基于超磁致伸縮材料的搖頭型微電機的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是一種超磁致伸縮材料應用領域的裝置，具體的是一種適宜于無線驅動的基于超磁致伸縮材料的搖頭型外部磁控微電機。
【背景技術】
[0002]搖頭型電機是壓電電機的一種重要類型，通常，搖頭型電機利用了定子兩個對稱的一階彎曲振動模態，這兩個振動的復合使得定子驅動端面的質點產生橢圓運動軌跡，再通過定子和轉子之間的摩擦作用驅動轉子轉動。基于彎曲振動模態的搖頭式壓電電機，由于結構簡單、加工方便、成本低、重量輕和體積小等，一直是近年來微型驅動器領域的研究熱點。目前部分搖頭式微電機已經被成功應用到微小型鏡頭的調焦系統和醫療器械等方面，此外，該類微電機在可以植入組織的微型診斷探頭和微型治療執行器的等方面也有著很大的應用前景，如:人體消化道診療微型膠囊系統(內窺鏡、參數檢測、藥物的遙控釋放等)O
[0003]搖頭型壓電微電機多采用兩相電壓激勵，中國發明專利，申請號:200520011396.6曾提出利用四片壓電陶瓷構造搖頭型壓電電機的方法，該電機為雙相電激勵模式，需要在壓電材料的電極表面引線，并且驅動和控制電路較復雜；同時，該結構不能實現外部的饋能。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動器，具有良好的應用前景。另外，超磁致伸縮材料的激勵源為外部磁場，因而可以實現無電纜驅動，將可能在更微小的體積范圍實現精密驅動，并獲得更大的輸出力矩。目前已經出現了各種高性能的超磁致伸縮微位移驅動器，但是這些驅動器大部分都是直線的，而基于旋轉的磁致伸縮驅動器較少。如:中國發明專利，申請號:200810138284.5提出的磁致伸縮體致動器，利用了磁致伸縮材料的伸縮效應來推動剛性導磁棒運動。中國發明專利，申請號:200710061674.2則提出了一種利用磁致伸縮裝置構造直線電機的方法，其原理是:利用具有磁場強度相位差的永磁鐵激勵磁致伸縮材料以及相應的箝位機構，進而實現尺蠖運動的直線電機。上述驅動器中的磁致伸縮棒均工作在非共振狀態，因而效率較低。
【發明內容】
[0004]針對現有技術中存在的上述不足，本發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，利用本發明設計的電機，可以不使用電磁線圈，而直接采用外部磁場激勵，同時，電機工作在共振狀態，兩個工作模態為空間上有一定夾角的一階彎曲振動模態，因而電機的效率較高。此外，電機定子上添加的壓電陶瓷單元，可以用來實現能量轉換，或監測電機的實時運行狀態。其原理是:當電機振動時，會在壓電材料的表面產生電位差(利用壓電材料的壓電效應)，并且電位差的大小會隨著電機振動狀態的改變而改變，因此，可以根據相位差的大小來判斷電機的實時運行情況。同時，壓電材料還實現了能量轉換功能，可以將電機的振動能轉換為電能輸出。
[0005]為實現上述目的，本發明采用如下方案:
[0006]—種基于超磁致伸縮材料的搖頭型微電機，包括定子、轉子和預壓力系統；其中:所述定子為中空結構，所述轉子的輸出軸軸向貫穿于整個定子；所述轉子與定子之間通過預壓力系統壓緊在定子的金屬匹配端的驅動面上；
[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置；
[0008]在外加磁場的作用下，磁變形體發生形變，使定子形成不對稱結構，由于定子的不對稱結構，將在定子上激勵出彎曲搖頭振動，使得定子與轉子相接觸的金屬匹配端的驅動面上的質點的運動軌跡為橢圓，定子通過摩擦驅動轉子旋轉。
[0009]優選地，所述金屬基體為圓筒形結構，圓筒形結構的外表面上形成有至少一個軸向延伸的平面，所述磁變形體粘貼于對應的平面上；多個平面之間設有夾角。
[0010]優選地，所述磁變形體采用超磁致伸縮材料。
[0011 ] 優選地，所述磁致伸縮體的磁化方向沿軸向。
[0012]優選地，所述定子的金屬基體外表面還設有壓電材料體，所述壓電材料體上設有引出電極，用以實現能量轉換或監測電機的實時運行狀態。
[0013]優選地，所述外加磁場采用疊加的交變磁場和恒定的偏置磁場。
[0014]優選地，所述定子工作時處于共振狀態下，定子的工作模態為兩個在空間上有一定夾角的一階彎曲振動申吳態。
[0015]優選地，所述定子的金屬匹配端的驅動面可以采用平面或錐面。
[0016]優選地，所述定子和/或轉子上開有齒槽，所述齒槽的齒端粘貼有摩擦材料；或
[0017]所述定子和轉子上同時附著上摩擦材料，形成摩擦副。
[0018]優選地，所述齒槽具體開具在定子的金屬匹配端的驅動面位置和/或與驅動面接觸的轉子的位置。
[0019]優選地，所述預壓力系統包括相互配合的碟形彈簧和卡箍。
[0020]本發明提供的基于超磁致伸縮材料的搖頭型微電機，轉子貫穿中空的定子匹配端，并被彈簧壓緊在定子的驅動表面上，在外加磁場的作用下，超磁致伸縮材料(磁致伸縮體)伸長，由于定子的不對稱結構，將在定子上激勵出彎曲搖頭振動，使得定子與轉子相接觸的驅動端面上的質點的運動軌跡為橢圓，定子通過摩擦驅動轉子旋轉；定子的金屬基體由圓筒形成兩個平面，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平面上，兩個平面有一定的夾角；超磁致伸縮材料的磁化方向沿軸向；電機由外部磁場激勵，激勵磁場包含交變磁場和恒定的偏置磁場；定子工作在共振狀態，其工作模態為兩個在空間上有一定夾角的一階彎曲振動模態；定子有上下兩個驅動表面，驅動表面可以為平面或者錐面；定子上或轉子上可以開齒槽，齒端粘貼摩擦材料，也可在定子、轉子上同時附著上摩擦材料，構成摩擦副；壓電材料上引出電極，用以實現能量轉換，或監測電機的實時運行狀態。
[0021]與現有技術相比，本發明具有如下有益效果:
[0022]1、本發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，并且提出了基于交變磁場的單相激勵方法。該電機具有結構緊湊、簡單，輸出位移大，響應速度快，驅動電壓低，易于微型化等特點，在生物、醫療、微機械、自動控制、光學鏡頭、機器人和航空航天國防科技等領域有著廣闊的應用前景。
[0023]2、本發明提出的基于超磁致伸縮材料的搖頭型微電機與現有的搖頭型壓電微電機相比主要有以下區別:
[0024]首先激勵的原理不同，本發明中的電機采用單相外部磁場激勵的方式，因而省掉了壓電類電機上附著的電源及控制電路等，進一步簡化了電機的結構；而壓電微電機則使用相位差為90°的兩相電壓激勵，并且對電機的驅動和控制電路有著嚴格的要求；
[0025]其次電機所產生的效果不同，本發明中的電機根據壓電材料體(壓電陶瓷)的壓電效應，增加了電機的實時監控功能；
[0026]最后應用的場合不同，由于本發明中的電機采用外部磁場激勵，因而特別適合于體內的環境需求；
[0027]總之，與現有的壓電微電機相比，本發明的技術進步是顯而易見的。
[0028]3、本發明采用貼片式定子，使得電機結構得到簡化；定子包括超磁致伸縮材料、金屬材料和壓電材料，原理上，依據磁致伸縮單元的變形轉化為整個定子的兩個一階彎曲振動；結構上，定子結構多樣，并不局限于一種結構，只要超磁致伸縮單元的變形能夠同時激勵出定子的兩個一階彎曲振動模態均可。
[0029]4、相對于傳統的壓電電機，本發明可采用單頻率外部磁場的激勵方式，當改變磁場頻率時，會改變電機的進給方向；當改變磁場大小時，會改變電機的進給速度；省掉了與其直接相連的激勵電源部分，節省了體積，實現了無電纜驅動，因而集成度較高，有益于在狹小空間里使用；本發明特別適用，但又不局限于體內醫療設備，并且具有體外遙控操作的特點。
[0030]5、本發明可同時加入壓電單元，構造磁致伸縮，彈性基底和壓電復合結構，其中壓電單元可用于進行電機運行狀況的監測，能量轉換，實現無線供能。
【附圖說明】
[0031]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯:
[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構示意圖。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成的中空定子的結構示意圖。其中，3為壓電材料體，箭頭方向為壓電材料體的極化方向，I為金屬基體，2為磁致伸縮體，箭頭方向為磁致伸縮體的磁化方向。
[0034]圖3為以圖1的定子結構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模態圖。
[0036]圖5為定子沿X方向的的一階彎曲振動模態圖。
[0037]圖6為電機的整體結構示意圖。其中，61為輸出軸，62為卡箍，63為碟形彈簧，64為轉子，65為金屬匹配端，I為金屬基體，2為磁致伸縮體。
【具體實施方式】
[0038]下面對本發明的實施例作詳細說明:本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。
[0039]本實施例提供了一種基于超磁致伸縮材料的搖頭型微電機，包括定子、轉子和預壓力系統；該電機結構如圖6所示，其中，定子為中空結構，轉子的輸出軸61貫穿整個定子，轉子64被預壓力系統(碟形彈簧)壓緊在定子的金屬匹配端65的驅動表面上。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而成(如圖1所示)，也可演變為由超磁致伸縮材料、壓電材料和金屬材料復合而成(如圖2所示)。該電機是外部磁控的搖頭型微電機，壓電材料體可用以實時監測電機的運行狀況，也可用做能量轉換單