CN116760251A - 一种新型三自由度平动作动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型三自由度平动作动器。本发明包括支撑座；驱动座；XY向驱动机构，包括分别与驱动座相连的X向电磁作动单元和Y向电磁作动单元；Z向驱动机构，包括与驱动座相连的Z向电磁作动单元；X向电磁作动单元和Y向电磁作动单元均包括：第一动子组件，包括第一动子铁芯以及第一永磁铁；两个第一定子组件，包括第一定子铁芯、第一定子线圈，通过第一动子组件带动被控对象沿XY向平移；Z向电磁作动单元包括：第二动子组件，包括第二动子铁芯、第二永磁铁；两个第二定子组件，包括第二定子铁芯、第二定子线圈，通过第二动子组件带动被控对象沿Z向平移。本发明能够实现被控对象在X、Y、Z三个方向的稳定运动以及精密位置控制。

Description

一种新型三自由度平动作动器

技术领域

本发明涉及精密伺服驱动控制技术领域，尤其是指一种新型三自由度平动作动器。

背景技术

在光学领域的微位移运动控制中，可以通过微扫瞄的方案来提高***的分辨力，根据微扫瞄过程的驱动元件的不同，可分为电机驱动的微扫瞄、压电陶瓷作动器驱动的微扫瞄、电磁作动器驱动的微扫瞄。电机驱动方式存在控制带宽低的问题；压电陶瓷作动器驱动方式存在行程小的问题。电磁作动器驱动方式可以同时满足较高的控制带宽与相对较大的运动行程，是大视场下微位移扫瞄控制较为理想的选择。光学扫瞄技术的发展推动了多自由度微位移驱动控制技术的前进。三自由度的微位移驱动控制技术，相对于现有的单自由度与双自由度微位移驱动控制技术，在扫瞄定位与焦距调节上更具有优势。

现有的微位移驱动机构大多通过将三个单自由度微位移模组进行正交组合叠加实现三自由度运动，存在***集成度较低，尺寸体积较大等问题。而且，不同光学应用场合中，通常需要保持微位移驱动机构具有中空的结构特征，以保障光路通过，缺少较为成熟的三自由度微位移驱动机构解决方案。

发明内容

为此，本发明提供一种新型三自由度平动作动器，能够实现被控对象在X、Y、Z三个方向的稳定运动以及精密位置控制，并且具有集成度高、响应速度快速、行程大的特点。

为解决上述技术问题，本发明提供一种新型三自由度平动作动器，包括：

支撑座；

驱动座，活动连接于所述支撑座，连接有被控对象；

XY向驱动机构，包括分别与所述驱动座相连的X向电磁作动单元和Y向电磁作动单元；

Z向驱动机构，包括与所述驱动座相连的Z向电磁作动单元；

其中，所述X向电磁作动单元和所述Y向电磁作动单元均包括：

第一动子组件，所述第一动子组件包括第一动子铁芯以及连接于所述第一动子铁芯相对两侧面上的第一永磁铁；

两个第一定子组件，对称设置于所述第一动子铁芯相对的两侧，所述第一定子组件包括第一定子铁芯、粘接于所述第一定子铁芯相对于所述第一动子铁芯一面的第一定子线圈，所述第一定子线圈在第一永磁铁产生的磁场中通电，使所述第一动子组件受力，通过改变所述第一定子线圈中电流方向，能够改变所述第一动子组件的出力方向，通过所述第一动子组件带动所述驱动座驱动所述被控对象沿XY向平移；

其中，所述Z向电磁作动单元包括：

第二动子组件，所述第二动子组件包括第二动子铁芯以及连接于所述第二动子铁芯相对两侧面上的第二永磁铁；

两个第二定子组件，对称设置于所述第二动子铁芯相对的两侧，所述第二定子组件包括第二定子铁芯、粘接于所述第二定子铁芯相对于所述第二动子铁芯一面的第二定子线圈，所述第二定子线圈在第二永磁铁产生的磁场中通电，使所述第二动子组件受力，通过改变所述第二定子线圈中电流方向，能够改变所述第二动子组件的出力方向，通过所述第二动子组件带动所述驱动座驱动所述被控对象沿Z向平移。

在本发明的一种实施方式中，所述驱动座包括动子连接件、上安装板、连接于所述上安装板的上弹性片、连接于所述动子连接件的下弹性片、上下两端分别与所述上弹性片和所述第二动子铁芯相连的动子中心座、连接于所述动子连接件和所述上安装板之间支撑柱，所述第二动子铁芯连接于所述下弹性片，所述支撑柱上下两端分别与所述上安装板和所述下弹性片相连。

在本发明的一种实施方式中，所述动子连接件上两组相对的两端边分别连接至所述X向电磁作动单元和所述Y向电磁作动单元各自的所述第一动子组件。

在本发明的一种实施方式中，两个所述X向电磁作动单元和两个所述Y向电磁作动单元呈正交分布。

在本发明的一种实施方式中，所述支撑座包括底座以及与底座相连的上安装座，所述上安装座上端面设置有X向直线导轨以及滑动连接于所述X向直线导轨的X轴滑板，所述X轴滑板上端面设置有Y向直线导轨，所述上安装板滑动连接于所述Y向直线导轨。

在本发明的一种实施方式中，所述底座和所述上安装座之间形成容置所述X向电磁作动单元、所述Y向电磁作动单元和所述Z向电磁作动单元的容置腔，所述X向电磁作动单元和所述Y向电磁作动单元各自的两个所述第一定子组件分别与所述底座和所述上安装座相连，所述Z向电磁作动单元的两个所述第二定子组件分别与所述底座和所述上安装座相连。

在本发明的一种实施方式中，所述第一永磁铁为矩形永磁铁，所述第一动子铁芯呈左右对称结构，两块所述第一永磁铁在所述第一动子铁芯的上面和下面沿所述第一动子铁芯的左右对称剖面对称设置，但磁极方向相反。

在本发明的一种实施方式中，所述第二永磁铁为环形永磁铁，所述第二动子铁芯上下相对的两面上沿中心对称布置有四块所述第二永磁铁，四块所述第二永磁铁能够产生在左右方向上两两对称的四个磁场回路，并且，这四个磁场回路同时关于第二动子铁芯的初始位置对称。

在本发明的一种实施方式中，所述被控对象为透镜组件，包括透镜压盖以及通过所述透镜压盖安装于所述动子中心座内的透镜本体。

在本发明的一种实施方式中，所述上弹性片和下弹性片均为簧片。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的一种新型三自由度平动作动器，摒弃了现有X、Y、Z三自由度模组层层叠加的结构形式，使X、Y、Z三个方向的作动器的动子组件直接驱动被控对象进行运动，实时响应特性较好，能够实现被控对象在X、Y、Z三个方向的稳定运动以及精密位置控制；具有较少的传动部件，整体动子质量小，提高了响应速度及控制带宽；Z向铁芯及上下簧片对称结构的设计，不仅使Z向出力得到加强，同时提高了***的稳定性。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明三自由度平动作动器整体结构示意图。

图2是本发明三自由度平动作动器整体剖视结构示意图。

图3是本发明驱动座结构示意图。

图4是本发明X向电磁作动单元和Y向电磁作动单元组成结构示意图。

图5是本发明支撑座结构示意图。

图6是本发明Z向电磁作动单元结构示意图。

图7是本发明Z向电磁作动单元剖视结构示意图。

图8是本发明Z向驱动机构的X方向的剖视图。

图9是本发明X向电磁作动单元和Y向电磁作动单元出力分析图。

图10是本发明Z向电磁作动单元出力分析图。

说明书附图标记说明：

1、支撑座；11、底座；12、上安装座；13、X向直线导轨；14、X轴滑板；15、Y向直线导轨；

2、驱动座；21、动子连接件；22、上安装板；23、上弹性片；24、下弹性片；25、动子中心座；26、支撑柱；

3A、X向电磁作动单元；3B、Y向电磁作动单元；31、第一动子铁芯；32、第一永磁铁；33、第一定子铁芯；34、第一定子线圈；35、线圈轮毂；

4、Z向电磁作动单元；41、第二动子铁芯；42、第二永磁铁；42a、内侧环形永磁铁；42b、外侧环形永磁铁；43、第二定子铁芯；44、第二定子线圈；45、铁芯挡圈；46、螺栓；47、十字孔圆头小螺丝；

51、透镜压盖；52、透镜本体；53、压盖紧固螺丝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”“小于”“超过”等理解为不包括本数；“以上”“以下”“以内”等理解为包括本数。在本发明的描述中，如果有描述到“第一”“第二”仅用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明中，除非另有明确的限定，“设置”“安装”“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1至图10所示，本发明的一种新型三自由度平动作动器，包括：

支撑座1；

驱动座2，活动连接于所述支撑座1，连接有被控对象；

XY向驱动机构，包括分别与所述驱动座2相连的X向电磁作动单元3A和Y向电磁作动单元3B；

Z向驱动机构，包括与所述驱动座2相连的Z向电磁作动单元4；

其中，所述X向电磁作动单元3A和所述Y向电磁作动单元3B均包括：

第一动子组件，所述第一动子组件包括第一动子铁芯31以及连接于所述第一动子铁芯31相对两侧面上的第一永磁铁32；

两个第一定子组件，对称设置于所述第一动子铁芯31相对的两侧，所述第一定子组件包括第一定子铁芯33、粘接于所述第一定子铁芯33相对于所述第一动子铁芯31一面的第一定子线圈34，所述第一定子线圈34在第一永磁铁32产生的磁场中通电，使所述第一动子组件受力，通过改变所述第一定子线圈34中电流方向，能够改变所述第一动子组件的出力方向，通过所述第一动子组件带动所述驱动座2驱动所述被控对象沿XY向平移；

其中，所述Z向电磁作动单元4包括：

第二动子组件，所述第二动子组件包括第二动子铁芯41以及连接于所述第二动子铁芯41相对两侧面上的第二永磁铁42；

两个第二定子组件，对称设置于所述第二动子铁芯41相对的两侧，所述第二定子组件包括第二定子铁芯43、粘接于所述第二定子铁芯43相对于所述第二动子铁芯41一面的第二定子线圈44，所述第二定子线圈44第二永磁铁42产生的磁场中通电，使所述第二动子组件受力，通过改变所述第二定子线圈44中电流方向，能够改变所述第二动子组件的出力方向，通过所述第二动子组件带动所述驱动座2驱动所述被控对象沿Z向平移。

参照图3所示，所述驱动座2包括动子连接件21、上安装板22、连接于所述上安装板22的上弹性片23、连接于所述动子连接件21的下弹性片24、上下两端分别与所述上弹性片23和所述第二动子铁芯41相连的动子中心座25、连接于所述动子连接件21和所述上安装板22之间支撑柱26，所述第二动子铁芯41连接于所述下弹性片24，所述支撑柱26上下两端分别与所述上安装板22和所述下弹性片24相连。通过上述设置，通过Z向电磁作动单元4的第二动子铁芯41产生Z向运动，由于第二动子铁芯41固定在下弹性片24上，通过下弹性片24受力并产生微小形变，从而驱动动子中心座25在Z向运动，同时驱动上簧片运动，保证动子中心座25在二维平动方向上运动的稳定性。

在一些实施例中，所述上弹性片23和下弹性片24均为簧片。

参照图3所示，所述动子连接件21上两组相对的两端边分别连接至所述X向电磁作动单元3A和所述Y向电磁作动单元3B各自的所述第一动子组件。

本实施例中，两个所述X向电磁作动单元3A和两个所述Y向电磁作动单元3B呈正交分布；所述第一定子组件还包括连接于所述第一定子铁芯33相对于所述第一动子铁芯31一面的线圈轮毂35，所述第一定子线圈34绕制于所述线圈轮毂35上。

参照图5所示，所述支撑座1包括底座11以及与底座11相连的上安装座12，所述上安装座12上端面设置有X向直线导轨13以及滑动连接于所述X向直线导轨13的X轴滑板14，所述X轴滑板14上端面设置有Y向直线导轨15，所述上安装板22滑动连接于所述Y向直线导轨15。X向直线导轨13和Y向直线导轨15通过双层叠加的方式由X轴滑板14固定连接，直线滑轨主要起到在X、Y方向的导向以及Z方向的支撑作用。

具体地，所述底座11和所述上安装座12之间形成容置所述X向电磁作动单元3A、所述Y向电磁作动单元3B和所述Z向电磁作动单元4的容置腔，所述X向电磁作动单元3A和所述Y向电磁作动单元3B各自的两个所述第一定子组件分别与所述底座11和所述上安装座12相连，所述Z向电磁作动单元4的两个所述第二定子组件分别与所述底座11和所述上安装座12相连。

具体地，所述第一永磁铁32为矩形永磁铁，所述第一动子铁芯31呈左右对称结构，两块所述第一永磁铁32在所述第一动子铁芯31的上面和下面沿所述第一动子铁芯31的左右对称剖面对称设置，但磁极方向相反。参照图9所示，在第一永磁铁32和通电的第一定子线圈34的作用下，第一永磁体产生逆时针方向的磁场；由上向下视图方向，通电第一定子线圈34产生逆时针方向的电流。根据安培力原理，可以确定在第一定子线圈34上有向右的电磁力F1，在第一动子铁芯31上产生相互作用力F2，驱动第一动子铁芯31及第一永磁铁32运动，改变电流方向，则可以获得相反方向作用力，实现一维方向上的往复平动，另一方向与此原理相同。

具体地，所述第二永磁铁42为环形永磁铁，所述第二动子铁芯41上下相对的两面上沿中心对称布置有四块所述第二永磁铁42，四块所述第二永磁铁42能够产生在左右方向上两两对称的四个磁场回路，并且，这四个磁场回路同时关于第二动子铁芯41的初始位置对称。

参照图10所示，为Z向电磁作动单元4在X方向的剖视图，以左侧的磁场回路为例进行分析。四块环形永磁铁呈对称分布，上下各两块环形永磁铁，位于下面的环形永磁铁，内侧环形永磁铁S极在下，N极在上，外侧环形永磁铁N极在下，S极在上，磁感线回路方向呈逆时针；位于上方的环形永磁铁，内侧环形永磁铁N极在下，S极在上，外侧环形永磁铁，S极在下，N极在上，磁感线回路方向呈顺时针。这样的永磁铁布局方案使上下两对环形永磁铁形成了两个方向对称的磁场回路，在第二定子线圈44不通电的情况下，第二定子铁芯43受到来自于上下两对环形永磁铁的磁场力大小相等，方向相反，刚好相互抵消，使第二动子组件保持静止。

当给第二定子线圈44通电，通以视图方向的逆时针电流，以左侧铁芯为例进行分析，电流方向指向纸外，产生逆时针方向的磁感线回路，与下方环形永磁铁的磁感线回路方向相同，则下方环形永磁铁形成的磁场强度得到加强，上方环形永磁铁的磁场强度被部分抵消，磁场强度变弱。则第二动子铁芯41受到的磁场合力方向向下。右侧的磁场回路呈现与左侧对称的状况，最终仍然使第二动子铁芯41受到向下的磁场力。以此类推，可知在整个环形的Z向作动器上，此时第二动子铁芯41受力向下，控制动子中心座25向下运动。改变第二定子线圈44的电流方向，则可以改变第二动子组件的受力方向。考虑到激励线圈与动子铁芯组成负刚度***，在第二动子铁芯41两侧安装环形永磁铁并呈现对称分布，同时在动子中心座25的上下两侧安装有上簧片、下簧片，整体结构在减小***负刚度的同时，增加了第二动子铁芯41的稳定性。

本实施例中，参照图8所示，所述被控对象为透镜组件，包括透镜压盖51以及通过所述透镜压盖51安装于所述动子中心座25内的透镜本体52。本发明使X、Y、Z三个方向的作动器的动子组件直接驱动被控对象进行运动，实时响应特性较好，能够实现透镜组件在X、Y、Z三个方向的稳定运动以及精密位置控制。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种新型三自由度平动作动器，其特征在于，包括：

支撑座（1）；

驱动座（2），活动连接于所述支撑座（1），连接有被控对象；

XY向驱动机构，包括分别与所述驱动座（2）相连的X向电磁作动单元（3A）和Y向电磁作动单元（3B）；

Z向驱动机构，包括与所述驱动座（2）相连的Z向电磁作动单元（4）；

其中，所述X向电磁作动单元（3A）和所述Y向电磁作动单元（3B）均包括：

第一动子组件，所述第一动子组件包括第一动子铁芯（31）以及连接于所述第一动子铁芯（31）相对两侧面上的第一永磁铁（32）；

两个第一定子组件，对称设置于所述第一动子铁芯（31）相对的两侧，所述第一定子组件包括第一定子铁芯（33）、粘接于所述第一定子铁芯（33）相对于所述第一动子铁芯（31）一面的第一定子线圈（34），所述第一定子线圈（34）在第一永磁铁（32）产生的磁场中通电，使所述第一动子组件受力，通过改变所述第一定子线圈（34）中电流方向，能够改变所述第一动子组件的出力方向，通过所述第一动子组件带动所述驱动座（2）驱动所述被控对象沿XY向平移；

其中，所述Z向电磁作动单元（4）包括：

第二动子组件，所述第二动子组件包括第二动子铁芯（41）以及连接于所述第二动子铁芯（41）相对两侧面上的第二永磁铁（42）；

两个第二定子组件，对称设置于所述第二动子铁芯（41）相对的两侧，所述第二定子组件包括第二定子铁芯（43）、粘接于所述第二定子铁芯（43）相对于所述第二动子铁芯（41）一面的第二定子线圈（44），所述第二定子线圈（44）在第二永磁铁（42）产生的磁场中通电，使所述第二动子组件受力，通过改变所述第二定子线圈（44）中电流方向，能够改变所述第二动子组件的出力方向，通过所述第二动子组件带动所述驱动座（2）驱动所述被控对象沿Z向平移。

2.根据权利要求1所述的一种新型三自由度平动作动器，其特征在于，所述驱动座（2）包括动子连接件（21）、上安装板（22）、连接于所述上安装板（22）的上弹性片（23）、连接于所述动子连接件（21）的下弹性片（24）、上下两端分别与所述上弹性片（23）和所述第二动子铁芯（41）相连的动子中心座（25）、连接于所述动子连接件（21）和所述上安装板（22）之间支撑柱（26），所述第二动子铁芯（41）连接于所述下弹性片（24），所述支撑柱（26）上下两端分别与所述上安装板（22）和所述下弹性片（24）相连。

3.根据权利要求2所述的一种新型三自由度平动作动器，其特征在于，所述动子连接件（21）上两组相对的两端边分别连接至所述X向电磁作动单元（3A）和所述Y向电磁作动单元（3B）各自的所述第一动子组件。

4.根据权利要求3所述的一种新型三自由度平动作动器，其特征在于，两个所述X向电磁作动单元（3A）和两个所述Y向电磁作动单元（3B）呈正交分布。

5.根据权利要求2所述的一种新型三自由度平动作动器，其特征在于，所述支撑座（1）包括底座（11）以及与底座（11）相连的上安装座（12），所述上安装座（12）上端面设置有X向直线导轨（13）以及滑动连接于所述X向直线导轨（13）的X轴滑板（14），所述X轴滑板（14）上端面设置有Y向直线导轨（15），所述上安装板（22）滑动连接于所述Y向直线导轨（15）。

6.根据权利要求5所述的一种新型三自由度平动作动器，其特征在于，所述底座（11）和所述上安装座（12）之间形成容置所述X向电磁作动单元（3A）、所述Y向电磁作动单元（3B）和所述Z向电磁作动单元（4）的容置腔，所述X向电磁作动单元（3A）和所述Y向电磁作动单元（3B）各自的两个所述第一定子组件分别与所述底座（11）和所述上安装座（12）相连，所述Z向电磁作动单元（4）的两个所述第二定子组件分别与所述底座（11）和所述上安装座（12）相连。

7.根据权利要求1所述的一种新型三自由度平动作动器，其特征在于，所述第一永磁铁（32）为矩形永磁铁，所述第一动子铁芯（31）呈左右对称结构，两块所述第一永磁铁（32）在所述第一动子铁芯（31）的上面和下面沿所述第一动子铁芯（31）的左右对称剖面对称设置，但磁极方向相反。

8.根据权利要求1所述的一种新型三自由度平动作动器，其特征在于，所述第二永磁铁（42）为环形永磁铁，所述第二动子铁芯（41）上下相对的两面上沿中心对称布置有四块所述第二永磁铁（42），四块所述第二永磁铁（42）能够产生在左右方向上两两对称的四个磁场回路，并且，这四个磁场回路同时关于第二动子铁芯（41）的初始位置对称。

9.根据权利要求2所述的一种新型三自由度平动作动器，其特征在于，所述被控对象为透镜组件，包括透镜压盖（51）以及通过所述透镜压盖（51）安装于所述动子中心座（25）内的透镜本体（52）。

10.根据权利要求2所述的一种新型三自由度平动作动器，其特征在于，所述上弹性片（23）和下弹性片（24）均为簧片。