CN103872944B - 精确可控微动力构件及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种精确可控微动力构件；包括超磁致伸缩薄片（3）、永磁体（6）和固定轭（4）构成的磁回路Ⅰ，永磁体（6）、固定轭（4）以及动轭（11）构成的磁回路Ⅱ；所述超磁致伸缩薄片（3）的上表面和下表面分别设置压电陶瓷薄片（5），形成超磁致伸缩薄片（3）与压电陶瓷薄片（5）的耦合体；固定轭（4）内从上至下设置超磁致伸缩薄片（3）与压电陶瓷薄片（5）的耦合体以及永磁体（6）；固定轭（4）和动轭（11）之间设置气隙（17），气隙（17）的大小通过气隙调整装置进行调整。
Description
技术领域
本发明涉及一种微动力构件，尤其涉及一种基于超磁致伸缩材料与压电陶瓷相耦合的具有毫牛级精度的精确可控微动力构件。
背景技术
当前，微机电系统的发展极为迅速，但也存在一些技术瓶颈。微机电系统技术面临的主要问题之一就是微装配技术。大多数微机电系统由不同材料和不同加工方法的微小零件组成，随着零件的不断微小化，微系统的加工、装配越来越困难。在零件的运输、加工及装配等过程中，机械损坏和热变形损坏占了很大的比重，尤其对机械接触力或热量非常敏感的零件进行操作时，这些零件在受到较小的作用力或热量就会产生变形或破碎，严重影响了产品的质量和产量，也使其生产成本大大提高，所以急需一种能够有效产生极小微动力且不发热（或发热极少）的精确可控驱动构件。
目前，研究人员已提出多种微力驱动的形式，如基于静电力、电磁力、压电作用、热膨胀和形状记忆合金等工作机理的微力驱动器。相关专利也有很多，如专利申请号为200810064983.X名称为“集成压阻微力检测的四臂式MEMS微夹持器”中，通过在梳齿静电驱动结构的定齿和动齿上加载电压，利用静电驱动原理，通过梳齿电极之间的吸引力产生平移；专利申请号为200610149635.3名称为“一种宏微结合的12自由度微装配系统”、专利申请号为201210181310.9名称为“用于精密装配的压电驱动微夹持钳及夹持零件的方法”、专利申请号为201310090805.5“薄膜加载装置”等，均采用压电陶瓷作为微力驱动形式，利用压电陶瓷的逆压电效应来实现相应的目的；专利申请号为200810037836.3名称为“V型梁复合材料电热微驱动器”采用电热驱动方式，基于材料受热膨胀产生的驱动力来实现驱动功能；专利申请号为201310262900.9名称为“一种微驱动系统及包含该系统的夹紧系统”中，基于形状记忆效应，采用相互垂直的两个形状记忆合金杆来实现微力驱动。然而，上述各种形式的微力驱动原理都有其一定的局限性，或微力大小不能精确调节，或因发热而影响系统的精确度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的精确可控微动力构件。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种精确可控微动力构件；包括相互耦合的磁回路Ⅰ和磁回路Ⅱ；所述磁回路Ⅱ中设置有气隙；所述磁回路Ⅱ上还设置有气隙调整装置。
作为对本发明所述的精确可控微动力构件的改进：所述磁回路Ⅰ包括超磁致伸缩薄片、永磁体和固定轭；所述超磁致伸缩薄片的上表面和下表面分别设置有压电陶瓷薄片；所述固定轭内从上至下依次设置超磁致伸缩薄片与压电陶瓷薄片的耦合体以及永磁体；所述磁回路Ⅱ包括永磁体、固定轭以及动轭，所述气隙为动轭与固定轭之间的空隙；所述动轭上设置气隙调整装置。
作为对本发明所述的精确可控微动力构件的进一步改进：所述磁回路Ⅰ和磁回路Ⅱ均设置在外壳内；所述固定轭通过上骨架固定，所述上骨架从上至下卡入外壳内；所述动轭通过下骨架固定，所述下骨架从下至上卡入外壳内。
作为对本发明所述的精确可控微动力构件的进一步改进：所述外壳的上、下两端分别固定有上盖和下盖。
作为对本发明所述的精确可控微动力构件的进一步改进：所述气隙调整装置为弹簧和调整螺钉；所述弹簧的一端抵住下骨架，所述弹簧的另外一端抵住动轭；所述调整螺钉贯穿下盖后通过推板抵住动轭。
作为对本发明所述的精确可控微动力构件的进一步改进：所述外壳的两侧设置有可视窗口。
作为对本发明所述的精确可控微动力构件的进一步改进：所述超磁致伸缩薄片与压电陶瓷薄片之间、超磁致伸缩薄片与压电陶瓷薄片的耦合体与固定轭之间以及永磁体与固定轭之间均通过环氧树脂粘合。
作为对本发明所述的精确可控微动力构件的进一步改进：所述上盖、上骨架、下盖、下骨架、外壳、推板、弹簧以及调整螺钉均为非磁性材料。
一种精确可控微动力的方法：包括相互耦合的磁回路Ⅰ和磁回路Ⅱ；所述磁回路Ⅱ中设置有气隙；所述磁回路Ⅰ中，超磁致伸缩薄片上、下表面的压电陶瓷薄片上分别设置电极，通过电极给磁回路Ⅰ施加控制电压，使得磁回路Ⅰ的磁通量改变；通过精确控制磁回路Ⅰ中磁通量改变，使磁回路Ⅱ中磁通量精确变化，进而精确控制微动力构件中执行元件所受的微力变化。
本发明的精确可控微动力构件结构简单，且在对压电陶瓷薄片施加的电压恒定时，压电陶瓷薄片保持形变过程中几乎不产生热量，形变稳定，所以磁路Ⅱ中磁通量稳定，动轭所受磁力恒定。由于超磁致伸缩薄片采用的是非线圈激励，所以不会产生热量，不会对构件精度造成破坏，通过精确调控作用在压电陶瓷薄片上的控制电压的大小，就可以精确控制微动力构件输出微力的变化。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1是本发明的精确可控微动力构件的结构示意图；
图2是图1内部的主要结构示意图（爆炸结构示意图）；
图3是图1的工作原理图。
具体实施方式
实施例1、图1～图3给出了一种精确可控微动力构件，包括辅助结构、动力结构、执行结构。辅助结构包括上盖2、上骨架7、外壳8、下骨架9和下盖13；动力结构包括超磁致伸缩薄片3、压电陶瓷薄片5、永磁体6和固定轭4；执行结构包括弹簧10、动轭11、推板12和调整螺钉15。
超磁致伸缩薄片3的上、下两个侧面均设置压电陶瓷薄片5，两片压电陶瓷薄片5和超磁致伸缩薄片3的耦合体通过两个固定轭4分别从两侧进行夹持，两片压电陶瓷薄片5和超磁致伸缩薄片3的耦合体下侧的两个固定轭4上设置永磁体6，超磁致伸缩薄片3与两片压电陶瓷薄片5之间、超磁致伸缩薄片3与两片压电陶瓷薄片5的偶合体与固定轭4之间以及永磁体6与固定轭4之间均通过环氧树脂粘合。
两个分别与超磁致伸缩薄片3、压电陶瓷薄片5和永磁体6相结合的固定轭4卡嵌入上骨架7的凹槽内，在上骨架7上，相对应于两个固定轭4开有安装孔；上骨架7的凹槽卡嵌在外壳8（从上至下）内，上盖2、上骨架7以及外壳8之间通过上盖螺栓组1进行相互固定。
相对应于两个固定轭4，在下骨架9上设置有安装方孔；将动轭11与两个固定轭4的中心面对齐，并将动轭11卡嵌入下骨架9的凹槽内，在动轭11和下骨架9之间设置弹簧10，弹簧10的一端抵住下骨架9，弹簧10的另外一端抵住动轭11；在动轭11的下端设置推板12，推板12上设置圆锥孔；下骨架9的凹槽卡嵌在外壳8（从下至上）内，下盖13、下骨架9和外壳8从下至上依次通过下盖螺栓14固定；调整螺钉15贯穿下盖13后与推板12的圆锥孔相互配合。
在外壳8的的两侧设置有可视窗口。
在两个固定轭4和动轭11之间设置气隙17；而通过可视窗口可以对气隙17进行精确的观测。
如图3所示，通过两个固定轭4、两片压电陶瓷薄片5、超磁致伸缩薄片3以及永磁体6形成磁路Ⅰ；通过两个固定轭4、永磁体6、动轭11形成磁路Ⅱ；在使用的时候，在两片压电陶瓷薄片5上分别设置电极16（两片压电陶瓷薄片5的外表面分别作为正极，相对应的与超磁致伸缩薄片3粘合面分别引出负极）；通过电极16对两片压电陶瓷薄片5施加控制电压，使两片压电陶瓷薄片5产生伸缩，进而可控制超磁致伸缩薄片3产生应变，超磁致伸缩薄片3磁化强度的改变使磁路Ⅰ的磁通量改变，进而使磁路Ⅱ的磁通量改变，磁路Ⅱ中固定轭4对动轭11的磁力也就发生改变。
本发明主要通过压电陶瓷薄片5的压电逆效应，在被施加控制电压的过程中，压电陶瓷薄片5会在特定方向上产生伸缩，由于压电陶瓷薄片5与超磁致伸缩薄片3之间是按照压电陶瓷薄片5的伸缩方向与超磁致伸缩薄片3的易极化轴向相同的关系进行粘合，从而压电陶瓷薄片5可以在超磁致伸缩薄片3的易极化方向上对超磁致伸缩薄片3施加应力，由于超磁致伸缩薄片3存在逆磁致伸缩效应，所以压电陶瓷薄片5对其施加的应力会引起超磁致伸缩薄片3内部磁化强度发生变化，从而使磁回路I的磁通量发生改变。
由磁通连续性原理，当气隙17的长度固定时，磁路Ⅰ和磁路Ⅱ的磁通量的总和是恒定的，所以磁路Ⅰ中磁通量的变化会引起磁路Ⅱ中磁通量发生改变，进而使动轭11所受的磁力发生改变。当对压电陶瓷薄片5施加的电压恒定时，压电陶瓷薄片5保持形变过程中几乎不产生热量，且形变稳定，所以磁路Ⅱ中磁通量稳定，动轭11所受磁力恒定。由于超磁致伸缩薄片3采用的是非线圈激励，所以不会产生热量，不会对构件精度造成破坏，通过精确调控作用在压电陶瓷薄片5上的控制电压的大小，就可以精确控制微动力构件中执行元件所受微力的变化。
以上所述的超磁致伸缩薄片3为超磁致伸缩材料（GiantMagnetostrictiveMaterial,简称GMM）构成，超磁致伸缩材料在电磁场、压力的作用下，会产生较大的体积或长度变化，即可大功率、高效率地实现电磁能与机械能之间的转换。尤其在中低频（5Hz-20kHz）时，有着大行程、大功率、低压驱动、承载能力强、非接触式测量和控制等方面的优点。压电陶瓷薄片5为压电陶瓷（PZT），压电陶瓷工作时由电压驱动，在其保持伸长状态时，几乎不消耗能量，不产生发热现象,能减少构件本身发热对工作精度的影响。本发明集成GMM与PZT的工作特性，能改善单一功能材料的性能，拓展复合构件的应用范围，为微动力构件的研究提供了一种新的方法。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (8)
1.精确可控微动力构件；其特征是：包括磁回路Ⅰ和磁回路Ⅱ；所述磁回路Ⅱ中设置有通过气隙调整装置进行调整的气隙(17)；所述磁回路Ⅰ包括超磁致伸缩薄片(3)、永磁体(6)和固定轭(4)构成的磁回路；
所述超磁致伸缩薄片(3)的上表面和下表面分别设置压电陶瓷薄片(5)；
所述固定轭(4)内从上至下设置超磁致伸缩薄片(3)与压电陶瓷薄片(5)的耦合体以及永磁体(6)；
所述磁回路Ⅱ包括永磁体(6)、固定轭(4)以及动轭(11)构成的磁回路；
所述动轭(11)上设置气隙调整装置，所述气隙(17)为固定轭(4)和动轭(11)之间的空隙。
2.根据权利要求1所述的精确可控微动力构件，其特征是：所述磁回路Ⅰ和磁回路Ⅱ均设置在外壳(8)内；
所述固定轭(4)通过上骨架(7)固定，所述上骨架(7)从上至下卡入外壳(8)内；
所述动轭(11)通过下骨架(9)固定，所述下骨架(9)从下至上卡入外壳(8)内。
3.根据权利要求2所述的精确可控微动力构件，其特征是：所述外壳(8)的上、下两端分别固定有上盖(2)和下盖(13)。
4.根据权利要求3所述的精确可控微动力构件，其特征是：所述气隙调整装置为弹簧(10)和调整螺钉(15)；
所述弹簧(10)的一端抵住下骨架(9)，所述弹簧(10)的另外一端抵住动轭(11)；
所述调整螺钉(15)贯穿下盖(13)后通过推板(12)抵住动轭(11)。
5.根据权利要求4所述的精确可控微动力构件，其特征是：所述外壳(8)的两侧设置有可视窗口。
6.根据权利要求5所述的精确可控微动力构件，其特征是：所述超磁致伸缩薄片(3)与压电陶瓷薄片(5)之间、超磁致伸缩薄片(3)与压电陶瓷薄片(5)的耦合体与固定轭(4)之间以及永磁体(6)与固定轭(4)之间均通过环氧树脂粘合。
7.根据权利要求6所述的精确可控微动力构件，其特征是：所述上盖(2)、上骨架(7)、下盖(13)、下骨架(9)、外壳(8)、推板(12)、弹簧(10)以及调整螺钉(15)均为非磁性材料。
8.一种精确可控微动力的方法，其特征是：包括磁回路Ⅰ和磁回路Ⅱ；所述磁回路Ⅱ中设置有气隙(17)；
首先、磁回路Ⅰ中超磁致伸缩薄片(3)上、下表面所粘合的压电陶瓷薄片(5)的两端设置电极(16)，通过电极(16)给磁回路Ⅰ施加控制电压，使得磁回路Ⅰ的磁通量改变；
其次、通过精确控制磁回路Ⅰ中磁通量改变，使磁回路Ⅱ中磁通量精确变化，进而精确控制微动力构件中执行元件所受的微力变化。
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