专利名称：基于磁－磁变换的纳米精度大输出力微驱动装置与方法
技术领域：
本发明属于纳米测量与纳米加工技术领域。具体涉及一种通过改变永磁体在磁场中的位置来改变超磁致伸缩棒的驱动磁场强度的“磁-磁变换”微驱动装置与方法。
背景技术：
在纳米技术领域，无论是纳米测量技术还是纳米加工技术，纳米微驱动都是其中的核心技术之一。目前在学术和工程领域研究及应用的微驱动技术主要有以下几种类型电热式微位移驱动器，电磁式微位移驱动器，压电伸缩驱动器，形状记忆合金(SMA)制动器和超磁致伸缩技术等。其中超磁致伸缩技术一般是通过螺线管线圈产生驱动磁场，利用磁致伸缩效应控制位移。日本茨城大学的江田弘研制的超磁致伸缩微驱动器，采用偏置磁场，可以达到50nm的位移精度，随后将温度控制在0.01℃，位移灵敏度达5nm；美国ETREMA PRODUCTS公司采用同样的原理研制的超磁致伸缩驱动器位移范围可达250um，输出力800N-1000N。以上所述两种超磁致伸缩驱动器具有相同的工作原理，都是采用通电螺线管驱动方式。这种以通电螺线管产生驱动磁场的超磁致伸缩驱动器结构图示意图如图1所示，主体结构由四部分组成分别是磁致伸缩棒4、螺线管14、永久磁铁2、预紧螺栓(预紧弹簧)11和微位移输出机构6。通电螺线管14产生交变的驱动磁场，使磁致伸缩棒产生轴向应变；永久磁铁2提供驱动器的偏置磁场；预紧螺栓11为磁致伸缩棒提供初始应力；微位移机构6用来传递磁致伸缩棒的应变。采用超磁致伸缩材料研制的微位移驱动器，以其特有的位移灵敏度高，位移量大，输出力大等特点，在纳米技术领域有着广泛的应用前景。但由于采用通电螺线管来产生驱动磁场驱动，无法避免螺线管产生的涡流效应和电阻热变效应。涡流效应和电阻热变效应将引起驱动磁场分布呈非线性以及机械结构的漂移现象。驱动磁场的分布不均将导致驱动器输入电流与输出位移的非线性，甚至在较高输入频率或较长时间输入大电流的情况下，驱动器输出位移的分辨率大大降低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于“磁-磁变换”的输出位移在纳米量级的大输出力微位移驱动装置与方法。
本发明的技术解决方案是一种基于磁-磁变换的纳米精度大输出力微驱动装置，包括外框架、永久磁铁、超磁致伸缩棒、预紧螺栓、微位移输出机构，还包括内框架和密纹丝杠；微位移输出机构和密纹丝杠分别固定在外框架的相对的两端上；在装置的内部永磁铁与密纹丝杠粘接在一起，位置关系保持同轴；永磁铁前端是预紧螺栓，它们之间保持一定的间隙，预紧螺栓与内框架通过螺纹连接；内框架内部超磁致伸缩棒与预紧螺栓呈同轴连接；超磁致伸缩棒的前端与微位移输出杆同轴粘接在一起。
本发明还提供了一种基于磁-磁变换的纳米精度大输出力微驱动方法，包括下列步骤通过预紧螺栓给超磁致伸缩棒提供初始应力，由逆磁致效应使超磁致伸缩材料工作在线性区间；提供偏置磁场，偏置磁场的提供依靠永久磁铁与超磁致伸缩棒的初始相对位置决定；产生驱动磁场，通过永久磁铁与超磁致伸缩棒之间的相对位置变化，使驱动磁场强度产生变化来驱动超磁致伸缩棒；微位移传递机构将超磁致伸缩棒的应变沿轴向传递，转换成机械位移。
本发明“磁-磁变换”就是以永久磁场为驱动磁场，随着磁路的变化，磁场中某一固定位置的磁场也会随之发生变化。由于磁场是永磁元件，系统内的磁场都是由永磁铁产生的，因而参照电-磁(由通电螺线管产生磁场)的定义，将其定义为磁-磁变换，通过这种方法来产生磁致伸缩驱动器内的驱动磁场，所以称为磁-磁驱动方法，也可称为永磁驱动方法。
图1所示的以通电螺线管产生驱动磁场的传统超磁致伸缩微位移驱动器，其中通电螺线管14为主体部分，也是这种驱动器的主要技术特征。该超磁致伸缩微位移驱动器内通电螺线管由于涡流效应发热阻碍了驱动器输出位移和力的性能提高。本发明提出“磁-磁变换”的纳米精度大输出力的微驱动装置及方法，就是为解决传统超磁致伸缩微位移驱动器通电螺线管发热的问题，进而提高驱动器位移分辨力和输出力。本发明采用“磁-磁变换”方法属于冷驱动，替换通电螺线管的驱动方法避免了线圈发热的问题。本发明中偏置磁场的提供依靠永久磁铁与超磁致伸缩棒的初始相对位置决定，偏置磁场避免超磁致伸缩材料的“倍频”现象；接下来是驱动磁场的产生，通过永久磁铁与超磁致伸缩棒之间的相对位置变化，使驱动磁场强度产生变化来驱动超磁致伸缩棒，这个步骤是该驱动器工作的主要步骤；最后微位移传递机构将超磁致伸缩棒的应变沿轴向传递，转换成机械位移。该驱动方法驱动磁场由永磁铁产生，从根本上回避电磁变换过程中由于涡流效应和电阻热变效应产生的电热效应和热变导致的非线性问题。由于该驱动器内超磁致伸缩棒的应变输出，只取决于在一定驱动磁场强度作用下超磁致伸缩棒内部磁畴方向的变化量，因而驱动磁场为定值时，从磁畴方向变化原理上宏观超磁致伸缩棒不产生机械漂移。由于不存在发热，驱动磁场可长时间保持较大的强度，从而增加了驱动器的输出能量及输出位移的稳定性(无漂移)。本发明保持了原有超磁致伸缩微位移驱动器的纳米或亚纳米位移灵敏度特性，同时增加了驱动器的输出力，及提高了输出位移的稳定性和响应速度。
附图1是现有技术中基于电磁变换原理的超磁致伸缩微位移装置结构示意图。
附图2是本发明装置的外形示意图。
图3是图2的A-A剖视图。
图4是图3的B部放大图。
图5是图2的右视图。
图6是图2的上下二等角轴侧图。
图7是图3中，6微位移输出杆的上下二等角轴侧图。
图8是图3中，4超磁致伸缩棒的上下二等角轴侧图。
图9是图3中碟形弹簧片7的右视图。
图10是初始应力为3MPa、6MPa时永磁铁位移输入与驱动器位移输出关系曲线图。
图中1外框架，2永磁铁，3内框架，4超磁致伸缩棒，5外导向套，6微位移输出杆，7碟形弹簧片，8内导向套，9外隔磁支架，10内隔磁支架，11预紧螺栓，12导向螺栓，13密纹丝杠，14螺线管。
具体实施例方式
参见图2，本发明提供的装置包括外框架1、微位移输出杆6和密纹丝杠13三个部分。外框架1为圆筒形，材料是软磁材料铁。装置的整体结构从内部到外部均呈轴对称圆柱形。参见图3，外框架1前部与微位移输出杆6由外导向套5相连，外导向套5与微位移输出杆6可自由相对运动；外框架1后部与密纹丝杠13由导向螺栓12相接，导向螺栓12与外框架1通过螺纹拧紧。装置的内部从后端导向螺栓12到前端微位移输出杆6之间其它部件结构关系如下永磁铁2采用圆柱形状与密纹丝杠13粘接在一起，位置关系保持同轴；永磁铁2前端是预紧螺栓11，它们之间保持一定的间隙，预紧螺栓11与内框架3通过螺纹连接；内框架3亦为软磁材料铁，通过外隔磁支架9与外框架1固定，三者通过销钉固定；内框架3内部超磁致伸缩棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)与内隔磁支架10过呈盈配合可自由相对移动，而与预紧螺栓11呈同轴连接；超磁致伸缩棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)前端与微位移输出杆6同轴粘接在一起；微位移输出杆6通过碟形弹簧片7与外框架1内部前端靠紧；碟形弹簧片7呈碟子形状，一端施加压力则发生弹性变性。
以上为磁-磁变换纳米精度大输出力微位移驱动装置结构的说明，结合此装置的详细结构下面介绍磁-磁变换纳米精度大输出力微位移驱动方法的具体实施方式
。从微位移产生到传递出去的顺序介绍该驱动方法首先预紧螺栓11和碟形弹簧片7构成超磁致伸缩棒(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)的预紧机构。预紧螺栓11通过螺纹的前后移动挤压超磁致伸缩棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)和碟形弹簧片7，弹性元件碟形弹簧片7反作用于超磁致伸缩棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)，导致给超磁致伸缩棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)施加一定的初始应力。初始应力小于15MPa，对应不同初始应力值驱动器的输出位移范围和位移精度不同(图10为3MPa、6MPa下驱动器的输入与输出位移曲线)。超磁致伸缩材料被施加力，内部磁畴有序排列，其单位长度应变量大大增加，所以超磁致伸缩棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)需要被施加一定的预压力。接着永久磁铁2的材料选用铷铁硼，铷铁硼单位体积内磁能密度比其它永磁材料都要高，永磁铁为此驱动装置重要的部件。永磁体2固定在密纹丝杠13的一端，它在初始位置处的磁场强度为超磁致伸缩棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)提供初始偏置磁场。初始位置磁场强度范围在8kA/m～36kA/m之间。偏置磁场避免了超磁致伸缩材料的“倍频”现象，使超磁致伸缩材料应变工作在单方向且线性度高。永磁铁2的初始位置由密纹丝杠13的螺纹起点与导向螺栓12相对位置决定。再接下来步骤也就是此驱动方法最关键的步骤是，基于磁-磁变换驱动磁场的产生。随着驱动磁场强度的变化超磁致伸缩棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)的伸缩应变发生变化。驱动磁场亦由永久磁体2提供，永久磁体2初始位置固定后，密纹丝杠13的螺纹长度为永磁体相对超磁致伸缩棒2(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)位置变化范围。永磁体2为轴对称形状，空间磁场分布较均匀。超磁致伸缩棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)棒体上某点的磁场强度随着永磁体的位置远近变化而变化。内隔磁支架10、外隔磁支架9起固定内框3和超磁致伸缩棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)的作用，同时选用隔磁材料如铝避免引起空间内磁场的分布不均。此方法的最后实施步骤是微位移的传递。超磁致伸缩棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)单位长度的应变需要微位移机构传递出去，这个部分主要由超磁致伸缩棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)、微位移输出杆6和碟形弹簧片7构成。超磁致伸缩棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)与微位移输出杆6粘接在一起，应变直接传递给微位移输出杆6。应变产生的力作用于碟形弹簧片7，由于胡克定律弹簧片的位移与受力成正比，即力与位移呈线性关系。超磁致伸缩棒4(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)产生的单位长度的应变与单位面积的力的关系亦呈正比，比例系数为超磁致伸缩棒(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)的杨氏模量。
综上所述，磁-磁变换纳米精度大输出力微位移驱动方法具体实施大体分为四个步骤即预紧力的产生、偏置磁场的提供、基于磁-磁变换驱动磁场的产生及超磁致伸缩棒(Tb0.3Dy0.7Fe1.9)应变到微位移的传递。
权利要求
1.一种基于磁-磁变换的纳米精度大输出力微驱动装置，包括外框架、永久磁铁、超磁致伸缩棒、预紧螺栓、微位移输出机构，其特征在于还包括内框架和密纹丝杠；微位移输出机构和密纹丝杠分别固定在外框架的相对的两端上；在装置的内部永磁铁与密纹丝杠粘接在一起，位置关系保持同轴；永磁铁前端是预紧螺栓，它们之间保持一定的间隙，预紧螺栓与内框架通过螺纹连接；内框架内部超磁致伸缩棒与预紧螺栓呈同轴连接；超磁致伸缩棒的前端与微位移输出杆同轴粘接在一起。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于永磁铁为铷铁硼材料。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于该装置的整体结构从内部到外部为轴对称圆柱形。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于超磁致伸缩棒的外侧与内框架之间设置一内隔磁支架，超磁致伸缩棒与内隔磁支架呈过盈配合，可自由相对移动。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于内框架与外框架之间设置一外隔磁支架。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于微位移输出杆与外框架由外导向套相连，外导向套与微位移输出杆可自由相对运动；
7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于密纹丝杠与外框架通过导向螺栓相接，导向螺栓与外框架通过螺纹拧紧。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于微位移输出杆通过碟形弹簧片与外框架内部前端靠紧，碟形弹簧片呈碟子形状。
9.一种基于磁-磁变换的纳米精度大输出力微驱动方法，其特征在于包括下列步骤通过预紧螺栓给超磁致伸缩棒提供初始应力，由逆磁致效应使超磁致伸缩材料工作在线性区间；提供偏置磁场，偏置磁场的提供依靠永久磁铁与超磁致伸缩棒的初始相对位置决定；产生驱动磁场，通过永久磁铁与超磁致伸缩棒之间的相对位置变化，使驱动磁场强度产生变化来驱动超磁致伸缩棒；微位移传递机构将超磁致伸缩棒的应变沿轴向传递，转换成机械位移。
全文摘要
本发明提供了一种基于磁－磁变换的纳米精度大输出力微驱动装置与方法。该装置包括外框架、永久磁铁、超磁致伸缩棒、预紧螺栓、微位移输出机构，还包括内框架和密纹丝杠；微位移输出机构和密纹丝杠分别固定在外框架的相对的两端上；在装置的内部永磁铁与密纹丝杠粘接在一起，位置关系保持同轴；永磁铁前端是预紧螺栓，它们之间保持一定的间隙，预紧螺栓与内框架通过螺纹连接；内框架内部超磁致伸缩棒与预紧螺栓呈同轴连接；超磁致伸缩棒的前端与微位移输出杆同轴粘接在一起。磁－磁变换微驱动避免了电－磁变换产生的发热现象，从而避免了热漂移现象，使该驱动器同时兼有纳米灵敏度大输出力、无机械漂移、高频响和大输出范围等优点。
文档编号H02N2/04GK1645734SQ20051000255
公开日2005年7月27日 申请日期2005年1月21日 优先权日2005年1月21日
发明者谭久彬, 王雷, 杨文国, 金国良 申请人:哈尔滨工业大学