微納定位裝置及其音圈電機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電機設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種微納定位裝置及高精度大推力音圈電機。
【背景技術(shù)】
[0002]高精密加工技術(shù)的水平反映了一個國家的科技發(fā)展狀況和綜合實力，是一個國家掌握先進工業(yè)技術(shù)的標志。90年代以來，無論是光電子器件或集成電路的加工還是生物醫(yī)學(xué)工程中的細胞操作，都越來越多的對高精密加工技術(shù)提出了更高的要求，很多場合定位精度和分辨率已經(jīng)升級到了納米量級的要求。目前，我國在高精密加工技術(shù)領(lǐng)域的研究還相對落后，這也制約著我國高端制造業(yè)的發(fā)展。開展高精密加工技術(shù)領(lǐng)域中基礎(chǔ)驅(qū)動元件一電機的研究，對于提升我國高精密加工技術(shù)水平縮小同國外同行的差距，對促進我國的國民經(jīng)濟的快速發(fā)展都有著重大而深遠的意義。
[0003]電機是高精密加工技術(shù)領(lǐng)域中的驅(qū)動元件，也是核心元件，電機的特性與精度對定位裝置實現(xiàn)高精密加工技術(shù)有著十分重要的影響。目前，壓電陶瓷電機在高精密加工技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，這是由于壓電陶瓷電機具有機構(gòu)緊湊、體積小、分辨率高、輸出力大的優(yōu)點。但是壓電陶瓷驅(qū)動器存在如下缺陷:(I)壓電陶瓷的遲滯特性嚴重影響壓電陶瓷驅(qū)動器的重復(fù)定位精度；(2)壓電陶瓷的蠕變特性會使其產(chǎn)生變形滯后這將影響壓電陶瓷驅(qū)動器的一次定位精度；(3)以線性膨脹和溫度對壓電效應(yīng)影響為主要表現(xiàn)的壓電陶瓷的溫度特性對高精度定位及某些特殊應(yīng)用場合的定位精度有嚴重影響；(4)壓電陶瓷等效為一個電容，因此其響應(yīng)速度不僅取決于自身等效電容值的大小，而且還與所釆用的驅(qū)動電源的品質(zhì)有密切關(guān)系，電源的驅(qū)動能力和響應(yīng)特性將直接影響到壓電陶瓷驅(qū)動器的動態(tài)特性；(5)壓電陶瓷驅(qū)動器輸出位移量小很難滿足諸如光電子器件、集成電路的加工、生物醫(yī)學(xué)工程中的細胞操作等應(yīng)用場合對微納定位平臺技術(shù)提出的大行程的要求；(6)壓電陶瓷驅(qū)動器電壓-位移特性的遲滯特性和非線性特性增加了控制的難度。這些缺陷限制了其在高精密加工技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。
[0004]傳統(tǒng)的，用音圈電機代替壓電陶瓷電機，音圈電機(Voice Coil Motor，VCM)是一種特殊形式的直接驅(qū)動電機，屬于微特電機，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲低、比推力高、加速度大(超過20倍的重力加速度)、響應(yīng)快(毫秒級)、精度高(可達I 一 5μπι)、維護方便、可靠性高的優(yōu)點。但是，目前的音圈電機的推力小，精度不高，不能滿足使用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]基于此，有必要針對目前的音圈電機不能同時保證大推力與高精度的問題，提供一種能夠?qū)⒋笸屏εc高精度相統(tǒng)一的音圈電機，同時還提供了一種含有上述音圈電機的微納定位裝置。
[0006]上述目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):
[0007]—種音圈電機，包括:
[0008]底板，包括上底板與下底板，所述上底板與所述下底板相對安裝；
[0009]定子組件，包括軛部機構(gòu)及四組Halbach陣列永磁體，所述軛部機構(gòu)包括上部磁軛、中部磁軛及下部磁軛，所述上部磁軛和下部磁軛分別與所述上底板與所述下底板連接，所述上部磁軛、所述中部磁軛與所述下部磁軛共同圍成上下兩個氣隙，四組所述Halbach陣列永磁體分別安裝于所述上部磁軛的下表面上、所述中部磁軛的上表面上及下表面上與所述下部磁軛的上表面上;每組所述Halbach陣列永磁體均包括至少兩個徑向充磁永磁體及至少兩個軸向充磁永磁體，至少兩個所述徑向充磁永磁體與至少兩個所述軸向充磁永磁體間隔設(shè)置，且所述徑向充磁永磁體與所述軸向充磁永磁體沿軸向方向的寬度不相等；
[0010]動子組件，安裝于所述定子組件的兩個所述氣隙中；所述動子組件包括一個至二十五個線圈及線圈骨架，所述線圈骨架上的設(shè)置有安裝槽，所述安裝槽的數(shù)量為所述線圈的數(shù)量的兩倍減一個，所述一個至二十五個所述線圈依次間隔纏繞于所述絕緣骨架上的所述安裝槽中；及
[0011 ]支撐組件，安裝于所述上底板與所述下底板上，且，所述支撐組件與所述線圈骨架連接。
[0012]在其中一個實施例中，所述Halbach陣列永磁體由所述軸向充磁永磁體與所述徑向充磁永磁體相間布置，且，所述軸向充磁永磁體與所述徑向充磁永磁體充磁方向相互垂直，所述徑向充磁永磁體沿軸向方向的寬度為所述軸向充磁永磁體沿軸向方向的寬度的2倍?5倍；
[0013]每兩組相對布置的Halbach陣列永磁體構(gòu)成封閉的磁路，每組Halbach陣列永磁體包括2η+1塊永磁體，其中η = 1，2，3，4……；
[0014]第2η-1塊永磁體為軸向充磁永磁體，第2η塊永磁體為徑向充磁永磁體，且，第一塊永磁體與第三塊永磁體充磁方向相反，第三塊永磁體與第五塊永磁體充磁方向相反，第五塊永磁體與第七塊永磁體充磁方向相反，……，第2η-1塊永磁體與第2η+1塊永磁體充磁方向相反;第二塊永磁體與第四塊永磁體充磁方向相反，第四塊永磁體與第六塊永磁體充磁方向相反，……，第2η-2塊永磁體與第2η塊永磁體充磁方向相反。
[0015]在其中一個實施例中，所述線圈的數(shù)量為三個，且分別為第一線圈、第二線圈、第三線圈，所述第一線圈、所述第二線圈與所述第三線圈串聯(lián)連接。
[0016]在其中一個實施例中，所述第一線圈與所述第三線圈連接形成宏定位線圈，所述第二線圈為微定位線圈。
[0017]在其中一個實施例中，所述第一線圈與所述第三線圈串聯(lián)連接形成低頻運動線圈，所述第二線圈為高頻運動線圈。
[0018]在其中一個實施例中，所述線圈骨架上設(shè)置有矩形通孔及五個所述安裝槽;所述線圈骨架沿軸向方向貫通設(shè)置，所述中部磁軛位于所述矩形通孔中；五個所述安裝槽依次設(shè)置于所述線圈骨架的外壁上，且，所述第一線圈、所述第二線圈與所述第三線圈間隔安裝于五個所述安裝槽中。
[0019]在其中一個實施例中，所述線圈骨架由鋁合金材料制成。
[0020]在其中一個實施例中，所述支撐組件為柔性組件；
[0021]所述柔性組件包括四個柔性支撐單元，每個所述柔性支撐單元包括0.2mm或者
0.3mm厚的彈簧鋼片及四塊加強板，每兩個所述加強板為一組，并用螺栓夾在所述彈簧鋼片兩側(cè)；
[0022]每個所述彈簧鋼片上安裝兩組所述加強板，所述加強板與所述彈簧鋼片形成直角柔性鉸鏈，使所述柔性支撐單元具有四個所述直角柔性鉸鏈；
[0023]所述柔性支撐單元的兩端的所述直角柔性鉸鏈分別與所述上底板與所述下底板相連接，所述柔性支撐單元的中間部分的所述直角柔性鉸鏈與所述線圈骨架相連接；
[0024]所述線圈骨架驅(qū)動所述直角柔性鉸鏈發(fā)生彈性變形。
[0025]在其中一個實施例中，所述支撐組件為直線滑軌組件。
[0026]還涉及一種微納定位裝置，包括移動平臺及如上述任一技術(shù)特征所述的音圈電機；
[0027]所述移動平臺與所述音圈電機的支撐組件連接，所述動子組件運動驅(qū)動所述支撐組件帶動所述移動平臺運動。
[0028]本發(fā)明的有益效果是:
[0029]本發(fā)明的微納定位裝置及其音圈電機，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單合理，基于Halbach陣列單邊的聚磁效應(yīng)設(shè)計出了能夠激發(fā)更大氣隙磁場的兩組相對布置的Halbach陣列磁路結(jié)構(gòu)，再結(jié)合并聯(lián)磁路，實現(xiàn)音圈電機的高精度與大推力的統(tǒng)一，利用Halbach陣列永磁體的聚磁效應(yīng)和并聯(lián)磁路的技術(shù)使得音圈電機的推力提升了 40%，并且，保證音圈電機的推力波動僅為±0.21%，同時，保證音圈電機控制簡短易行，提高可靠性。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明一實施例的音圈電機的剖視圖；
[0031]圖2為圖1所示的音圈電機中HaIbach陣列永磁體的排布示意圖；
[0032]
[0033]其中:
[0034]100-音圈電機；
[0035]110-定子組件；
[0036]111-軛部機構(gòu)；
[0037]1111-上部磁軛;1112-中部磁軛;1113-下部磁軛；
[0038]112-Halbach 陣列永磁體；
[0039]120-動子組件；
[0040]121-第一線圈；
[0041]122-第二線圈；
[0042]123-第三線圈；
[0043]124-線圈骨架；