CN101269489A - 一种柔性结构电热驱动镍微夹钳 - Google Patents
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Abstract
一种柔性结构电热驱动镍微夹钳，属于微机电系统技术领域中的微执行器类。其特征是驱动部分和位移放大部分通过驱动位移杆连接为一个整体结构，驱动部分为V形梁阵列，位移放大部分为集中式柔性结构，整个钳体为十杆机构，通过柔性铰链铰接。其材料为金属镍，采用UV－LIGA工艺制成。本发明的效果和益处是该柔性结构电热驱动镍微夹钳结构类型独特新颖，放大倍数高，输出位移大，响应速度快，控制简单，便于集成，适用于对微小零件进行微操作或微装配等。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统技术领域中的微执行器类，是一种柔性结构电热驱动镍微夹钳。
背景技术
微型夹持系统在MEMS中占有重要地位。微夹钳作为操作机构与微型零件之间的接口，直接与被操作物体接触，在微构件的制作，器件集成和装配过程中发挥重要作用。研究和开发适用于微型零件操作和装配的微型夹钳，是实现微系统技术产业化的一个关键环节。由于其重要性及广泛的应用，近年来它已成为微机电系统技术领域的研究热点。
微夹钳位移放大机构有刚性结构和柔性结构两种形式。采用刚性结构制作的钳体一般体积较大，制作，装配比较困难，并且难于实现微型化。相对于传统的刚性联接结构，柔性结构通过其部分或全部具有柔性的构件的弹性变形来传递运动、力和能量，具有体积小，重量轻，无磨损和运动间隙，不需润滑及装配等优点，且易于实现批量生产及驱动单元的集成。现有的柔性微夹钳在设计时多采用一些功能材料，如压电材料、形状记忆合金、磁致伸缩材料等。驱动方式也多种多样，如静电驱动、压电驱动、电磁驱动、电热驱动等。电热驱动方式与其他驱动方式相比，具有驱动电压低、结构简单、输出力和输出变形大、与制造工艺兼容等优点。
电热驱动的柔性微夹钳结构类型多种多样，输出效果也不尽相同。Young Seek Oh等人在国际学术会议(2003 ASME International MechanicalEngineering Congress)上发表了用拓补优化方法设计的电热驱动微夹钳，其驱动器同本发明相同均为V形梁阵列，但钳体结构完全不同，因而输出效果也不同。且该文献中提到的微夹钳钳口位移较小，约为10μm，钳体结构刚度较小，在夹持物体时容易产生变形。与本人已申请的两种柔性结构微夹钳(专利号：200410020675.9，200410050254.0)相比，该发明结构类型独特新颖，具有更大的输出位移，材料为金属镍，响应速度快。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构类型新颖，放大倍数高，输出位移大，响应速度快，控制简单，便于集成的柔性结构电热驱动镍微夹钳。
本发明的技术方案是一种柔性结构电热驱动镍微夹钳，其特征是驱动部分和位移放大部分通过驱动位移杆16连接为一个整体结构；驱动部分为V形梁阵列1，由驱动固定杆4a和4b固定；位移放大部分为集中式柔性结构，由钳体固定杆5a和(5b)固定；电极2a和2b位于固定杆4a和4b的表面上。
整个钳体为十杆机构，通过柔性铰链铰接，其机构原理简图如附图2所示；钳臂摇杆14a和14b的上端是夹持端15a和15b，下端通过柔性铰链12a和12b及13a和13b分别与摇杆8a和8b及11a和11b的上端铰接；摇杆8a和8b中部通过柔性铰链7a和7b与钳体固定杆5a和5b铰接，下端通过柔性铰链9a和9b与摇杆6a和6b中部铰接；摇杆6a和6b上端通过柔性铰链10a和10b与摇杆11a和11b下端铰接，下端通过柔性铰链3a和3b与驱动位移杆16上端铰接。
柔性结构电热驱动镍微夹钳V形梁阵列的“V”字开口方向是能够改变的，并且阵列中梁的数目能够从一到多改变。当V形梁阵列的方向为倒“V”字形时，夹持端实现的是张开的动作，夹持端的初始距离L可以为零；当V形梁阵列的方向为正“V”字形时，夹持端实现的是闭合的动作，夹持端的初始距离L不能为零。
柔性结构电热驱动镍微夹钳的柔性铰链7a和柔性铰链7b在摇杆8a和摇杆8b上的位置能够任意改变，柔性铰链9a和柔性铰链9b在摇杆6a和摇杆6b上的位置也能够任意改变；钳体固顶端5a和5b与V形梁阵列固定端4a和4b能够相连也能够分离。
本发明的效果和益处是该柔性结构电热驱动镍微夹钳驱动部分和位移放大部分为一整体结构，整个钳体为十杆机构，通过柔性铰链铰接，其材料为金属镍，采用UV-LIGA工艺制成。结构类型独特新颖，放大倍数高，输出位移大，响应速度快，控制简单，便于集成，适用于对微小零件进行微操作或微装配等。
附图说明
图1是柔性结构电热驱动镍微夹钳的结构示意图。
图中：1V形梁阵列；2a、2b电极；3a、3b柔性铰链；4a、4b驱动固定杆；5a、5b钳体固定杆；6a、6b摇杆；7a、7b柔性铰链；8a、8b摇杆；9a、9b柔性铰链；10a、10b柔性铰链；11a、11b摇杆；12a、12b柔性铰链；13a、13b柔性铰链；14a、14b钳臂摇杆；15a、15b夹持端；16驱动位移杆。
图2是微夹钳钳体结构的机构原理简图。
图中：3、4、5、6、7、8、9、10是摇杆；1是驱动位移杆。
图3是采用正V形梁阵列的微夹钳结构示意图。
图4是柔性铰链7a、7b位于摇杆8a、8b另一位置时的微夹钳结构示意图。
图5是驱动固定杆4a、4b和钳体固定杆5a、5b分离时的微夹钳结构示意图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
如附图1所示，在电极2a和2b之间加上合适的电压后，V形梁阵列1中有电流通过，因高阻产生热，使V形梁膨胀伸长，推动驱动位移杆16产生一个向上的力和运动。此力和运动通过柔性铰链3a、3b使摇杆6a产生逆时针转动，摇杆6b产生顺时针转动。摇杆6a通过柔性铰链9a和10a使摇杆8a和11a分别产生逆时针和顺时针转动；摇杆6b通过柔性铰链9b和10b使摇杆8b和11b分别产生顺时针和逆时针转动。摇杆8a和11a分别通过柔性铰链12a和13a将力和运动传递给钳臂摇杆14a，使之产生逆时针转动；摇杆8b和11b分别通过柔性铰链12b和13b将力和运动传递给钳臂摇杆14b，使之产生顺时针转动。此时夹持端15a、15b张开。通过改变施加在电极2a和2b之间电压的大小，能够控制夹持端L的大小。当采用正V形梁阵列时，夹持端15a、15b实现的是闭合动作。如附图3所示。
Claims (4)
1、一种柔性结构电热驱动镍微夹钳，其特征是驱动部分和位移放大部分通过驱动位移杆(16)连接为一个整体结构；驱动部分为V形梁阵列(1)，由驱动固定杆(4a)和(4b)固定；位移放大部分为集中式柔性结构，由钳体固定杆(5a)和(5b)固定；电极(2a)和(2b)位于固定杆(4a)和(4b)的表面上。
2、根据权利要求1中所述的一种柔性结构电热驱动镍微夹钳，其特征是整个钳体为十杆机构，通过柔性铰链铰接；钳臂摇杆(14a)和(14b)的上端是夹持端(15a)和(15b)；下端通过柔性铰链(12a)和(12b)及(13a)和(13b)分别与摇杆(8a)和(8b)及(11a)和(11b)的上端铰接；摇杆(8a)和(8b)中部通过柔性铰链(7a)和(7b)与钳体固定杆(5a)和(5b)铰接，下端通过柔性铰链(9a)和(9b)与摇杆(6a)和(6b)中部铰接；摇杆(6a)和(6b)上端通过柔性铰链(10a)和(10b)与摇杆(11a)和(11b)下端铰接，下端通过柔性铰链(3a)和(3b)与驱动位移杆(16)上端铰接。
3、根据权利要求1或2中所述的一种柔性结构电热驱动镍微夹钳，其特征是V形梁阵列的“V”字开口方向是能够改变的，并且阵列中梁的数目能够从一到多改变；当V形梁阵列的方向为倒“V”字形时，夹持端实现的是张开的动作，夹持端的初始距离L可以为零；当V形梁阵列的方向为正“V”字形时，夹持端实现的是闭合的动作，夹持端的初始距离L不能为零。
4、根据权利要求1或2中所述的一种柔性结构电热驱动镍微夹钳，其特征是柔性铰链(7a)和柔性铰链(7b)在摇杆(8a)和摇杆(8b)上的位置能够任意改变，柔性铰链(9a)和柔性铰链(9b)在摇杆(6a)和摇杆(6b)上的位置也能够任意改变；钳体固顶端(5a)和(5b)与V形梁阵列固定端(4a)和(4b)能够相连也能够分离。
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