CN102581854A - 压电驱动式微夹持器 - Google Patents

Abstract

一种压电驱动式微夹持器，其包括压电驱动部分与检测夹持部分，所述压电驱动部分包括驱动元件、椭圆型梁放大机构、杠杆放大机构以及铰链连接机构，所述椭圆型梁放大机构包括对称设置的第一弧形梁及第二弧形梁，所述杠杆放大机构包括第一悬臂梁及第二悬臂梁，所述驱动元件运动带动椭圆型梁放大机构变形，所述椭圆型梁放大机构变形带动杠杆放大机构运动，所述检测夹持部分包括两个相对设置的夹持臂，每一所述夹持臂上集成有两个压阻传感器，所述的四个压阻传感器组成一全桥检测结构。本发明通过椭圆型梁放大机构和杠杆放大机构的二次放大，实现足够大的夹持器张合量；同时，借助四个压阻传感器组成一全桥检测结构，实现了夹持力的精确反馈。

Description

压电驱动式微夹持器

技术领域

本发明涉及一种微操作作业工具，尤其涉及一种用于夹持微小物体的微夹持器。

背景技术

微机电系统(MEMS)是指可批量制作、集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路以及接口、通信和电源等于一体的微系统。MEMS不仅可以降低系统成本，而且还可以完成许多传统的大尺寸机电系统所无法完成的任务，如微观对象灵活操作。微夹持器是MEMS的关键组成部分，是沟通宏观与微观世界的基本工具，在微机电系统的研究及微型产品的研制开发中发挥着重要的作用。

微夹持器应用于微装配等领域，并且，微夹持器在精密仪器、生物医学、航空航天及军事领域都有着广泛的应用前景。微装配机器人在微零件装配、微机电系统、精密光学等领域有着广泛的应用前景。而微夹持器作为微装配机器人的末端执行器，直接决定机器人的工作效果。研究具有微感知功能的微夹持器是微装配机器人研究中的一个重点和难点。

微夹持器按照驱动方式划分可分为压电驱动、热驱动、静电驱动、电磁驱动等类型。其中，压电驱动通常与放大结构配合使用，驱动力大，位移小。其中，压电驱动微夹持器由压电驱动器(PZT)、内外悬臂梁组成的柔性铰链放大机构和夹持臂组成。当压电驱动器施加电压伸长时推动外悬臂梁运动，使得外悬臂梁运动方向改变，带动微夹持臂动作，根据杠杆原理，微夹持臂的位移量大大增加(一般是放大前的十几倍到几百倍)，每一夹持臂的最大位移可达240um。

如图1所示，图1为常规纵效应驱动的压电元件示意图。所述常规纵效应驱动的压电元件1的极化方向(P)及施加电场方向(E)，两者均为所述常规纵效应驱动的压电元件1的长度方向(平行设置)，通过所述极化方向(P)及施加电场方向(E)所产生的应力，使所述常规纵效应驱动的压电元件1产生纵向的变形(如虚线所示)，以形成纵向驱动力。

如图2所示，图2为常规横效应驱动的压电元件示意图。所述常规横效应驱动的压电元件2的极化方向(P)及施加电场方向(E)，两者均为所述常规横效应驱动的压电元件2的宽度方向(平行设置)，通过所述极化方向(P)及施加电场方向(E)所产生的应力，使所述常规纵效应驱动的压电元件2产生横向的变形(如虚线所示)，以形成横向驱动力。

上述所述常规纵效应驱动的压电元件1及所述常规横效应驱动的压电元件2所分别产生的纵效应及横效应，其为当外加电场(E)与极化方向(P)为平行设置时所产生的特性。然而，上述两种驱动配置方式却无法在纵效应与横效应发生的同时激发出剪切效应。因此，利用单一压电元件虽然有较高的驱动精度或微驱动效果，但其能驱动行程却仅仅有几十微米(um)等级。甚至有些压电元件仅有亚微米(sub-um)等级的驱动功效，所以，对于要夹持较大尺寸(例如：100um以上)的精微元件则有些困难。

另外，如果要增加上述所述常规纵效应驱动的压电元件1及所述常规横效应驱动的压电元件2的驱动行程，需以多个压电元件堆叠才能增加驱动行程的功效。

如图3及图4所示，图3及图4是一种常规堆叠式压电驱动装置3，其包括所述常规纵效应驱动的压电元件1及所述的常规横效应驱动的压电元件2，所述常规横效应驱动的压电元件2设置于所述常规纵效应驱动的压电元件1上。

如图5及图6所示，图5是显示输入所述常规效应驱动的压电元件1的第一驱动信号，图6是显示输入所述常规横效应驱动的压电元件2的第二驱动信号。其中，所述第一驱动信号与所述第二驱动信号具有相位差。

结合图3至图6所示，所述常规纵效应驱动的压电元件1接收所述第一驱动信号后，即产生纵效应以进行纵向运动，而所述常规横效应驱动的压电元件2接收所述第二驱动信号后，即产生横效应以进行横向运动。通过控制具有相位差的所述第一驱动信号及所述第二驱动信号，分别驱动所述常规纵效应驱动的压电元件1及所述常规横效应驱动的压电元件2，使所述常规堆叠式压电驱动装置3产生类似长方形或椭圆形的运动轨迹，以达到推动或驱动效果。

上述所述常规堆叠式压电驱动装置3的驱动方式，是精密压电驱动器中最普遍且最方便实施的一种方式，但是，此种实施方式，相对的需要用到两种压电材料，且需准确搭配好两相的电信号(所述第一驱动信号及所述第二驱动信号)，才能产生较佳的运动轨迹，其硬件实现上较为复杂。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种新的压电驱动式微夹持器，以克服上述缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种张合量大、驱动力大、并且具有精密夹持力反馈功能的压电驱动式微夹持器。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种压电驱动式微夹持器，其包括压电驱动部分与检测夹持部分，所述压电驱动部分包括驱动元件、椭圆型梁放大机构、杠杆放大机构以及连接椭圆型梁放大机构与杠杆放大机构的铰链连接机构，所述椭圆型梁放大机构包括分别位于驱动元件两侧且对称设置的第一弧形梁及第二弧形梁，所述杠杆放大机构包括分别位于第一弧形梁及第二弧形梁外侧的第一悬臂梁及第二悬臂梁，所述检测夹持部分包括分别与第一悬臂梁及第二悬臂梁一端连接的两个相对设置的夹持臂，每一所述夹持臂上集成有两个压阻传感器，所述的四个压阻传感器组成一全桥检测结构，所述驱动元件运动带动椭圆型梁放大机构变形，所述椭圆型梁放大机构变形带动杠杆放大机构运动，所述杠杆放大机构运动带动夹持臂松开或夹紧夹持对象。

优选的，在上述压电驱动式微夹持器中，所述的椭圆型梁放大机构、杠杆放大机构以及铰链连接机构一体成型。

优选的，在上述压电驱动式微夹持器中，所述的夹持臂与杠杆放大机构通过粘接方式连接。

优选的，在上述压电驱动式微夹持器中，所述压电驱动式微夹持器还包括位于第一弧形梁与第二弧形梁之间的第一定位端与第二定位端以及与所述第一定位端一体连接的基部，所述驱动元件安装于所述第一定位端与第二定位端之间。

优选的，在上述压电驱动式微夹持器中，所述第一弧形梁与第二弧形梁的一端与基部连接，另一端与第二定位端连接。

优选的，在上述压电驱动式微夹持器中，所述第一悬臂梁及第二悬臂梁的固定端连接所述基部，自由端连接所述夹持臂。

优选的，在上述压电驱动式微夹持器中，所述驱动元件为压电陶瓷块。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例的压电驱动式微夹持器通过椭圆型梁放大机构和杠杆放大机构的二次放大，实现足够大的夹持器张合量；同时，借助四个压阻传感器组成一全桥检测结构，实现了夹持力的精确反馈。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种常规纵效应驱动的压电元件示意图；

图2是一种常规横效应驱动的压电元件示意图；

图3是一种常规堆叠式压电驱动装置的驱动示意图；

图4是图3另一种表达示意图；

图5是图3中输入常规纵效应驱动的压电元件的第一驱动信号示意图；

图6是图3中输入常规横效应驱动的压电元件的第二驱动信号示意图；

图7是本发明压电驱动式微夹持器的立体示意图；

图8是图7另一角度的示意图；

图9是图7中一组夹持臂与压阻传感器的示意图；

图10是图7中另一组夹持臂与压阻传感器的示意图。

其中：1、驱动元件；2、椭圆型梁放大机构；21、第一弧形梁；22、第二弧形梁；3、杠杆放大机构；31、第一悬臂梁；32、第二悬臂梁；4、铰链连接机构；5、夹持臂；6、压阻传感器；7、第一定位端；8、第二定位端；9、基部；91固定孔。

具体实施方式

微夹持器应用于微装配等领域，并且，微夹持器在精密仪器、生物医学、航空航天及军事领域都有着广泛的应用前景。微夹持器按照驱动方式划分可分为压电驱动、热驱动、静电驱动、电磁驱动等类型。其中，压电驱动技术的基本原理是基于压电陶瓷材料的逆压电效应，通过控制其机械变形产生旋转或直线运动，它具有结构简单，低速、大力矩的优点。在实际使用中，压电驱动通常与放大结构配合使用，具有驱动力大、位移小的优点。一般的压电驱动微夹持器由压电驱动器(PZT)、内外悬臂梁组成的柔性铰链放大机构和夹持臂组成。当压电驱动器施加电压伸长时推动外悬臂梁运动，使得外悬臂梁运动方向改变，带动微夹持臂动作，根据杠杆原理，微夹持臂的位移量大大增加。

基于压电驱动的优点，本发明公开了一种压电驱动式微夹持器，该压电驱动式微夹持器可用于空气中微小对象的夹持操作，也可用于对水溶液中的细胞、胚胎等对象操作。微夹持器整体主要包括两部分，分别为驱动部分和检测夹持部分。其中，驱动部分通过椭圆形梁结合杠杆原理实现运动放大，可实现30倍以上的放大作用。驱动元件采用的驱动元件为压电陶瓷驱动块。检测夹持部分通过MEMS硅基工艺将压阻传感器集成在夹持臂上，实现夹持力的闭环检测。本发明的的工作原理是驱动元件运动带动椭圆型梁放大机构变形，椭圆型梁放大机构变形带动杠杆放大机构运动，杠杆放大机构运动带动夹持臂松开或夹紧夹持对象。本发明的特点是可实现0-1mm范围的微小对象夹持操作，驱动力大并且能够实现精确的力反馈，可实现空气、水溶液等环境的夹持操作，所以该夹持器可以广泛应用于对有精密夹持力要求的对象进行操作以及对多环境下对象的操作与搬运。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图7所示，本发明实施例的压电驱动式微夹持器包括压电驱动部分与检测夹持部分。压电驱动部分包括驱动元件1、椭圆型梁放大机构2、杠杆放大机构3以及连接椭圆型梁放大机构2与杠杆放大机构3的铰链连接机构4。椭圆型梁放大机构2、杠杆放大机构3以及铰链连接机构4一体成型。如此设置，通过椭圆型梁放大机构2结合杠杆放大机构3的杠杆原理，能够实现运动二次放大，可实现30倍以上的放大作用，实现足够大的夹持器张合量。

如图7及图8所示，椭圆型梁放大机构2包括分别位于驱动元件1两侧且对称设置的第一弧形梁21及第二弧形梁22。杠杆放大机构3包括分别位于第一弧形梁21及第二弧形梁22外侧的第一悬臂梁31及第二悬臂梁32。该椭圆型梁放大机构2是根据三角形放大原理结合柔性铰链结构设计而成。

检测夹持部分包括分别与第一悬臂梁31及第二悬臂梁32一端连接的两个相对设置的夹持臂5，夹持臂5与杠杆放大机构3通过粘接方式连接。每一夹持臂5上集成有两个压阻传感器6，该四个压阻传感器6通过MEMS硅基工艺集成在夹持臂5上，该四个压阻传感器6组成一全桥检测结构，实现夹持力的闭环检测，并能够实现了夹持力的精确反馈。

如图7所示，压电驱动式微夹持器还包括位于第一弧形梁21与第二弧形梁22之间的第一定位端7与第二定位端8以及与所述第一定位端7一体连接的基部9，驱动元件1安装于所述第一定位端7与第二定位端8之间。第一弧形梁21与第二弧形梁22的一端与基部9连接，另一端与第二定位端8连接。第一悬臂梁31及第二悬臂梁32的固定端连接所述基部9，自由端连接所述夹持臂5。基部9上设有固定孔91。

本发明实施例的压电驱动式微夹持器的驱动元件1采用压电陶瓷块。压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料，是一种具有压电效应的材料。压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，压电驱动器就是基于压电陶瓷本身微小变化的原理制作出来的，并被广泛应用在对精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域。

本发明实施例的压电驱动式微夹持器的张合量大、驱动力和驱动位移控制精确，可实现0-1mm范围的微小对象夹持操作，驱动力大并实现精确的力反馈，并且，可实现多种环境下的微小对象操作，如空气、水溶液等环境的夹持操作，所以该压电驱动式夹持器可以广泛应用于有精密夹持力要求的对象操作以及多环境下对象的操作与搬运，由于微夹持器的夹持臂5具有足够的刚度，对于水溶液中的对象操作也可忽略液体张力的影响，所以此种结构的微夹持器的应用会越来越广泛。

综上所述，本发明压电驱动式微夹持器的有益效果是：通过椭圆型梁放大机构和杠杆放大机构的二次放大，实现足够大的夹持器张合量；同时，借助四个压阻传感器组成一全桥检测结构，实现了夹持力的精确反馈。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种压电驱动式微夹持器，其包括压电驱动部分与检测夹持部分，其特征在于：所述压电驱动部分包括驱动元件、椭圆型梁放大机构、杠杆放大机构以及连接椭圆型梁放大机构与杠杆放大机构的铰链连接机构，所述椭圆型梁放大机构包括分别位于驱动元件两侧且对称设置的第一弧形梁及第二弧形梁，所述杠杆放大机构包括分别位于第一弧形梁及第二弧形梁外侧的第一悬臂梁及第二悬臂梁，所述检测夹持部分包括分别与第一悬臂梁及第二悬臂梁一端连接的两个相对设置的夹持臂，每一所述夹持臂上集成有两个压阻传感器，所述的四个压阻传感器组成一全桥检测结构，所述驱动元件运动带动椭圆型梁放大机构变形，所述椭圆型梁放大机构变形带动杠杆放大机构运动，所述杠杆放大机构运动带动夹持臂松开或夹紧夹持对象。

2.根据权利要求1所述的压电驱动式微夹持器，其特征在于：所述的椭圆型梁放大机构、杠杆放大机构以及铰链连接机构一体成型。

3.根据权利要求1所述的压电驱动式微夹持器，其特征在于：所述的夹持臂与杠杆放大机构通过粘接方式连接。

4.根据权利要求1所述的压电驱动式微夹持器，其特征在于：还包括位于第一弧形梁与第二弧形梁之间的第一定位端与第二定位端以及与所述第一定位端一体连接的基部，所述驱动元件安装于所述第一定位端与第二定位端之间。

5.根据权利要求4所述的压电驱动式微夹持器，其特征在于：所述第一弧形梁与第二弧形梁的一端与基部连接，另一端与第二定位端连接。

6.根据权利要求4所述的压电驱动式微夹持器，其特征在于：所述第一悬臂梁及第二悬臂梁的固定端连接所述基部，自由端连接所述夹持臂。

7.根据权利要求1所述的压电驱动式微夹持器，其特征在于：所述驱动元件为压电陶瓷块。

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