專利名稱：一種基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁彈性材料的應用技術(shù)，具體地，涉及一種基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器。
背景技術(shù)：
隨著先進制造技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，在多學科交叉的高技術(shù)微電子機械領(lǐng)域，以磁彈性材料為基礎的智能材料應用越來越受到廣泛重視。超磁致伸縮材料作為一種新型的磁彈性功能材料，能夠有效地實現(xiàn)電能與機械能的相互轉(zhuǎn)換，在磁場和機械載荷作用下，具有應變值大、輸出力大、機電轉(zhuǎn)換效率高、能量密度大、響應速度快等特點在國防、民用領(lǐng)域得到了廣泛的應用。目前，基于磁彈性材料的驅(qū)動器在應用研究上取得的很大的進步，但是，從可實現(xiàn)的功能看，都過于單一，不能較為全面地集多種功能為一體。例如，不能實現(xiàn)在動靜態(tài)時應變的變化特性的測試與驅(qū)動器工作時內(nèi)部磁信號的測量等。同時，上述基于磁彈性材料的驅(qū)動器在設計時也有部分的不足。例如，從驅(qū)動線圈看，驅(qū)動線圈的線圈輸出能力會受到所選導線的限制，且其體積會根據(jù)產(chǎn)生磁場的要求而不同，體積與性能不一；偏置磁場的實現(xiàn)，大多采用永磁體施加，雖然可以避免電流發(fā)熱， 但其磁場設計復雜，且不能改變偏置磁場的大小，應用受到了限制；預應力裝置在驅(qū)動器中有彈簧或者碟形彈簧的選擇，兩者的特性有很大的差異，最優(yōu)化比較，碟形彈簧的應用更能適應于驅(qū)動的恒定壓力的加載；對于磁路的優(yōu)化，由于超磁致伸縮材料磁導率低，易產(chǎn)生漏磁，因而一般在閉合磁路條件下工作，且需要磁場均勻度較高，對導磁材料的選擇會因材料磁導率的不同而影響磁路特性，因此對于導磁材料的選擇也會對磁路有差異。綜上所述，在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下缺陷(1)功能單一現(xiàn)有技術(shù)中基于磁彈性材料的驅(qū)動器不能較為全面地集多種功能為一體；(2)結(jié)構(gòu)復雜偏置磁場的結(jié)構(gòu)復雜，且不能改變偏置磁場的大小，應用受限；(3)磁場均勻度低對于磁路的優(yōu)化，由于超磁致伸縮材料磁導率低，易產(chǎn)生漏磁，影響磁場均勻度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，針對上述問題，提出一種基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器， 以實現(xiàn)功能多樣、結(jié)構(gòu)簡單與磁場均勻度高的優(yōu)點。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器，包括具有封閉結(jié)構(gòu)的套筒，以及緊固配合設置在所述套筒中的磁路機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、 預壓機構(gòu)與傳感器組件；其中，所述磁路機構(gòu)套裝在套筒的內(nèi)部，所述驅(qū)動機構(gòu)套裝在磁路機構(gòu)的內(nèi)部，所述預壓機構(gòu)設置在套筒與磁路機構(gòu)之間、并伸出套筒。進一步地，所述套筒包括封裝設置的套筒上蓋、套筒側(cè)壁與套筒底座，其中所述套筒側(cè)壁垂直放置，套筒上蓋水平設置在套筒側(cè)壁上方，套筒底座水平設置在套筒側(cè)壁下方；在所述套筒上蓋的中心位置開設有輸出孔，在套筒底座的中部設有凹槽，在凹槽的中心位置開設有預緊孔。進一步地，所述磁路機構(gòu)包括超磁致伸縮材料，軸向?qū)ΨQ設置在所述超磁致伸縮材料上下兩端的上端軸向?qū)Т朋w與下端軸向?qū)Т朋w，橫向?qū)ΨQ設置在所述超磁致伸縮材料左右兩端的第一橫向?qū)Т沤M件與第二橫向?qū)Т沤M件；所述上端軸向?qū)Т朋w與下端軸向?qū)Т朋w的結(jié)構(gòu)相同，第一橫向?qū)Т沤M件與第二橫向?qū)Т沤M件的結(jié)構(gòu)相同。進一步地，所述預壓機構(gòu)包括位于上端軸向?qū)Т朋w的上方、且伸出套筒的輸出導桿，位于下端軸向?qū)Т朋w的下方、且未伸出套筒的下端頂桿，設置在所述輸出導桿與套筒之間的碟形彈簧，設置在所述下端頂桿的底部、設有未伸出套筒的預壓螺塞。進一步地，所述第一橫向?qū)Т沤M件包括靠近套筒與輸出導桿、且水平設置的上端橫向?qū)Т朋w，靠近套筒與下端頂桿、且水平設置的下端橫向?qū)Т朋w，以及靠近套筒、且豎直設置在上端橫向?qū)Т朋w與下端橫向?qū)Т朋w之間的導磁壁。進一步地，所述驅(qū)動機構(gòu)包括分別與第一橫向?qū)Т沤M件及第二橫向?qū)Т沤M件配合、且軸向?qū)ΨQ設置在超磁致伸縮材料的左右兩端的第一驅(qū)動組件與第二驅(qū)動組件，所述第一驅(qū)動組件與第二驅(qū)動組件的結(jié)構(gòu)相同。進一步地，所述第一驅(qū)動組件包括靠近上端橫向?qū)Т朋w、軸向?qū)Т沤M件與下端橫向?qū)Т朋w設置的“匚”型膠木線圈骨架，配合纏繞在所述“匚”型膠木線圈骨架上的驅(qū)動線圈，以及與所述驅(qū)動線圈連接的連接導線；所述連接導線伸出套筒。進一步地，所述傳感器組件包括設置在第一驅(qū)動組件的“匚”型膠木線圈骨架、與超磁致伸縮材料及下端軸向?qū)Т朋w之間的磁場霍爾傳感器與溫度傳感器，設置在下端軸向?qū)Т朋w與下端頂桿之間的薄膜壓力傳感器，設置在超磁致伸縮材料內(nèi)部的應變測量傳感器，設置在上端軸向?qū)Т朋w上方的位移傳感器，以及分別與磁場霍爾傳感器、溫度傳感器、 薄膜壓力傳感器、應變測量傳感器及位移傳感器連接的屏蔽導線；所述屏蔽導線伸出套筒。進一步地，在所述超磁致伸縮材料上，纏繞有多匝同軸磁感應強度測試線圈。進一步地，所述輸出導桿包括軸向設置的豎梁，以及橫向?qū)ΨQ設置在豎梁兩側(cè)的左橫梁與右橫梁；所述下端頂桿包括軸向設置的豎梁，以及橫向?qū)ΨQ設置在豎梁兩側(cè)的左橫梁與右橫梁；所述輸出導桿的豎梁伸出輸出孔；下端頂桿的左橫梁與右橫梁位于套筒底座的凹槽中，下端頂桿的豎梁底端及預壓螺塞位于預緊孔中。本發(fā)明各實施例的基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器，由于包括具有封閉結(jié)構(gòu)的套筒，以及緊固配合設置在所述套筒中的磁路機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、預壓機構(gòu)與傳感器組件；其中，磁路機構(gòu)套裝在套筒的內(nèi)部，驅(qū)動機構(gòu)套裝在磁路機構(gòu)的內(nèi)部，預壓機構(gòu)設置在套筒與磁路機構(gòu)之間、并伸出套筒；磁路機構(gòu)可以產(chǎn)生閉合磁路，驅(qū)動機構(gòu)通過控制激勵電流和直流電流可以產(chǎn)生激勵磁場和偏置磁場；從而可以克服現(xiàn)有技術(shù)中功能單一、結(jié)構(gòu)復雜與磁場均勻度低的缺陷，以實現(xiàn)功能多樣、結(jié)構(gòu)簡單與磁場均勻度高的優(yōu)點。本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在所寫的說明書、權(quán)利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。


附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中圖1為根據(jù)本發(fā)明基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器中傳感器組件的裝配與功能示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器的工作原理示意圖；圖如為未加載偏置磁場時超磁致伸縮材料的產(chǎn)生機械運動的倍頻曲線示意圖；圖4b為加載偏置磁場時超磁致伸縮材料的產(chǎn)生機械運動的倍頻曲線示意圖；圖fe為常規(guī)彈簧的力與位移特性曲線示意圖；圖恥為碟形彈簧的力與位移特性曲線示意圖。結(jié)合附圖，本發(fā)明實施例中附圖標記如下1-輸出導桿；2-碟形彈簧；3-上端橫向?qū)Т朋w；4-導磁壁；5-驅(qū)動線圈；6_屏蔽 0導線；7-下端橫向?qū)Т朋w；8-套筒底座；9-套筒上蓋；10-套筒側(cè)壁；11-上端軸向?qū)Т朋w；12- “匚”型膠木線圈骨架；13-超磁致伸縮材料；14-下端軸向?qū)Т朋w；15-下端頂桿； 16-預壓螺塞；17-薄膜壓力傳感器；18-磁場霍爾(hall)傳感器和溫度傳感器；19-應變測量傳感器；20-六匝同軸磁感應強度測試線圈；21-位移傳感器。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明實施例，如圖1-圖5b，提供了一種基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動
ο如圖1-圖3所示，本實施例包括具有封閉結(jié)構(gòu)的套筒，以及緊固配合設置在套筒中的磁路機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、預壓機構(gòu)與傳感器組件；其中，磁路機構(gòu)套裝在套筒的內(nèi)部，驅(qū)動機構(gòu)套裝在磁路機構(gòu)的內(nèi)部，預壓機構(gòu)設置在套筒與磁路機構(gòu)之間、并伸出套筒。進一步地，在上述實施例中，套筒包括封裝設置的套筒上蓋9、套筒側(cè)壁10與套筒底座8，其中，套筒側(cè)壁10垂直放置，套筒上蓋9水平設置在套筒側(cè)壁10上方，套筒底座8 水平設置在套筒側(cè)壁10下方；在套筒上蓋9的中心位置開設有輸出孔，在套筒底座8的中部設有凹槽，在凹槽的中心位置開設有預緊孔。在上述實施例中，磁路機構(gòu)包括超磁致伸縮材料13，軸向?qū)ΨQ設置在超磁致伸縮材料13上下兩端的上端軸向?qū)Т朋w11與下端軸向?qū)Т朋w14，橫向?qū)ΨQ設置在超磁致伸縮材料13左右兩端的第一橫向?qū)Т沤M件與第二橫向?qū)Т沤M件；上端軸向?qū)Т朋w11與下端軸向?qū)Т朋w14的結(jié)構(gòu)相同，第一橫向?qū)Т沤M件與第二橫向?qū)Т沤M件的結(jié)構(gòu)相同。這里，除超磁致伸縮材料13外，上端軸向?qū)Т朋w11、下端軸向?qū)Т朋w14、第一橫向?qū)Т沤M件與第二橫向?qū)Т沤M件均具有高磁導率材料材質(zhì)，且可以構(gòu)成一個閉合磁路；另外，在超磁致伸縮材料 13上，可以纏繞有多匝同軸磁感應強度測試線圈(如多匝同軸磁感應強度測試線圈20)。其中，第一橫向?qū)Т沤M件包括靠近套筒與輸出導桿1、且水平設置的上端橫向?qū)Т朋w3，靠近套筒與下端頂桿15、且水平設置的下端橫向?qū)Т朋w7，以及靠近套筒、且豎直設置在上端橫向?qū)Т朋w3與下端橫向?qū)Т朋w7之間的導磁壁4。在上述實施例中，預壓機構(gòu)包括位于上端軸向?qū)Т朋w11的上方、且伸出套筒的輸出導桿1，位于下端軸向?qū)Т朋w14的下方、且未伸出套筒的下端頂桿15，設置在輸出導桿1 與套筒之間的碟形彈簧2，設置在下端頂桿15的底部、設有未伸出套筒的預壓螺塞16。具體地，輸出導桿1包括軸向設置的豎梁，以及橫向?qū)ΨQ設置在豎梁兩側(cè)的左橫梁與右橫梁；下端頂桿15包括軸向設置的豎梁，以及橫向?qū)ΨQ設置在豎梁兩側(cè)的左橫梁與右橫梁；輸出導桿1的豎梁伸出輸出孔；下端頂桿15的左橫梁與右橫梁位于套筒底座8的凹槽中，下端頂桿15的豎梁底端及預壓螺塞16位于預緊孔中。在上述預壓機構(gòu)中，可以調(diào)節(jié)預壓螺塞16使碟形彈簧2的輸出應力通過輸出導桿 1傳遞給超磁致伸縮材料13。與目前大多數(shù)采用彈簧加壓的方式相比，由于彈簧的伸縮產(chǎn)生一個線性變化的輸出力(如圖fe所示)，會隨著其伸縮長度的變化而變化，從而使基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器在工作狀態(tài)時，超磁致伸縮材料13會受到變化力的作用而不會保持在恒壓狀態(tài)，不能在恒壓下工作；而碟形彈簧2不會有這個缺點，它在一定的形變量時，會有恒定的壓力產(chǎn)生(如圖恥所示)，雖然會對基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器的整體剛度產(chǎn)生影響，但由于超磁致伸縮材料13的剛度遠大于碟形彈簧2的剛度，對基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器的整體性能影響較小。在上述實施例中，驅(qū)動機構(gòu)包括分別與第一橫向?qū)Т沤M件及第二橫向?qū)Т沤M件配合、且軸向?qū)ΨQ設置在超磁致伸縮材料13的左右兩端的第一驅(qū)動組件與第二驅(qū)動組件，第一驅(qū)動組件與第二驅(qū)動組件的結(jié)構(gòu)相同。其中，第一驅(qū)動組件包括靠近上端橫向?qū)Т朋w3、軸向?qū)Т沤M件與下端橫向?qū)Т朋w 7設置的“匚”型膠木線圈骨架12，配合纏繞在“匚”型膠木線圈骨架12上的驅(qū)動線圈5，以及與驅(qū)動線圈5連接的連接導線；連接導線伸出套筒。具體地，上述驅(qū)動線圈5的設計原理如下基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器主要由激勵磁場提供電能，激勵磁場決定基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器輸出的位移大小，需要設計體積小且驅(qū)動能力強的驅(qū)動線圈 5。首先估算驅(qū)動線圈5的厚度e與線圈總匝數(shù)N
權(quán)利要求
1.一種基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器，其特征在于，包括具有封閉結(jié)構(gòu)的套筒，以及緊固配合設置在所述套筒中的磁路機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、預壓機構(gòu)與傳感器組件；其中，所述磁路機構(gòu)套裝在套筒的內(nèi)部，所述驅(qū)動機構(gòu)套裝在磁路機構(gòu)的內(nèi)部，所述預壓機構(gòu)設置在套筒與磁路機構(gòu)之間、并伸出套筒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器，其特征在于，所述套筒包括封裝設置的套筒上蓋、套筒側(cè)壁與套筒底座，其中所述套筒側(cè)壁垂直放置，套筒上蓋水平設置在套筒側(cè)壁上方，套筒底座水平設置在套筒側(cè)壁下方；在所述套筒上蓋的中心位置開設有輸出孔，在套筒底座的中部設有凹槽，在凹槽的中心位置開設有預緊孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器，其特征在于，所述磁路機構(gòu)包括超磁致伸縮材料，軸向?qū)ΨQ設置在所述超磁致伸縮材料上下兩端的上端軸向?qū)Т朋w與下端軸向?qū)Т朋w，橫向?qū)ΨQ設置在所述超磁致伸縮材料左右兩端的第一橫向?qū)Т沤M件與第二橫向?qū)Т沤M件；所述上端軸向?qū)Т朋w與下端軸向?qū)Т朋w的結(jié)構(gòu)相同，第一橫向?qū)Т沤M件與第二橫向?qū)Т沤M件的結(jié)構(gòu)相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器，其特征在于，所述預壓機構(gòu)包括位于上端軸向?qū)Т朋w的上方、且伸出套筒的輸出導桿，位于下端軸向?qū)Т朋w的下方、且未伸出套筒的下端頂桿，設置在所述輸出導桿與套筒之間的碟形彈簧，設置在所述下端頂桿的底部、設有未伸出套筒的預壓螺塞。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器，其特征在于，所述第一橫向?qū)Т沤M件包括靠近套筒與輸出導桿、且水平設置的上端橫向?qū)Т朋w，靠近套筒與下端頂桿、且水平設置的下端橫向?qū)Т朋w，以及靠近套筒、且豎直設置在上端橫向?qū)Т朋w與下端橫向?qū)Т朋w之間的導磁壁。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器，其特征在于，所述驅(qū)動機構(gòu)包括分別與第一橫向?qū)Т沤M件及第二橫向?qū)Т沤M件配合、且軸向?qū)ΨQ設置在超磁致伸縮材料的左右兩端的第一驅(qū)動組件與第二驅(qū)動組件，所述第一驅(qū)動組件與第二驅(qū)動組件的結(jié)構(gòu)相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器，其特征在于，所述第一驅(qū)動組件包括靠近上端橫向?qū)Т朋w、軸向?qū)Т沤M件與下端橫向?qū)Т朋w設置的“匚”型膠木線圈骨架，配合纏繞在所述“匚”型膠木線圈骨架上的驅(qū)動線圈，以及與所述驅(qū)動線圈連接的連接導線；所述連接導線伸出套筒。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器，其特征在于，所述傳感器組件包括設置在第一驅(qū)動組件的“匚”型膠木線圈骨架、與超磁致伸縮材料及下端軸向?qū)Т朋w之間的磁場霍爾傳感器與溫度傳感器，設置在下端軸向?qū)Т朋w與下端頂桿之間的薄膜壓力傳感器，設置在超磁致伸縮材料內(nèi)部的應變測量傳感器，以及設置在上端軸向?qū)Т朋w上方的位移傳感器，以及分別與磁場霍爾傳感器、溫度傳感器、薄膜壓力傳感器、應變測量傳感器及位移傳感器連接的屏蔽導線；所述屏蔽導線伸出套筒。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器，其特征在于，在所述超磁致伸縮材料上，纏繞有多匝同軸磁感應強度測試線圈。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器，其特征在于，所述輸出導桿包括軸向設置的豎梁，以及橫向?qū)ΨQ設置在豎梁兩側(cè)的左橫梁與右橫梁；所述下端頂桿包括軸向設置的豎梁，以及橫向?qū)ΨQ設置在豎梁兩側(cè)的左橫梁與右橫梁；所述輸出導桿的豎梁伸出輸出孔；下端頂桿的左橫梁與右橫梁位于套筒底座的凹槽中，下端頂桿的豎梁底端及預壓螺塞位于預緊孔中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器，包括具有封閉結(jié)構(gòu)的套筒，以及緊固配合設置在所述套筒中的磁路機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、預壓機構(gòu)與傳感器組件；其中，所述磁路機構(gòu)套裝在套筒的內(nèi)部，所述驅(qū)動機構(gòu)套裝在磁路機構(gòu)的內(nèi)部，所述預壓機構(gòu)設置在套筒與磁路機構(gòu)之間、并伸出套筒。本發(fā)明所述基于磁彈性材料的電磁式微驅(qū)動器，可以克服現(xiàn)有技術(shù)中功能單一、結(jié)構(gòu)復雜與磁場均勻度低等缺陷，以實現(xiàn)功能多樣、結(jié)構(gòu)簡單與磁場均勻度高的優(yōu)點。
文檔編號H02N2/06GK102437784SQ20111012436
公開日2012年5月2日 申請日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者周又和, 趙沛 申請人:蘭州大學