新型纳米级微位移致动器的设计

　　微位移致动器是一类能够实现微米、亚微米及纳米尺度位置控制的传感或执行器,在国防、微电子、航空等尖端领域发挥着越来越重要的作用。伴随着大 应变量稀土超磁致伸缩材料的出现,微位移致动器的研制产生了新的飞跃[1]。以Tb-Dy-Fe为代表的稀土超磁致伸缩材料的伸缩量为普通压电陶瓷的 30~50倍,响应时间达10-6秒,是理想的位移致动材料[2]。90年代初,日本江田宏等研制出第一代磁致伸缩型位移致动器,其位移控制精度可达 10nm[3]。近年来,国内相继研制出具有水冷结构的磁致伸缩致动器原型,最大位移输出达20μm以上。常规的磁致伸缩型微位移致动器,大多采用多晶或 具有孪晶结构的磁致伸缩材料作为驱动单元,整个系统结构复杂,控制精度不高,严重限制了微位移致动器的应用。

　　为此我们尝试了研制新一代高精度的磁致伸缩型微位移致动器。

　　1　微位移致动器的设计

　　磁致伸缩型微位移致动器的研制所需解决的关键问题有:1)驱动材料在低场下具有高的磁致伸缩性能;2)致动器结构应具有封闭的磁路和良好的隔热性,而且结构要简单,体积要小;3)驱动电源不仅要提供稳定的工作电源,同时还要最大限度减少电流热效应。

　　为了解决以上3个问题,我们以单晶材料为核心驱动元件,对磁路、驱动机构和高稳定度数控驱动电源进行设计,研制可在大范围工作的超高精度磁致伸缩型纳米微位移致动器。

　　1.1　RFe2合金单晶材料的特性

　　磁致伸缩是指材料在磁场的作用下其长度(或形状)发生变化的现象。具有大磁致伸缩应变的材料称为超磁致伸缩材料[4]。磁致伸缩材料的磁致伸缩 性能与材料结构直接相关,研究表明:晶界是畴壁移动的主要障碍,相同成分的材料磁致伸缩性能依次排列为:单晶、定向结晶和多晶[5]。我们利用磁悬浮冷坩 埚提拉稀土-铁超磁致伸缩单晶材料的技术,解决了长期困扰高性能超磁致伸缩材料制备的污染和孪晶多的难题,制备出具有较高性能的Tb-Dy-Fe单晶材 料,单晶尺寸:直径≥15mm,长度≥200mm;饱和磁致伸缩系数λs= 2000×10-6;磁致伸缩率d33=5.0×10-6Oe;机电耦合系数k33= 0.67。

　　这种单晶材料消除了材料结构中的孪晶缺陷,表现出了很好的低场性能,是整个致动器精度提高、结构简化的重要前提[6]。

　　1.2　微位移致动器的结构设计

　　磁致伸缩型纳米微位移致动器的结构设计主要考虑4个部分:驱动线圈,偏场和磁路,隔热层,预应力。

　　1.2.1　驱动线圈的设计

　　02对于有限长径的螺线管,在轴线上各点的磁感应强度Bx是轴线距离x的函数。当l/r愈大时,磁场平坦区愈宽,因此为了让线圈内获得均匀的磁场,应尽量增大l/r比值。