第３３卷第１期 光学仪器 ＶｏＩ．３３，Ｎｏ．１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０１ １ ２０１１年２月 ＯＰＴＩＣＡＬ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ 文章编号：１００５—５６３０（２０］１）０１ ００７４ ０４ 基于形状记忆合金的微小型光热驱动马达 －Ｘ－ 史斌，赵冬伟，张冬仙，章海军 （浙汀大学现代光学仪器国家重点实验室，浙江杭州 ３１００２７） 摘要：在分析了形状记忆合金双程记忆效应原理的基础上，采用铜锌铝双向记忆合金片，设计并 加工制作了两种微小型光热驱动马达，对其进行了驱动实验研究。研究结果表明，用输出波长 为１０６４ｎｍ的ＹＡＧ脉冲激光作为光热驱动马达的驱动源，在适当的输出功率和频率下，棘轮棘 爪型光热驱动马达可获得较精确的步距，齿轮传动型光热驱动马达可获得较高的转速。这类用 激光作为驱动源的微小型光热驱动马达易于小型化，真正实现无线遥控，有望在微光机电系统 获得广泛应用。 关键词：激光；形状记忆合金；光热驱动；马达 中图分类号：Ｏ ５３２．２５；Ｏ ４３６文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｍ １００５—５６３０．２０１１．０１．０１７ Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｏｐｔｏｔｈｅｒｍａｌ ｄｒｉｖｅ ｍｏｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ ＳＨＩ Ｂｉｎ，ＺＨＡＯ Ｄｏｎｇｚｕｅｉ，ＺＨＡＮＧ Ｄｏｎｇｘｉａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｈａｉｊｕｎ （Ｓｔａｌｅ Ｋｅｙ １．ａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ（）ｐｔｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：（）Ｔ１ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｗｏ－ｗａｙ ｍｅｍｏｒｙ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ，ｔＷＯ ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｏｐｔｏｔｈｅｒｍａｌ ｍｏｔｏｒｓ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ ｕｓｉｎｇ ｓｈｅｅｔｓ ｏｆ Ｃｕ－Ｚｎ－Ａ１ ｔｗｏ－ｗａｙ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｔｏ ｔｅｓｔ ｔｈｅｉｒ ｄｒｉｖｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＴｈｅ ．ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈａｌ ｗｈｅｎ ｕｓｉｎｇ ａ １０６４ｎｍ ＹＡＧ ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ａｎ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｓ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒｓ ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｏｕｒｃｅ，ｔｈｅ ｒａｔｃｈｅｔ－ｐａｗｌ—ｔｙｐｅ ｏｐｔｏｔｈｅｒｍａ１ ｍｏｔｏｒ ｃａｎ ｈａｖｅ ａ ｐｒｅｃｉｓｅ ｓｔｅｐ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｇｅａｐｔｙｐｅ ｏｐｔｏｔｈｅｍｍｌ ｍｏｔｏｒ ｃａｎ ｈａｖｅ ａ ｈｉｇｈ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｐｅｅｄ． Ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｏｐｔｏｔｈｅｒｍａｌ ｍｏｔｏｒｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ａｎｄ ｗｉｄｅｌｙ ｕｔｉｌｉｚｅｄ ｉｎ ｍｉｃｒｏ—ｏＤｔｉａｌｃ－ｅｌｅｃｔ附 ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｉｒｅｌｅｓｓｌｙ ｗｉｔｈ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ；ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ；ｏｐｔｏｔｈｅｒｍａｌ ｄｒｉｖｅ；ｍｏｔｏｒ 引 言 随着微纳米技术的发展，微光机电系统（ｍｉｃｒｏ—ｏｐｔｉｃａｌ—ｅｌｅｃｔｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ，ＭＯＥＭＳ）作为微纳 米技术中一个重要的分支，已在世界各圈得到迅速发展，并在诸多领域获得广泛应用。微驱动器 是众 多ＭＯＭＥＳ中的重要组成部分，按驱动原理的不同，常见驱动器可分为：电磁驱动型 ｚ剖、静电驱动型［ 、 压电驱动型 引、热膨胀驱动型 、形状记忆合，￣．（ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ，ＳＭＡ）驱动型 等。虽然这些驱动 器在不同场合取得了一些应用，但仍然存在不少问题，如：电磁驱动型，能量消耗大、线圈升温高、噪声大、 收稿日期 ２Ｏ１０ ０８ ２２ 基金项目 家８６３计划资助项Ｉ＿＿Ｉ（２００６ＡＡ０４Ｚ２３７） 作者简介 史斌（１９８８）．男，浙江宁波人，本科生，主要从事光电技术方面的研究。 通讯作者 张冬仙（１９６３一），女，浙汀金华人．教授．博Ｉ：，主要从事微纳米技术及光电检测方面的研究。 第１期 史斌，等：基于形状记忆合金的微小型光热驱动马达 ・７５・ 体积大；静电驱动型，输出力小、驱动电压高；压电驱动型，驱动电压高、电绝缘要求高；热膨胀驱动型，位 移量小、响应频率低等。 现根据ＳＭＡ的形状记忆效应，首次将激光作为光热驱动源，设计了基于ＳＭＡ的两种微小型光热驱 动马达——棘轮棘爪型和齿轮传动型。与其他类型的驱动马达相比，这类基于ＳＭＡ的光热驱动马达具 有能耗低、结构简单、无需导线连接、主体可微小化等突出优点。棘轮棘爪型光热驱动马达可获得较精确 的步距，齿轮传动型光热驱动马达可获得比较高的转动频率。文中介绍了基于ＳＭＡ的光热驱动马达的 原理和结构设计，进行了马达驱动性能的测试实验，取得比较理想的研究结果。 ｌ原理与方法 １．１棘轮棘爪型光热驱动马达 一些合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以变回原来的形状，这种具有特 殊性质的合金称为形状记忆合金。某些合金加热时 呈现高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，被称 为双向记忆合金。 所采用的ＳＭＡ为铜锌铝（Ｃｕ－Ｚｎ－Ａ１）双向记忆合 金，具有双程记忆效应Ⅲ１ ，具备记忆两个形状的能力， 高温时的形状称之为高温相，低温时的形状称之为低 温相。当 的温度逐渐升高，超过其相变温度Ａｓ 时，ＳＭＡ开始向高温相转变，并在温度达到Ａｆ时完成 转变，此时ＳＭＡ呈现其高温相的形状；温度降低时过 程相反，在温度降低到Ｍｓ时ＳＭＡ开始向低温相转 罔１ 基于形状记忆合金（ＳＭＡ）的棘轮棘爪型 变，并在温度降低到Ｍｆ时完全转变成其低温相的形 光热驱动马达原理图 状。根据上述原理，现设计了一种基于ＳＭＡ的棘轮 Ｆｉｇ．１ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｔｃｈｅｔ ｐａｗｌ ｔｙｐｅ ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍａｌ 棘爪型光热驱动马达，工作原理如图１所示。 ｍｏｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ（ＳＭＡ） 当激光照射ＳＭＡ片的相变点时，相变点温度升高，当温度超过相变温度Ａｓ时，合金片向高温相形状 转变，产生弯曲（偏转），由此带动左棘爪推动棘轮转动一个步距，右棘爪顺着棘轮的锯齿方向滑动扣人下 一个锯齿；撤去激光，温度降低，合金片逐渐恢复到其低温相的形状（原状），在这个过程中，带动棘爪回 抽，同时钩住棘轮的锯齿，使棘轮逆时针转动一个步距。如此周期性反复，即可使马达转子以逆时针方向 转动。棘轮棘爪结构¨】２］町以将ＳＭＡ的周期往复运动转变为转子的单向转动，具有效率高，转动平稳，结 构简单紧凑等优点。棘轮棘爪型光热驱动马达总体结构长宽高约为１０ｍｍ×５ｍｍ×］０ｒａｍ，实物图如 图２（ａ）所示。 （ａ）棘轮棘爪型 （ｂ）齿轮传动型 （ａ）Ｒａｔｃｈｅｔ—ｐａｗｌ・ｔｙｐｅ （ｂ）Ｇｅａｒ—ｔｙｐｅ 图２基于ＳＭＡ的光热驱动马达实物图 Ｆｉｇ．２ Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｏｔｈｅｒｍａｌ ｍｏｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＭＡ ・ ７６ ・ 光学仪器 第３３卷 １．２齿轮传动型光热驱动马达 棘轮棘爪结构的使用使得基于ＳＭＡ的光热驱动马达转速平稳，但也存在转速较小的缺点。为此，现 将棘轮棘爪型光热驱动马达的转子 放大齿轮组连接，构成齿轮传动型光热驱动马达，使转子较小的转 速被放大成需要的高转速。齿轮传动型光热驱动马达的实物图如图２（ｂ）所示。 ２实验与结果 工作状态中的棘轮棘爪型和齿轮传动型光热驱动马达如图３（ａ）、３（ｂ）所示。 （ａ）棘轮棘爪型 （ａ）Ｒａｔｃｈｅｔ—ｐａｗｌ—ｔｙｐｅ （ｂ）齿轮传动型 【ｂ）Ｇｅａｒ－ｔｙｐｅ 图３工作状态中的驱动 达 Ｆｉｇ．３ Ｗｏｒｋｉｎｇ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒｓ ２．１棘轮棘爪型光热驱动马达的实验研究 表１ 基于ＳＭＡ的光热驱动马达平均转速 Ｔａｂ．１ Ａｖｅｒａｇｅ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｏｔｈｅｒｍａｌ ｍｏｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＭＡ （ｒ／ｒａｉｎ） 对于基于ＳＭＡ的棘轮棘爪型光热驱动马达， 为了增大马达的功率，采用ＹＡＧ脉冲激光作为驱 动光源，输出波长１０６４ｎｍ，输出功率０～ｌＷ可调。 ＳＭＡ采用铜锌铝双向ＳＭＡ。其相变温度点Ａｓ、 Ａｆ、Ｍｓ、Ｍｆ的温度分别为３０ 、４５℃、４０℃、２５℃。 ０．１６ ０．３４ （）．５６ ０．８０ １．００ Ｏ．２Ｏ １．５２ １．０４ 根据图１所示的原理，当激光照射ＳＭＡ片的相变 点时，合金片会产生弯曲（偏转），由此带动棘爪顺 着棘轮的锯齿方向滑动一个步距；撤去激光，合金 片恢复原状，在这个过程中，带动棘爪回抽，同时钩 住棘轮的锯齿，使棘轮逆时针转动一个步距。如此 １．６０ ２．００ 周期性反复，即可使马达转子以逆时针方向转动。图３（ａ）为激光照射下，ＳＭＡ片发生偏转时的状态。比 较图２（ａ）和图３（ａ）中转子上的刻线，可以看到转子逆时针转过了约４５。。基于ＳＭＡ的棘轮棘爪型光热 马达，其转速由驱动激光功率和频率决定，但驱动激光的频率不能超过ＳＭＡ的响应频率，实验数据详见 表ｌ。可见，这类驱动马达既可获得较大的步距，但转速较小。 ２．２齿轮传动型光热驱动马达的实验研究 在棘轮棘爪型光热驱动马达的齿轮转子上加装放大齿轮组，构成齿轮传动型光热驱动马达，使齿轮 转子较小的转速被放大成所需要的高转速。齿轮传动型光热驱动马达采用了放大比为１：１００的齿轮组， 即输出转速将被放大１００倍。 实验中，采用ＹＡＧ脉冲激光器作为驱动光源，输出波长１０ｆｉ４ｎｍ，功率Ｏ～１Ｗ可调。ＳＭＡ使用铜锌 铝双向ＳＭＡ，其相变温度点Ａｓ、Ａｆ、Ｍｓ、Ｍｆ的温度分别３Ｏ℃、４５℃、４０℃、２５℃。当驱动激光的频率为 ０．５Ｈｚ、功率ｌＷ时，转子在加热周期（１ｓ）内旋转了大约１．７５ｒ，考虑到在散热周期内，转子依然会转过相 同的角度，换算可知转子的转速约为１０５ｒ／ｒａｉｎ。对比未加放大齿轮前的情况，可见齿轮传动型光热驱动 第１期 史斌，等：基于形状记忆合金的微小型光热驱动马达 ・ ７７ ・ 马达实现了约１００ｒ／ｒａｉｎ的高转速。 ３结论 受光热膨胀驱动原理和ＳＭＡ驱动原理启发，采用激光作为光热驱动源，结合ＳＭＡ的双程形状记忆 效应，设计并加工制造了两种基于ＳＭＡ的微小型光热驱动马达——棘轮棘爪型和齿轮传动型。实验结 果表明，这类基于ＳＭＡ的光热驱动马达具有能耗低、驱动件形变量大、结构简单、无需导线连接、主体可 微小化等突出优点，在ＭＯＥＭＳ、微机器人及微纳米技术其他领域具有广阔的应用前景。更进一步的研 究将致力于驱动马达的进一步微型化和驱动马达在ＭＯＥＭＳ中的实际应用。 参考文献： ［１］ ＧＯＮＧ Ｆ Ｆ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏａｃｔｕａｔｏｒｓ＿Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ ，２００３，２２（６）：３３—３６． ［２］ ＰＡＲＫ Ｙ Ｗ，ＫＩＭ Ｄ Ｙ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ ｍｉｃｒｏａｃｔｕａｔｏｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００４， Ｅ１７６５一Ｅ１７６６：２７２—２７６． ［３］ ＺＨＡＮＧ Ｙ Ｈ，ＤＩＮＧ Ｇ Ｆ，ＳＵＮ Ｘ Ｆ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｂｉｓｔａｂｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｉｃｒｏａｃｔｕａｔｏｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００６，１０（６）：５４１—５４６． ［４］ 赵江铭，陈晓阳，王小静．大位移多折叠梁静电驱动器的设计及力学性能分析［Ｊ］．机械强度，２００７，２９（１）：５—１１． ［５］ 温建明，程光明，曾平，等．新型惯性压电驱动机构的仿真分析＿Ｊ］．压电与声光，２００８，３０（４）：４２１—４２４． ［６］ 张冬仙，刘超，章海军．微纳米尺度红外光热膨胀效应及新型光热驱动方法研究＿Ｊ］．物理学报，２００８，５７（５）：３ｌＯ７ ３ｌ１２． ［７］ ＤＯＭＩＮＩＥＫＲ，ＨＥＮＤＲＩＫＶＡＮ Ｂ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｓｈａｐｅｍｅｍｏｒｙ ａｅｔｕａｔｏｒｓＥＪ２．Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ，１９９８，８（６）：６３５ ６５６． ［８］ ＤＡＮＩＥＬ Ｄ Ｓ，ＫＯＴＥＫＡＲ Ｐ Ｍ，ＧＲＥＧＯＲＹ Ｐ Ｃ Ｄｅｖｅ］ｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｌｉｎｅａｒ ａｃｔｕａｔｏｒ ｕｓｉｎｇ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ＳＭＡ ｒ Ｊ Ｊ．Ｓｅｎｓｏｒｓ“ ｄ ＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ，２００５，１１９（１）：ｌ５１ １５６． ［９］ ＺＨＯＮＧ ＺＷ，ＣＨＡＮ ＳＹ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｇｒｉｐｐｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ａｃｔｕａｔｅｄ ｂｙＳＭＡｗｉｒｅ［Ｊ￣．ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ，２００７，１３６（１）：３３５— ３４０． Ｍ，ＤＩＮＥＳＨ Ｎ Ｓ Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ．ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏ￣ｂａｓｅｄ ｐｏｌｙ ｐｈａｓｅ ｍｏｔｏｒ ＥｌＯ］ ＳＨＡＲＭＡ Ｓ Ｖ，ＮＡＹＡＫＡ Ｍ ［Ｊ］．ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ，２００８，１４７（２）：５８３ ５９２． ［１１］ 张庆安，谷南驹．热循环对ｃｕ—ｚｎ Ａ１合金双程记忆效应的影ｎＮ［Ｊ］．华东冶金学院学报，１９９５，１２（４）：３７８ ３８１． Ｅ１２３ 刘文礼，陈明，李兆坤，等．不完全齿轮和棘轮棘爪机构的造型及运动分析和仿真ＥＪ］．机械工程师，２００５（２）：３３—３５．