CN104070483A - 一种用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳，该单片二自由度微夹钳包括有电容式传感器、A压电陶瓷驱动器、B压电陶瓷驱动器、运动传递机构、基座、传感器安装座、玻璃贴片、预紧螺栓和固定螺栓。运动传递机构安装在基座的开设有凹腔的上方，传感器安装座安装在基座的左上方，第二输出板的内侧面板上安装了玻璃贴片；A压电陶瓷驱动器与B压电陶瓷驱动器的输出力沿Y轴布局，且两个压电陶瓷驱动器平行放置，电容式传感器用于敏感测量第一输出板在X轴上的位移变化，且电容式传感器安装在传感器安装座上。本发明设计解决了保偏光纤在装配过程中面临的旋转角度对准的重型夹持、搓动问题，同时保证了保偏光纤旋转角度对准的精度的前提下，提高了装配效率并有效的降低了生产成本。

Description

一种用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳

技术领域

本发明涉及一种微夹钳机构，更特别地说，是指一种新颖的用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳。

背景技术

基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical-Systems，微机电系统)芯片的光开关(或者MEMS光开关)是一种集成有硅芯片与光纤的复合系统，用于新一代全光通信网络中的光路切换。

然而，由于MEMS芯片与光纤均是易损元件，它们的集成装配不但要考虑光纤的耦合效率，还要考虑这些元件装配过程中的损坏问题。这导致MEMS光开关的装配常常需要一个复杂、精密的微操作系统，造成它的封装费用居高不下，影响了MEMS光开关的应用和普及。对于具有高可靠性和高光耦合效率的U型槽MEMS光开关来说，其装配问题更加严重。因此在光开关的制造上，MEMS芯片与输入输出光纤的低成本装配便成为一个不可回避的问题。

光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。

光纤的种类很多，根据用途不同，所需要的功能和性能也有所差异。在光纤中传播的光波，因为具有电磁波的性质，所以，除了基本的光波单一模式之外，实质上还存在着电磁场(TE、TM)分布的两个正交模式。通常，由于光纤截面的结构是圆对称的，这两个偏振模式的传播常数相等，两束偏振光互不干涉，但实际上，光纤不是完全地圆对称，例如有着弯曲部分，就会出现两个偏振模式之间的结合因素，在光轴上呈不规则分布。偏振光的这种变化造成的色散，称之偏振模式色散(PMD)。对于现在以分配图像为主的有线电视，影响尚不太大，但对于一些未来超宽带有特殊要求的业务，如：

①相干通信中采用外差检波，要求光波偏振更稳定时；

②光机器等对输入输出特性要求与偏振相关时；

③在制作偏振保持光耦合器和偏振器或去偏振器等时；

④制作利用光干涉的光纤敏感器等，

凡要求偏振波保持恒定的情况下，对光纤经过改进使偏振状态不变的光纤称作偏振保持光纤(PMF：Polarization Maintaining fiber)，或称其为固定偏振光纤。保偏光纤传输线偏振光，广泛用于航天、航空、航海、工业制造技术及通信等国民经济的各个领域。在以光学相干检测为基础的干涉型光纤传感器中，使用保偏光纤能够保证线偏振方向不变，提高相干信噪比，以实现对物理量的高精度测量。保偏光纤作为一种特种光纤，主要应用于光纤陀螺，光纤水听器等传感器和DWDM、EDFA等光纤通信系统。由于光纤陀螺及光纤水听器等可用于军用惯导和声呐，属于高新科技产品，而保偏光纤又是其核心部件，因而保偏光纤曾经被西方发达国家列入对我禁运的清单。由于偏振保持光纤的非对称结构，其在连接过程中无法避免的会产生旋转角度的偏差所造成的光信号的损失，所以如何对其旋转角度进行控制和对准，是一个非常现实而重要的问题。

发明内容

为了解决保偏光纤在装配过程中面临的旋转角度对准的重型夹持、搓动问题，本发明设计了一种用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳。该单片二自由度微夹钳在保证了保偏光纤旋转角度对准的精度的前提下，提高了装配效率并有效的降低了生产成本。

本发明设计了一种用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳，该单片二自由度微夹钳包括有电容式传感器(5A)、A压电陶瓷驱动器(3A)、B压电陶瓷驱动器(3B)、运动传递机构(1)、基座(2)、传感器安装座(5)、玻璃贴片(6)、预紧螺栓和固定螺栓；

A压电陶瓷驱动器(3A)安装在运动传递机构(1)的第一输入板(1A)与基座(2)的第二面板(2B)之间，且A压电陶瓷驱动器(3A)与基座(2)的第二面板(2B)之间放置有B挡块(3D)；

B压电陶瓷驱动器(3B)安装在运动传递机构(1)的第二输入板(1B)与基座(2)的第二面板(2B)之间，且B压电陶瓷驱动器(3B)与基座(2)的第二面板(2B)之间放置有A挡块(3C)；

基座(2)上设有第一面板(2A)、第二面板(2B)；所述第一面板(2A)上设有供安装B固定螺栓(7B)的AC螺纹孔(2A1)、供安装A固定螺栓(7A)的AD螺纹孔(2A3)以及运动传递机构(1)在运动时实现不干涉的第一凹腔(2A2)和第二凹腔(2A4)；所述第二面板(2B)上设有AA通孔(2B1)和AB通孔(2B2)，AA通孔(2B1)用于A预紧螺栓(4A)穿过，AB通孔(2B2)用于B预紧螺栓(4B)穿过；

传感器安装座(5)上设有A支臂(5A)、B支臂(5B)、开口通孔(5C)和连接块(5D)，A支臂(5A)与B支臂(5B)之间是开口通孔(5C)；连接块(5D)上设有AC通孔(5E)，该AC通孔(5E)用于C固定螺栓(7C)穿过，穿过AC通孔(5E)的C固定螺栓(7C)螺纹连接在运动传递机构(1)的CC螺纹孔(1C3)中，通过C固定螺栓(7C)实现连接块(5D)安装在运动传递机构(1)的第一输出板(1C)上；开口通孔(5C)用于放置电容式传感器(5E)，通过分别在A支臂(5A)与B支臂(5B)上的通孔中插入螺钉(5F)，实现将电容式传感器(5E)夹紧安装在传感器安装座(5)上；

运动传递机构(1)上设有第一输入板(1A)、第二输入板(1B)、第一输出板(1C)、第二输出板(1D)、第一固定板(1E)、第二固定板(1F)、第一梁(101)、第二梁(102)、第三梁(103)、第四梁(104)、第五梁(105)、第六梁(106)、第七梁(107)、第八梁(108)、第九梁(109)、第十梁(110)；

运动传递机构(1)上切割有第一切缝(111)、第二切缝(112)、第三切缝(113)、第四切缝(114)、第五切缝(115)、第六切缝(116)、第七切缝(117)、第八切缝(118)和第九切缝(119)；

第一切缝(111)位于第一输入板(1A)与第一固定板(1E)之间；

第二切缝(112)位于第一固定板(1E)与第二输入板(1B)之间；

第三切缝(113)位于第二输入板(1B)与第二固定板(1F)之间；

第四切缝(114)位于运动传递机构(1)的左边，也是第一梁(101)、第一输出板(1C)、第二梁(102)和第一固定板(1E)围成的封闭空腔，该封闭空腔称为第一封闭空腔；

第五切缝(115)是第一输出板(1C)、第二梁(102)、第一固定板(1E)、第五梁(105)、第六梁(106)、第九梁(109)和第二输出板(1D)形成的开口空腔；

第六切缝(116)位于运动传递机构(1)的右边，也是第二固定板(1F)、第三梁(103)、第四梁(104)、第六梁(106)、第七梁(107)和第二输出板(1D)围成的封闭空腔，该封闭空腔称为第二封闭空腔；

第七切缝(117)是第二输入板(1B)、第三(103)、第四梁(104)、第六梁(106)、第五梁(105)和第十梁(110)围成的封闭空腔，该封闭空腔称为第三封闭空腔；

第八切缝(118)是第二固定板(1F)、第七梁(107)、第八梁(108)和第二输出板(1D)围成的封闭空腔，该封闭空腔称为第四封闭空腔；

第九切缝(119)为切割在第一输出板(1C)上的封闭空腔，该封闭空腔称为第五封闭空腔；由于存在的第五封闭空腔，使得第一输出板(1C)上具有第十一梁(1C1)和第十二梁(1C2)；

所述第一输出板(1C)上有第十一梁(1C1)和第十二梁(1C2)；所述第一固定板(1E)上设有供A固定螺栓(7A)穿过的CA通孔(1E1)，穿过CA通孔(1E1)的A固定螺栓(7A)螺纹连接在基座(2)的AD螺纹孔(2A3)内；所述第二固定板(1F)上设有供B固定螺栓(7B)穿过的CB通孔(1F1)，穿过CB通孔(1F1)的B固定螺栓(7B)螺纹连接在基座(2)的AC螺纹孔(2A1)内；所述第一输出板(1C)上设有供安装C固定螺栓(7C)的CC螺纹孔(1C3)，穿过AC通孔(5E)的C固定螺栓(7C)螺纹连接在运动传递机构(1)的第一输出板(1C)上；第一输出板(1C)的内侧面板上设有光纤夹持槽(1C4)，该光纤夹持槽(1C4)用于放置光纤，第二输出板(1D)与第一输出板(1C)的相对面板上粘接有玻璃贴片(6)；

第一输入板(1A)与第一梁(101)构成第一放大机构；第二输入板(1B)与第一梁(101)构成第二放大机构；第一输出板(1C)、第一左刚性梁(301)和左输出板(32)构成左侧第二级放大机构，右柔性梁(312)、第一右刚性梁(321)和右输出板(33)构成右侧第二级放大机构。

运动传递机构(1)中的A1、A2、A3是一个杠杆放大机构，用于放大位移，放大倍数是。运动传递机构(1)中的A1、A2、A3、A4是一个平行四杆机构，用于保证输出端运动的水平行。运动传递机构(1)中的右侧第二级放大机构对B压电陶瓷驱动器输出位移的放大倍数为 $\mathrm{\λ}=\frac{c_5+c_6}{c_5}\×\frac{c_2+c_1}{c_1}+\frac{c_6}{c_5}\×\frac{c_4}{c_3}.$

本发明设计了一种基于柔性铰链的单片二自由微夹钳装置，具有以下优点：

①传统的微夹钳通常只有一个自由度，即只能进行夹持操作。为了针对保偏光纤装配的特殊要求，本发明设计的微夹钳具有两个自由度，即X轴的移动，Y轴和搓动，通过两个输出板(或称钳头)的合作可以完成对光纤的夹持及旋转搓动操作，在功能上更加丰富灵活。

②运动传递机构采用柔性铰链设计，由一块基板线切割而成，可免除复杂的装配过程。较传统的刚性机构，它具有无间隙、无摩擦、无润滑等优点，利用压电直接驱动技术，可方便的实现高精度定位。

③利用电容式传感器对夹持力进行反馈控制，以减小压电陶瓷迟滞、蠕变特性对控制精度的影响。

④运动传递机构设计成具有差动式的放大机构，有效的弥补了压电陶瓷输出位移不足的缺点，并且保证了将光纤的旋转角度误差在一次搓动内完成。

⑤在微夹钳的第二输出板的内侧面板上安装有玻璃贴片，以增大运动传递机构与光纤之间的摩擦力，提高搓动操作过程中的稳定性。

⑥在微夹钳的第一输出板的内侧面板上设计了特殊角度的槽口，该槽口的设计能够避免光纤搓动过程中的滑脱问题。

附图说明

图1是本发明设计的用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳的前视图。

图1A是本发明设计的用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳的后视图。

图1B是本发明设计的用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳的立体图。

图1C是本发明设计的用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳的分解视图。

图2是本发明设计的运动传递机构的前视结构图。

图2A是本发明设计的运动传递机构的前视黑白对照结构图。

图2B是本发明设计的运动传递机构中光纤夹持处的放大结构图。

图2C是本发明设计的运动传递机构的伪刚体模型结构图。

图2D是本发明设计的运动传递机构的振动模态图。

1.运动传递机构	1A.第一输入板	1B.第二输入板
			1C.第一输出板	1C1.第十一梁	1C2.第十二梁
1C3.CC螺纹孔	1C4.光纤夹持槽	1D.第二输出板
			1E.第一固定板	1E1.CA通孔	1F.第二固定板
1F1.CB通孔	101.第一梁	102.第二梁
			103.第三梁	104.第四梁	105.第五梁
106.第六梁	107.第七梁	108.第八梁
			109.第九梁	110.第十梁	111.第一切缝
112.第二切缝	113.第三切缝	114.第四切缝
			115.第五切缝	116.第六切缝	117.第七切缝
118.第八切缝	119.第九切缝	2.基座
			2A.第一面板	2A1.AC螺纹孔	2A2.第一凹腔
2A3.AD螺纹孔	2A4.第二凹腔	2B.第二面板
			2B1.AA通孔	2B2.AB通孔	3A.A压电陶瓷驱动器
3B.B压电陶瓷驱动器	3C.A挡块	3D.B挡块
			4A.A预紧螺栓	4B.B预紧螺栓	5.传感器安装座
5A.A支臂	5B.B支臂	5C.开口通孔
			5D.连接块	5E.AC通孔	5E.电容式传感器
5F.螺钉	6.玻璃贴片	7A.A固定螺栓
			7B.B固定螺栓	7C.C固定螺栓

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A、图1B和图1C所示，本发明设计的一种用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳，该单片二自由度微夹钳包括有电容式传感器5A、A压电陶瓷驱动器3A、B压电陶瓷驱动器3B、运动传递机构1、基座2、传感器安装座5、玻璃贴片6、预紧螺栓和固定螺栓。

压电陶瓷驱动器

参见图1、图1B和图1C所示，A压电陶瓷驱动器3A安装在运动传递机构1的第一输入板1A与基座2的第二面板2B之间，且A压电陶瓷驱动器3A与基座2的第二面板2B之间放置有B挡块3D。

参见图1、图1B和图1C所示，B压电陶瓷驱动器3B安装在运动传递机构1的第二输入板1B与基座2的第二面板2B之间，且B压电陶瓷驱动器3B与基座2的第二面板2B之间放置有A挡块3C。

在本发明中，挡块能够起到将压电陶瓷驱动器顶紧在基座与运动传递机构之间。

在本发明中，压电陶瓷驱动器选用Thorlabs厂家生产的型号为AE0505D16F驱动器。该驱动器的驱动电压为0～150V、最大位移是17.4微米。

基座2

参见图1、图1A、图1B和图1C所示，基座2为一体加工成型结构件。基座2上设有第一面板2A、第二面板2B；所述第一面板2A上设有供安装B固定螺栓7B的AC螺纹孔2A1、供安装A固定螺栓7A的AD螺纹孔2A3以及运动传递机构1在运动时实现不干涉的第一凹腔2A2和第二凹腔2A4；所述第二面板2B上设有AA通孔2B1和AB通孔2B2，AA通孔2B1用于A预紧螺栓4A穿过，AB通孔2B2用于B预紧螺栓4B穿过。

传感器安装座5

参见图1、图1A、图1B和图1C所示，传感器安装座5为一体加工成型结构件。传感器安装座5上设有A支臂5A、B支臂5B、开口通孔5C和连接块5D，A支臂5A与B支臂5B之间是开口通孔5C；连接块5D上设有AC通孔5E，该AC通孔5E用于C固定螺栓7C穿过，穿过AC通孔5E的C固定螺栓7C螺纹连接在运动传递机构1的CC螺纹孔1C3中，通过C固定螺栓7C实现连接块5D安装在运动传递机构1的第一输出板1C上；开口通孔5C用于放置电容式传感器5E，通过分别在A支臂5A与B支臂5B上的通孔中插入螺钉5F，实现将电容式传感器5E夹紧安装在传感器安装座5上。

电容式传感器5E的敏感端与运动传递机构1的第一输出板1C的外侧面板接触。

在本发明中，电容式传感器5E为非接触式测量仪器，能够对任何导电目标的位置和/或位置变化进行高分辨率测量。高性能电容式传感器的纳米级分辨率使其成为目前纳米技术领域不可或缺的产品。电容式传感器5E用于测量第一输出板1C与第二输出板1D在夹持光纤时的位移情况。电容式传感器5E可以选用Elite系列CPL190C8-2.0型号的电容式传感器。

运动传递机构1

参见图1、图1A、图2、图2A、图2B、图2C所示，运动传递机构1是在一板材上采用线切割加工工艺一体化制作而成。板材上切割去除的部分称为切缝，切缝能够实现柔性铰链变形，切缝的尺寸既是柔性铰链变形(如图2D所示)的位移量。

参见图2A所示，本发明设计的运动传递机构1上切割有第一切缝111、第二切缝112、第三切缝113、第四切缝114、第五切缝115、第六切缝116、第七切缝117、第八切缝118和第九切缝119。

第一切缝111位于第一输入板1A与第一固定板1E之间。

第二切缝112位于第一固定板1E与第二输入板1B之间。

第三切缝113位于第二输入板1B与第二固定板1F之间。

第四切缝114位于运动传递机构1的左边，也是第一梁101、第一输出板1C、第二梁102和第一固定板1E围成的封闭空腔，该封闭空腔称为第一封闭空腔。

第五切缝115是第一输出板1C、第二梁102、第一固定板1E、第五梁105、第六梁106、第九梁109和第二输出板1D形成的开口空腔。

第六切缝116位于运动传递机构1的右边，也是第二固定板1F、第三梁103、第四梁104、第六梁106、第七梁107和第二输出板1D围成的封闭空腔，该封闭空腔称为第二封闭空腔。

第七切缝117是第二输入板1B、第三103、第四梁104、第六梁106、第五梁105和第十梁110围成的封闭空腔，该封闭空腔称为第三封闭空腔。

第八切缝118是第二固定板1F、第七梁107、第八梁108和第二输出板1D围成的封闭空腔，该封闭空腔称为第四封闭空腔。

第九切缝119为切割在第一输出板1C上的封闭空腔，该封闭空腔称为第五封闭空腔。由于存在的第五封闭空腔，使得第一输出板1C上具有第十一梁1C1和第十二梁1C2。

参见图1C、图2、图2B所示，本发明设计的运动传递机构1上设有第一输入板1A、第二输入板1B、第一输出板1C、第二输出板1D、第一固定板1E、第二固定板1F、第一梁101、第二梁102、第三梁103、第四梁104、第五梁105、第六梁106、第七梁107、第八梁108、第九梁109、第十梁110。所述第一输出板1C上有第十一梁1C1和第十二梁1C2。所述第一固定板1E上设有供A固定螺栓7A穿过的CA通孔1E1，穿过CA通孔1E1的A固定螺栓7A螺纹连接在基座2的AD螺纹孔2A3内。所述第二固定板1F上设有供B固定螺栓7B穿过的CB通孔1F1，穿过CB通孔1F1的B固定螺栓7B螺纹连接在基座2的AC螺纹孔2A1内。所述第一输出板1C上设有供安装C固定螺栓7C的CC螺纹孔1C3，穿过AC通孔5E(设置在传感器安装座5上)的C固定螺栓7C螺纹连接在运动传递机构1的第一输出板1C上；第一输出板1C的内侧面板上设有光纤夹持槽1C4(如图2B的放大图)，该光纤夹持槽1C4用于放置光纤，光纤夹持槽1C4的角度记为β，一般地β＝60°-120°。第二输出板1D与第一输出板1C的相对面板上粘接有玻璃贴片6。

参见图2、图2C所示，第一输入板1A与第一梁101的接合处为A1变形点。

第一固定板1E与第一梁101的接合处为A2变形点。A1变形点的中心与A2变形点的中心在X轴方向上的距离记为a。

第一固定板1E与第二梁102的接合处为A3变形点。

第一输出板1C与第一梁101的接合处为A4变形点。A2变形点的中心与A4变形点的中心在Y轴方向上的距离记为b，A3变形点的中心与A5变形点的中心在Y轴方向上的距离记为b。

第一输出板1C与第二梁102的接合处为A5变形点。

第一固定板1E与第五梁105的接合处为B1变形点。

第二输入板1B与第五梁105的接合处为B2变形点。

第二输入板1B与第十梁110的接合处为B3变形点。

第二输入板1B与第三梁103的接合处为B4变形点。

第二固定板1F与第三梁103的接合处为B5变形点。

第三梁103与第四梁104的接合处为B6变形点。

第四梁104与第六梁106的接合处为B7变形点。

第六梁106与第五梁105的接合处为B8变形点。B1变形点的中心与B2变形点的中心在X轴方向上的距离记为c1。B2变形点的中心与B8变形点的中心在X轴方向上的距离记为c2。B4变形点的中心与B5变形点的中心在X轴方向上的距离记为c3。B5变形点的中心与B6变形点的中心在X轴方向上的距离记为c4。B7变形点的中心与B8变形点的中心在X轴方向上的距离记为c5。B8变形点的中心与C6变形点的中心在X轴方向上的距离记为c6。

第二固定板1F与第八梁108的接合处为C1变形点。

第二固定板1F与第七梁107的接合处为C2变形点。

第二输出板1D与第八梁108的接合处为C3变形点。

第二输出板1D与第七梁107的接合处为C4变形点。

第一输出板1C上的第十一梁1C1的接合处为D1变形点、D4变形点；第一输出板1C上的第十二梁1C2的接合处为D2变形点、D3变形点。

参见图2B所示，在本发明中，连接变形点A2、A3、A4和A5构成第一个平行四杆机构。连接变形点C1、C2、C3和C4构成第二个平行四杆机构。连接变形点D1、D2、D3和D4构成第三个平行四杆机构。

在本发明中，A压电陶瓷驱动器3A提供的驱动力记为F1，B压电陶瓷驱动器3B提供的驱动力记为F2。F1驱动力和F2驱动力沿Y轴方向运动。第一输出板1C的输出位移记为G1，G1输出位移是X轴方向运动；第二输出板1D的输出位移记为G2，G2输出位移是Y轴方向运动。在A压电陶瓷驱动器3A和B压电陶瓷驱动器3B提供的驱动力条件下，第一输出板1C与第二输出板1D具有夹紧和搓动光纤的功能。被夹持的光纤在X轴方向上向玻璃贴片6靠近，且在第一输出板1C的槽口中转动。

在本发明中，运动传递机构1加工材料为金属，如铝合金。

本发明设计的运动传递机构1具有放大和导向功能，其中包括有：第一输入板1A与第一梁101构成第一放大机构；第二输入板1B与第一梁101构成第二放大机构；第一输出板1C、第一左刚性梁301和左输出板32构成左侧第二级放大机构，右柔性梁312、第一右刚性梁321和右输出板33构成右侧第二级放大机构。

参见图2、图2C、图2D所示，本发明设计的用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳，在微夹钳的伪刚体的模型结构体中，可划分为四个部分：

a)第一部分：左半部分。在A压电陶瓷驱动器3A提供的驱动条件下，即通过给第一输入板1A处一个输入位移，经第一平行四杆机构的放大后，第一输出板1C将进行X方向的输出运动，来完成对光纤的夹取操作。

左半部分由A1、A2、A3、A4、A5组成，其中A1、A2、A3可看作是一个杠杆放大机构，用于放大位移，放大倍数是而A1、A2、A3、A4可看作一个平行四杆机构，用于保证输出端(第一输出板1C及第二输出板1D)运动的水平行。其功能是通过给A1处一个输入位移，通过放大及水平位移机构产生左端钳口的一个X方向上的输出位移，从而实现对光纤的有效夹持。

b)第二部分：右半部分的运动放大机构。是对压电陶瓷(B压电陶瓷驱动器3B)输出位移进行放大，以满足行程需求。

放大倍数 $\mathrm{\λ}=\frac{c_5+c_6}{c_5}\×\frac{c_2+c_1}{c_1}+\frac{c_6}{c_5}\×\frac{c_4}{c_3}.$

c)第三部分：右半部分的双悬臂梁直线导向机构，保证第二输出板1D的平行移动，防止因夹爪倾斜造成光纤搓动过程中的滑脱。

在第二与三部分组合起来，通过给第二输入板1B处一个输入位移，通过放大机水平位移机构产生右端钳口(光纤夹持槽1C4)的一个Y方向上的输出位移，从而实现对光纤的搓动并使其在光纤夹持槽1C4的槽内旋转。

d)第四部分：左半部分的双悬臂梁滚动导向机构，在光纤夹取过程中的操作力会对此产生位移变形，通过测量该处的位移，对夹持力进行闭环的控制，防止因夹持力过大损坏光纤。

本发明设计的一种用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳，该单片二自由度微夹钳是在基座2的开设有凹腔的上方安装有运动传递机构1，A压电陶瓷驱动器3A与B压电陶瓷驱动器3B的输出力沿Y轴布局，且两个压电陶瓷驱动器平行放置，电容式传感器5A用于敏感测量第一输出板1C在X轴上的位移变化，且电容式传感器5A安装在传感器安装座5上，传感器安装座5安装在基座2上，第二输出板1D的内侧面板上安装了玻璃贴片6。

Claims (8)

1.一种用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳，其特征在于：该单片二自由度微夹钳包括有电容式传感器(5A)、A压电陶瓷驱动器(3A)、B压电陶瓷驱动器(3B)、运动传递机构(1)、基座(2)、传感器安装座(5)、玻璃贴片(6)、预紧螺栓和固定螺栓；

A压电陶瓷驱动器(3A)安装在运动传递机构(1)的第一输入板(1A)与基座(2)的第二面板(2B)之间，且A压电陶瓷驱动器(3A)与基座(2)的第二面板(2B)之间放置有B挡块(3D)；

B压电陶瓷驱动器(3B)安装在运动传递机构(1)的第二输入板(1B)与基座(2)的第二面板(2B)之间，且B压电陶瓷驱动器(3B)与基座(2)的第二面板(2B)之间放置有A挡块(3C)；

基座(2)上设有第一面板(2A)、第二面板(2B)；所述第一面板(2A)上设有供安装B固定螺栓(7B)的AC螺纹孔(2A1)、供安装A固定螺栓7A的AD螺纹孔(2A3)以及运动传递机构(1)在运动时实现不干涉的第一凹腔(2A2)和第二凹腔(2A4)；所述第二面板(2B)上设有AA通孔(2B1)和AB通孔(2B2)，AA通孔(2B1)用于A预紧螺栓(4A)穿过，AB通孔(2B2)用于B预紧螺栓(4B)穿过；

传感器安装座(5)上设有A支臂(5A)、B支臂(5B)、开口通孔(5C)和连接块(5D)，A支臂(5A)与B支臂(5B)之间是开口通孔(5C)；连接块(5D)上设有AC通孔(5E)，该AC通孔(5E)用于C固定螺栓(7C)穿过，穿过AC通孔(5E)的C固定螺栓7C螺纹连接在运动传递机构(1)的CC螺纹孔(1C3)中，通过C固定螺栓(7C)实现连接块(5D)安装在运动传递机构(1)的第一输出板(1C)上；开口通孔(5C)用于放置电容式传感器(5E)，通过分别在A支臂(5A)与B支臂(5B)上的通孔中插入螺钉(5F)，实现将电容式传感器(5E)夹紧安装在传感器安装座(5)上；

运动传递机构(1)上设有第一输入板(1A)、第二输入板(1B)、第一输出板(1C)、第二输出板(1D)、第一固定板(1E)、第二固定板(1F)、第一梁(101)、第二梁(102)、第三梁(103)、第四梁(104)、第五梁(105)、第六梁(106)、第七梁(107)、第八梁(108)、第九梁(109)、第十梁(110)；

运动传递机构(1)上切割有第一切缝(111)、第二切缝(112)、第三切缝(113)、第四切缝(114)、第五切缝(115)、第六切缝(116)、第七切缝(117)、第八切缝(118)和第九切缝(119)；

第一切缝(111)位于第一输入板(1A)与第一固定板(1E)之间；

第二切缝(112)位于第一固定板(1E)与第二输入板(1B)之间；

第三切缝(113)位于第二输入板(1B)与第二固定板(1F)之间；

第四切缝(114)位于运动传递机构(1)的左边，也是第一梁(101)、第一输出板(1C)、第二梁(102)和第一固定板(1E)围成的封闭空腔，该封闭空腔称为第一封闭空腔；

第五切缝(115)是第一输出板(1C)、第二梁(102)、第一固定板(1E)、第五梁(105)、第六梁(106)、第九梁(109)和第二输出板(1D)形成的开口空腔；

第六切缝(116)位于运动传递机构(1)的右边，也是第二固定板(1F)、第三梁(103)、第四梁(104)、第六梁(106)、第七梁(107)和第二输出板(1D)围成的封闭空腔，该封闭空腔称为第二封闭空腔；

第七切缝(117)是第二输入板(1B)、第三(103)、第四梁(104)、第六梁(106)、第五梁(105)和第十梁(110)围成的封闭空腔，该封闭空腔称为第三封闭空腔；

第八切缝(118)是第二固定板(1F)、第七梁(107)、第八梁(108)和第二输出板(1D)围成的封闭空腔，该封闭空腔称为第四封闭空腔；

第九切缝(119)为切割在第一输出板(1C)上的封闭空腔，该封闭空腔称为第五封闭空腔；由于存在的第五封闭空腔，使得第一输出板(1C)上具有第十一梁(1C1)和第十二梁(1C2)；

所述第一输出板(1C)上有第十一梁(1C1)和第十二梁(1C2)；所述第一固定板(1E)上设有供A固定螺栓(7A)穿过的CA通孔(1E1)，穿过CA通孔(1E1)的A固定螺栓(7A)螺纹连接在基座(2)的AD螺纹孔(2A3)内；所述第二固定板(1F)上设有供B固定螺栓(7B)穿过的CB通孔(1F1)，穿过CB通孔(1F1)的B固定螺栓(7B)螺纹连接在基座(2)的AC螺纹孔(2A1)内；所述第一输出板(1C)上设有供安装C固定螺栓(7C)的CC螺纹孔(1C3)，穿过AC通孔(5E)的C固定螺栓(7C)螺纹连接在运动传递机构(1)的第一输出板(1C)上；第一输出板(1C)的内侧面板上设有光纤夹持槽(1C4)，该光纤夹持槽(1C4)用于放置光纤，第二输出板(1D)与第一输出板(1C)的相对面板上粘接有玻璃贴片(6)；

第一输入板1A与第一梁101构成第一放大机构；第二输入板1B与第一梁101构成第二放大机构；第一输出板1C、第一左刚性梁301和左输出板32构成左侧第二级放大机构，右柔性梁312、第一右刚性梁321和右输出板33构成右侧第二级放大机构。

2.根据权利要求1所述的用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳，其特征在于：光纤夹持槽(1C4)的角度β＝60°-120°。

3.根据权利要求1所述的用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳，其特征在于：所述单片二自由度微夹钳的运动传递机构(1)的振动模型为：

第一输入板(1A)与第一梁(101)的接合处为A1变形点；

第一固定板(1E)与第一梁(101)的接合处为A2变形点；A1变形点的中心与A2变形点的中心在X轴方向上的距离记为a；

第一固定板(1E)与第二梁(102)的接合处为A3变形点；

第一输出板(1C)与第一梁(101)的接合处为A4变形点；A2变形点的中心与A4变形点的中心在Y轴方向上的距离记为b，A3变形点的中心与A5变形点的中心在Y轴方向上的距离记为b；

第一输出板(1C)与第二梁(102)的接合处为A5变形点；

第一固定板(1E)与第五梁(105)的接合处为B1变形点；

第二输入板(1B)与第五梁(105)的接合处为B2变形点；

第二输入板(1B)与第十梁(110)的接合处为B3变形点；

第二输入板(1B)与第三梁(103)的接合处为B4变形点；

第二固定板(1F)与第三梁103的接合处为B5变形点；

第三梁(103)与第四梁(104)的接合处为B6变形点；

第四梁(104)与第六梁(106)的接合处为B7变形点；

第六梁(106)与第五梁(105)的接合处为B8变形点；B1变形点的中心与B2变形点的中心在X轴方向上的距离记为c1；B2变形点的中心与B8变形点的中心在X轴方向上的距离记为c2；B4变形点的中心与B5变形点的中心在X轴方向上的距离记为c3；B5变形点的中心与B6变形点的中心在X轴方向上的距离记为c4；B7变形点的中心与B8变形点的中心在X轴方向上的距离记为c5；B8变形点的中心与C6变形点的中心在X轴方向上的距离记为c6；

第二固定板(1F)与第八梁(108)的接合处为C1变形点；

第二固定板(1F)与第七梁(107)的接合处为C2变形点；

第二输出板(1D)与第八梁(108)的接合处为C3变形点；

第二输出板(1D)与第七梁(107)的接合处为C4变形点；

第一输出板(1C)上的第十一梁(1C1)的接合处为D1变形点、D4变形点；第一输出板(1C)上的第十二梁(1C2)的接合处为D2变形点、D3变形点；

连接变形点A2、A3、A4和A5构成第一个平行四杆机构；连接变形点C1、C2、C3和C4构成第二个平行四杆机构；连接变形点D1、D2、D3和D4构成第三个平行四杆机构；

在A压电陶瓷驱动器(3A)提供的驱动力记为F1，B压电陶瓷驱动器(3B)提供的驱动力记为F2；F1驱动力和F2驱动力沿Y轴方向运动；第一输出板(1C)的输出位移记为G1，G1输出位移是X轴方向运动；第二输出板(1D)的输出位移记为G2，G2输出位移是Y轴方向运动；在A压电陶瓷驱动器(3A)和B压电陶瓷驱动器(3B)提供的驱动力条件下，第一输出板(1C)与第二输出板(1D)具有夹紧和搓动光纤的功能；被夹持的光纤在X轴方向上向玻璃贴片(6)靠近，且在第一输出板(1C)的槽口中转动。

4.根据权利要求2所述的用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳，其特征在于：运动传递机构(1)中的A1、A2、A3是一个杠杆放大机构，用于放大位移，放大倍数是。

5.根据权利要求2所述的用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳，其特征在于：运动传递机构(1)中的A1、A2、A3、A4是一个平行四杆机构，用于保证输出端运动的水平行。

6.根据权利要求2所述的用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳，其特征在于：运动传递机构(1)中的右侧第二级放大机构对B压电陶瓷驱动器输出位移的放大倍数为 $\mathrm{\λ}=\frac{c_5+c_6}{c_5}\×\frac{c_2+c_1}{c_1}+\frac{c_6}{c_5}\×\frac{c_4}{c_3}.$

7.根据权利要求1所述的用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳，其特征在于：电容式传感器5E的敏感端与运动传递机构1的第一输出板1C的外侧面板接触。

8.根据权利要求1所述的用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳，其特征在于：压电陶瓷驱动器的输出最大位移是17.4微米。