超磁致伸缩材料微位移驱动系统的研究

　　1　引　　言

　　自微电子技术问世以来,人们不断追求越来越小,越来越完善的微小尺度结构的装置,微米/纳米技术作为本世纪出现的高技术,发展十分迅猛。超微定位技术作为纳米技术的核心技术之一,起着至关重要的作用。而微位移驱动器作为超微定位系统的核心,其性能指标的好坏,将直接影响整个微驱动系统的性能。

　　目前,微位移驱动器的研究,大都集中在压电、电致伸缩(PZT)上,可以说该器件是目前研究比较成熟、分辨力和频响比较高的一种驱动方式。但是,首先压电型微驱动器的输出力比较小;其次,其工作时需要高压,在防止高压短路方面需要十分注意;第三,由于压电陶瓷采用叠片式结构,其工作时在负荷作用下,自身组织结构出现不规则应变和蠕变,很不稳定,会产生漂移现象;第四,其位移范围比较小,这些都限制了压电陶瓷在微位移驱动器方面的应用。而超磁致伸缩材料在磁场作用下产生的磁致伸缩效应,具有输出力大、漂移小、移动范围大等特点,同时由其构成的微驱动器结构简单。因此,将超磁致伸缩材料引入微驱动器中,将在超精密机床、精密仪器及精密光学机械等领域有着广阔的应用前景[1～2]。

　　2　工作原理

　　2.1　超磁致伸缩材料及工作机理

　　磁致伸缩是指在磁场作用下,其长度发生伸长或缩短的现象,通常用磁致伸缩应变λ=ΔL/L0描述磁致伸缩的大小。材料的磁致伸缩应变λ随磁场强度的增加而增加,当磁场强度达到某一临界值时,磁致伸缩应变λ就不再增加,而达到一饱和值,称为饱和磁致伸缩应变。具有较大磁致伸缩应变的材料叫超磁致伸缩材料。最新发现表明,稀土系磁致伸缩材料(Terfenol-D)其λ值很大,为以前所用材料λ值的几百倍。

　　稀土超磁致伸缩材料属立方晶体,其磁致伸缩系数一般是通过测量沿主轴(〈100〉,〈110〉和〈111〉)长度变化得到的,磁场从垂直转到平行于测量方向。对于超磁致伸缩材料这种较强的各向异性磁致伸缩,在磁致伸缩表达式中仅需最低次幂项就能满足磁致伸缩与角度的关系,其表达式为:

　　同时由于超磁致伸缩材料属于多晶立方体,其饱和磁致伸缩系数表达式可近似为:

　　从表1中可以看出,与压电材料相比,超磁致伸缩材料的伸缩系数是压电材料的15～20倍,因而具有更大的位移范围[3,6]。同时由于磁致伸缩材料为刚性体结构,因而受负荷变化影响很小,具有低漂移的特点。

　　2.2　磁场分析

　　超磁致伸缩材料中的磁场可以看成是由两部分构成:一部分是由线圈中电流产生的;另一部分是来自超磁致伸缩材料的磁化。