更为适宜的润滑方式。为了研究不同材料和轴瓦镶嵌结构对底枢摩擦副摩擦学性能的影响，通过试验得到石墨填充润滑材料的力学性能以及不同条件下的摩擦因数；以三峡大坝人字闸门底枢为研究对象，从工程实际与理论分析角度设计了相同孔径和渐变孔径2种不同轴瓦镶嵌结构，利用有限元软件分析了球面静态接触和旋转运行状态下的接触应力，对比了光滑轴瓦、相同孔轴瓦和渐变孔轴瓦的理论摩擦因数。结果表明：从应力角度，相同镶嵌结构下石墨润滑优于高分子赛龙材料润滑；在相同填充面积条件下，3种结构中最大等效应力从大到小依次为渐变孔结构、相同孔结构和光滑结构，而从润滑以及理论摩擦因数角度看，渐变孔结构性能最好，然后依次为相同孔结构和光滑结构；相比镶嵌孔路径，无镶嵌孔路径上的轴瓦等效应力较小。因此，在实际应用中，应确保力学偏置方向与轴瓦的无镶嵌孔区域相符，以减小应力集中并提高润滑性能。     

钹型开槽式阀压电泵的设计

由于有阀压电泵内部阀体所受应力过大易导致阀体失效,本文提出了钹型开槽式截止阀来减小有阀压电泵内部阀体所受应力。基于钹型开槽式截止阀设计了有阀压电泵,分析了钹型开槽式阀压电泵的工作原理。对钹型开槽膜片进行了受力分析,研究了该压电泵的输出性能及耦合作用下的膜片应力。加工制作了钹型开槽式阀压电泵样机,建立了钹型开槽式阀压电泵的有限元模型,数值计算了流固耦合作用下的阀体应力值。计算结果表明:在压电泵正常输出的驱动频率范围内,当驱动频率为418Hz时,膜片所受应力的计算值也达到最大,为81.74 MPa。最后,进行了压电泵性能试验。试验结果显示:该压电泵的输出流量最大值和振子振幅最大值均出现在低频段;当驱动电压为160V,驱动频率为5Hz时,输出流量达到最大,为6.6g/min;驱动频率为4Hz时,压电振子振幅达到最大,为165.8μm。文中的研究验证了钹型开槽式阀体压电泵的有效性,并得出当钹型开槽式阀压电泵工作在低频段时,阀门所受应力远小于高频段时阀门的应力值。     

Design of a hybrid double-sideband/single-sideband (schlieren) objective aperture suitable for electron microscopy

A novel design is described for an aperture that blocks a half-plane of the electron diffraction pattern out to a desired scattering angle, and then - except for a narrow support beam - transmits all of the scattered electrons beyond that angle. Our proposed tulip-shaped design is thus a hybrid between the single-sideband (ssb) aperture, which blocks a full half-plane of the diffraction pattern, and the conventional (i.e. fully open) double-sideband (dsb) aperture. The benefits of this hybrid design include the fact that such an aperture allows one to obtain high-contrast images of weak-phase objects with the objective lens set to Scherzer defocus. We further demonstrate that such apertures can be fabricated from thin-foil materials by milling with a focused ion beam (FIB), and that such apertures are fully compatible with the requirements of imaging out to a resolution of at least 0.34 nm. As is known from earlier work with single-sideband apertures, however, the edge of such an aperture can introduce unwanted, electrostatic phase shifts due to charging. The principal requirement for using such an aperture in a routine data-collection mode is thus to discover appropriate materials, protocols for fabrication and processing and conditions of use such that the hybrid aperture remains free of charging over long periods of time.     

Spatial distribution and polarization dependence of the optical near-field in a silicon microfabricated probe

This paper reports on the spatial distribution and polarization behaviour of the optical near-field at the aperture of a Si micromachined probe. A sub-100 nm aperture at the apex of a SiO₂ tip on a Si cantilever was successfully fabricated by selective etching of the SiO₂ tip in a buffered-HF solution using a thin Cr film as a mask. The aperture, 10–100 nm in size, can be reproducibly fabricated by optimizing the etching time. The optical throughput of several apertures was measured. For a 100 nm aperture, a throughput of 1% was approved. The probe shows a very high optical throughput owing to the geometrical structure of the tip. The spatial distribution of the near-field light is measured and simulated using a finite difference-time domain method. The polarization behaviour of apertures with different shapes was analysed using a photon counting camera system.     

Development of a broadband low-frequency mosaic ultrasonic piezoelectric transducer with a limited aperture

Broadband low-frequency mosaic ultrasonic piezoelectric transducers with apertures comparable with acoustic wavelengths, which are designed as sets of acoustically coupled piezoelectric elements of different heights, are considered. Examples of small-aperture broadband mosaic transducers and their production technology are presented.     

Microarrays of near-field optical probes with adjustable dimensions

We present the fabrication and the characterization of high-density microarrays comprising thousands of near-field optical probes. Two types of microarrays have been prepared by adapting the SNOM methodology: arrays of uncoated fiber nanotips (i.e. apertureless probes) and arrays of apertures with adjustable subwavelength dimensions. Such arrays were fabricated by retaining the coherent structure of monomode optical fiber bundles and therefore keeping their imaging properties. The size of the apertures in a microarray was tuned at the nanometer scale by modifying the fabrication parameters. Far-field characterization of these near-field probe arrays shows completely different behavior depending both on their architecture and on their characteristic size. The angular distribution of the far-field intensity transmitted through the aperture arrays is used to determine the optical size of such diffracting apertures. Aperture radii ranging from 95 to 250 nm were found in good agreement with SEM data. Furthermore, each nanoaperture of the array is optically independent in the far-field regime. Eventually, this study demonstrates potential applications of these imaging arrays as parallel near-field optical probes in both configurations (apertureless and with apertures).     

高数值孔径投影光刻物镜的光学设计

针对45nm节点投影光刻物镜的应用,开展了工作波长为193nm的深紫外浸没式高数值孔径(NA)投影光刻物镜的研究和研制。设计了数值孔径(NA)为1.30的离轴三反射镜投影光刻物镜和NA为1.35的同轴两反射镜投影光刻物镜,并对两个设计方案的优劣进行对比分析,选择了同轴式结构作为最终的设计方案。分析了系统在不同NA情况下可变光阑与其远心度之间的关系,提出了用双可变曲面光阑的设计方案来优化系统的远心度。实验表明,应用本文设计方案,光刻物镜的波像差小于1nm,畸变小于1nm;新型的可变光阑使系统NA在0.85~1.35变化时的最大远心度由5.83~17.57mrad降低至0.26~3.21mrad。本文提出的设计方案为45nm节点高数值孔径投影光刻物镜的研制提供了有益的理论依据和指导。