专利名称：一种基于磁弹性材料的电磁式微驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁弹性材料的应用技术，具体地，涉及一种基于磁弹性材料的电磁式微驱动器。
背景技术：
随着先进制造技术和微电子技术的发展，在多学科交叉的高技术微电子机械领域，以磁弹性材料为基础的智能材料应用越来越受到广泛重视。超磁致伸缩材料作为一种新型的磁弹性功能材料，能够有效地实现电能与机械能的相互转换，在磁场和机械载荷作用下，具有应变值大、输出力大、机电转换效率高、能量密度大、响应速度快等特点在国防、民用领域得到了广泛的应用。目前，基于磁弹性材料的驱动器在应用研究上取得的很大的进步，但是，从可实现的功能看，都过于单一，不能较为全面地集多种功能为一体。例如，不能实现在动静态时应变的变化特性的测试与驱动器工作时内部磁信号的测量等。同时，上述基于磁弹性材料的驱动器在设计时也有部分的不足。例如，从驱动线圈看，驱动线圈的线圈输出能力会受到所选导线的限制，且其体积会根据产生磁场的要求而不同，体积与性能不一；偏置磁场的实现，大多采用永磁体施加，虽然可以避免电流发热， 但其磁场设计复杂，且不能改变偏置磁场的大小，应用受到了限制；预应力装置在驱动器中有弹簧或者碟形弹簧的选择，两者的特性有很大的差异，最优化比较，碟形弹簧的应用更能适应于驱动的恒定压力的加载；对于磁路的优化，由于超磁致伸缩材料磁导率低，易产生漏磁，因而一般在闭合磁路条件下工作，且需要磁场均勻度较高，对导磁材料的选择会因材料磁导率的不同而影响磁路特性，因此对于导磁材料的选择也会对磁路有差异。综上所述，在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下缺陷(1)功能单一现有技术中基于磁弹性材料的驱动器不能较为全面地集多种功能为一体；(2)结构复杂偏置磁场的结构复杂，且不能改变偏置磁场的大小，应用受限；(3)磁场均勻度低对于磁路的优化，由于超磁致伸缩材料磁导率低，易产生漏磁，影响磁场均勻度。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于磁弹性材料的电磁式微驱动器， 以实现功能多样、结构简单与磁场均勻度高的优点。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，包括具有封闭结构的套筒，以及紧固配合设置在所述套筒中的磁路机构、驱动机构、 预压机构与传感器组件；其中，所述磁路机构套装在套筒的内部，所述驱动机构套装在磁路机构的内部，所述预压机构设置在套筒与磁路机构之间、并伸出套筒。进一步地，所述套筒包括封装设置的套筒上盖、套筒侧壁与套筒底座，其中所述套筒侧壁垂直放置，套筒上盖水平设置在套筒侧壁上方，套筒底座水平设置在套筒侧壁下方；在所述套筒上盖的中心位置开设有输出孔，在套筒底座的中部设有凹槽，在凹槽的中心位置开设有预紧孔。进一步地，所述磁路机构包括超磁致伸缩材料，轴向对称设置在所述超磁致伸缩材料上下两端的上端轴向导磁体与下端轴向导磁体，横向对称设置在所述超磁致伸缩材料左右两端的第一横向导磁组件与第二横向导磁组件；所述上端轴向导磁体与下端轴向导磁体的结构相同，第一横向导磁组件与第二横向导磁组件的结构相同。进一步地，所述预压机构包括位于上端轴向导磁体的上方、且伸出套筒的输出导杆，位于下端轴向导磁体的下方、且未伸出套筒的下端顶杆，设置在所述输出导杆与套筒之间的碟形弹簧，设置在所述下端顶杆的底部、设有未伸出套筒的预压螺塞。进一步地，所述第一横向导磁组件包括靠近套筒与输出导杆、且水平设置的上端横向导磁体，靠近套筒与下端顶杆、且水平设置的下端横向导磁体，以及靠近套筒、且竖直设置在上端横向导磁体与下端横向导磁体之间的导磁壁。进一步地，所述驱动机构包括分别与第一横向导磁组件及第二横向导磁组件配合、且轴向对称设置在超磁致伸缩材料的左右两端的第一驱动组件与第二驱动组件，所述第一驱动组件与第二驱动组件的结构相同。进一步地，所述第一驱动组件包括靠近上端横向导磁体、轴向导磁组件与下端横向导磁体设置的“匚”型胶木线圈骨架，配合缠绕在所述“匚”型胶木线圈骨架上的驱动线圈，以及与所述驱动线圈连接的连接导线；所述连接导线伸出套筒。进一步地，所述传感器组件包括设置在第一驱动组件的“匚”型胶木线圈骨架、与超磁致伸缩材料及下端轴向导磁体之间的磁场霍尔传感器与温度传感器，设置在下端轴向导磁体与下端顶杆之间的薄膜压力传感器，设置在超磁致伸缩材料内部的应变测量传感器，设置在上端轴向导磁体上方的位移传感器，以及分别与磁场霍尔传感器、温度传感器、 薄膜压力传感器、应变测量传感器及位移传感器连接的屏蔽导线；所述屏蔽导线伸出套筒。进一步地，在所述超磁致伸缩材料上，缠绕有多匝同轴磁感应强度测试线圈。进一步地，所述输出导杆包括轴向设置的竖梁，以及横向对称设置在竖梁两侧的左横梁与右横梁；所述下端顶杆包括轴向设置的竖梁，以及横向对称设置在竖梁两侧的左横梁与右横梁；所述输出导杆的竖梁伸出输出孔；下端顶杆的左横梁与右横梁位于套筒底座的凹槽中，下端顶杆的竖梁底端及预压螺塞位于预紧孔中。本发明各实施例的基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，由于包括具有封闭结构的套筒，以及紧固配合设置在所述套筒中的磁路机构、驱动机构、预压机构与传感器组件；其中，磁路机构套装在套筒的内部，驱动机构套装在磁路机构的内部，预压机构设置在套筒与磁路机构之间、并伸出套筒；磁路机构可以产生闭合磁路，驱动机构通过控制激励电流和直流电流可以产生激励磁场和偏置磁场；从而可以克服现有技术中功能单一、结构复杂与磁场均勻度低的缺陷，以实现功能多样、结构简单与磁场均勻度高的优点。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中图1为根据本发明基于磁弹性材料的电磁式微驱动器的结构示意图；图2为根据本发明基于磁弹性材料的电磁式微驱动器中传感器组件的装配与功能示意图；图3为根据本发明基于磁弹性材料的电磁式微驱动器的工作原理示意图；图如为未加载偏置磁场时超磁致伸缩材料的产生机械运动的倍频曲线示意图；图4b为加载偏置磁场时超磁致伸缩材料的产生机械运动的倍频曲线示意图；图fe为常规弹簧的力与位移特性曲线示意图；图恥为碟形弹簧的力与位移特性曲线示意图。结合附图，本发明实施例中附图标记如下1-输出导杆；2-碟形弹簧；3-上端横向导磁体；4-导磁壁；5-驱动线圈；6_屏蔽 0导线；7-下端横向导磁体；8-套筒底座；9-套筒上盖；10-套筒侧壁；11-上端轴向导磁体；12- “匚”型胶木线圈骨架；13-超磁致伸缩材料；14-下端轴向导磁体；15-下端顶杆； 16-预压螺塞；17-薄膜压力传感器；18-磁场霍尔(hall)传感器和温度传感器；19-应变测量传感器；20-六匝同轴磁感应强度测试线圈；21-位移传感器。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。根据本发明实施例，如图1-图5b，提供了一种基于磁弹性材料的电磁式微驱动
ο如图1-图3所示，本实施例包括具有封闭结构的套筒，以及紧固配合设置在套筒中的磁路机构、驱动机构、预压机构与传感器组件；其中，磁路机构套装在套筒的内部，驱动机构套装在磁路机构的内部，预压机构设置在套筒与磁路机构之间、并伸出套筒。进一步地，在上述实施例中，套筒包括封装设置的套筒上盖9、套筒侧壁10与套筒底座8，其中，套筒侧壁10垂直放置，套筒上盖9水平设置在套筒侧壁10上方，套筒底座8 水平设置在套筒侧壁10下方；在套筒上盖9的中心位置开设有输出孔，在套筒底座8的中部设有凹槽，在凹槽的中心位置开设有预紧孔。在上述实施例中，磁路机构包括超磁致伸缩材料13，轴向对称设置在超磁致伸缩材料13上下两端的上端轴向导磁体11与下端轴向导磁体14，横向对称设置在超磁致伸缩材料13左右两端的第一横向导磁组件与第二横向导磁组件；上端轴向导磁体11与下端轴向导磁体14的结构相同，第一横向导磁组件与第二横向导磁组件的结构相同。这里，除超磁致伸缩材料13外，上端轴向导磁体11、下端轴向导磁体14、第一横向导磁组件与第二横向导磁组件均具有高磁导率材料材质，且可以构成一个闭合磁路；另外，在超磁致伸缩材料 13上，可以缠绕有多匝同轴磁感应强度测试线圈(如多匝同轴磁感应强度测试线圈20)。其中，第一横向导磁组件包括靠近套筒与输出导杆1、且水平设置的上端横向导磁体3，靠近套筒与下端顶杆15、且水平设置的下端横向导磁体7，以及靠近套筒、且竖直设置在上端横向导磁体3与下端横向导磁体7之间的导磁壁4。在上述实施例中，预压机构包括位于上端轴向导磁体11的上方、且伸出套筒的输出导杆1，位于下端轴向导磁体14的下方、且未伸出套筒的下端顶杆15，设置在输出导杆1 与套筒之间的碟形弹簧2，设置在下端顶杆15的底部、设有未伸出套筒的预压螺塞16。具体地，输出导杆1包括轴向设置的竖梁，以及横向对称设置在竖梁两侧的左横梁与右横梁；下端顶杆15包括轴向设置的竖梁，以及横向对称设置在竖梁两侧的左横梁与右横梁；输出导杆1的竖梁伸出输出孔；下端顶杆15的左横梁与右横梁位于套筒底座8的凹槽中，下端顶杆15的竖梁底端及预压螺塞16位于预紧孔中。在上述预压机构中，可以调节预压螺塞16使碟形弹簧2的输出应力通过输出导杆 1传递给超磁致伸缩材料13。与目前大多数采用弹簧加压的方式相比，由于弹簧的伸缩产生一个线性变化的输出力(如图fe所示)，会随着其伸缩长度的变化而变化，从而使基于磁弹性材料的电磁式微驱动器在工作状态时，超磁致伸缩材料13会受到变化力的作用而不会保持在恒压状态，不能在恒压下工作；而碟形弹簧2不会有这个缺点，它在一定的形变量时，会有恒定的压力产生(如图恥所示)，虽然会对基于磁弹性材料的电磁式微驱动器的整体刚度产生影响，但由于超磁致伸缩材料13的刚度远大于碟形弹簧2的刚度，对基于磁弹性材料的电磁式微驱动器的整体性能影响较小。在上述实施例中，驱动机构包括分别与第一横向导磁组件及第二横向导磁组件配合、且轴向对称设置在超磁致伸缩材料13的左右两端的第一驱动组件与第二驱动组件，第一驱动组件与第二驱动组件的结构相同。其中，第一驱动组件包括靠近上端横向导磁体3、轴向导磁组件与下端横向导磁体 7设置的“匚”型胶木线圈骨架12，配合缠绕在“匚”型胶木线圈骨架12上的驱动线圈5，以及与驱动线圈5连接的连接导线；连接导线伸出套筒。具体地，上述驱动线圈5的设计原理如下基于磁弹性材料的电磁式微驱动器主要由激励磁场提供电能，激励磁场决定基于磁弹性材料的电磁式微驱动器输出的位移大小，需要设计体积小且驱动能力强的驱动线圈 5。首先估算驱动线圈5的厚度e与线圈总匝数N
权利要求
1.一种基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，其特征在于，包括具有封闭结构的套筒，以及紧固配合设置在所述套筒中的磁路机构、驱动机构、预压机构与传感器组件；其中，所述磁路机构套装在套筒的内部，所述驱动机构套装在磁路机构的内部，所述预压机构设置在套筒与磁路机构之间、并伸出套筒。
2.根据权利要求1所述的基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，其特征在于，所述套筒包括封装设置的套筒上盖、套筒侧壁与套筒底座，其中所述套筒侧壁垂直放置，套筒上盖水平设置在套筒侧壁上方，套筒底座水平设置在套筒侧壁下方；在所述套筒上盖的中心位置开设有输出孔，在套筒底座的中部设有凹槽，在凹槽的中心位置开设有预紧孔。
3.根据权利要求1或2所述的基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，其特征在于，所述磁路机构包括超磁致伸缩材料，轴向对称设置在所述超磁致伸缩材料上下两端的上端轴向导磁体与下端轴向导磁体，横向对称设置在所述超磁致伸缩材料左右两端的第一横向导磁组件与第二横向导磁组件；所述上端轴向导磁体与下端轴向导磁体的结构相同，第一横向导磁组件与第二横向导磁组件的结构相同。
4.根据权利要求3所述的基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，其特征在于，所述预压机构包括位于上端轴向导磁体的上方、且伸出套筒的输出导杆，位于下端轴向导磁体的下方、且未伸出套筒的下端顶杆，设置在所述输出导杆与套筒之间的碟形弹簧，设置在所述下端顶杆的底部、设有未伸出套筒的预压螺塞。
5.根据权利要求4所述的基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，其特征在于，所述第一横向导磁组件包括靠近套筒与输出导杆、且水平设置的上端横向导磁体，靠近套筒与下端顶杆、且水平设置的下端横向导磁体，以及靠近套筒、且竖直设置在上端横向导磁体与下端横向导磁体之间的导磁壁。
6.根据权利要求4所述的基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，其特征在于，所述驱动机构包括分别与第一横向导磁组件及第二横向导磁组件配合、且轴向对称设置在超磁致伸缩材料的左右两端的第一驱动组件与第二驱动组件，所述第一驱动组件与第二驱动组件的结构相同。
7.根据权利要求6所述的基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，其特征在于，所述第一驱动组件包括靠近上端横向导磁体、轴向导磁组件与下端横向导磁体设置的“匚”型胶木线圈骨架，配合缠绕在所述“匚”型胶木线圈骨架上的驱动线圈，以及与所述驱动线圈连接的连接导线；所述连接导线伸出套筒。
8.根据权利要求7所述的基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，其特征在于，所述传感器组件包括设置在第一驱动组件的“匚”型胶木线圈骨架、与超磁致伸缩材料及下端轴向导磁体之间的磁场霍尔传感器与温度传感器，设置在下端轴向导磁体与下端顶杆之间的薄膜压力传感器，设置在超磁致伸缩材料内部的应变测量传感器，以及设置在上端轴向导磁体上方的位移传感器，以及分别与磁场霍尔传感器、温度传感器、薄膜压力传感器、应变测量传感器及位移传感器连接的屏蔽导线；所述屏蔽导线伸出套筒。
9.根据权利要求3所述的基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，其特征在于，在所述超磁致伸缩材料上，缠绕有多匝同轴磁感应强度测试线圈。
10.根据权利要求4所述的基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，其特征在于，所述输出导杆包括轴向设置的竖梁，以及横向对称设置在竖梁两侧的左横梁与右横梁；所述下端顶杆包括轴向设置的竖梁，以及横向对称设置在竖梁两侧的左横梁与右横梁；所述输出导杆的竖梁伸出输出孔；下端顶杆的左横梁与右横梁位于套筒底座的凹槽中，下端顶杆的竖梁底端及预压螺塞位于预紧孔中。
全文摘要
本发明公开了一种基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，包括具有封闭结构的套筒，以及紧固配合设置在所述套筒中的磁路机构、驱动机构、预压机构与传感器组件；其中，所述磁路机构套装在套筒的内部，所述驱动机构套装在磁路机构的内部，所述预压机构设置在套筒与磁路机构之间、并伸出套筒。本发明所述基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，可以克服现有技术中功能单一、结构复杂与磁场均匀度低等缺陷，以实现功能多样、结构简单与磁场均匀度高的优点。
文档编号H02N2/06GK102437784SQ20111012436
公开日2012年5月2日 申请日期2011年5月13日 优先权日2011年5月13日
发明者周又和, 赵沛 申请人:兰州大学