CN102647126B - 局部磁场可调式微驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种局部磁场可调式微驱动器。包括由二维永磁体阵列和背铁组成的定子以及在绝缘体上下表面铺设有沿X、Y轴方向交错排列的电枢的动子，定子和动子之间具有气隙；二维永磁体阵列为整体成矩形“十”字型N、S主磁极呈交错分布的永磁体阵列，相邻的N主磁极或相邻的S主磁极间用非导磁块相隔；沿X、Y轴方向交错排列的电枢是由平行排列的X轴方向导线组和Y轴方向导线组构成。本发明结构简单，制作方便，导线式电枢结构使得局部磁场和电磁力调节更为灵活，在实现对悬浮力和水平推力解耦控制的同时，具有响应迅速，驱动范围广等优点，本发明可利用于微型机器人，光刻机或微电子封装设备等需要精密驱动和操作的场合。

Description

局部磁场可调式微驱动器

技术领域

本发明涉及一种电磁驱动式微驱动器，具体涉及电磁悬浮式一种局部磁场可调式微驱动器。

背景技术

随着科学技术向微小、超精密领域的方向发展，机器人所要操作的对象也从宏观领域扩展到亚微米、纳米级的微观领域，因此能在微观尺寸下对微小物体进行加工、装配、测试等操作的多自由度微驱动系统已成为国内外研究的重要方向之一。

压电陶瓷驱动的微驱动器已成为国内外微操作机器人研究的主流，其次是静电驱动器和形状记忆合金。与电磁驱动方式相比，这些驱动器具有结构紧凑、运动分辨率高、便于微系统集成等优点。但同时它们的加速度较小，迟滞性强，灵活度不高，运动范围有限，一般限于微米量级以下，无法满足微驱动技术提出的大范围纳米级运动的要求。而电磁驱动式的微驱动系统不仅运动范围大，自由度高，而且消除了摩擦、磨损的影响，操作精度更高。

目前电磁精密驱动技术根据其操作方式可大致分为三类：

第一类直线电机驱动式，有工作范围广，驱动力大的优点，但存在着电磁力波动、边缘效应和累积误差的不良影响。

第二类宏/微双重驱动方式，该方式可获得较大的操作范围和较高的定位精度，但自由度受到了限制，且两级式的驱动方式较为复杂。

第三类采用线圈和永磁体间电磁力实现多自由度驱动的方式，该结构调节较为灵活，但中绕组和永磁体位置相对固定，在操作过程中易受到边缘效应等因素的影响，产生振动。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种局部磁场可调式微驱动器，能提高微驱动器动态响应速度、简化控制方法，减小累积误差，实现局部磁场微调和随动功能的微驱动器。 

本发明解决技术问题，所采用的技术方案是：

包括由二维永磁体阵列和背铁组成的定子以及在绝缘体上下表面铺设有沿X、Y轴方向交错排列的电枢的动子，定子和动子之间具有气隙；二维永磁体阵列为整体成矩形 “十”字型N、S主磁极呈交错分布的永磁体阵列，相邻的N主磁极或相邻的S主磁极间用非导磁块相隔；沿X、Y轴方向交错排列的电枢是由平行排列的X轴方向导线组和Y轴方向导线组构成。

所述的“十”字型N、S主磁极之间填充有充磁方向由S极指向N极的辅助磁极，辅助磁极的充磁方向与水平方向呈45°。

所述的相邻的N主磁极或相邻的S主磁极间的非导磁块长度和宽度相等，非导磁块为N、S主磁极长度和宽度的三分之一。

本发明具有的有益效果是：

1、定子和动子之间无接触，避免了摩擦力的存在，无铁芯导线式动子结构减小了动子质量，消除了电磁力波动的同时，减小了迟滞性和累积误差；

2、彼此独立的导线组结构使得局部磁场和电磁力调节更为灵活方便；通过对各导线组电流，可实现对悬浮力和水平推力的解耦控制。

3、通过对动子位置的检测，各导线的电流可根据动子姿态进行实时变化，具有随动性，并减小了边缘效应的影响；

4、永磁体阵列结构简单，背铁结构的加入提高了永磁体使用率。

本发明可利用于微型机器人，光刻机或微电子封装设备等需要精密驱动和操作的场合。

附图说明

图1是本发明实施例的微驱动器俯视图。

图2是本发明实施例的微驱动器左视图。

图3是本发明实施例的微驱动器永磁体阵列充磁方向的俯视图。

图中：1-1. X轴方向导线组，1-2. Y轴方向导线组，1-3. 绝缘层，2-1. 主磁极，2-2.辅助磁极，2-3. 背铁，2-4. 非导磁块。

具体实施方式

以下结合以永磁体阵列为五个极的微驱动器结构为例的附图和实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明包括由二维永磁体阵列和背铁组成的定子以及在绝缘体上下表面铺设有沿X、Y轴方向交错排列的电枢的动子或沿Y、X轴方向交错排列的电枢的动子，定子和动子之间具有气隙，可通过洛伦兹力作用实现六个自由度的精密驱动；二维永磁体阵列整体成矩形，“十”字型N、S主磁极2-1呈交错分布，相邻的N主磁极或相邻的S主磁极间用非导磁块2-4相隔；沿X、Y轴方向交错排列的电枢是由平行排列的X轴方向导线组1-1和Y轴方向导线组1-2构成。

X轴方向导线组1-1和Y轴方向导线组1-2由漆包铜线组成，分别沿水平或竖直方向焊在双面电路板的上下表面，铜线采用单匝式结构，分布均匀，彼此间相互独立。X轴方向导线组1-1和Y轴方向导线组1-2所用的铜线的规格和铺设间距相同，每根铜线两端分别接芯片管脚和驱动电路，每根铜线中的电流方向和电流值均可分别加以调节。当各铜线中的通有的电流方向如图1所示时，可形成与永磁体阵列相对应的多峰值电枢磁场。当电枢磁场磁极极性与永磁体磁场磁极极性相同时，两者之间可形成斥力，实现动子六个自由度的精密运动。当导线电流值发生变化时，对应的洛伦兹力也会发生改变，动子的姿态也随之发生变化。改变对应永磁体极间部分位置导线的电流值可调节该点悬浮力的大小，而改变对应永磁体磁极中心部分导体的电流值则可调节该点水平推力的大小。为了增大电磁力，也可采用多层绕组式结构。

如图3所示，所述的“十”字型N、S主磁极2-1为沿垂直方向充磁的钕铁硼块，N极充磁方向由背铁指向动子方向，S主磁极充磁方向是由动子指向背铁，两个相邻的N、S主磁极中心位置之间的X轴距离和Y轴距离相等。N、S主磁极之间填充有充磁方向由S极指向N极的辅助磁极2-2，辅助磁极2-2采用钕铁硼材料，充磁方向与水平方向呈45°，以辅助磁极2-2在背铁方向形成磁力线回路，增大气隙中的磁通密度。

所述的相邻的N主磁极或相邻的S主磁极间的非导磁块2-4长度和宽度相等，非导磁块2-4为N、S主磁极2-1长度和宽度的三分之一，可采用树脂或铝等材料制成。

所述的背铁2-3由普通硅钢片或者A3钢构成，制造工艺与普通电机相同。

使用时，需将所述的定子的背铁2-3固定在加工设备中的固定部件表面；微驱动器中的动子部分安装在运动部件的下方，交错导线组部分与永磁体阵列相对应；微驱动器定子和动子间存有气隙，对应的加工和操作系统中的固定体和运动体之间并不接触，两者间利用洛伦兹力实现悬浮、旋转等六个自由度的相对运动。与现有的各微驱动器结构相比，本发明可提供可局部磁场微调的，具有随动性的电枢磁场，使得微驱动器操作更加灵活，而且提供的永磁体阵列在永磁体用量一定的情况之下，不仅简化了结构，而且可提供更高的气隙磁密和洛伦兹力，提高了永磁体的利用率。

Claims (3)

1.一种局部磁场可调式微驱动器，包括由二维永磁体阵列和背铁组成的定子，由绝缘体、在绝缘体上表面铺设的沿Y轴方向导线组以及在绝缘体下表面铺设的沿X轴方向导线组组成的动子，定子和动子之间具有气隙；其特征在于：二维永磁体阵列俯视为“十”字型N、S主磁极呈交错分布的永磁体阵列，相邻的N主磁极或相邻的S主磁极间用非导磁块相隔；X轴方向导线组和Y轴方向导线组由漆包铜线组成，采用多层绕组式结构，铜线采用单匝式结构，彼此间相互独立，每根铜线两端分别接芯片管脚和驱动电路，每根铜线中的电流方向和电流值均能分别加以调节，提供局部磁场微调的，具有随动性的电枢磁场。

2.根据权利要求1所述的一种局部磁场可调式微驱动器，其特征在于：所述的“十”字型N、S主磁极之间填充有充磁方向由S极指向N极的辅助磁极，辅助磁极的充磁方向与水平方向呈 45°。

3.根据权利要求1所述的一种局部磁场可调式微驱动器，其特征在于：所述的相邻的N主磁极或相邻的S主磁极间的非导磁块长度和宽度相等，非导磁块为N、S主磁极长度和宽度的三分之一。