一种基于mems三维线圈的超微型音圈电机
阅读说明：本技术 一种基于mems三维线圈的超微型音圈电机 (Ultra-miniature voice coil motor based on MEMS three-dimensional coil ) 是由 徐天彤 李海旺 朱凯云 夏双枝 王东辉 王文斌 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于MEMS三维线圈的超微型音圈电机,包括磁轭,所述磁轭内部形成为容纳腔,所述磁轭的容纳腔内具有舌部；以及永磁体,所述永磁体的数量为两片,两片所述永磁体对称布置于所述容纳腔的顶部和底部；所述三维线圈开设有铁芯槽,所述磁轭的舌部穿过所述铁芯槽以与所述三维线圈间隙配合；所述磁轭的一端具有挡板,两片所述永磁体同级相对设置,且该音圈电机的动子为所述三维线圈、或所述磁轭和永磁体。本发明的音圈电机以MEMS工艺制作的可插入铁芯的微型螺线管线圈解决了音圈电机中线圈难以微型化、批量生产的问题；三维线圈与E型磁轭沉积有润滑层并让磁轭与三维线圈间隙配合,降低了摩擦阻力。(The invention discloses an ultra-miniature voice coil motor based on an MEMS three-dimensional coil, which comprises a magnetic yoke, wherein an accommodating cavity is formed in the magnetic yoke, and a tongue part is arranged in the accommodating cavity of the magnetic yoke; the number of the permanent magnets is two, and the two permanent magnets are symmetrically arranged at the top and the bottom of the accommodating cavity; the three-dimensional coil is provided with an iron core groove, and a tongue part of the magnetic yoke penetrates through the iron core groove to be in clearance fit with the three-dimensional coil; one end of the magnetic yoke is provided with a baffle, the two permanent magnets are oppositely arranged in the same grade, and the rotor of the voice coil motor is the three-dimensional coil or the magnetic yoke and the permanent magnets. The micro solenoid coil which is manufactured by the voice coil motor through the MEMS process and can be inserted into the iron core solves the problems that the coil in the voice coil motor is difficult to miniaturize and is difficult to produce in batches; the three-dimensional coil and the E-shaped magnetic yoke are deposited with a lubricating layer, and the magnetic yoke and the three-dimensional coil are in clearance fit, so that the friction resistance is reduced.)
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS)
技术领域
，尤其涉及一种基于MEMS三维线圈的超微型音圈电机。背景技术
音圈电机是一种特殊的直线驱动电机，其原理是通电导线在磁场中会受到力的作用，由于其结构和原理与扬声器很像，因此称之为音圈电机。
音圈电机不需要传动机构就可以实现直线往复运动，具有结构简单、高响应、控制简单、可小型化等优点，广泛应用在光学镜头、高精度位移平台、磁盘、激光唱片定位等精密定位系统中；近年来，音圈电机在微型飞行器、微泵等驱动系统中的应用潜力也在不断被开发，这也对直线电机的体积、行程、行程推力以及能量密度等参数提出了更高的要求。
现有技术中，参见图1所示，现有的音圈电机为圆筒形，音圈电机所使用的磁力线由环形磁钢N极出发，经底座-铁芯-线圈后进入环形磁钢S极，线圈通电后即可在安培力的作用下运动。
而随着微型飞行器、微泵、微型机器人等微型器件对小体积要求的不断提高，音圈电机作为其动力方式，也需要朝着体积小、质量轻、能量密度高等方面发展。常规的圆筒形音圈电机，由于微型三维线圈结构难以批量生产，整机结构较为复杂、微型圆筒永磁体径向充磁困难以及底座、铁芯、外壳之间的空腔形状不易加工等问题，在小型化方面遇到了非常大的困难。
参见图2所示，申请号为202011069860.2的中国发明专利申请中公开了一种超小体积音圈电机，试图在超微型音圈电机方面有所突破，虽然在一定程度上简化了常规音圈电机结构，解决了微型环形永磁体径向充磁问题，但是仍然存在不少缺陷：
1、首先是线圈绕制问题，内径为1.5mm，外径为1.9mm，高度为1mm的线圈支架、绕制0.04mm线径的漆包线等步骤，在所要求的尺寸下，常规工艺手段并不容易实现，这就限制了该种音圈电机的大批量生产；
2、永磁体的磁极并不是正对线圈，虽然有磁轭束磁，但是很明显漏磁仍旧会非常大，对磁铁的利用率不够；
3、动子和静子之间没有导轨/润滑等减少摩擦以及限位的方式，运动不可控；
4、在尺寸如此小的情况下还需要保证部件同轴，对装配也提出很高要求。
另外，现有技术中，申请号为200810012338.3的一篇中国发明专利公开了一种微型直线电机及其驱动方式；以及申请号为202020069335.X的一篇中国实用新型专利公开了一种音圈电机尝试实现音圈电机的微型化，但是也都有大量上述提出的常规圆筒形音圈电机的问题存在。
而申请人于2018年12月11日申请的一篇名为《一种MEMS直线形螺线管电感器及其制造方法》，公开了一种基于MEMS的直线形螺线管电感器，其很好地解决了现有技术中存在的上述问题，因此，本领域的技术人员亟需基于该MEMS三维线圈研发一种适用于该MEMS三维线圈的音圈电机结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种整机装配简单、体积小、质量小、推力和能量密度高、能够大批量生产、完全可以满足微型飞行器、微泵、微型机器人等动力系统的使用要求的基于MEMS三维线圈的超微型音圈电机。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的基于MEMS三维线圈的超微型音圈电机，该音圈电机具有线圈，所述线圈为基于MEMS的三维线圈，所述音圈电机包括：
磁轭，所述磁轭内部形成为容纳腔，所述磁轭的容纳腔内具有舌部；以及
永磁体，所述永磁体的数量为两片，两片所述永磁体对称布置于所述容纳腔的顶部和底部；
所述三维线圈开设有铁芯槽，所述磁轭的舌部穿过所述铁芯槽以与所述三维线圈间隙配合；
所述磁轭的一端具有挡板；
两片所述永磁体同级相对设置，且该音圈电机的动子为所述三维线圈、或所述磁轭和永磁体。
进一步的，所述磁轭被配置为E型磁轭结构；
所述磁轭包括：
外铁芯，所述外铁芯具有上颚和下颚；以及
形成于所述外铁芯内部的所述舌部；
所述磁轭的一端形成为开放结构，且所述磁轭的开放结构一端安装有所述挡板；
所述磁轭通过多层粘连的E型硅钢片，且该磁轭沉积润滑涂层；
所述磁轭的真空气相沉积一层parylene，沉积厚度小于10μm。
进一步的，布置于上部的所述永磁体放置于所述上颚朝向所述舌部一侧，布置于下部的所述永磁体放置于所述下颚朝向所述舌部一侧；
所述上颚与所述舌部之间的空间大于所述永磁体和所述三维线圈的厚度之和；
所述下颚与所述舌部之间的空间大于所述永磁体和所述三维线圈的厚度之和。
进一步的，该音圈电机的运动模式被配置为：
当所述三维线圈为动子时，所述磁轭和所述永磁体为静子，所述三维线圈沿所述舌部的延伸轨迹直线运动；或
当所述三维线圈为静子时，所述磁轭和所述永磁体为动子，所述磁轭和所述永磁体沿所述舌部的延伸轨迹直线运动。
进一步的，所述三维线圈的铁芯槽开槽高度为0.9mm，所述铁芯槽的开槽宽度为3.6mm；
所述舌部的厚度为0.7mm，所述舌部的宽度为3.3mm。
进一步的，所述磁轭的上颚的长度为4.0mm，所述上颚的宽度为3.3mm；
所述磁轭的下颚的长度为4.0mm，所述下颚的宽度为3.3mm；
所述上颚与所述舌部之间的空间的高度为1.05mm；
所述下颚与所述舌部之间的空间的高度为1.05mm。
进一步的，所述永磁体被配置为四边形薄片结构；
所述永磁体的长度范围为2mm-5mm；
所述永磁体的宽度范围为2mm-5mm；
所述永磁体的厚度范围为0.4mm-0.5mm。
进一步的，所述永磁体的长度为3.3mm，所述永磁体的宽度为2.5mm，所述永磁体的厚度为0.5mm。
进一步的，所述永磁体选用钕铁硼永磁体。
在上述技术方案中，本发明提供的一种基于MEMS三维线圈的超微型音圈电机，具有以下有益效果：
本发明的音圈电机以MEMS工艺制作的可插入铁芯的微型螺线管线圈解决了音圈电机中线圈难以微型化、批量生产的问题；三维线圈与E型磁轭沉积有润滑层并让磁轭与三维线圈间隙配合，降低了摩擦阻力。
本发明的音圈电机以四边形结构的永磁体解决了传统圆筒形音圈电机在微型化时，环形永磁体充磁困难的问题，永磁体正对线圈布置，磁感应强度最大化，充分利用永磁体。
本发明的音圈电机的E型磁轭既有束磁效果，同时也是装配永磁体的外壳，简化了结构，便于装配以及微型化，磁轭为多层粘连，减小了涡流损耗。三维线圈采用大引脚设计，便于解决实际使用时接电稳固的问题。
本发明的音圈电机的三维线圈以及磁轭和永磁体都可以作为动子，并以磁轭端部的挡板作为隔磁材料，利用永磁体的同级相斥以及永磁体与磁轭的吸引力，让永磁体可以较为稳固地的放置在磁轭中，位置确定后再固定位置。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的音圈电机的结构示意图一；
图2为现有技术中的音圈电机的结构示意图二；
图3为本发明实施例提供的音圈电机适配的基于MEMS工艺制作的三维线圈的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的基于MEMS三维线圈的超微型音圈电机的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的基于MEMS三维线圈的超微型音圈电机的磁轭的主视图；
图6为本发明实施例提供的基于MEMS三维线圈的超微型音圈电机的磁轭的侧视图；
图7为本发明实施例提供的基于MEMS三维线圈的超微型音圈电机的永磁体的主视图；
图8为本发明实施例提供的基于MEMS三维线圈的超微型音圈电机的永磁体的侧视图；
图9为本发明实施例提供的基于MEMS三维线圈的超微型音圈电机的三维线圈的主视图；
图10为本发明实施例提供的基于MEMS三维线圈的超微型音圈电机的三维线圈的侧视图。
附图标记说明：
1、磁轭；2、三维线圈；3、永磁体；4、挡板；
101、上颚；102、下颚；103、舌部；
201、铁芯槽。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
参见图4～图10所示；
本发明的基于MEMS三维线圈的超微型音圈电机，该音圈电机具有线圈，线圈为基于MEMS的三维线圈2，音圈电机包括：
磁轭1，磁轭1内部形成为容纳腔，磁轭1的容纳腔内具有舌部103；以及
永磁体3，永磁体3的数量为两片，两片永磁体3对称布置于容纳腔的顶部和底部；
三维线圈2开设有铁芯槽201，磁轭1的舌部103穿过铁芯槽201以与三维线圈2间隙配合；
磁轭1的一端具有挡板4；
两片永磁体3同级相对设置，且该音圈电机的动子为三维线圈2、或磁轭1和永磁体3。
具体的，本实施例公开的音圈电机主要包括磁轭1、永磁体3和三维线圈2，首先介绍三维线圈2，参见图3所示，本实施例的三维线圈2是基于MEMS工艺制造而成，其中心开设有能够供磁轭1的舌部103穿设的铁芯槽201，该三维线圈2不包含铁芯结构，铁芯槽201与外界相同，允许磁轭插入，并实现三维线圈2与磁轭1的相对直线运动，因此，线圈加工时是不包含铁氧体磁芯电镀第一步骤的。同时，在MEMS三维线圈加工完成后，在铁芯槽201四周沉积润滑涂层，减少直线运动时的摩擦，例如真空气相沉积一层parylene，沉积厚度在10μm以下。为了使线圈与电源接电方便，在水平槽两边有较大的引脚设计。为了能够与基于MEMS工艺制作的三维线圈2配合，设计了本实施例的磁轭1和永磁体3，从而组成音圈电机。本实施例的磁轭1中心具有舌部103，该舌部103能够穿设于三维线圈2的铁芯槽201内，并且呈间隙配合，在上下两个位置分别设计了一个永磁体3，且两片永磁体3同级相对设置，这样可以在永磁体3之间的同级相斥、以及永磁体3与磁轭1的吸引力的作用下，永磁体3可以较为稳固地放置在磁轭1中，位置确定后再用粘胶固定位置。
优选的，本实施例的磁轭1被配置为E型磁轭结构；
磁轭1包括：
外铁芯，外铁芯具有上颚101和下颚102；以及
形成于外铁芯内部的舌部103；
磁轭1的一端形成为开放结构，且磁轭1的开放结构一端安装有挡板4；
磁轭1通过多层粘连的E型硅钢片，且该磁轭1沉积润滑涂层；
磁轭1的真空气相沉积一层parylene，沉积厚度小于10μm。
其中，更为具体的是：
布置于上部的永磁体3放置于上颚101朝向舌部103一侧，布置于下部的永磁体3放置于下颚102朝向舌部103一侧；
上颚101与舌部103之间的空间大于永磁体3和三维线圈2的厚度之和；
下颚102与舌部103之间的空间大于永磁体3和三维线圈2的厚度之和。
装配式，E型结构的磁轭1的舌部103插入到三维线圈2的铁芯槽201内，并且呈间隙配合，保证相对直线运动时摩擦力小，同时，上下空间的尺寸也对应地略大于永磁体3和三维线圈2的厚度之和，这样就可以进一步保证直线运动的进行。
该音圈电机的运动模式被配置为：
当三维线圈2为动子时，磁轭1和永磁体3为静子，三维线圈2沿舌部103的延伸轨迹直线运动；或
当三维线圈2为静子时，磁轭1和永磁体3为动子，磁轭1和永磁体3沿舌部103的延伸轨迹直线运动。
作为一种优选的实施方式：
三维线圈2的铁芯槽201开槽高度为0.9mm，铁芯槽201的开槽宽度为3.6mm；
舌部103的厚度为0.7mm，舌部103的宽度为3.3mm。
磁轭1的上颚101的长度为4.0mm，上颚101的宽度为3.3mm；
磁轭1的下颚102的长度为4.0mm，下颚102的宽度为3.3mm；
上颚101与舌部103之间的空间的高度为1.05mm；
下颚102与舌部103之间的空间的高度为1.05mm。
其中，本实施例的永磁体3被配置为四边形薄片结构；
永磁体3的长度范围为2mm-5mm；
永磁体3的宽度范围为2mm-5mm；
永磁体3的厚度范围为0.4mm-0.5mm。
更为优选的是：永磁体3的长度为3.3mm，永磁体3的宽度为2.5mm，永磁体3的厚度为0.5mm。
永磁体3选用钕铁硼永磁体。
在上述技术方案中，本发明提供的一种基于MEMS三维线圈的超微型音圈电机，具有以下有益效果：
本发明的音圈电机以MEMS工艺制作的可插入铁芯的微型螺线管线圈解决了音圈电机中线圈难以微型化、批量生产的问题；三维线圈2与E型磁轭沉积有润滑层并让磁轭1与三维线圈2间隙配合，降低了摩擦阻力。
本发明的音圈电机以四边形结构的永磁体3解决了传统圆筒形音圈电机在微型化时，环形永磁体充磁困难的问题，永磁体3正对线圈布置，磁感应强度最大化，充分利用永磁体3。
本发明的音圈电机的E型磁轭既有束磁效果，同时也是装配永磁体3的外壳，简化了结构，便于装配以及微型化，磁轭为多层粘连，减小了涡流损耗。三维线圈2采用大引脚设计，便于解决实际使用时接电稳固的问题。
本发明的音圈电机的三维线圈2以及磁轭1和永磁体3都可以作为动子，并以磁轭1端部的挡板4作为隔磁材料，利用永磁体3的同级相斥以及永磁体3与磁轭1的吸引力，让永磁体3可以较为稳固地的放置在磁轭1中，位置确定后再固定位置。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
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