U形箝位机构对微驱动器运动精度影响研究

　　1　引言

　　微小机电系统是当前机电领域的研究热点。微小驱动器是微小机电系统的主要研究内容之一,磁致伸缩驱动方式是其众多驱动方式中具有特色的一种。超磁致伸缩材料(giant magnetostrictive material, GMM)Ter-fenol-D具有大应变、大应力负载、宽频和微秒级响应速度的特性,使磁致伸缩技术的研究和应用在近10年来得到重视和迅速发展[1,2]。

　　磁致伸缩是铁磁材料(如镍、铁、钴及部分稀土材料)在外加磁场作用下尺寸或体积发生改变的效应,所有的铁磁材料都存在不同程度的磁致伸缩现象,但大多数材料的磁致应变量很小。20世纪70年代美国海军标准实验室(Naval Ordinance Labs, NOL)研制出超磁致伸缩材料Terfenol-D。该材料是由铽、镝和铁组成,化学分子式TbxDy1-xFey(0.27<x<0.30, 1.9<y<2),常温饱和磁致应变可达2 000~2 400(百万分之一微应变,parts permillion);Terfenol-D材料的性能明显优于已广泛应用的电致伸缩材料(见表1,性能参数比较)。应用Terfenol-D研制的驱动器具有负载能力强、驱动精度好,输出效率高的特点[3~7]。其固态驱动方式适用于研制小体积驱动器。

　　现有的高精度定位装置大多采用原位定位,实现相对容易,控制简单,但是其行程受到材料的尺寸限制。就小尺寸的超磁致伸缩棒而言,其最大伸缩位移一般仅能达到微米量级,因此欲实现具有大行程运动能力的驱动器,必须考虑如何放大或累加这种微米量级的位移,从而满足大行程或无限行程的要求。

　　2　大行程微小驱动器原理及机构

　　研究采用尺蠖运动机理设计和实现微位移能够累加的大行程或无限行程的微型驱动器,图1为一维(线性)驱动器结构原理图。图2为一典型尺蠖运动机理驱动器示意图。其中,A和C为尺蠖运动机构的箝位部分,运动过程中在箝位卡紧与释放之间进行状态切换;B为伸缩部分。完成一个单步尺蠖运动有如图的六个分步。重复六个分步,尺蠖运动即实现单步累加,最终实现长程或无限行程运动[9]。另外,通过改变A和C的箝位顺序可使尺蠖运动的方向发生变化。该模式的尺蠖运动容易实现二维的位移运动,但运动精度将受箝位性能的影响[12,13]。

　　3　箝位机构的选择

　　箝位机构是保证尺蠖驱动器能否具备优良运动性能的一个关键。实现尺蠖运动的箝位机构也有多种形式,如Kim介绍的环形箝位机构[10]、Park等研制的微齿箝位机构[11]都具有优良的箝位性能。

　　本文的尺蠖驱动器选择了电磁箝位机构,如图1所示,图中A、C为电磁铁。使用电磁箝位机构具有两个优点,首先,可以直接通过激励电流控制电磁箝位力的大小;其次,电磁箝位的结构简单,较易实现。