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1、(10)申请公布号 CN 102607389 A (43)申请公布日 2012.07.25 CN 102607389 A *CN102607389A* (21)申请号 201210039643.8 (22)申请日 2012.02.21 G01B 7/02(2006.01) (71)申请人 上海交通大学 地址 200240 上海市闵行区东川路 800 号 (72)发明人 杨斌堂 (74)专利代理机构 上海汉声知识产权代理有限 公司 31236 代理人 郭国中 (54) 发明名称 磁力控位移装置 (57) 摘要 本发明公开了一种磁力控位移装置， 包括框 架体、 力电体、 励磁变形体和磁激励体， 其。
2、中， 力电 体和励磁变形体相接触， 并嵌入框架体中， 磁激励 体嵌入或围绕框架体， 还包括位移约束件， 位移约 束件推动导磁体在相对 yzx 方向的直线位移或 相对 方向的转动位移上进行导向， 在其 它方向上加以约束 ； 该磁力控位移装置的框架体 还可以为六面框体和中空永磁球体框架， 磁激励 体设置在框架体内部， 实现多个自由度方向上的 瞬时激励后位置变化传感功能。本发明具有位移 传感或驱动自传感一体化功能， 既可以用于直线 运动又可以用于转动驱动和传感。 组件少、 结构简 单， 紧凑、 安装方便， 成本低。 本发明可广泛应用于 位移和转角精密驱动控制领域。 (51)Int.Cl. 权利要求书。
3、 1 页 说明书 5 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 3 页 1/1 页 2 1. 一种磁力控位移装置， 其特征在于， 包括框架体、 力电体、 励磁变形体和磁激励体， 其 中， 力电体和励磁变形体相接触， 并嵌入框架体中， 所述框架体在力电体、 励磁变形体和磁 激励体的作用下形成主磁路结构， 并产生相对yzx方向的直线位移或相对方向 的转动位移。 2. 根据权利要求 1 所述的磁力控位移装置， 其特征在于， 所述框架体为导磁体， 包括第 一导磁体和第二导磁体， 第一导磁体和第二导磁体形成主磁路结构， 力电体。
4、和励磁变形体 在第一导磁体和第二导磁体的磁回路路径相一致方向上卡紧并嵌入第一导磁体， 所述磁激 励体为永磁体或电磁线圈， 其数量为一个， 在第一导磁体和第二导磁体的磁回路路径上嵌 入或围绕第二导磁体。 3. 根据权利要求 2 所述的磁力控位移装置， 其特征在于， 还包括位移约束件， 位移约束 件与第二导磁体相接触， 其中， 第一导磁体位置相对固定， 第二导磁体位于磁回路中并相对 第一导磁体移动， 位移约束件对第一导磁体和第二导磁体在相对 yzx 方向的直线位移或 相对 方向的转动位移上进行导向， 在其它方向上加以约束。 4. 根据权利要求 2 所述的磁力控位移装置， 其特征在于， 由若干个第一。
5、导磁体及嵌入 第一导磁体的力电体和励磁变形体串接组成闭合磁通路， 作为第一组合体， 由若干个第二 导磁体及嵌入或围绕第二导磁体的磁激励体串接组成闭合磁通路， 作为第二组合体， 其中， 第一组合体相对不动， 第二组合体可相对移动， 第一组合体与第二组合体之间共同形成主 磁路结构。 5. 根据权利要求 1 所述的磁力控位移装置， 其特征在于， 所述框架体、 力电体、 励磁变 形体和磁激励体集成为一体， 所述框架体为一个导磁体， 所述磁激励体为永磁体或电磁线 圈中的一种或几种， 其中， 力电体和励磁变形体嵌入框架体中， 磁激励体包裹框架体。 6. 根据权利要求 1 所述的磁力控位移装置， 其特征在于。
6、， 所述框架体为六面框架体， 在 每个框架体侧壁上对称嵌入放置若干个由力电体和励磁变形体组成的串行连接部件， 所述 磁激励体为六面永磁体， 放置在框架体内部 ； 所述框架体与磁激励体之间充满具有一定粘 弹性强度的介质， 所述介质为液体、 气体、 弹性固体、 磁场或固液气多相体。 7. 根据权利要求 6 所述的磁力控位移装置， 其特征在于， 任选地， 所述框架体内侧壁上设置隔磁材料， 所述隔磁材料为铜、 铝或非金属 ； 或所述框架体为铜、 铝或非金属隔磁材料。 8. 根据权利要求 1 所述的磁力控位移装置， 其特征在于， 所述框架体为中空永磁球体 框架， 所述磁激励体为一个中空永磁球体或导磁球体。
7、， 其中， 磁激励体放置在框架体内部 ； 所述框架体上嵌入均布的力电体和励磁变形体组成的串行连接部件。 9.根据权利要求1至8中任一项所述的磁力控位移装置， 其特征在于， 所述力电体为压 电材料体或压电传感器， 所述励磁变形体为磁致伸缩材料体。 10. 根据权利要求 2 至 5 中任一项所述的磁力控位移装置， 其特征在于， 所述位移导向 约束件为直线轴承或转动轴承。 权 利 要 求 书 CN 102607389 A 2 1/5 页 3 磁力控位移装置 技术领域 0001 本发明涉及一种力控位移装置， 具体是一种磁力控位移装置。 背景技术 0002 传感、 驱动装置是自动化和控制领域的必须器件。。
8、 随着自动控制技术的发展， 对使 用方便、 可靠的传感和驱动装置要求越来越高。但是， 目前的驱动传感装置往往是分离了， 即驱动是驱动器件， 传感是传感器件。 支撑驱动传感一体化运动控制系统时， 也只是简单地 将两种系统放在一起使用。这样所形成的系统往往集成性不好， 驱动和传感信号的同时性 和一致性不佳， 并且所使用的传感器往往需要有电源支持的等缺陷。 0003 经过对现有技术的检索发现， 2005.08.24 公开的中国专利， 公告号为 CN2720584， 其公开了一种电磁致动器， 特别涉及电磁致动器铁心。其技术方案是， 电磁致动器， 包括 定铁心和动铁心 ； 所述定铁心与动铁心的接触端呈相。
9、互匹配的凹凸形状 ； 所述铁心为圆柱 体 ； 所述凹凸形状为圆锥体 ； 所述圆锥体顶点在铁心轴线上。本发明的有益效果是， 增加了 铁心吸合时的导磁面积， 铁心吸力更强 ； 减小了铁心的颤动， 动铁心动作可靠， 噪声降低。 0004 但是， 这种驱动器存在缺点， 就是其虽然通过增加导磁面积增加驱动力和稳定性， 减小了振动等， 但是其缺少驱动过程中对驱动的传感性能， 不具备利用导磁面积变化过程 产生磁场强度而同时实现驱动和驱动传感功能， 不具备在自动控制领域所实际需求的传感 驱动一体化 “智能” 驱动特性。 发明内容 0005 本发明针对现有技术中存在的上述不足， 提供了一种可以形成直线或角度位移。
10、传 感、 及精密位移及角度转动传感和驱动一体化的磁力控位移装置。 0006 本发明是通过以下技术方案实现的。 0007 一种磁力控位移装置， 包括框架体、 力电体、 励磁变形体和磁激励体， 其中， 力电体 和励磁变形体相接触， 并嵌入框架体中， 所述框架体在力电体、 励磁变形体和磁激励体的作 用下形成主磁路结构， 产生相对yzx方向的直线位移或相对方向的转动 位移。 0008 所述框架体为导磁体， 包括第一导磁体和第二导磁体， 第一导磁体和第二导磁体 形成主磁路结构， 力电体和励磁变形体在第一导磁体和第二导磁体的磁回路路径相一致方 向上卡紧并嵌入第一导磁体， 磁激励体数量为一个， 在第一导磁体。
11、和第二导磁体的磁回路 路径上嵌入或围绕第二导磁体。 0009 所述磁力控位移装置还包括位移约束件， 位移约束件与第二导磁体相接触， 其中， 第一导磁体位置相对固定， 第二导磁体位于磁回路中并相对第一导磁体移动， 位移约束件 对第一导磁体和第二导磁体在相对 yzx 方向的直线位移或相对 方向的转动位 移上进行导向， 在其它方向上加以约束。 0010 由若干个第一导磁体及嵌入第一导磁体的力电体和励磁变形体串接组成闭合磁 通路， 作为第一组合体， 由若干个第二导磁体及嵌入或围绕第二导磁体的磁激励体串接组 说 明 书 CN 102607389 A 3 2/5 页 4 成闭合磁通路， 作为第二组合体， 。
12、其中， 第一组合体相对不动， 第二组合体可相对移动， 第一 组合体与第二组合体之间共同形成主磁路结构。 0011 所述框架体、 力电体、 励磁变形体和磁激励体集成为一体， 所述框架体为一个导磁 体， 所述磁激励体为永磁体或电磁线圈中的一种或几种， 其中， 力电体和励磁变形体嵌入框 架体中， 磁激励体包裹框架体。 0012 所述框架体为六面框架体， 在每个框架体侧壁上对称嵌入放置若干个由力电体和 励磁变形体组成的串行连接部件， 所述磁激励体为六面永磁体， 放置在框架体内部 ； 所述框 架体与磁激励体之间充满具有一定粘弹性强度的介质， 所述介质为液体、 气体、 弹性固体、 磁场或固液气多相体。 0。
13、013 任选地， 所述框架体内侧壁上设置隔磁材料， 所述隔磁材料为铜、 铝或非金属 ； 0014 或所述框架体为铜、 铝或非金属隔磁材料。 0015 所述框架体为中空永磁球体框架， 所述磁激励体为一个中空永磁球体或导磁球 体， 其中， 磁激励体放置在框架体内部 ； 所述框架体上嵌入均布的力电体和励磁变形体组成 的串行连接部件。 0016 所述力电体为压电材料体或压电传感器， 所述励磁变形体为磁致伸缩材料体。 0017 所述位移导向约束件为直线轴承或转动轴承。 0018 对于框架体为第一导磁体和第二导磁体的情况， 工作时， 其重合面积的大小与这 两个导磁体在其运动方向上的相对位移 yzx 或产生。
14、相对的 方向 的转动成正比。 至此我们可以由电信号的大小判断两个导磁体在其运动方向上的相对位移 或产 生相对的转动转角， 从而实现一种位移或转动传感器 ； 对于框架体、 力电体、 励磁变形 体和磁激励体集成为一体时， 其工作原理与框架体为两个相对移动的导磁体时相同。 0019 对于框架体为六面框架体体的情况， 磁激励体为六面磁激励体， 位于六面框架体 内部的一确定位置， 例如， 在微重力环境下， 可以实现位于几何中心不动， 并且位于六面框 架体侧壁上的力电体的电信号为一初始值或设置为零值， 此时， 当六面框架体受到瞬时激 励时， 六面磁激励体和六面框架体之间将发生平动或转动或平转动的相对位置变。
15、化， 此时 位于六面框架体上与六面磁激励体靠近或远离的一组力电体将产生相应位置变化的电信 号， 通过电桥电路或信号差分等电信号处理分析过程， 可以得到一个与初始位置电信号的 变化信号， 该变化信号的量值与六面磁激励体相对六面框架体的位置变化量相对应， 这样， 可以实现六面框架体在六个自由度方向上的瞬时激励后位置变化传感功能 ； 对于框架体为 中空永磁球体框架的情况， 其工作原理与框架体为六面框架体时相同， 且基于磁斥力作用， 其可以实现如在非微重力环境的初始位置对中。 0020 与现有技术相比， 本发明包括以下优点 ： 具有位移传感或驱动自传感一体化功能， 既可以用于直线运动又可以用于转动驱动。
16、和传感。 组件少、 结构简单， 紧凑、 安装方便， 成本 低。本发明可广泛应用于位移和转角精密驱动控制领域。 附图说明 0021 图 1 为本发明实施例 1 结构示意图 ； 0022 图 2 为本发明实施例 1 位移状态示意图 ； 0023 图 3 为本发明实施例 4 结构示意图 ； 说 明 书 CN 102607389 A 4 3/5 页 5 0024 图 4 为本发明实施例 5 结构示意图 ； 0025 图 5 为本发明实施例 6 结构示意图 ； 0026 图 6 为本发明实施例 7 结构示意图 ； 0027 图中， 1 为框架体， 2 为力电体， 3 为励磁变形体， 4 为磁激励体， 5。
17、 为位移导向约束 件， 6 为隔磁材料， 8 为介质。 具体实施方式 0028 下面对本发明的实施例作详细说明 ： 本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程， 但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。 0029 实施例 1 0030 如图 1 所示， 本实施例提供的磁力控位移装置为线位移或角位移传感器。包括框 架体 1、 力电体 2、 励磁变形体 3、 磁激励体 4 和位移导向约束件 5。其中， 框架体 1 为导磁 体， 包括第一导磁体和第二导磁体， 第一导磁体和第二导磁体在力电体 2、 励磁变形体 3、 磁 激励体 4 的作用下形成主磁路结构， 并。
18、可以产生相对的 yzx 方向的直线位移， 如图 2(a) 和 (b) 所示 ； 或产生相对的 方向的转动位移， 如图 2(c)、 (d) 和 (e) 所示。力电 体 2 和励磁变形体 3 相接触， 两者在第一导磁体和第二导磁体的磁回路路径相一致方向上 卡紧并嵌入第一导磁体 ； 同时磁激励体 4 在磁回路路径上嵌入或围绕第二导磁体 ； 位移导 向约束件 5 为直线轴承或转动轴承类器件， 并与第二导磁体相接触， 第一导磁体位置相对 固定， 第二导磁体位于磁回路中并相对第一导磁体移动， 位移约束件 5 对第一导磁体和第 二导磁体在相对yzx方向的直线位移或相对方向的转动位移上进行导向， 而在 其它方。
19、向上加以约束。在本实施例中， 所采用的磁激励体 4 为永磁体， 励磁变形体 3 为磁致 伸缩材料体。工作时， 作为磁激励体 4 的永磁体产生的磁场将通过两个相对错位的第一导 磁体和第二导磁体及这两个导磁体之间的间隙空气形成一个闭合磁路。此时， 第一导磁体 位置相对固定， 第二导磁体位于磁回路中并相对第一导磁体移动。 那么， 该闭合磁路中磁场 强度的大小与相对移动的第一导磁体和第二导磁体的相邻部分重合面积的大小成正比， 即 随着推动过程， 两个导磁体之间端口面积重合程度越大， 两个导磁体中导通的磁力线越多， 磁通量密度即磁场强度就越大 ； 与前述反向推动， 则重合程度越小， 框架体 1 中磁场强。
20、度就 越小。对于该实施例提供的磁力控位移装置， 力电体 2 和励磁变形体 3 相接触， 两者在第一 导磁体和第二导磁体的磁回路路径相一致方向上卡紧并嵌入第一导磁体， 由于励磁变形体 3 受磁激励可以产生变形， 并且变形的大小随所受磁场激励强度增加而增大， 此时由于力电 体 2 和励磁变形体 3 相接触并被卡紧在一起， 则该变形能将以输出力的形式作用于力电体 2 上， 力电体 2 在此时实例中为压电材料体或压电传感器， 因此产生一个对应的电信号， 该 电信号的大小与励磁变形体3的变形量即与致使励磁变形体3产生输出力的磁场强度成正 比， 即与两个相对移动的框架体 1 的相对面的重合面积的大小成正比。
21、。重合面积越大， 压电 信号越强。对于两个相对移动的导磁体， 其重合面积的大小与这两个导磁体在其运动方向 上的相对位移 yzx 或产生相对的 方向的转动成正比。至此我们 可以由电信号的大小判断两个导磁体在其运动方向上的相对位移或产生相对的转动转角， 从而实现一种 位移或转动传感器。 说 明 书 CN 102607389 A 5 4/5 页 6 0031 实施例 2 0032 实施例 2 为实施例 1 的变化里。如图 1 所示， 本实施例提供的磁力控位移装置可 以为一个可以实现线位移或角位移驱动并可以对驱动相对位移进行自传感的驱动传感一 体化装置。在此时实例中， 磁激励体 4 为一个嵌在或包裹第。
22、二导磁体的电磁线圈， 其它组件 同实施例 1。 0033 对电磁线圈通入激励电流， 线圈电磁场将通过两个导磁体和这两个导磁体之间的 间隙空气形成一个闭合磁路。由于在电磁场作用下， 两个导磁体相对面或相对端口面将会 由初始不重合位置变为吸合靠拢位置， 此过程中基于实施例 1 的原理， 当电磁信号强度不 变时， 力电体 2 产生的电信号会随着两个导磁体闭合程度的加大而增强， 从而实现基于电 信号的变化判断两个导磁体从初始到实现吸合过程的位移或转动角度变化， 从而实现基于 电磁场作用的位移传感。 0034 在以上运动过程中， 由于电磁力作用， 同时实现了两个导磁体由不闭合到闭合的 主动吸合运动过程，。
23、 所以本实施例还是一种在外部激励电流作用下的位移或转动驱动装 置， 并且该驱动过程的位移 / 转动变化量可以被同时感知， 从而实现一种驱动传感一体化 的磁力控位移装置。 0035 实施例 3 0036 对于实施例2所述情形， 当两个框架体1处在吸合状态下， 虽然两个导磁体相对位 置不再发生变化， 但是此时如果第二导磁体中的电流强度继续发生改变， 那么变化电流产 生的变化磁场致使励磁变形体 3 变形使力电体 2 产生对应的电信号， 该电信号的大小变化 与励磁场强度即与磁激励体 4 上施加的电流强度成正比， 所以本实施例装置还可以是一种 电流强度或磁场强度传感装置。 0037 实施例 4 0038。
24、 本实施例中， 如图 3 所示， 将两个或两个以上实施例 1 或实施例 2 中所述的一种或 几种装置串接组成如图 3 所示的闭合磁通路， 包括第一组合体和第二组合体。其中第一组 合体结构部分相对不动， 而第二组合体结构部分可相对移动。并且第二组合体结构上下部 分中分别设置的磁激励体 4 可以为永磁体或电磁线圈中的一种或几种。 0039 当第二组合体结构上下部分中设置的磁激励体 4 同为电磁线圈时， 本实施例装置 可以通过对两个线圈交替通入电流， 其驱动机理同实施例 2， 产生如图 3 所示的上下往复驱 动过程， 从而实现基于双线圈交替激励的往复驱动和驱动位移自传感装置。 0040 同理， 当第。
25、二组合体结构上下部分中一个磁激励体 4 为电磁线圈， 另一个磁激励 体 4 为永磁体时， 本实施例装置可以通过对电磁线圈通入电流， 其驱动机理同实施例 2， 而 产生向电磁线圈所在位置方向驱动过程， 之后， 对电磁线圈断电， 此时永磁体作用， 在永磁 体磁场作用下， 本实施例装置产生向永磁体所在位置方向复位驱动过程， 从而实现基于一 个电磁线圈和一个永磁体交替激励的往复驱动和驱动位移自传感装置。 0041 实施例 5 0042 本实施例中， 如图 4 所示， 所述的框架体 1、 力电体 2、 励磁变形体 3 和磁激励体 4 具有集成为一体的形式， 其中， 框架体 1 为导磁体， 磁激励体 4 。
26、为永磁体或电磁线圈中的一 种或几种。磁激励体 4 包裹框架体 1， 框架体 1 中嵌入力电体 2 和励磁变形体 3。工作时， 驱动传感实现机理同前述实施例 1-4。 说 明 书 CN 102607389 A 6 5/5 页 7 0043 实施例 6 0044 本实施例中， 可以实现两个以上传感并行结构， 通过组合力电传感信号进行传感 工作的形式。如图 5 和所示， 是一个由框架体 1 组成的六面框架体， 在框架体的每个侧壁上 对称嵌入放置两个或两个以上由力电体 2 和励磁变形体 3 组成的串行连接部件。在组成框 架体1的六面框架体内部放置一六面磁激励体4， 六面框架体和六面磁激励体4之间充满具。
27、 有一定粘弹性强度的介质 8， 该介质 8 可以是液体或气体或弹性固体或磁场或固液气多相 体。 六面磁激励体4为永磁体， 且可以相对框架体1组成的六面框架体实现xyz或 产生相对的 方向的转动。初始时， 六面磁激励体 4 位于六面框架体内部的 一确定位置， 如位于几何中心不动 ( 如在微重力环境下可以实现 )， 并且位于六面框架体侧 壁上的力电体 2 的电信号为一初始值或设置为零值。此时， 当六面框架体受到瞬时激励时， 六面磁激励体 4 和六面框架体之间将发生平动或转动或平转动的相对位置变化， 与实施例 1相同的原理， 此时位于六面框架体框架上与六面磁激励体4靠近或远离的一组力电体2将 产生相。
28、应位置变化的电信号， 通过电桥电路或信号差分等电信号处理分析过程， 可以得到 一个与初始位置电信号的变化信号。该变化信号的量值与六面磁激励体 4 相对六面框架体 的位置变化量相对应。 这样， 可以实现六面框架体在 六个自由度方向上的瞬时激励后位置 变化传感功能。 0045 在本实施例中， 磁激励体 4 为六面永磁体， 其可能与框架体 1 内侧壁吸合， 在框架 体 1 内侧壁上设置如铜、 铝或非金属等隔磁材料 6， 以降低被吸合的可能性。或者， 框架体 1 的材料为铜或铝或非金属等隔磁材料， 用以降低被吸合的可能性。 0046 实施例 7 0047 基于实施例6， 本实施例如图6所示， 框架体1。
29、为永磁体， 磁激励体4为一个中空的 永磁球体， 其充磁方向为内部 N 极外部 S 极， 框架体 1 为一个较大的中空永磁球体框架， 其 充磁方向为内部 S 极外部 N 极， 并且作为磁激励体 4 的中空永磁球体放置在较大的中空永 磁球体框架内部。由于它们磁场磁极相反， 并且是球形对称结构， 那么磁激励体 4 将被悬浮 在永磁球体框架中央 ； 同时在永磁球体框架上嵌入均布的力电体 2 和励磁变形体 3 组成的 串行连接部件。这样， 基于实施例 6 的原理， 作为框架体 1 的中空永磁球体框架在任意平动 方向上的瞬时位移可以实现传感监测。 0048 本实施例中磁激励体 4 也可以为一个导磁球体， 。
30、该磁激励体 4 在框架体 1 均匀吸 力作用下也将被初始悬浮在中央位置。基于实施例 6 的原理， 该磁激励体与框架体发生相 对位移时， 框架体上与发生位移变化靠近位置发生局部磁场改变， 致使该局部位置处的力 电体产生信号。 0049 以上对本发明的实施例作了详细说明， 是以本发明技术方案为前提下进行实施， 但本发明的保护范围不限于上述的实施例。 说 明 书 CN 102607389 A 7 1/3 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 102607389 A 8 2/3 页 9 图 2 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102607389 A 9 3/3 页 10 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 102607389 A 10 。