CN110445413A - 外壳提供轴向磁场的带有三级微位移放大机构的促动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外壳提供轴向磁场的带有三级微位移放大机构的促动器，包括：不导磁外壳、导磁框架、励磁线圈、组合体、三级微位移放大机构、输出杆、上端盖。本发明采用了基于柔性铰链的三级微位移放大机构，对原驱动器的位移进行了放大，有效地增加了驱动器的输出位移，在同等输出条件的前提下减小了驱动器的体积，使得驱动器小型化。

Description

外壳提供轴向磁场的带有三级微位移放大机构的促动器

技术领域

本发明涉及一种精密控制技术，具体是，涉及一种外壳提供轴向磁场的带有三级微位移放大机构的促动器。

背景技术

近年来，高分辨率，响应速度快的各类驱动器被广泛的应用在包括微电子，纳米技术，生物医学工程，精密加工等各个领域。且随着技术不断发展，对驱动器的各类指标提出了更高的要求。超磁致伸缩材料具有大的应变值，高响应速度，高能量密度，大的机电耦合系数，高可靠性等一系列优异特性，在驱动器领域显示出良好的应用前景。

对于在一些需要较低的输出范围，如100um以下，或一些对驱动器体积没有限制的环境下，磁致伸缩驱动器可独立完成作业，不需要借助辅助设备，但在一些输出要求较大的领域和/或对驱动器体积有所限制的环境，单一的依靠磁致伸缩驱动器完成作业是不够的。此时就需要一种对驱动器输出位移进行放大的装置。

柔性铰链作为机械传动和支撑机构具有无摩擦、无间隙、运动分辨率高等优点，在微位移放大机构领域被广泛应用。柔性位移放大机构的工作原理是依靠柔性铰链的弹性变形进行运动，为了避免寄生运动和温载带来的误差，机构的构型大多采用轴对称式设计。但是，此种设计存在一些问题：在放大机构体积不变的情况下，为了保证对称结构，对放大倍数有效的横向结构只有二分之一，而在保证放大倍数的情况下，整体横向结构又会扩大一倍。另外，由于放大机构体积较大，一般都将驱动器放置在放大机构内部。这样在兼顾小的体积和大的放大倍数的工况条件下，柔性位移放大机构的应用将会受到限制。

中国专利CN2376137Y公开了一种利用弹性梁对位移进行放大的磁致伸缩驱动器，利用超磁致伸缩棒体进行驱动，励磁线圈通电后产生磁场，使超磁致伸缩材料伸长，将输出位移与力传递到固定的弹性梁输入端，引起其弹性变形，由输出端将位移放大。弹性梁放大机构利用杠杆放大原理，最大放大倍数5.1倍。其悬臂梁放大机构放大倍数较小，径向体积较大，对于输出力的损耗较大。

中国专利CN101166005B公开了一种利用杠杆放大机构的超磁致伸缩微位移机构。包括筒体、杠杆结构、传动盘、下限位圈、励磁线圈、磁致伸缩棒、上限位盘、输出杆、底座、复位弹簧，在磁致伸缩棒体和输出杆之间设有放大机构，有杠杆构建和传动盘构成。利用一至三级杠杆对磁致伸缩棒体的输出位移进行放大，其径向体积较大，且由于放大机构零部件较多，在小体积驱动器内装配复杂度较高，实现较为困难，同时造成其输出精度及可靠性下降。

中国专利CN100466319C公开了一种磁致伸缩执行器，包括磁致伸缩元件，驱动棒，电磁线圈，外壳，其中外壳由管状的永磁体及铁磁体构成，为磁致伸缩元件施加静态偏置磁场。利用电磁线圈产生的磁场与静态偏置磁场叠加使磁致伸缩元件伸长缩短。其利用磁致伸缩材料本身的应变对外输出，输出位移较小；永磁体置于外壳中，对外产生磁场，执行器附近有铁磁性物质时容易影响内部偏置磁场从而影响执行器输出。

随着现在各种精密器件的不断小型化，对驱动器的要求也同样提高，目前现有的将放大机构放在驱动器的内部的方式虽然可以将驱动器体积小型化，但放大机构部分的体积依然会制约其使用，如何保持驱动器的体积小型化的同时获得大的输出位移仍然是一个有待解决的问题。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种外壳提供轴向磁场的带有三级微位移放大机构的促动器，采用了基于柔性铰链的三级微位移放大机构，对原驱动器的位移进行了放大，有效地增加了驱动器的输出位移，在同等输出条件的前提下减小了驱动器的体积，使得驱动器小型化。

技术方案如下：

一种外壳提供轴向磁场的带有三级微位移放大机构的促动器，包括：不导磁外壳、导磁框架、励磁线圈、组合体、三级微位移放大机构、输出杆、上端盖；不导磁外壳一端开口，上端盖设置在开口处，上端盖开有输出杆通孔；导磁框架在顶端设置有输入杆通孔，导磁框架形成轴向永磁磁场；励磁线圈包括线圈外壳和绕组，绕组设置在线圈外壳的外部，线圈外壳开有轴向通孔；组合体包括：磁致伸缩棒和第一导磁体，两个第一导磁体分别连接在磁致伸缩棒的两端，组合体安装在轴向通孔内；三级微位移放大机构安装在不导磁外壳内，并位于导磁框架的外侧，输入杆伸入轴向通孔并连接在第一导磁体上；输出杆一端连接输出端，另一端从输出杆通孔伸出。

进一步，带有轴向永磁磁场的导磁框架和组合体构成闭合磁路。

进一步，导磁框架包括：第二导磁体、永磁体，多个第二导磁体、永磁体间隔布置并首尾相接，在端部的第二导磁体的顶端开有输入杆通孔；第二导磁体和永磁体的数量至少为2个。

进一步，三级微位移放大机构包括：包括两个非对称三级放大单元，非对称三级放大单元包括三个非对称放大单元，分别为第一级放大单元、第二级放大单元、第三级放大单元；非对称放大单元包括：放大输出杆、放大固定杆、输入端铰链、放大固定端铰链；放大输出杆横向布置，放大固定杆通过放大固定端铰链连接在放大输出杆的下部，放大固定端铰链位于放大输出杆靠近端部的位置；输入端铰链设置在放大输出杆的下部，并位于放大固定端铰链的内侧；第一级放大单元的输入端铰链连接输入端，第二级放大单元通过输入端铰链连接第一级放大单元的放大输出杆的顶部；第三级放大单元通过输入端铰链连接第二级放大单元的放大输出杆的顶部，第三级放大单元的顶部通过放大输出铰链连接输出端，输出端横向布置；输入端铰链、放大固定端铰链、放大输出铰链采用柔性铰链；两个非对称第二级放大单元的位置相反并重叠布置，两个相接触的输入端相连接，两个相接触的放大固定杆相连接，两个相接触的输出端相连接。

进一步，非对称放大单元采用了非轴向对称结构。

进一步，通过调节第一级放大单元、第二级放大单元或者第三级放大单元的输入端铰链在放大输出杆的位置来调节放大倍数。

本发明技术效果包括：

1.由于采用了基于柔性铰链的三级微位移放大机构，对原驱动器的位移进行了放大，有效地增加了驱动器的输出位移，在同等输出条件的前提下减小了驱动器的体积，使得驱动器小型化。

2.由于将放大机构置于稀土超磁致伸缩驱动器的内部，并未占用额外的空间，因此在保持驱动器大的输出位移的同时，扩展了其应用环境。

3.两个非对称三级放大单元的输出端固定连接后，在力的作用下，消除了由输出端倾斜导致的横向位移，输出的位移仅为轴向向上的位移，有效提高了轴向输出精度。

附图说明

图1是本发明中外壳提供轴向磁场的带有三级微位移放大机构的促动器的结构示意图；

图2所示，是本发明中导磁框架的结构示意图；

图3是本发明中非对称放大单元的结构示意图；

图4是本发明中非对称三级放大单元的结构示意图；

图5是本发明中是本发明中三级微位移放大机构的结构示意图。

具体实施方式

以下描述充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践和再现。

如图1所示，是本发明中外壳提供轴向磁场的带有三级微位移放大机构的促动器的结构示意图。

外壳提供轴向磁场的带有三级微位移放大机构的促动器，包括：不导磁外壳1、导磁框架2、励磁线圈3、组合体4、三级微位移放大机构5、输出杆6、上端盖7。

不导磁外壳1一端开口，上端盖7设置在开口处，上端盖7开有输出杆通孔。

导磁框架2在顶端设置有输入杆通孔23，导磁框架2形成轴向永磁磁场。

励磁线圈3包括线圈外壳和绕组，绕组设置在线圈外壳的外部，线圈外壳开有轴向通孔。

组合体4包括：磁致伸缩棒41和第一导磁体42，两个第一导磁体42分别连接在磁致伸缩棒41的两端。组合体4安装在轴向通孔内。

三级微位移放大机构5安装在不导磁外壳1内，并位于导磁框架2的外侧，输入杆55伸入轴向通孔并连接在第一导磁体42上。输出杆6一端连接输出端53，另一端从输出杆通孔伸出。

带有轴向永磁磁场的导磁框架2、组合体4构成闭合磁路。组合体4将位移传递给三级微位移放大机构5，三级微位移放大机构5的固定端512连接在导磁框架2上，将三级微位移放大机构5将位移放大后传递给输出杆6，输出杆6将位移输出。

如图2所示，是本发明中导磁框架2的结构示意图。

导磁框架2包括：第二导磁体21、永磁体22，多个第二导磁体21、永磁体22间隔布置并首尾相接，在端部的第二导磁体21的顶端开有输入杆通孔23。

第二导磁体21、永磁体22的数量至少为2个。

如图3所示，是本发明中非对称放大单元51的结构示意图。

非对称放大单元51包括：放大输出杆511、放大固定杆512、输入端铰链513、放大固定端铰链514；放大输出杆511横向布置，放大固定杆512通过放大固定端铰链514连接在放大输出杆511的下部，放大固定端铰链514位于放大输出杆511靠近端部的位置；输入端铰链513设置在放大输出杆511的下部，并位于放大固定端铰链514的内侧。输入端铰链513、放大固定端铰链514采用柔性铰链。

利用杠杆原理，放大固定端铰链514对放大输出杆511的端部起拉的作用，输入端铰链513起支撑作用，可以通过调节输入端铰链513在放大输出杆511的位置来改变放大倍数。

非对称放大单元51采用了非轴向对称结构，有效地避免了传统轴对称方式中对放大效果无效的部分占用的空间，减小了放大机构的体积。

如图4所示，是本发明中非对称三级放大单元的结构示意图。

非对称三级放大单元包括：三个相串接的非对称放大单元51，三个非对称放大单元51分别为第一级放大单元、第二级放大单元、第三级放大单元；第一级放大单元的输入端铰链513连接输入端52，输入端52连接有输入杆55；第二级放大单元通过输入端铰链513连接第一级放大单元的放大输出杆511的顶部；第三级放大单元通过输入端铰链513连接第二级放大单元的放大输出杆511的顶部，第三级放大单元的放大固定杆612与第一级放大单元的放大固定杆512相连接；三个非对称放大单元51的放大固定杆512位于输入端52两侧；第三级放大单元的顶部通过放大输出铰链54连接输出端53，输出端53横向布置。放大输出铰链54采用柔性铰链。

可以通过调节第一级放大单元的输入端铰链513在放大输出杆511的位置来调节放大倍数，进一步，通过调节第二级放大单元、第三级放大单元的输入端铰链513与放大输出杆511的连接位置来改变放大倍数。

如图5所示，是本发明中是本发明中三级微位移放大机构的结构示意图。

三级微位移放大机构包括：两个非对称三级放大单元，两个非对称三级放大单元的位置相反并重叠布置，两个非对称三级放大单元重叠后，两个相接触的输入端52相连接，两个相接触的输入杆55相连接，两个相接触的放大固定杆512相连接，两个相接触的输出端53相连接。三级微位移放大机构其它非连接部分可自由活动。输入杆55能够方便引入微位移。

两个非对称三级放大单元位置相反，即一个非对称三级放大单元水平翻转180°后为另一个非对称三级放大单元。

三级微位移放大机构的放大方法，具体步骤包括：

组合体4输入的微位移经输入杆55传递至输入端52，输入端52将位移传递至第一级放大单元的输入端铰链513，输入端铰链513将位移传递至第一级放大单元的放大输出杆511；两个第一级放大单元的放大输出杆511同时发生偏转，端部向上移动；

第一级放大单元的放大输出杆511将放大后的位移传递给两个第二级放大单元的输入端铰链513，第二级放大单元的输入端铰链513将位移传递至第二级放大单元的放大输出杆511，第二级放大单元的放大输出杆511发生偏转，端部向上移动；

第二级放大单元的放大输出杆511将放大后位移传递给两个第三级放大单元的输入端铰链513，第三级放大单元的输入端铰链513将位移传递至第三级放大单元的放大输出杆511，第三级放大单元的放大输出杆511发生偏转，端部向上移动；

两个第三级放大单元的放大输出杆511将放大后位移传递给放大输出铰链54，放大输出铰链54带动第三级放大单元的输出端53向上移动，实现磁致伸缩驱动器的微位移的放大输出。

放大固定杆512固定不动，通过放大固定端铰链514对第一级放大单元的放大输出杆511的端部起到拉的作用，输入端通过输入端铰链对第一级放大单元的放大输出杆511顶起，第一级放大单元的放大输出杆511发生偏转；第二级放大单元的放大固定杆612固定不动，第二级放大单元的放大固定杆512通过放大固定端铰链514对第二级放大单元的放大输出杆511的端部起到拉的作用；第一级放大单元的放大输出杆511通过放大输出铰链513对第二级放大单元的放大输出杆511顶起，第二级放大单元的放大输出杆511发生偏转，端部向上移动；第三级放大单元的放大固定杆512通过放大固定端铰链514对第三级放大单元的放大输出杆511的端部起到拉的作用，第二级放大单元的放大输出杆511通过放大输出铰链513对第三级放大单元的放大输出杆11顶起，第三级放大单元的放大输出杆511发生偏转，端部向上移动。

通过调节第一级放大单元的输入端铰链513、第二级放大单元的输入端铰链513、第三级放大单元的输入端铰链513与放大输出杆511的连接位置来改变放大倍数。

本发明所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种外壳提供轴向磁场的带有三级微位移放大机构的促动器，其特征在于，包括：不导磁外壳、导磁框架、励磁线圈、组合体、三级微位移放大机构、输出杆、上端盖；不导磁外壳一端开口，上端盖设置在开口处，上端盖开有输出杆通孔；导磁框架在顶端设置有输入杆通孔，导磁框架形成轴向永磁磁场；励磁线圈包括线圈外壳和绕组，绕组设置在线圈外壳的外部，线圈外壳开有轴向通孔；组合体包括：磁致伸缩棒和第一导磁体，两个第一导磁体分别连接在磁致伸缩棒的两端，组合体安装在轴向通孔内；三级微位移放大机构安装在不导磁外壳内，并位于导磁框架的外侧，输入杆伸入轴向通孔并连接在第一导磁体上；输出杆一端连接输出端，另一端从输出杆通孔伸出。

2.如权利要求1所述外壳提供轴向磁场的带有三级微位移放大机构的促动器，其特征在于，带有轴向永磁磁场的导磁框架和组合体构成闭合磁路。

3.如权利要求1所述外壳提供轴向磁场的带有三级微位移放大机构的促动器，其特征在于，导磁框架包括：第二导磁体、永磁体，多个第二导磁体、永磁体间隔布置并首尾相接，在端部的第二导磁体的顶端开有输入杆通孔；第二导磁体和永磁体的数量至少为2个。

4.如权利要求1所述外壳提供轴向磁场的带有三级微位移放大机构的促动器，其特征在于，三级微位移放大机构包括：包括两个非对称三级放大单元，非对称三级放大单元包括三个非对称放大单元，三个非对称放大单元分别为第一级放大单元、第二级放大单元、第三级放大单元；非对称放大单元包括：放大输出杆、放大固定杆、输入端铰链、放大固定端铰链；放大输出杆横向布置，放大固定杆通过放大固定端铰链连接在放大输出杆的下部，放大固定端铰链位于放大输出杆靠近端部的位置；输入端铰链设置在放大输出杆的下部，并位于放大固定端铰链的内侧；第一级放大单元的输入端铰链连接输入端，第二级放大单元通过输入端铰链连接第一级放大单元的放大输出杆的顶部；第三级放大单元通过输入端铰链连接第二级放大单元的放大输出杆的顶部，第三级放大单元的顶部通过放大输出铰链连接输出端，输出端横向布置；输入端铰链、放大固定端铰链、放大输出铰链采用柔性铰链；两个非对称第二级放大单元的位置相反并重叠布置，两个相接触的输入端相连接，两个相接触的放大固定杆相连接，两个相接触的输出端相连接。

5.如权利要求4所述外壳提供轴向磁场的带有三级微位移放大机构的促动器，其特征在于，非对称放大单元采用了非轴向对称结构。

6.如权利要求4所述外壳提供轴向磁场的带有三级微位移放大机构的促动器，其特征在于，通过调节第一级放大单元、第二级放大单元或者第三级放大单元的输入端铰链在放大输出杆的位置来调节放大倍数。