基于超磁致伸縮材料的搖頭型微電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種超磁致伸縮材料應(yīng)用領(lǐng)域的裝置，具體的是一種適宜于無(wú)線驅(qū)動(dòng)的基于超磁致伸縮材料的搖頭型外部磁控微電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]搖頭型電機(jī)是壓電電機(jī)的一種重要類型，通常，搖頭型電機(jī)利用了定子兩個(gè)對(duì)稱的一階彎曲振動(dòng)模態(tài)，這兩個(gè)振動(dòng)的復(fù)合使得定子驅(qū)動(dòng)端面的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，再通過(guò)定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦作用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)?；趶澢駝?dòng)模態(tài)的搖頭式壓電電機(jī)，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、成本低、重量輕和體積小等，一直是近年來(lái)微型驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前部分搖頭式微電機(jī)已經(jīng)被成功應(yīng)用到微小型鏡頭的調(diào)焦系統(tǒng)和醫(yī)療器械等方面，此外，該類微電機(jī)在可以植入組織的微型診斷探頭和微型治療執(zhí)行器的等方面也有著很大的應(yīng)用前景，如:人體消化道診療微型膠囊系統(tǒng)(內(nèi)窺鏡、參數(shù)檢測(cè)、藥物的遙控釋放等)O
[0003]搖頭型壓電微電機(jī)多采用兩相電壓激勵(lì)，中國(guó)發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)?200520011396.6曾提出利用四片壓電陶瓷構(gòu)造搖頭型壓電電機(jī)的方法，該電機(jī)為雙相電激勵(lì)模式，需要在壓電材料的電極表面引線，并且驅(qū)動(dòng)和控制電路較復(fù)雜；同時(shí)，該結(jié)構(gòu)不能實(shí)現(xiàn)外部的饋能。而超磁致伸縮材料作為一種新型功能材料，在室溫下就具有的良好伸縮性能，因此利用超磁致伸縮材料制作成的驅(qū)動(dòng)器，具有良好的應(yīng)用前景。另外，超磁致伸縮材料的激勵(lì)源為外部磁場(chǎng)，因而可以實(shí)現(xiàn)無(wú)電纜驅(qū)動(dòng)，將可能在更微小的體積范圍實(shí)現(xiàn)精密驅(qū)動(dòng)，并獲得更大的輸出力矩。目前已經(jīng)出現(xiàn)了各種高性能的超磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)器，但是這些驅(qū)動(dòng)器大部分都是直線的，而基于旋轉(zhuǎn)的磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器較少。如:中國(guó)發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)?200810138284.5提出的磁致伸縮體致動(dòng)器，利用了磁致伸縮材料的伸縮效應(yīng)來(lái)推動(dòng)剛性導(dǎo)磁棒運(yùn)動(dòng)。中國(guó)發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)?200710061674.2則提出了一種利用磁致伸縮裝置構(gòu)造直線電機(jī)的方法，其原理是:利用具有磁場(chǎng)強(qiáng)度相位差的永磁鐵激勵(lì)磁致伸縮材料以及相應(yīng)的箝位機(jī)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)尺蠖運(yùn)動(dòng)的直線電機(jī)。上述驅(qū)動(dòng)器中的磁致伸縮棒均工作在非共振狀態(tài)，因而效率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提出了一種基于超磁致伸縮材料的搖頭型微電機(jī)，利用本發(fā)明設(shè)計(jì)的電機(jī)，可以不使用電磁線圈，而直接采用外部磁場(chǎng)激勵(lì)，同時(shí)，電機(jī)工作在共振狀態(tài)，兩個(gè)工作模態(tài)為空間上有一定夾角的一階彎曲振動(dòng)模態(tài)，因而電機(jī)的效率較高。此外，電機(jī)定子上添加的壓電陶瓷單元，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，或監(jiān)測(cè)電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。其原理是:當(dāng)電機(jī)振動(dòng)時(shí)，會(huì)在壓電材料的表面產(chǎn)生電位差(利用壓電材料的壓電效應(yīng))，并且電位差的大小會(huì)隨著電機(jī)振動(dòng)狀態(tài)的改變而改變，因此，可以根據(jù)相位差的大小來(lái)判斷電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。同時(shí)，壓電材料還實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換功能，可以將電機(jī)的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能輸出。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下方案:
[0006]—種基于超磁致伸縮材料的搖頭型微電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子和預(yù)壓力系統(tǒng)；其中:所述定子為中空結(jié)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)子的輸出軸軸向貫穿于整個(gè)定子；所述轉(zhuǎn)子與定子之間通過(guò)預(yù)壓力系統(tǒng)壓緊在定子的金屬匹配端的驅(qū)動(dòng)面上；
[0007]所述定子包括金屬基體以及粘貼于金屬基體外表面的至少一片磁變形體，多片磁變形體在金屬基體的外表面呈一定角度設(shè)置；
[0008]在外加磁場(chǎng)的作用下，磁變形體發(fā)生形變，使定子形成不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，由于定子的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，將在定子上激勵(lì)出彎曲搖頭振動(dòng)，使得定子與轉(zhuǎn)子相接觸的金屬匹配端的驅(qū)動(dòng)面上的質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓，定子通過(guò)摩擦驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
[0009]優(yōu)選地，所述金屬基體為圓筒形結(jié)構(gòu)，圓筒形結(jié)構(gòu)的外表面上形成有至少一個(gè)軸向延伸的平面，所述磁變形體粘貼于對(duì)應(yīng)的平面上；多個(gè)平面之間設(shè)有夾角。
[0010]優(yōu)選地，所述磁變形體采用超磁致伸縮材料。
[0011 ] 優(yōu)選地，所述磁致伸縮體的磁化方向沿軸向。
[0012]優(yōu)選地，所述定子的金屬基體外表面還設(shè)有壓電材料體，所述壓電材料體上設(shè)有引出電極，用以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換或監(jiān)測(cè)電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。
[0013]優(yōu)選地，所述外加磁場(chǎng)采用疊加的交變磁場(chǎng)和恒定的偏置磁場(chǎng)。
[0014]優(yōu)選地，所述定子工作時(shí)處于共振狀態(tài)下，定子的工作模態(tài)為兩個(gè)在空間上有一定夾角的一階彎曲振動(dòng)申吳態(tài)。
[0015]優(yōu)選地，所述定子的金屬匹配端的驅(qū)動(dòng)面可以采用平面或錐面。
[0016]優(yōu)選地，所述定子和/或轉(zhuǎn)子上開(kāi)有齒槽，所述齒槽的齒端粘貼有摩擦材料；或
[0017]所述定子和轉(zhuǎn)子上同時(shí)附著上摩擦材料，形成摩擦副。
[0018]優(yōu)選地，所述齒槽具體開(kāi)具在定子的金屬匹配端的驅(qū)動(dòng)面位置和/或與驅(qū)動(dòng)面接觸的轉(zhuǎn)子的位置。
[0019]優(yōu)選地，所述預(yù)壓力系統(tǒng)包括相互配合的碟形彈簧和卡箍。
[0020]本發(fā)明提供的基于超磁致伸縮材料的搖頭型微電機(jī)，轉(zhuǎn)子貫穿中空的定子匹配端，并被彈簧壓緊在定子的驅(qū)動(dòng)表面上，在外加磁場(chǎng)的作用下，超磁致伸縮材料(磁致伸縮體)伸長(zhǎng)，由于定子的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，將在定子上激勵(lì)出彎曲搖頭振動(dòng)，使得定子與轉(zhuǎn)子相接觸的驅(qū)動(dòng)端面上的質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓，定子通過(guò)摩擦驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；定子的金屬基體由圓筒形成兩個(gè)平面，而超磁致伸縮材料和壓電材料(壓電材料體)粘貼在金屬基體的兩個(gè)平面上，兩個(gè)平面有一定的夾角；超磁致伸縮材料的磁化方向沿軸向；電機(jī)由外部磁場(chǎng)激勵(lì)，激勵(lì)磁場(chǎng)包含交變磁場(chǎng)和恒定的偏置磁場(chǎng)；定子工作在共振狀態(tài)，其工作模態(tài)為兩個(gè)在空間上有一定夾角的一階彎曲振動(dòng)模態(tài)；定子有上下兩個(gè)驅(qū)動(dòng)表面，驅(qū)動(dòng)表面可以為平面或者錐面；定子上或轉(zhuǎn)子上可以開(kāi)齒槽，齒端粘貼摩擦材料，也可在定子、轉(zhuǎn)子上同時(shí)附著上摩擦材料，構(gòu)成摩擦副；壓電材料上引出電極，用以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，或監(jiān)測(cè)電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0022]1、本發(fā)明提出了一種基于超磁致伸縮材料的棒狀搖頭型外部磁控微電機(jī)，并且提出了基于交變磁場(chǎng)的單相激勵(lì)方法。該電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，輸出位移大，響應(yīng)速度快，驅(qū)動(dòng)電壓低，易于微型化等特點(diǎn)，在生物、醫(yī)療、微機(jī)械、自動(dòng)控制、光學(xué)鏡頭、機(jī)器人和航空航天國(guó)防科技等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
[0023]2、本發(fā)明提出的基于超磁致伸縮材料的搖頭型微電機(jī)與現(xiàn)有的搖頭型壓電微電機(jī)相比主要有以下區(qū)別:
[0024]首先激勵(lì)的原理不同，本發(fā)明中的電機(jī)采用單相外部磁場(chǎng)激勵(lì)的方式，因而省掉了壓電類電機(jī)上附著的電源及控制電路等，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了電機(jī)的結(jié)構(gòu)；而壓電微電機(jī)則使用相位差為90°的兩相電壓激勵(lì)，并且對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制電路有著嚴(yán)格的要求；
[0025]其次電機(jī)所產(chǎn)生的效果不同，本發(fā)明中的電機(jī)根據(jù)壓電材料體(壓電陶瓷)的壓電效應(yīng)，增加了電機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能；
[0026]最后應(yīng)用的場(chǎng)合不同，由于本發(fā)明中的電機(jī)采用外部磁場(chǎng)激勵(lì)，因而特別適合于體內(nèi)的環(huán)境需求；
[0027]總之，與現(xiàn)有的壓電微電機(jī)相比，本發(fā)明的技術(shù)進(jìn)步是顯而易見(jiàn)的。
[0028]3、本發(fā)明采用貼片式定子，使得電機(jī)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化；定子包括超磁致伸縮材料、金屬材料和壓電材料，原理上，依據(jù)磁致伸縮單元的變形轉(zhuǎn)化為整個(gè)定子的兩個(gè)一階彎曲振動(dòng)；結(jié)構(gòu)上，定子結(jié)構(gòu)多樣，并不局限于一種結(jié)構(gòu)，只要超磁致伸縮單元的變形能夠同時(shí)激勵(lì)出定子的兩個(gè)一階彎曲振動(dòng)模態(tài)均可。
[0029]4、相對(duì)于傳統(tǒng)的壓電電機(jī)，本發(fā)明可采用單頻率外部磁場(chǎng)的激勵(lì)方式，當(dāng)改變磁場(chǎng)頻率時(shí)，會(huì)改變電機(jī)的進(jìn)給方向；當(dāng)改變磁場(chǎng)大小時(shí)，會(huì)改變電機(jī)的進(jìn)給速度；省掉了與其直接相連的激勵(lì)電源部分，節(jié)省了體積，實(shí)現(xiàn)了無(wú)電纜驅(qū)動(dòng)，因而集成度較高，有益于在狹小空間里使用；本發(fā)明特別適用，但又不局限于體內(nèi)醫(yī)療設(shè)備，并且具有體外遙控操作的特點(diǎn)。
[0030]5、本發(fā)明可同時(shí)加入壓電單元，構(gòu)造磁致伸縮，彈性基底和壓電復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中壓電單元可用于進(jìn)行電機(jī)運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)，能量轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)無(wú)線供能。
【附圖說(shuō)明】
[0031]通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0032]圖1為磁致伸縮體和金屬基體組合而成的中空定子的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，I為金屬基體，2為磁致伸縮體，箭頭所示為磁致伸縮體的磁化方向。
[0033]圖2為磁致伸縮體、金屬基體和壓電材料體構(gòu)成的中空定子的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，3為壓電材料體，箭頭方向?yàn)閴弘姴牧象w的極化方向，I為金屬基體，2為磁致伸縮體，箭頭方向?yàn)榇胖律炜s體的磁化方向。
[0034]圖3為以圖1的定子結(jié)構(gòu)為例的定子工作原理圖，其中2為磁致伸縮材料體，I為金屬基體。
[0035]圖4為定子沿y方向的一階彎曲振動(dòng)模態(tài)圖。
[0036]圖5為定子沿X方向的的一階彎曲振動(dòng)模態(tài)圖。
[0037]圖6為電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。其中，61為輸出軸，62為卡箍，63為碟形彈簧，64為轉(zhuǎn)子，65為金屬匹配端，I為金屬基體，2為磁致伸縮體。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明:本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0039]本實(shí)施例提供了一種基于超磁致伸縮材料的搖頭型微電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子和預(yù)壓力系統(tǒng)；該電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中，定子為中空結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子的輸出軸61貫穿整個(gè)定子，轉(zhuǎn)子64被預(yù)壓力系統(tǒng)(碟形彈簧)壓緊在定子的金屬匹配端65的驅(qū)動(dòng)表面上。所述定子可主要由磁致伸縮體(超磁致伸縮材料)、金屬基體(金屬材料)和壓電材料體(壓電材料)組合而成。即，可由超磁致伸縮材料和金屬材料粘結(jié)而成(如圖1所示)，也可演變?yōu)橛沙胖律炜s材料、壓電材料和金屬材料復(fù)合而成(如圖2所示)。該電機(jī)是外部磁控的搖頭型微電機(jī)，壓電材料體可用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行狀況，也可用做能量轉(zhuǎn)換單