精確可控微動(dòng)力構(gòu)件及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種精確可控微動(dòng)力構(gòu)件；包括超磁致伸縮薄片（3）、永磁體（6）和固定軛（4）構(gòu)成的磁回路Ⅰ，永磁體（6）、固定軛（4）以及動(dòng)軛（11）構(gòu)成的磁回路Ⅱ；所述超磁致伸縮薄片（3）的上表面和下表面分別設(shè)置壓電陶瓷薄片（5），形成超磁致伸縮薄片（3）與壓電陶瓷薄片（5）的耦合體；固定軛（4）內(nèi)從上至下設(shè)置超磁致伸縮薄片（3）與壓電陶瓷薄片（5）的耦合體以及永磁體（6）；固定軛（4）和動(dòng)軛（11）之間設(shè)置氣隙（17），氣隙（17）的大小通過氣隙調(diào)整裝置進(jìn)行調(diào)整。
【專利說明】精確可控微動(dòng)力構(gòu)件及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微動(dòng)力構(gòu)件，尤其涉及一種基于超磁致伸縮材料與壓電陶瓷相耦合的具有毫牛級精度的精確可控微動(dòng)力構(gòu)件。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前，微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展極為迅速，但也存在一些技術(shù)瓶頸。微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)面臨的主要問題之一就是微裝配技術(shù)。大多數(shù)微機(jī)電系統(tǒng)由不同材料和不同加工方法的微小零件組成，隨著零件的不斷微小化，微系統(tǒng)的加工、裝配越來越困難。在零件的運(yùn)輸、加工及裝配等過程中，機(jī)械損壞和熱變形損壞占了很大的比重，尤其對機(jī)械接觸力或熱量非常敏感的零件進(jìn)行操作時(shí)，這些零件在受到較小的作用力或熱量就會(huì)產(chǎn)生變形或破碎，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，也使其生產(chǎn)成本大大提高，所以急需一種能夠有效產(chǎn)生極小微動(dòng)力且不發(fā)熱(或發(fā)熱極少)的精確可控驅(qū)動(dòng)構(gòu)件。
[0003]目前，研究人員已提出多種微力驅(qū)動(dòng)的形式，如基于靜電力、電磁力、壓電作用、熱膨脹和形狀記憶合金等工作機(jī)理的微力驅(qū)動(dòng)器。相關(guān)專利也有很多，如專利申請?zhí)枮?00810064983.X名稱為“集成壓阻微力檢測的四臂式MEMS微夾持器”中，通過在梳齒靜電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的定齒和動(dòng)齒上加載電壓，利用靜電驅(qū)動(dòng)原理，通過梳齒電極之間的吸引力產(chǎn)生平移；專利申請?zhí)枮?00610149635.3名稱為“一種宏微結(jié)合的12自由度微裝配系統(tǒng)”、專利申請?zhí)枮?01210181310.9名稱為“用于精密裝配的壓電驅(qū)動(dòng)微夾持鉗及夾持零件的方法”、專利申請?zhí)枮?01310090805.5 “薄膜加載裝置”等，均采用壓電陶瓷作為微力驅(qū)動(dòng)形式，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的目的；專利申請?zhí)枮?00810037836.3名稱為“V型梁復(fù)合材料電熱微驅(qū)動(dòng)器”采用電熱驅(qū)動(dòng)方式，基于材料受熱膨脹產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能；專利申請?zhí)枮?01310262900.9名稱為“一種微驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及包含該系統(tǒng)的夾緊系統(tǒng)”中，基于形狀記憶效應(yīng)，采用相互垂直的兩個(gè)形狀記憶合金桿來實(shí)現(xiàn)微力驅(qū)動(dòng)。然而，上述各種形式的微力驅(qū)動(dòng)原理都有其一定的局限性，或微力大小不能精確調(diào)節(jié)，或因發(fā)熱而影響系統(tǒng)的精確度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)簡單的精確可控微動(dòng)力構(gòu)件。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種精確可控微動(dòng)力構(gòu)件；包括相互耦合的磁回路I和磁回路II ;所述磁回路II中設(shè)置有氣隙；所述磁回路II上還設(shè)置有氣隙調(diào)整裝置。
[0006]作為對本發(fā)明所述的精確可控微動(dòng)力構(gòu)件的改進(jìn):所述磁回路I包括超磁致伸縮薄片、永磁體和固定軛；所述超磁致伸縮薄片的上表面和下表面分別設(shè)置有壓電陶瓷薄片；所述固定軛內(nèi)從上至下依次設(shè)置超磁致伸縮薄片與壓電陶瓷薄片的耦合體以及永磁體；所述磁回路II包括永磁體、固定軛以及動(dòng)軛,所述氣隙為動(dòng)軛與固定軛之間的空隙；所述動(dòng)軛上設(shè)置氣隙調(diào)整裝置。[0007]作為對本發(fā)明所述的精確可控微動(dòng)力構(gòu)件的進(jìn)一步改進(jìn):所述磁回路I和磁回路II均設(shè)置在外殼內(nèi)；所述固定軛通過上骨架固定，所述上骨架從上至下卡入外殼內(nèi)；所述動(dòng)軛通過下骨架固定，所述下骨架從下至上卡入外殼內(nèi)。
[0008]作為對本發(fā)明所述的精確可控微動(dòng)力構(gòu)件的進(jìn)一步改進(jìn):所述外殼的上、下兩端分別固定有上蓋和下蓋。
[0009]作為對本發(fā)明所述的精確可控微動(dòng)力構(gòu)件的進(jìn)一步改進(jìn):所述氣隙調(diào)整裝置為彈簧和調(diào)整螺釘；所述彈簧的一端抵住下骨架，所述彈簧的另外一端抵住動(dòng)軛；所述調(diào)整螺釘貫穿下蓋后通過推板抵住動(dòng)軛。
[0010]作為對本發(fā)明所述的精確可控微動(dòng)力構(gòu)件的進(jìn)一步改進(jìn):所述外殼的兩側(cè)設(shè)置有可視窗口。
[0011]作為對本發(fā)明所述的精確可控微動(dòng)力構(gòu)件的進(jìn)一步改進(jìn):所述超磁致伸縮薄片與壓電陶瓷薄片之間、超磁致伸縮薄片與壓電陶瓷薄片的耦合體與固定軛之間以及永磁體與固定軛之間均通過環(huán)氧樹脂粘合。
[0012]作為對本發(fā)明所述的精確可控微動(dòng)力構(gòu)件的進(jìn)一步改進(jìn):所述上蓋、上骨架、下蓋、下骨架、外殼、推板、彈簧以及調(diào)整螺釘均為非磁性材料。
[0013]一種精確可控微動(dòng)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中設(shè)置有氣隙；所述磁回路I中，超磁致伸縮薄片上、下表面的壓電陶瓷薄片上分別設(shè)置電極，通過電極給磁回路I施加控制電壓，使得磁回路I的磁通量改變；通過精確控制磁回路I中磁通量改變，使磁回路II中磁通量精確變化，進(jìn)而精確控制微動(dòng)力構(gòu)件中執(zhí)行元件所受的微力變化。
[0014]本發(fā)明的精確可控微動(dòng)力構(gòu)件結(jié)構(gòu)簡單，且在對壓電陶瓷薄片施加的電壓恒定時(shí)，壓電陶瓷薄片保持形變過程中幾乎不產(chǎn)生熱量，形變穩(wěn)定，所以磁路II中磁通量穩(wěn)定，動(dòng)軛所受磁力恒定。由于超磁致伸縮薄片采用的是非線圈激勵(lì)，所以不會(huì)產(chǎn)生熱量，不會(huì)對構(gòu)件精度造成破壞，通過精確調(diào)控作用在壓電陶瓷薄片上的控制電壓的大小，就可以精確控制微動(dòng)力構(gòu)件輸出微力的變化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0016]圖1是本發(fā)明的精確可控微動(dòng)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是圖1內(nèi)部的主要結(jié)構(gòu)示意圖(爆炸結(jié)構(gòu)示意圖)；
[0018]圖3是圖1的工作原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例1、圖1?圖3給出了一種精確可控微動(dòng)力構(gòu)件，包括輔助結(jié)構(gòu)、動(dòng)力結(jié)構(gòu)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)。輔助結(jié)構(gòu)包括上蓋2、上骨架7、外殼8、下骨架9和下蓋13 ;動(dòng)力結(jié)構(gòu)包括超磁致伸縮薄片3、壓電陶瓷薄片5、永磁體6和固定軛4 ;執(zhí)行結(jié)構(gòu)包括彈簧10、動(dòng)軛11、推板12和調(diào)整螺釘15。
[0020]超磁致伸縮薄片3的上、下兩個(gè)側(cè)面均設(shè)置壓電陶瓷薄片5，兩片壓電陶瓷薄片5和超磁致伸縮薄片3的耦合體通過兩個(gè)固定軛4分別從兩側(cè)進(jìn)行夾持，兩片壓電陶瓷薄片5和超磁致伸縮薄片3的耦合體下側(cè)的兩個(gè)固定軛4上設(shè)置永磁體6，超磁致伸縮薄片3與兩片壓電陶瓷薄片5之間、超磁致伸縮薄片3與兩片壓電陶瓷薄片5的偶合體與固定軛4之間以及永磁體6與固定軛4之間均通過環(huán)氧樹脂粘合。
[0021]兩個(gè)分別與超磁致伸縮薄片3、壓電陶瓷薄片5和永磁體6相結(jié)合的固定軛4卡嵌入上骨架7的凹槽內(nèi)，在上骨架7上，相對應(yīng)于兩個(gè)固定軛4開有安裝孔；上骨架7的凹槽卡嵌在外殼8 (從上至下)內(nèi)，上蓋2、上骨架7以及外殼8之間通過上蓋螺栓組I進(jìn)行相互固定。
[0022]相對應(yīng)于兩個(gè)固定軛4，在下骨架9上設(shè)置有安裝方孔；將動(dòng)軛11與兩個(gè)固定軛4的中心面對齊，并將動(dòng)軛11卡嵌入下骨架9的凹槽內(nèi)，在動(dòng)軛11和下骨架9之間設(shè)置彈黃10,彈黃10的一端抵住下骨架9,彈黃10的另外一端抵住動(dòng)輒11 ;在動(dòng)輒11的下端設(shè)置推板12，推板12上設(shè)置圓錐孔；下骨架9的凹槽卡嵌在外殼8 (從下至上)內(nèi)，下蓋13、下骨架9和外殼8從下至上依次通過下蓋螺栓14固定；調(diào)整螺釘15貫穿下蓋13后與推板12的圓錐孔相互配合。
[0023]在外殼8的的兩側(cè)設(shè)置有可視窗口。
[0024]在兩個(gè)固定軛4和動(dòng)軛11之間設(shè)置氣隙17 ;而通過可視窗口可以對氣隙17進(jìn)行精確的觀測。
[0025]如圖3所示，通過兩個(gè)固定軛4、兩片壓電陶瓷薄片5、超磁致伸縮薄片3以及永磁體6形成磁路I ;通過兩個(gè)固定軛4、永磁體6、動(dòng)軛11形成磁路II ;在使用的時(shí)候，在兩片壓電陶瓷薄片5上分別設(shè)置電極16 (兩片壓電陶瓷薄片5的外表面分別作為正極，相對應(yīng)的與超磁致伸縮薄片3粘合面分別引出負(fù)極)；通過電極16對兩片壓電陶瓷薄片5施加控制電壓，使兩片壓電陶瓷薄片5產(chǎn)生伸縮，進(jìn)而可控制超磁致伸縮薄片3產(chǎn)生應(yīng)變，超磁致伸縮薄片3磁化強(qiáng)度的改變使磁路I的磁通量改變，進(jìn)而使磁路II的磁通量改變,磁路II中固定軛4對動(dòng)軛11的磁力也就發(fā)生改變。
[0026]本發(fā)明主要通過壓電陶瓷薄片5的壓電逆效應(yīng)，在被施加控制電壓的過程中，壓電陶瓷薄片5會(huì)在特定方向上產(chǎn)生伸縮，由于壓電陶瓷薄片5與超磁致伸縮薄片3之間是按照壓電陶瓷薄片5的伸縮方向與超磁致伸縮薄片3的易極化軸向相同的關(guān)系進(jìn)行粘合，從而壓電陶瓷薄片5可以在超磁致伸縮薄片3的易極化方向上對超磁致伸縮薄片3施加應(yīng)力，由于超磁致伸縮薄片3存在逆磁致伸縮效應(yīng)，所以壓電陶瓷薄片5對其施加的應(yīng)力會(huì)引起超磁致伸縮薄片3內(nèi)部磁化強(qiáng)度發(fā)生變化，從而使磁回路I的磁通量發(fā)生改變。
[0027]由磁通連續(xù)性原理，當(dāng)氣隙17的長度固定時(shí)，磁路I和磁路II的磁通量的總和是恒定的，所以磁路I中磁通量的變化會(huì)引起磁路II中磁通量發(fā)生改變，進(jìn)而使動(dòng)軛11所受的磁力發(fā)生改變。當(dāng)對壓電陶瓷薄片5施加的電壓恒定時(shí)，壓電陶瓷薄片5保持形變過程中幾乎不產(chǎn)生熱量，且形變穩(wěn)定，所以磁路II中磁通量穩(wěn)定，動(dòng)軛11所受磁力恒定。由于超磁致伸縮薄片3采用的是非線圈激勵(lì)，所以不會(huì)產(chǎn)生熱量，不會(huì)對構(gòu)件精度造成破壞，通過精確調(diào)控作用在壓電陶瓷薄片5上的控制電壓的大小，就可以精確控制微動(dòng)力構(gòu)件中執(zhí)行元件所受微力的變化。
[0028]以上所述的超磁致伸縮薄片3為超磁致伸縮材料(Giant MagnetostrictiveMaterial,簡稱GMM)構(gòu)成,超磁致伸縮材料在電磁場、壓力的作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的體積或長度變化，即可大功率、高效率地實(shí)現(xiàn)電磁能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。尤其在中低頻(5Hz-20kHz)時(shí)，有著大行程、大功率、低壓驅(qū)動(dòng)、承載能力強(qiáng)、非接觸式測量和控制等方面的優(yōu)點(diǎn)。壓電陶瓷薄片5為壓電陶瓷(PZT)，壓電陶瓷工作時(shí)由電壓驅(qū)動(dòng)，在其保持伸長狀態(tài)時(shí)，幾乎不消耗能量，不產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，能減少構(gòu)件本身發(fā)熱對工作精度的影響。本發(fā)明集成GMM與PZT的工作特性，能改善單一功能材料的性能，拓展復(fù)合構(gòu)件的應(yīng)用范圍，為微動(dòng)力構(gòu)件的研究提供了 一種新的方法。
[0029]最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實(shí)施例，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.精確可控微動(dòng)力構(gòu)件；其特征是:包括磁回路I和磁回路II;所述磁回路II中設(shè)置有通過氣隙調(diào)整裝置進(jìn)行調(diào)整的氣隙(17)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精確可控微動(dòng)力構(gòu)件，其特征是:所述磁回路I包括超磁致伸縮薄片(3)、永磁體(6)和固定軛(4)構(gòu)成的磁回路； 所述超磁致伸縮薄片(3)的上表面和下表面分別設(shè)置壓電陶瓷薄片(5)； 所述固定軛(4)內(nèi)從上至下設(shè)置超磁致伸縮薄片(3)與壓電陶瓷薄片(5)的耦合體以及永磁體(6)； 所述磁回路II包括永磁體(6)、固定軛(4)以及動(dòng)軛(11)構(gòu)成的磁回路； 所述動(dòng)軛(11)上設(shè)置氣隙調(diào)整裝置，所述氣隙(17)為固定軛(4)和動(dòng)軛(11)之間的空隙。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的精確可控微動(dòng)力構(gòu)件，其特征是:所述磁回路I和磁回路II均設(shè)置在外殼(8)內(nèi)； 所述固定軛(4)通過上骨架(7)固定，所述上骨架(7)從上至下卡入外殼(8)內(nèi)； 所述動(dòng)軛(11)通過下骨架(9 )固定，所述下骨架(9 )從下至上卡入外殼(8 )內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的精確可控微動(dòng)力構(gòu)件，其特征是:所述外殼(8)的上、下兩端分別固定有上蓋(2)和下蓋(13)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的精確可控微動(dòng)力構(gòu)件，其特征是:所述氣隙調(diào)整裝置為彈簧(10)和調(diào)整螺釘(15)； 所述彈簧(10)的一端抵住下骨架(9)，所述彈簧(10)的另外一端抵住動(dòng)軛(11)； 所述調(diào)整螺釘(15)貫穿下蓋(13)后通過推板(12)抵住動(dòng)軛(11)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的精確可控微動(dòng)力構(gòu)件，其特征是:所述外殼(8)的兩側(cè)設(shè)置有可視窗口。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的精確可控微動(dòng)力構(gòu)件，其特征是:所述超磁致伸縮薄片(3)與壓電陶瓷薄片(5)之間、超磁致伸縮薄片(3)與壓電陶瓷薄片(5)的耦合體與固定軛(4)之間以及永磁體(6)與固定軛(4)之間均通過環(huán)氧樹脂粘合。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的精確可控微動(dòng)力構(gòu)件，其特征是:所述上蓋(2)、上骨架(7)、下蓋(13)、下骨架(9)、外殼(8)、推板(12)、彈簧(10)以及調(diào)整螺釘(15)均為非磁性材料。
9.一種精確可控微動(dòng)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中設(shè)置有氣隙(17)； 首先、磁回路I中超磁致伸縮薄片(3)上、下表面所粘合的壓電陶瓷薄片(5)的兩端設(shè)置電極(16)，通過電極(16)給磁回路I施加控制電壓，使得磁回路I的磁通量改變； 其次、通過精確控制磁回路I中磁通量改變，使磁回路II中磁通量精確變化，進(jìn)而精確控制微動(dòng)力構(gòu)件中執(zhí)行元件所受的微力變化。
【文檔編號】H02N2/04GK103872944SQ201410075522
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月3日
【發(fā)明者】徐愛群, 于海闊, 段福斌, 葛丁飛, 吳立軍, 楊禮康 申請人:浙江科技學(xué)院, 徐愛群