專利名稱：基于磁－磁變換的納米精度大輸出力微驅(qū)動(dòng)裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米測(cè)量與納米加工技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種通過(guò)改變永磁體在磁場(chǎng)中的位置來(lái)改變超磁致伸縮棒的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的“磁-磁變換”微驅(qū)動(dòng)裝置與方法。
背景技術(shù)：
在納米技術(shù)領(lǐng)域，無(wú)論是納米測(cè)量技術(shù)還是納米加工技術(shù)，納米微驅(qū)動(dòng)都是其中的核心技術(shù)之一。目前在學(xué)術(shù)和工程領(lǐng)域研究及應(yīng)用的微驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要有以下幾種類型電熱式微位移驅(qū)動(dòng)器，電磁式微位移驅(qū)動(dòng)器，壓電伸縮驅(qū)動(dòng)器，形狀記憶合金(SMA)制動(dòng)器和超磁致伸縮技術(shù)等。其中超磁致伸縮技術(shù)一般是通過(guò)螺線管線圈產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，利用磁致伸縮效應(yīng)控制位移。日本茨城大學(xué)的江田弘研制的超磁致伸縮微驅(qū)動(dòng)器，采用偏置磁場(chǎng)，可以達(dá)到50nm的位移精度，隨后將溫度控制在0.01℃，位移靈敏度達(dá)5nm；美國(guó)ETREMA PRODUCTS公司采用同樣的原理研制的超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器位移范圍可達(dá)250um，輸出力800N-1000N。以上所述兩種超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器具有相同的工作原理，都是采用通電螺線管驅(qū)動(dòng)方式。這種以通電螺線管產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖示意圖如圖1所示，主體結(jié)構(gòu)由四部分組成分別是磁致伸縮棒4、螺線管14、永久磁鐵2、預(yù)緊螺栓(預(yù)緊彈簧)11和微位移輸出機(jī)構(gòu)6。通電螺線管14產(chǎn)生交變的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，使磁致伸縮棒產(chǎn)生軸向應(yīng)變；永久磁鐵2提供驅(qū)動(dòng)器的偏置磁場(chǎng)；預(yù)緊螺栓11為磁致伸縮棒提供初始應(yīng)力；微位移機(jī)構(gòu)6用來(lái)傳遞磁致伸縮棒的應(yīng)變。采用超磁致伸縮材料研制的微位移驅(qū)動(dòng)器，以其特有的位移靈敏度高，位移量大，輸出力大等特點(diǎn)，在納米技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。但由于采用通電螺線管來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，無(wú)法避免螺線管產(chǎn)生的渦流效應(yīng)和電阻熱變效應(yīng)。渦流效應(yīng)和電阻熱變效應(yīng)將引起驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)分布呈非線性以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的漂移現(xiàn)象。驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的分布不均將導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器輸入電流與輸出位移的非線性，甚至在較高輸入頻率或較長(zhǎng)時(shí)間輸入大電流的情況下，驅(qū)動(dòng)器輸出位移的分辨率大大降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種基于“磁-磁變換”的輸出位移在納米量級(jí)的大輸出力微位移驅(qū)動(dòng)裝置與方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種基于磁-磁變換的納米精度大輸出力微驅(qū)動(dòng)裝置，包括外框架、永久磁鐵、超磁致伸縮棒、預(yù)緊螺栓、微位移輸出機(jī)構(gòu)，還包括內(nèi)框架和密紋絲杠；微位移輸出機(jī)構(gòu)和密紋絲杠分別固定在外框架的相對(duì)的兩端上；在裝置的內(nèi)部永磁鐵與密紋絲杠粘接在一起，位置關(guān)系保持同軸；永磁鐵前端是預(yù)緊螺栓，它們之間保持一定的間隙，預(yù)緊螺栓與內(nèi)框架通過(guò)螺紋連接；內(nèi)框架內(nèi)部超磁致伸縮棒與預(yù)緊螺栓呈同軸連接；超磁致伸縮棒的前端與微位移輸出桿同軸粘接在一起。
本發(fā)明還提供了一種基于磁-磁變換的納米精度大輸出力微驅(qū)動(dòng)方法，包括下列步驟通過(guò)預(yù)緊螺栓給超磁致伸縮棒提供初始應(yīng)力，由逆磁致效應(yīng)使超磁致伸縮材料工作在線性區(qū)間；提供偏置磁場(chǎng)，偏置磁場(chǎng)的提供依靠永久磁鐵與超磁致伸縮棒的初始相對(duì)位置決定；產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，通過(guò)永久磁鐵與超磁致伸縮棒之間的相對(duì)位置變化，使驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生變化來(lái)驅(qū)動(dòng)超磁致伸縮棒；微位移傳遞機(jī)構(gòu)將超磁致伸縮棒的應(yīng)變沿軸向傳遞，轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移。
本發(fā)明“磁-磁變換”就是以永久磁場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，隨著磁路的變化，磁場(chǎng)中某一固定位置的磁場(chǎng)也會(huì)隨之發(fā)生變化。由于磁場(chǎng)是永磁元件，系統(tǒng)內(nèi)的磁場(chǎng)都是由永磁鐵產(chǎn)生的，因而參照電-磁(由通電螺線管產(chǎn)生磁場(chǎng))的定義，將其定義為磁-磁變換，通過(guò)這種方法來(lái)產(chǎn)生磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，所以稱為磁-磁驅(qū)動(dòng)方法，也可稱為永磁驅(qū)動(dòng)方法。
圖1所示的以通電螺線管產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的傳統(tǒng)超磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)器，其中通電螺線管14為主體部分，也是這種驅(qū)動(dòng)器的主要技術(shù)特征。該超磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)器內(nèi)通電螺線管由于渦流效應(yīng)發(fā)熱阻礙了驅(qū)動(dòng)器輸出位移和力的性能提高。本發(fā)明提出“磁-磁變換”的納米精度大輸出力的微驅(qū)動(dòng)裝置及方法，就是為解決傳統(tǒng)超磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)器通電螺線管發(fā)熱的問(wèn)題，進(jìn)而提高驅(qū)動(dòng)器位移分辨力和輸出力。本發(fā)明采用“磁-磁變換”方法屬于冷驅(qū)動(dòng)，替換通電螺線管的驅(qū)動(dòng)方法避免了線圈發(fā)熱的問(wèn)題。本發(fā)明中偏置磁場(chǎng)的提供依靠永久磁鐵與超磁致伸縮棒的初始相對(duì)位置決定，偏置磁場(chǎng)避免超磁致伸縮材料的“倍頻”現(xiàn)象；接下來(lái)是驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的產(chǎn)生，通過(guò)永久磁鐵與超磁致伸縮棒之間的相對(duì)位置變化，使驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生變化來(lái)驅(qū)動(dòng)超磁致伸縮棒，這個(gè)步驟是該驅(qū)動(dòng)器工作的主要步驟；最后微位移傳遞機(jī)構(gòu)將超磁致伸縮棒的應(yīng)變沿軸向傳遞，轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移。該驅(qū)動(dòng)方法驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)由永磁鐵產(chǎn)生，從根本上回避電磁變換過(guò)程中由于渦流效應(yīng)和電阻熱變效應(yīng)產(chǎn)生的電熱效應(yīng)和熱變導(dǎo)致的非線性問(wèn)題。由于該驅(qū)動(dòng)器內(nèi)超磁致伸縮棒的應(yīng)變輸出，只取決于在一定驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)強(qiáng)度作用下超磁致伸縮棒內(nèi)部磁疇方向的變化量，因而驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)為定值時(shí)，從磁疇方向變化原理上宏觀超磁致伸縮棒不產(chǎn)生機(jī)械漂移。由于不存在發(fā)熱，驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)可長(zhǎng)時(shí)間保持較大的強(qiáng)度，從而增加了驅(qū)動(dòng)器的輸出能量及輸出位移的穩(wěn)定性(無(wú)漂移)。本發(fā)明保持了原有超磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)器的納米或亞納米位移靈敏度特性，同時(shí)增加了驅(qū)動(dòng)器的輸出力，及提高了輸出位移的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。


附圖1是現(xiàn)有技術(shù)中基于電磁變換原理的超磁致伸縮微位移裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2是本發(fā)明裝置的外形示意圖。
圖3是圖2的A-A剖視圖。
圖4是圖3的B部放大圖。
圖5是圖2的右視圖。
圖6是圖2的上下二等角軸側(cè)圖。
圖7是圖3中，6微位移輸出桿的上下二等角軸側(cè)圖。
圖8是圖3中，4超磁致伸縮棒的上下二等角軸側(cè)圖。
圖9是圖3中碟形彈簧片7的右視圖。
圖10是初始應(yīng)力為3MPa、6MPa時(shí)永磁鐵位移輸入與驅(qū)動(dòng)器位移輸出關(guān)系曲線圖。
圖中1外框架，2永磁鐵，3內(nèi)框架，4超磁致伸縮棒，5外導(dǎo)向套，6微位移輸出桿，7碟形彈簧片，8內(nèi)導(dǎo)向套，9外隔磁支架，10內(nèi)隔磁支架，11預(yù)緊螺栓，12導(dǎo)向螺栓，13密紋絲杠，14螺線管。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖2，本發(fā)明提供的裝置包括外框架1、微位移輸出桿6和密紋絲杠13三個(gè)部分。外框架1為圓筒形，材料是軟磁材料鐵。裝置的整體結(jié)構(gòu)從內(nèi)部到外部均呈軸對(duì)稱圓柱形。參見(jiàn)圖3，外框架1前部與微位移輸出桿6由外導(dǎo)向套5相連，外導(dǎo)向套5與微位移輸出桿6可自由相對(duì)運(yùn)動(dòng)；外框架1后部與密紋絲杠13由導(dǎo)向螺栓12相接，導(dǎo)向螺栓12與外框架1通過(guò)螺紋擰緊。裝置的內(nèi)部從后端導(dǎo)向螺栓12到前端微位移輸出桿6之間其它部件結(jié)構(gòu)關(guān)系如下永磁鐵2采用圓柱形狀與密紋絲杠13粘接在一起，位置關(guān)系保持同軸；永磁鐵2前端是預(yù)緊螺栓11，它們之間保持一定的間隙，預(yù)緊螺栓11與內(nèi)框架3通過(guò)螺紋連接；內(nèi)框架3亦為軟磁材料鐵，通過(guò)外隔磁支架9與外框架1固定，三者通過(guò)銷釘固定；內(nèi)框架3內(nèi)部超磁致伸縮棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)與內(nèi)隔磁支架10過(guò)呈盈配合可自由相對(duì)移動(dòng)，而與預(yù)緊螺栓11呈同軸連接；超磁致伸縮棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)前端與微位移輸出桿6同軸粘接在一起；微位移輸出桿6通過(guò)碟形彈簧片7與外框架1內(nèi)部前端靠緊；碟形彈簧片7呈碟子形狀，一端施加壓力則發(fā)生彈性變性。
以上為磁-磁變換納米精度大輸出力微位移驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)的說(shuō)明，結(jié)合此裝置的詳細(xì)結(jié)構(gòu)下面介紹磁-磁變換納米精度大輸出力微位移驅(qū)動(dòng)方法的具體實(shí)施方式
。從微位移產(chǎn)生到傳遞出去的順序介紹該驅(qū)動(dòng)方法首先預(yù)緊螺栓11和碟形彈簧片7構(gòu)成超磁致伸縮棒(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)的預(yù)緊機(jī)構(gòu)。預(yù)緊螺栓11通過(guò)螺紋的前后移動(dòng)擠壓超磁致伸縮棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)和碟形彈簧片7，彈性元件碟形彈簧片7反作用于超磁致伸縮棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)，導(dǎo)致給超磁致伸縮棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)施加一定的初始應(yīng)力。初始應(yīng)力小于15MPa，對(duì)應(yīng)不同初始應(yīng)力值驅(qū)動(dòng)器的輸出位移范圍和位移精度不同(圖10為3MPa、6MPa下驅(qū)動(dòng)器的輸入與輸出位移曲線)。超磁致伸縮材料被施加力，內(nèi)部磁疇有序排列，其單位長(zhǎng)度應(yīng)變量大大增加，所以超磁致伸縮棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)需要被施加一定的預(yù)壓力。接著永久磁鐵2的材料選用銣鐵硼，銣鐵硼單位體積內(nèi)磁能密度比其它永磁材料都要高，永磁鐵為此驅(qū)動(dòng)裝置重要的部件。永磁體2固定在密紋絲杠13的一端，它在初始位置處的磁場(chǎng)強(qiáng)度為超磁致伸縮棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)提供初始偏置磁場(chǎng)。初始位置磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍在8kA/m～36kA/m之間。偏置磁場(chǎng)避免了超磁致伸縮材料的“倍頻”現(xiàn)象，使超磁致伸縮材料應(yīng)變工作在單方向且線性度高。永磁鐵2的初始位置由密紋絲杠13的螺紋起點(diǎn)與導(dǎo)向螺栓12相對(duì)位置決定。再接下來(lái)步驟也就是此驅(qū)動(dòng)方法最關(guān)鍵的步驟是，基于磁-磁變換驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的產(chǎn)生。隨著驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化超磁致伸縮棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)的伸縮應(yīng)變發(fā)生變化。驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)亦由永久磁體2提供，永久磁體2初始位置固定后，密紋絲杠13的螺紋長(zhǎng)度為永磁體相對(duì)超磁致伸縮棒2(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)位置變化范圍。永磁體2為軸對(duì)稱形狀，空間磁場(chǎng)分布較均勻。超磁致伸縮棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)棒體上某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著永磁體的位置遠(yuǎn)近變化而變化。內(nèi)隔磁支架10、外隔磁支架9起固定內(nèi)框3和超磁致伸縮棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)的作用，同時(shí)選用隔磁材料如鋁避免引起空間內(nèi)磁場(chǎng)的分布不均。此方法的最后實(shí)施步驟是微位移的傳遞。超磁致伸縮棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)單位長(zhǎng)度的應(yīng)變需要微位移機(jī)構(gòu)傳遞出去，這個(gè)部分主要由超磁致伸縮棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)、微位移輸出桿6和碟形彈簧片7構(gòu)成。超磁致伸縮棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)與微位移輸出桿6粘接在一起，應(yīng)變直接傳遞給微位移輸出桿6。應(yīng)變產(chǎn)生的力作用于碟形彈簧片7，由于胡克定律彈簧片的位移與受力成正比，即力與位移呈線性關(guān)系。超磁致伸縮棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)產(chǎn)生的單位長(zhǎng)度的應(yīng)變與單位面積的力的關(guān)系亦呈正比，比例系數(shù)為超磁致伸縮棒(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)的楊氏模量。
綜上所述，磁-磁變換納米精度大輸出力微位移驅(qū)動(dòng)方法具體實(shí)施大體分為四個(gè)步驟即預(yù)緊力的產(chǎn)生、偏置磁場(chǎng)的提供、基于磁-磁變換驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的產(chǎn)生及超磁致伸縮棒(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)應(yīng)變到微位移的傳遞。
權(quán)利要求
1.一種基于磁-磁變換的納米精度大輸出力微驅(qū)動(dòng)裝置，包括外框架、永久磁鐵、超磁致伸縮棒、預(yù)緊螺栓、微位移輸出機(jī)構(gòu)，其特征在于還包括內(nèi)框架和密紋絲杠；微位移輸出機(jī)構(gòu)和密紋絲杠分別固定在外框架的相對(duì)的兩端上；在裝置的內(nèi)部永磁鐵與密紋絲杠粘接在一起，位置關(guān)系保持同軸；永磁鐵前端是預(yù)緊螺栓，它們之間保持一定的間隙，預(yù)緊螺栓與內(nèi)框架通過(guò)螺紋連接；內(nèi)框架內(nèi)部超磁致伸縮棒與預(yù)緊螺栓呈同軸連接；超磁致伸縮棒的前端與微位移輸出桿同軸粘接在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于永磁鐵為銣鐵硼材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于該裝置的整體結(jié)構(gòu)從內(nèi)部到外部為軸對(duì)稱圓柱形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于超磁致伸縮棒的外側(cè)與內(nèi)框架之間設(shè)置一內(nèi)隔磁支架，超磁致伸縮棒與內(nèi)隔磁支架呈過(guò)盈配合，可自由相對(duì)移動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于內(nèi)框架與外框架之間設(shè)置一外隔磁支架。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于微位移輸出桿與外框架由外導(dǎo)向套相連，外導(dǎo)向套與微位移輸出桿可自由相對(duì)運(yùn)動(dòng)；
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于密紋絲杠與外框架通過(guò)導(dǎo)向螺栓相接，導(dǎo)向螺栓與外框架通過(guò)螺紋擰緊。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于微位移輸出桿通過(guò)碟形彈簧片與外框架內(nèi)部前端靠緊，碟形彈簧片呈碟子形狀。
9.一種基于磁-磁變換的納米精度大輸出力微驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于包括下列步驟通過(guò)預(yù)緊螺栓給超磁致伸縮棒提供初始應(yīng)力，由逆磁致效應(yīng)使超磁致伸縮材料工作在線性區(qū)間；提供偏置磁場(chǎng)，偏置磁場(chǎng)的提供依靠永久磁鐵與超磁致伸縮棒的初始相對(duì)位置決定；產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，通過(guò)永久磁鐵與超磁致伸縮棒之間的相對(duì)位置變化，使驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生變化來(lái)驅(qū)動(dòng)超磁致伸縮棒；微位移傳遞機(jī)構(gòu)將超磁致伸縮棒的應(yīng)變沿軸向傳遞，轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于磁－磁變換的納米精度大輸出力微驅(qū)動(dòng)裝置與方法。該裝置包括外框架、永久磁鐵、超磁致伸縮棒、預(yù)緊螺栓、微位移輸出機(jī)構(gòu)，還包括內(nèi)框架和密紋絲杠；微位移輸出機(jī)構(gòu)和密紋絲杠分別固定在外框架的相對(duì)的兩端上；在裝置的內(nèi)部永磁鐵與密紋絲杠粘接在一起，位置關(guān)系保持同軸；永磁鐵前端是預(yù)緊螺栓，它們之間保持一定的間隙，預(yù)緊螺栓與內(nèi)框架通過(guò)螺紋連接；內(nèi)框架內(nèi)部超磁致伸縮棒與預(yù)緊螺栓呈同軸連接；超磁致伸縮棒的前端與微位移輸出桿同軸粘接在一起。磁－磁變換微驅(qū)動(dòng)避免了電－磁變換產(chǎn)生的發(fā)熱現(xiàn)象，從而避免了熱漂移現(xiàn)象，使該驅(qū)動(dòng)器同時(shí)兼有納米靈敏度大輸出力、無(wú)機(jī)械漂移、高頻響和大輸出范圍等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02N2/04GK1645734SQ20051000255
公開(kāi)日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2005年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月21日
發(fā)明者譚久彬, 王雷, 楊文國(guó), 金國(guó)良 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)