CN110504862A - 骨架提供轴向磁场的带有二级微位移放大机构的促动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种骨架提供轴向磁场的带有二级微位移放大机构的促动器，包括：H型不导磁壳体、上端盖、下端盖、螺线管、组合体、二级微位移放大机构、输出杆。本发明采用了基于柔性铰链的二级放大，能够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

骨架提供轴向磁场的带有二级微位移放大机构的促动器

技术领域

本发明涉及精密控制领域，具体涉及一种骨架提供轴向磁场的带有二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。

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。

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骨架提供轴向磁场的带有二级微位移放大机构的促动器，能够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：

一种骨架提供轴向磁场的带有二级微位移放大机构的促动器，包括：H型不导磁壳体、上端盖、下端盖、螺线管、组合体、二级微位移放大机构、输出杆；H型不导磁壳体两端开口，内壁设置有挡板，挡板设置有输入杆通孔；上端盖连接在前端开口，上端盖设置有输出杆通孔，下端盖连接在后端开口；螺线管安装在H型不导磁壳体内，并位于挡板的后部，前端抵在挡板上，后端抵在下端盖上；螺线管设置有轴向通孔，螺线管设置有线圈，在轴向通孔的外壁设置有永磁体；轴向通孔连通输入杆通孔，组合体安装在轴向通孔内；二级微位移放大机构安装在H型不导磁壳体内，并位于挡板的前部，二级微位移放大机构的位移输入杆伸入输入杆通孔并连接组合体的端部；输出杆一端连接在二级微位移放大机构的输出端，另一端从输出杆通孔伸出。

进一步，二级微位移放大机构包括：包括两组非对称放大单元，每组非对称放大单元包括两个通过柔性铰链相串接的非对称放大单元，非对称放大单元用于将微位移放大；两组非对称放大单元的位置相反并重叠布置；输入端、输出端分别通过柔性铰链连接非对称放大单元，输入端用于给非对称放大单元输入微位移，输出端用于输出放大后的位移；两个相接触的输入端固定连接，两个相接触的输出端固定连接。

进一步，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；位于输出端一侧的非对称放大单元通过输入端铰链连接位于输入端一侧的非对称放大单元的放大输出杆的顶部；位于输入端一侧的非对称放大单元的输入端铰链连接输入端，两个放大固定杆分别位于输入端两侧，两个相接触的放大固定杆固定连接；位于输出端一侧的非对称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。

进一步，输入端的底部设置有输入杆。

进一步，通过调节输入端铰链在放大输出杆的位置来调节放大倍数。

进一步，螺线管包括：支撑端面、螺线管本体、线圈；支撑端面设置在螺线管本体的两端，线圈设置在螺线管本体的外壁上；螺线管本体包括：导磁体和永磁体，导磁体和永磁体为环状结构，多个导磁体和永磁体交替间隔布置，并且在接触的端面相连接。

进一步，轴向通孔设置有隔热层，螺线管本体为管状结构。

进一步，螺线管本体的结构以轴向中心为中点，呈两面对称结构；永磁体至少为2组，中心点两侧对称的永磁体磁性能相同；中点向两端分布的永磁体的磁性能逐渐降低。

进一步，导磁体至少为3组，轴向中心点向两端分布的导磁体的长度逐渐增加。

进一步，支撑端面与导磁体相连接，隔热层的材质采用非导磁材料。

本发明技术效果包括：

1.由于采用了基于柔性铰链的二级放大，能够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.由于采用了永磁体结合导磁体代替原有螺线管骨架的方法，驱动器不用再行设计偏置磁场，有效的节省了器件的空间，使器件小型化。

附图说明

图1是本发明中骨架提供轴向磁场的带有二级微位移放大机构的促动器的结构示意图；

图2是本发明中非对称放大单元的结构示意图；

图3是本发明中两个相串接的非对称放大单元的结构示意图。

图4所示，是本发明中二级微位移放大机构的结构示意图。

图5是本发明中螺线管的结构示意图；

图6是本发明实施例1中螺线管的结构示意图。

图7是本发明实施例2中螺线管的结构示意图；

图8是本发明实施例2中螺线管的使用状态图。

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。

本发明可应用于包括微电子，纳米技术，生物医学工程，精密加工等领域。

如图1所示，是本发明中骨架提供轴向磁场的带有二级微位移放大机构的促动器的结构示意图。

骨架提供轴向磁场的带有二级微位移放大机构的促动器，包括：H型不导磁壳体1、上端盖2、下端盖3、螺线管4、组合体5、二级微位移放大机构6、输出杆7。

H型不导磁壳体1的两端开口，内壁设置有挡板11，挡板11设置有输入杆通孔。

上端盖2连接在前端开口，上端盖2设置有输出杆通孔，下端盖3连接在后端开口；螺线管4安装在H型不导磁壳体1内，并位于挡板11的后部，前端抵在挡板11上，后端抵在下端盖3上；螺线管4设置有轴向通孔，螺线管4缠绕有线圈43，在轴向通孔的外壁设置有永磁体，永磁体在轴向通孔处形成轴向永磁磁场；轴向通孔连通输入杆通孔，组合体5安装在轴向通孔内；二级微位移放大机构6安装在H型不导磁壳体1内，并位于挡板11的前部，二级微位移放大机构6的位移输入杆伸入输入杆通孔并连接组合体5的端部；输出杆7一端连接在二级微位移放大机构6的输出端63，另一端从输出杆通孔伸出。

组合体5为磁致伸缩棒，将伸缩位移传递给二级微位移放大机构6的输入杆65，二级微位移放大机构6的固定端连接在挡板11上，二级微位移放大机构6将位移放大后传递给输出杆7，输出杆7将位移输出。

如图2所示，是本发明中非对称放大单元61的结构示意图。

非对称放大单元61包括：放大输出杆611、放大固定杆612、输入端铰链613、放大固定端铰链614；放大输出杆611横向布置，放大固定杆612通过放大固定端铰链614连接在放大输出6杆11的下部，放大固定端铰链614位于放大输出杆611靠近端部的位置；输入端铰链613设置在放大输出杆611的下部，并位于放大固定端铰链614的内侧。输入端铰链613、放大固定端铰链614采用柔性铰链。

利用杠杆原理，放大固定端铰链614对放大输出杆611的端部起拉的作用，输入端铰链613起支撑作用，可以通过调节输入端铰链613在放大输出杆611的位置来改变放大倍数。

非对称放大单元61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3所示，是本发明中两个相串接的非对称放大单元61的结构示意图。

两个相串接的非对称放大单元61中，非对称位于输出端63一侧，位于输出端63一侧的非对称放大单元61通过输入端铰链613连接位于输入端62一侧的非对称放大单元61的放大输出杆611的顶部；位于输入端62一侧的非对称放大单元61的输入端铰链613连接输入端62，两个非对称放大单元61的放大固定杆612分别位于输入端62两侧；位于输出端63一侧的非对称放大单元61的顶部通过放大输出铰链64连接输出端63，输出端63横向布置。放大输出铰链64采用柔性铰链。

如图4所示，是本发明中二级微位移放大机构6的结构示意图。

两组串接后的非对称放大单元61，每组串接后的非对称放大单元61包括两个相串接的非对称放大单元61，两组串接后的非对称放大单元61的位置相反并重叠布置，两组串接的非对称放大单元61重叠后，两个相接触的输入端62相连接，输入端62两侧，两个相接触的放大固定杆612相连接，两个相接触的输出端63相连接。二级微位移放大机构其它非连接部分可自由活动。

两组相串接的非对称放大单元1位置相反，即一个相串接的非对称放大单元1水平翻转180°后的位置为另一个相串接的非对称放大单元1的位置。

二级微位移放大机构的放大方法，具体步骤包括：

组合体5输入的微位移传递至输入杆65，输入杆65传递位移给输入端62，输入端62将位移传递至输入端2一侧的的输入端铰链613，输入端铰链613将位移传递至输入端2一侧的的放大输出杆611；两个输入端2一侧的放大输出杆611同时发生偏转，端部向上移动；

位于输入端2一侧的放大输出杆611将放大后位移传递给两个输出端3一侧的的输入端铰链613，输出端3一侧的的输入端铰链613将位移传递至输出端3一侧的的放大输出杆611，输出端3一侧的的放大输出杆611发生偏转，端部向上移动；

两个输出端3一侧的放大输出杆611将放大后位移传递给放大输出铰链64，放大输出铰链64带动输出端3一侧的输出端63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612固定不动，通过放大固定端铰链614对输入端2一侧的放大输出杆611的端部起到拉的作用，输入端通过输入端铰链对输入端2一侧的放大输出杆611顶起，输入端2一侧的放大输出杆611发生偏转；输出端3一侧的放大固定杆612固定不动，输出端3一侧的放大固定杆612通过放大固定端铰链614对输出端3一侧的放大输出杆611的端部起到拉的作用；输入端2一侧的放大输出杆611通过放大输出铰链613对输出端3一侧的放大输出杆611顶起，输出端3一侧的放大输出杆611发生偏转，端部向上移动；放大输出杆611将位移放大后传递给输出杆7，输出杆7将位移输出。

通过调节输入端2一侧的输入端铰链613在放大输出杆611的位置来调节放大倍数，进一步通过调节输出端3一侧的输入端铰链613在放大输出杆611的位置来改变放大倍数。

如图5所示，是本发明中螺线管4的结构示意图。

螺线管4提供轴向永磁磁场，可作为磁致伸缩式制动器、驱动器等器件的激励磁场和偏置磁场。

螺线管4的结构，包括：支撑端面41、螺线管本体42、线圈43；支撑端面41设置在螺线管本体42的两端，线圈43设置在螺线管本体42的外壁上。螺线管本体42为管状结构，为了增强隔热效果，在螺线管本体42的内壁上设置有隔热层44。

螺线管本体42包括：导磁体421和永磁体422，导磁体421和永磁体422为环状结构，多个导磁体421和永磁体422交替间隔布置，并且在接触的端面相连接。多个导磁体421和永磁体422同轴分布，并且内径相同。

螺线管本体42的结构以轴向中心为中点，呈两面对称结构。线圈43采用漆包线缠绕而成。永磁体422至少为2组，中心点两侧对称的永磁体422磁性能相同；中点向两端分布的永磁体422的磁性能逐渐降低。导磁体大于3组，轴向中心点向两端分布的导磁体421，其长度逐渐增加。支撑端面41与导磁体421相连接。隔热层44的材质采用非导磁材料。

如图6所示，是本发明实施例1中螺线管4的结构示意图。

螺线管本体42包括两个导磁体421和三个永磁体422。

如图7所示，是本发明实施例2中螺线管4的结构示意图；如图8所示，是本发明实施例2中螺线管4的使用状态图。

螺线管本体42包括八个导磁体421和七个永磁体422。

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 (10)

1.一种骨架提供轴向磁场的带有二级微位移放大机构的促动器，其特征在于，包括：H型不导磁壳体、上端盖、下端盖、螺线管、组合体、二级微位移放大机构、输出杆；H型不导磁壳体两端开口，内壁设置有挡板，挡板设置有输入杆通孔；上端盖连接在前端开口，上端盖设置有输出杆通孔，下端盖连接在后端开口；螺线管安装在H型不导磁壳体内，并位于挡板的后部，前端抵在挡板上，后端抵在下端盖上；螺线管设置有轴向通孔，螺线管设置有线圈，在轴向通孔的外壁设置有永磁体；轴向通孔连通输入杆通孔，组合体安装在轴向通孔内；二级微位移放大机构安装在H型不导磁壳体内，并位于挡板的前部，二级微位移放大机构的位移输入杆伸入输入杆通孔并连接组合体的端部；输出杆一端连接在二级微位移放大机构的输出端，另一端从输出杆通孔伸出。

2.如权利要求1所述骨架提供轴向磁场的带有二级微位移放大机构的促动器，其特征在于，二级微位移放大机构包括：包括两组非对称放大单元，每组非对称放大单元包括两个通过柔性铰链相串接的非对称放大单元，非对称放大单元用于将微位移放大；两组非对称放大单元的位置相反并重叠布置；输入端、输出端分别通过柔性铰链连接非对称放大单元，输入端用于给非对称放大单元输入微位移，输出端用于输出放大后的位移；两个相接触的输入端固定连接，两个相接触的输出端固定连接。

3.如权利要求2所述骨架提供轴向磁场的带有二级微位移放大机构的促动器，其特征在于，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；位于输出端一侧的非对称放大单元通过输入端铰链连接位于输入端一侧的非对称放大单元的放大输出杆的顶部；位于输入端一侧的非对称放大单元的输入端铰链连接输入端，两个放大固定杆分别位于输入端两侧，两个相接触的放大固定杆固定连接；位于输出端一侧的非对称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。

4.如权利要求2所述骨架提供轴向磁场的带有二级微位移放大机构的促动器，其特征在于，输入端的底部设置有输入杆。

5.如权利要求3所述骨架提供轴向磁场的带有二级微位移放大机构的促动器，其特征在于，通过调节输入端铰链在放大输出杆的位置来调节放大倍数。

6.如权利要求1所述骨架提供轴向磁场的带有二级微位移放大机构的促动器，其特征在于，螺线管包括：支撑端面、螺线管本体、线圈；支撑端面设置在螺线管本体的两端，线圈设置在螺线管本体的外壁上；螺线管本体包括：导磁体和永磁体，导磁体和永磁体为环状结构，多个导磁体和永磁体交替间隔布置，并且在接触的端面相连接。

7.如权利要求6所述骨架提供轴向磁场的带有二级微位移放大机构的促动器，其特征在于，轴向通孔设置有隔热层，螺线管本体为管状结构。

8.如权利要求6所述骨架提供轴向磁场的带有二级微位移放大机构的促动器，其特征在于，螺线管本体的结构以轴向中心为中点，呈两面对称结构；永磁体至少为2组，中心点两侧对称的永磁体磁性能相同；中点向两端分布的永磁体的磁性能逐渐降低。

9.如权利要求8所述骨架提供轴向磁场的带有二级微位移放大机构的促动器，其特征在于，导磁体至少为3组，轴向中心点向两端分布的导磁体的长度逐渐增加。

10.如权利要求7所述骨架提供轴向磁场的带有二级微位移放大机构的促动器，其特征在于，支撑端面与导磁体相连接，隔热层的材质采用非导磁材料。