CN110323919B

CN110323919B - 一种基于正应力电磁驱动的微定位装置

Info

Publication number: CN110323919B
Application number: CN201910536869.0A
Authority: CN
Inventors: 范大鹏; 范世珣; 谭若愚; 谢馨; 万子平; 张连超; 袁志华
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2019-06-20
Publication date: 2020-07-10
Anticipated expiration: 2039-06-20
Also published as: CN110323919A

Abstract

本发明公开了一种基于正应力电磁驱动的微定位装置，包括基座、动子环、柔性传动组件和多套正应力电磁致动器，所述基座上设置有安装腔，所述动子环通过柔性传动组件安装于所述安装腔内；多套所述正应力电磁致动器呈环状安装于所述动子环周侧的基座上，各所述正应力电磁致动器均包括定子磁轭以及绕制于所述定子磁轭上的线圈绕组；所述动子环的周侧设置有多个与各所述定子磁轭一一对应的接触头，各所述定子磁轭上设置有通槽，各接触头位于对应所述定子磁轭的通槽内，所述接触头与通槽之间形成工作气隙。本发明的基于正应力电磁驱动的微定位装置具有结构简单紧凑、输出力大、响应速度快、运动范围大、定位精度高、转动惯量小等优点。

Description

一种基于正应力电磁驱动的微定位装置

技术领域

本发明主要涉及光学成像技术领域，特指一种基于正应力电磁驱动的微定位装置。

背景技术

高精度微扫描装置属于高精度微定位平台的一种，是高精度光学成像、稳像***中不可或缺的部件之一。目前扫描装置的驱动方式通常选用音圈电机或者压电陶瓷。以压电陶瓷作为驱动的微扫描平台一般具有超高分辨率、高带宽、高出力、高刚度等优点，但压电陶瓷驱动的行程较小，因此压电陶瓷驱动式微扫描平台的扫描行程有限。以音圈电机为驱动的微扫描平台具有扫描行程大、***功耗低、结构简单等优点。相较于压电驱动装置，同等体积下的音圈电机的扫描行程能提高2～3个数量级，同时还能保证较高的运动分辨率，但音圈电机出力较小，为提高***整体带宽和动态性能，在结构设计的时候工作方向上的刚度不得不设计在一个较低的量级，这通常会导致整体结构松散、***谐振频率较低、附带明显的寄生运动等现象。

除了以上提到的问题，无论是基于音圈电机驱动还是压电陶瓷驱动，高精度微扫描平台都不能同时满足小体积、高动态解耦性能和无寄生运动等要求。大多数已知的微扫描平台只能对工作方向（X/Y方向）上的运动进行控制，第三旋转轴（绕Z轴）上的运动只能靠提高该轴的旋转刚度或者配置一个额外的解耦模块来抑制，这就意味着为了对第三轴进行有效控制，增大第三轴的旋转刚度和牺牲结构的体积是较常见的解决方法。以压电陶瓷作为驱动的微扫描平台不能满足较大行程的硬性要求，而选择音圈电机作为驱动装置，不能满足大出力，小体积等要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、输出力大、响应速度快、运动范围大、定位精度高、转动惯量小的基于正应力电磁驱动的微定位装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于正应力电磁驱动的微定位装置，包括基座、动子环、柔性传动组件和多套正应力电磁致动器，所述基座上设置有安装腔，所述动子环通过柔性传动组件安装于所述安装腔内；多套所述正应力电磁致动器呈环状安装于所述动子环周侧的基座上，各所述正应力电磁致动器均包括定子磁轭以及绕制于所述定子磁轭上的线圈绕组；所述动子环的周侧设置有多个与各所述定子磁轭一一对应的接触头，各所述定子磁轭上设置有通槽，各接触头位于对应所述定子磁轭的通槽内，所述接触头与通槽之间形成工作气隙。

作为上述技术方案的进一步改进：

相邻所述定子磁轭之间设置有永磁体，用于形成通过各所述定子磁轭和动子环的闭环偏置磁通。

所述基座上于所述定子磁轭的通槽位置处设置有容纳接触头的容纳槽，所述容纳槽内设置有位置检测件，用于检测所述接触头的移动位移及偏转角度以调整线圈绕组的励磁电流形成闭环控制。

所述位置检测件为电感式微位移位置传感器或电容式微位移位置传感器，位于所述接触头两侧的容纳槽上。

所述柔性传动组件包括安装片和弹性连接片，所述安装片与所述弹性连接片平行布置，所述安装片安装于所述安装腔周侧的基座上，所述弹性连接片的一端与所述安装片相连，另一端与所述动子环的外周侧相连。

所述安装片与所述基座一体成型。

所述基座上设置有定子磁轭槽和线圈绕组槽，所述定子磁轭安装于所述定子磁轭槽内，所述线圈绕组安装于所述线圈绕组槽内。

所述正应力电磁致动器的数量为四套，均匀分布在所述动子环周侧的基座上，用于形成在基座所在平面上二个自由度上的运动以及在基座所在平面内的旋转运动。

所述定子磁轭和动子环均由叠层钢或软磁合金制作而成。

所述基座为不锈钢、钛合金、铝合金或因瓦合金材质制成的基座。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明的基于正应力电磁驱动的微定位装置，采用线性正应力电磁致动器作为动力环的驱动装置，结构简单紧凑、输出力大、响应速度快、运动范围大、定位精度高、转动惯量小，集成了音圈电机和压电陶瓷驱动的优点。

（2）本发明的基于正应力电磁驱动的微定位装置，相邻定子磁轭之间设置有永磁体，用于形成通过各定子磁轭和动子环的闭环偏置磁通，与激励磁通相互配合，保证在有限范围内合力输出的线性度。

（3）本发明的基于正应力电磁驱动的微定位装置，动子环与柔性传动组件固定在一起，具有无摩擦、无空回、免装配、无需润滑等特点，可以满足微定位平台高定位精度、高低速平稳性以及高精度保持性等性能要求。

（4）本发明的基于正应力电磁驱动的微定位装置，采用位置检测件实时检测动子环上接触头的移动位移，并反馈至控制单元，控制单元根据移动位移输出线圈绕组的励磁电流，用于位置的闭环控制，进一步提高定位的精度，其中位置检测件结合基座本身结构，采用电感或电容式微位移位置传感器，并集成至基座内部，保证整体体积小且不失测量精度。

（5）本发明的基于正应力电磁驱动的微定位装置，集成在成像***光路中的末级透镜上，通过快速准确的调整光路中末级透镜的位置，以调整景物的图像相对于红外探测器阵列的相对位置，达到亚像素图像微扫描与亚像素精度稳像的基本功能；该微定位装置可以方便的与现有的光电稳定平台集成，安装在各种机动载体上，在不增加成像探测器的像素尺寸的前提下，通过定位的方法减少图像的频率混叠，提高成像***的空间采样率，实现超分辨率红外成像与超精密稳像。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的主视结构示意图。

图3为本发明的立体结构示意图（去掉盖板）。

图4为本发明的主视结构示意图（去掉盖板）。

图5为本发明的后视结构示意图。

图6为本发明的偏置磁通与激励磁通示意图。

图中标号表示：1、基座；101、安装腔；102、盖体；103、容纳槽；2、动子环；201、接触头；3、柔性传动组件；301、安装片；302、弹性连接片；4、正应力电磁致动器；401、定子磁轭；4011、通槽；402、线圈绕组；403、工作气隙；5、永磁体；6、位置检测件。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1至图4所示，本实施例的基于正应力电磁驱动的微定位装置，包括基座1、动子环2、柔性传动组件3和多套线性正应力电磁致动器4，基座1的中部设置有安装腔101，动子环2通过柔性传动组件3安装于安装腔101内，其中动子环2上用于安装光学镜片；多套线性正应力电磁致动器4呈环状安装于动子环2周侧的基座1上；各线性正应力电磁致动器4均包括定子磁轭401以及绕制于定子磁轭401上的线圈绕组402；动子环2的周侧设置有多个与各定子磁轭401一一对应的接触头201，各定子磁轭401上设置有通槽4011，各接触头201位于对应定子磁轭401的通槽4011内，接触头201与通槽4011之间形成工作气隙403。在线圈绕组402入励磁电流时，在接触头201两侧的工作气隙403内产生不同大小的磁通量，形成某一方向上的电磁合力，在各套线性正应力电磁致动器4中电磁合力的相互配合下，最终实现动子环2在预定方向的位移。

本发明的基于正应力电磁驱动的微定位装置，采用线性正应力电磁致动器4作为动力环的驱动装置，结构简单紧凑、输出力大、响应速度快、运动范围大、定位精度高、转动惯量小，集成了音圈电机和压电陶瓷驱动的优点。

本发明的基于正应力电磁驱动的微定位装置，集成在成像***光路中的末级透镜上，通过快速准确的调整光路中末级透镜的位置，以调整景物的图像相对于红外探测器阵列的相对位置，达到亚像素图像微扫描与亚像素精度稳像的基本功能；该微定位装置可以方便的与现有的光电稳定平台集成，安装在各种机动载体上，在不增加成像探测器的像素尺寸的前提下，通过定位的方法减少图像的频率混叠，提高成像***的空间采样率，实现超分辨率红外成像与超精密稳像。

本实施例中，线性正应力电磁致动器4的数量为四套，均匀分布在动子环2周侧的基座1上，具体地，线性正应力电磁致动器4位于动子环2的上下左右侧，如图4所示，其中位于X轴方向的两个线性正应力电磁致动器4为一组，位于Y轴方向的两个线性正应力电磁致动器4为一组。具体地，线圈绕组402通入励磁电流后产生的激励磁通（Excitation flux）沿定子磁轭401形成闭环（如图6中白色实线所示），线圈绕组402在各工作气隙403内产生交变激励磁通（Excitation flux），调节励磁电流的方向与大小来控制此磁通的方向与大小，从而实现对动子环2位置的精确控制。如图6所示，如给X轴方向上的两个线圈绕组402通以图6所示方向的励磁电流，因为磁场的叠加作用，左边上方和右边上方工作气隙403内的磁通量增大，左边下方和右边下方工作气隙403内的磁通量减小，左侧两个工作气隙403和右侧两个工作气隙403将产生一个沿Y轴正方向的电磁合力F_Y+，电磁合力产生一个沿Y轴正向的推力，此推力推动动子环2产生相应的运动位移+Y，实现动子环2的移动。当然，在其它实施例中，也可以往Y轴方向的两个线圈绕组402通入励磁电流，最终形成沿X轴正方向的电磁合力。或者，在此基础上，再往X轴方向的某一个线圈绕组402通入励磁电流，从而形成在XY平面内的旋转驱动力（如图6中θ_z方向）。当然，对此并不对线性正应力电磁致动器4的数量进行限定，也可以设定为三个、五个或更多个，通过各个线性正应力电磁致动器4之间的相互配合，也能够实现动子环2在不同方向的位移和旋转。

进一步地，相邻定子磁轭401之间设置有永磁体5（如永磁铁），用于形成通过各定子磁轭401和动子环2的闭环偏置磁通（Biasing flux）。永磁体5产生的偏置磁通如图6中黑色虚线所示，永磁体5在工作气隙403内产生永磁偏置磁通，如不考虑磁路的对称性，所有工作气隙403内的偏置磁通大小相等，此时，动子环2所受的偏置驱动力为零；永磁体5产生的偏置磁通，与上述激励磁通相互配合，保证在有限范围内合力输出的线性度。永磁体5材料选用钐钴、钕铁硼等高剩余磁感应强度和高矫顽力材料。

本实施例中，柔性传动部分基于柔顺机构原理，设计了2自由度平面导向机构，即直角柔顺梁并联结构，具体包括安装片301和弹性连接片302，安装片301与弹性连接片302平行布置，安装片301安装于安装腔101周侧的基座1上，弹性连接片302的一端与弹性连接片302相连，另一端与动子环2的外周侧相连，结构简单并能实现二自由度的平动。此柔性传动组件3具有无摩擦、无空回、免装配、无需润滑等特点，可以满足微定位平台高定位精度、高低速平稳性以及高精度保持性等性能要求。

本实施例中，基座1上于定子磁轭401的通槽4011位置处设置有容纳接触头201的容纳槽103，容纳槽103内设置有位置检测件6，用于检测接触头201的移动距离及偏转角度以调整线圈绕组402的励磁电流形成闭环控制。其中位置检测件6为电感式微位移位置传感器，分别位于接触头201两侧的容纳槽103上，直接测量或以差动模式测量接触头201的位移与偏转角度。如图3所示，上述位置检测件6结合基座1本身结构，采用电感式微位移位置传感器，并集成至基座1内部，保证整体体积小且不失测量精度。另外上述位置检测件6与各磁通互不干涉，能够同时精准测量接触头201在X轴、Y轴方向的位移以及XY平面内的旋转角度。当然，在其它实施例中，也可以采用电容式微位移位置传感器或其它形式的传感器，在此并不做任何限定，只要实现上述功能的传感器即可。

本实施例中，应力电磁致动器4产生沿预定方向的电磁合力后，此电磁合力通过动子环2作用于柔性传动组件3，柔性传动组件3在电磁合力的作用下发生弹性变形并提供回复力矩，此回复力矩与电磁合力平衡后，动子环2上的末端透镜输出预定移动位移或角度，进而达到调整进光光束位置的目的。此时电感式微位移位置传感器实时检测动子环2上接触头201的移动位移或角度，并反馈至控制单元，控制单元根据移动位移或角度输出线圈绕组402的励磁电流，用于位置的闭环控制，进一步提高定位的精度。

本实施例中，定子磁轭401和动子环2由叠层钢（Laminated steel）叠堆而成，或由软磁合金（Soft magnetic composites）加工而成，动子环2应保证加工精度以及装配精度，保证动子环2在定子磁轭401之间的工作间隙。柔性传动组件3通过线切割慢走丝加工而成；线圈绕组402由绝缘材料包裹铜芯或银芯而成，线圈绕组402围绕定子磁轭401并排层层绕制，相互绝缘，绕制时保证绕组的匝数和外形尺寸，不应大于规定尺寸，绝缘材料选用高级耐高温材料，保证在相对高温的情况下，绝缘材料不会熔化。

本实施例中，基座1是用于装配各零部件（包括线圈绕组402、定子磁轭401和永磁体5等）和配合连接外部***（如外接螺钉过孔和配合安装法兰等）的主体，采用钛合金材质制成；基座1上设置有定子磁轭槽和线圈绕组槽，定子磁轭401安装于定子磁轭槽内，线圈绕组402安装于线圈绕组槽内，并通过盖体102进行封装，其中线圈绕组402与基座1的线圈绕组槽之间存在空隙，避免结构干涉。另外基座1与动子环2通过柔性传动组件3实现一体化设计，保证了动子环2的运动定位精度以及降低了后期装配难度。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于正应力电磁驱动的微定位装置，其特征在于，包括基座（1）、动子环（2）、柔性传动组件（3）和多套正应力电磁致动器（4），所述基座（1）上设置有安装腔（101），所述动子环（2）通过柔性传动组件（3）安装于所述安装腔（101）内；多套所述正应力电磁致动器（4）呈环状安装于所述动子环（2）周侧的基座（1）上，各所述正应力电磁致动器（4）均包括定子磁轭（401）以及绕制于所述定子磁轭（401）上的线圈绕组（402）；所述动子环（2）的周侧设置有多个与各所述定子磁轭（401）一一对应的接触头（201），各所述定子磁轭（401）上设置有通槽（4011），各接触头（201）位于对应所述定子磁轭（401）的通槽（4011）内，所述接触头（201）与通槽（4011）之间形成工作气隙（403）；

所述柔性传动组件（3）包括安装片（301）和弹性连接片（302），所述安装片（301）与所述弹性连接片（302）平行布置，所述安装片（301）安装于所述安装腔（101）周侧的基座（1）上，所述弹性连接片（302）的一端与所述安装片（301）相连，另一端与所述动子环（2）的外周侧相连。

2.根据权利要求1所述的基于正应力电磁驱动的微定位装置，其特征在于，相邻所述定子磁轭（401）之间设置有永磁体（5），用于形成通过各所述定子磁轭（401）和动子环（2）的闭环偏置磁通。

3.根据权利要求1所述的基于正应力电磁驱动的微定位装置，其特征在于，所述基座（1）上于所述定子磁轭（401）的通槽（4011）位置处设置有容纳接触头（201）的容纳槽（103），所述容纳槽（103）内设置有位置检测件（6），用于检测所述接触头（201）的移动位移及偏转角度以调整线圈绕组（402）的励磁电流形成闭环控制。

4.根据权利要求3所述的基于正应力电磁驱动的微定位装置，其特征在于，所述位置检测件（6）为电感式微位移位置传感器或电容式微位移位置传感器，位于所述接触头（201）两侧的容纳槽（103）上。

5.根据权利要求1所述的基于正应力电磁驱动的微定位装置，其特征在于，所述安装片（301）与所述基座（1）一体成型。

6.根据权利要求1至4中任意一项所述的基于正应力电磁驱动的微定位装置，其特征在于，所述基座（1）上设置有定子磁轭槽和线圈绕组槽，所述定子磁轭（401）安装于所述定子磁轭槽内，所述线圈绕组（402）安装于所述线圈绕组槽内。

7.根据权利要求1至4中任意一项所述的基于正应力电磁驱动的微定位装置，其特征在于，所述正应力电磁致动器（4）的数量为四套，均匀分布在所述动子环（2）周侧的基座（1）上，用于形成在基座（1）所在平面上二个自由度上的运动以及在基座（1）所在平面内的旋转运动。

8.根据权利要求1至4中任意一项所述的基于正应力电磁驱动的微定位装置，其特征在于，所述定子磁轭（401）和动子环（2）均由叠层钢或软磁合金制作而成。

9.根据权利要求1至4中任意一项所述的基于正应力电磁驱动的微定位装置，其特征在于，所述基座（1）为不锈钢、钛合金、铝合金或因瓦合金材质制成的基座。