CN108500951B - 一种激光驱动的带有柔顺放大机构的微夹钳 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光驱动的带有柔顺放大机构的微夹钳，其包括衬底、一组夹头结构、夹持杆件结构、由激光驱动的光热微膨胀臂结构和夹持力放大机构，其中，一组夹头结构包括第一夹头和第二夹头，光热微膨胀臂结构、夹持力放大机构、第一夹头依次相接，夹持杆件结构与第二夹头相接，光热微膨胀臂结构通过一第一基座结构与衬底相连接，夹持杆件结构通过一第二基座结构与衬底相连接，一组夹头结构、夹持杆件结构、夹持力放大机构、光热微膨胀臂结构、第一基座结构和第二基座结构均位于衬底的上方；其中，夹持力放大机构采用桥式杠杆双级放大的结构。本发明能够解决现有MEMS微夹钳夹持力小的缺陷，并弥补了现有微夹钳驱动方式的不足。

Description

一种激光驱动的带有柔顺放大机构的微夹钳

技术领域

本发明涉及一种微机电系统技术领域的微执行器，具体的说，属于一种微夹钳，具体是一种采用新型的激光驱动的微夹钳，更具体的说是一种激光驱动的带有柔顺放大机构的微夹钳。

背景技术

微机电系统(micro-electromechanical system—MEMS)在高速发展的科学技术中起到了越来越重要的作用，微结构器件和系统在航空航天、医疗、机械、生物等学科都受到世界范围内的广泛关注。

其中，微执行器作为MEMS最重要的核心技术之一，其驱动机理和器件的制备近年来都成为各个研究机构的重点。微执行器主要有微电机、微开关、微谐振器、微阀门和微泵、微夹钳等。微执行器的动作范围大小、响应速度快慢、结构可靠性等指标决定着微执行器的产品质量，是微机电系统发展的最重要的环节。

微执行器的驱动机制目前有静电驱动、电热驱动、电磁驱动、压电驱动等，但是各种驱动机制均具有一定的缺点。其中，静电驱动结构的微执行器具有结构简单、功耗低等优点，但是要维持其良好工作性能所要保持的静电电压比较高，不利于器件的寿命和稳定性；电磁驱动所需的驱动电压低、输出力矩大、输出范围广，但是电磁驱动所需要的功耗比较大、效率低、结构复杂。

微夹钳是一种非常重要的微执行器，主要用于微小目标的夹持、移动和组装等领域。微夹钳是可以实现操作机构与微型零件之间组装的接口，微夹钳夹头直接与被操作物体接触，因而夹持力特别重要。

现如今，随着器件的不断微型化，对微型零件的操作提出了越来越高的要求。微型零件的制造及装配要求微夹钳结构紧凑、外形尺寸小、能够输出足够的夹持力并且适应被操作的微型物体。研究和开发适用于微型零件操作和装配的微夹钳，是实现微机电系统技术产业化的一个关键环节。

发明内容

本发明提供一种激光驱动的微夹钳，特别是一种激光驱动且带有柔顺放大机构的微夹钳，能够解决现有MEMS微夹钳夹持力小的缺陷，并弥补了现有微夹钳驱动方式的不足。

本发明的技术方案如下：

一种激光驱动的带有柔顺放大机构的微夹钳，属于微机电系统领域，包括衬底、一组夹头结构、夹持杆件结构、由激光驱动的光热微膨胀臂结构和夹持力放大机构，其中，所述一组夹头结构包括第一夹头和第二夹头，所述光热微膨胀臂结构、所述夹持力放大机构、所述第一夹头依次相接，所述夹持杆件结构与所述第二夹头相接，所述光热微膨胀臂结构通过一第一基座结构与所述衬底相连接，所述夹持杆件结构通过一第二基座结构与所述衬底相连接，所述一组夹头结构、所述夹持杆件结构、所述夹持力放大机构、光热微膨胀臂结构、所述第一基座结构和所述第二基座结构均位于所述衬底的上方；其中，所述夹持力放大机构采用桥式杠杆双级放大的结构。

所述夹持力放大机构采用桥式杠杆双级放大的结构，利用杠杆原理可以最大限度的增加微夹钳的夹持力，有效的提高微夹钳的夹持能力。

在优选实施例中，所述夹持力放大机构为单边型双级放大的结构。

在优选实施例中，所述夹持力放大机构是一侧具有开环的环形结构，并通过若干带基座的柔性铰链连接至所述衬底，所述带基座的柔性铰链作为支点，利用杠杆原理实现力双级放大的作用。

在一优选实施例中，所述夹持力放大机构包括桥式环形杆件、带基座的柔性铰链一和带基座的柔性铰链二，所述桥式环形杆件与所述光热微膨胀臂结构相连，并且所述夹持力放大机构通过所述带基座的柔性铰链一和所述带基座的柔性铰链二连接至所述衬底，其中所述带基座的柔性铰链一实现一级放大，所述带基座的柔性铰链二实现二级放大。

所述夹持力放大机构的桥式环形杆件通过带基座的柔性铰链与衬底连接，增加了整个夹持力放大机构的弹性，结构紧凑，易于制作，可以延长整个夹持力放大机构的使用寿命。

在一优选实施例中，所述的桥式环形杆件由驱动臂和柔性铰链连接点组成，所述驱动臂包括与所述光热微膨胀臂结构通过一连接点相互连接的第一杆部、与所述第一杆部垂直的第二杆部、与所述第二杆部相垂直并且与所述第一杆部位于所述第二杆部同侧的第三杆部、与所述第三杆部成一角度的第四杆部，所述第一杆部、第二杆部、第三杆部、第四杆部依次相连，所述第四杆部与所述第一夹头相连，所述带基座的柔性铰链一设置在所述第一杆部靠近所述第二杆部的位置，所述带基座的柔性铰链二设置在所述第三杆部靠近所属第四杆部的位置，所述柔性铰链连接点位于所述第二杆部靠近所述第三杆部的位置且所述柔性铰链连接点是所述第二杆部的一部分。

优选地，所述第三杆部平行于所述第一杆部，所述第四杆部与所述第三杆部之间的夹角为钝角且所述第四杆部远离所述第一杆部。

优选地，所述柔性铰链连接点、所述带基座的柔性铰链一和带基座的柔性铰链二均为直圆形对称结构，因此掩膜版的制作方便。

由激光驱动的光热微膨胀臂结构是整个微执行机构的动力单元，其采用激光光热驱动，具有反应迅速和可控性的特点。

优选地，所述的光热微膨胀臂结构由光驱动臂构成，并通过所述第一基座结构固定在所述衬底上，所述光驱动臂是悬空的运动机构。所述桥式环形杆件也是悬空的运动机构。本发明设置光热微膨胀臂结构的热膨胀要比桥式环形杆件的热膨胀效果好，并且所述连接点隔离了热量的传递。

优选地，所述的第一夹头、夹持力放大机构、光热微膨胀臂结构、第一基座结构为一体化结构，并且它们共同构成了微夹钳的动力输出单元。

在一优选实施例中，所述夹持杆件结构具有粗端和细端并且由粗端向细端宽度逐渐减小，所述粗端固定在所述第二基座结构上，所述细端连接有所述第二夹头。更优选地，所述夹持杆件结构为轴对称结构。设置所述夹持杆件单元具有粗细不同的结构并且从远离第二夹头的一端向靠近所述第二夹头的一端宽度逐渐减小，能够确保微夹钳结构的稳定性和可靠性。

在优选实施例中，所述第二夹头为弯夹头，所述第一夹头为直夹头，并且所述第一夹头与所述第四杆部之间具有非180度的夹角。更优选地，所述第二夹头为弯折形状，由两个相互连接的直线部分构成。这种形状构成多功能夹头，从而使本发明的微夹钳适用于多种场合。

本发明按照MEMS微执行器的设计原则，将杠杆放大原理引入到微驱动MEMS微夹钳中，并结合激光驱动的新型驱动方式，并采用带有柔性铰链的柔顺机构，提供了一种激光驱动带有柔顺放大机构的微夹钳，可以很好的保持较大的夹持力，激光驱动响应速度快、柔性铰链结构柔顺性能优越、最大限度的提高机构本身的柔顺效果，稳定性能高，并且多功能夹头的设计适用于多种场合，一体化设计可以方便的实现小型化、批量化。

与现有技术相比，本发明的微夹钳有益效果如下：

1.夹持力放大机构采用桥式杠杆双级放大的结构，利用杠杆原理最大限度的增加夹钳的夹持力；

2.利用激光驱动的新型驱动方式，改进了驱动方式，使得热膨胀臂的热响应速度加快，适应了微夹钳的反应快速的需要；

3.引进柔性铰链结构，使得整个机构的柔顺性能大大增强，减少了噪声和震荡，使得微夹钳的使用寿命大大增加；

4.夹持杆件结构具有粗细不同的结构，以图中视角观察，从左到右杆件宽度逐渐减小，确保微夹钳结构的稳定性和可靠性；

5.夹头的独特设计(上夹头为弯曲形状，下夹头为直线形状)满足了微夹钳的多功能夹持效果，可以增加夹持过程的稳定性；

6.动力输出单元的一体化结构设计使模板制作方便，有效的降低了制作工序，缩短制作周期，成本低廉，有利于实现批量化生产。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明实施例的一种激光驱动带有柔顺放大机构的微夹钳的结构示意图；

图2为本发明实施例的一种激光驱动带有柔顺放大机构的微夹钳的桥式环形杆件的结构示意图；

图3为本发明实施例的一种激光驱动带有柔顺放大机构的微夹钳的激光驱动动力单元(即光驱动臂)的结构；

图4为本发明实施例的一种激光驱动带有柔顺放大机构的微夹钳的夹持单元结构；

图中：第一基座1、柔性铰链连接点2、带基座的柔性铰链一3、衬底4、第二基座5、光热微膨胀臂结构6、桥式环形杆件7、直夹头8、夹持杆件结构9、弯夹头10、带基座的柔性铰链二11。

具体实施方式

下面结合附图1～4和具体实施例对本发明作进一步阐述，应该说明的是，下述仅为解释本发明的最佳实施例，本领域技术人员可以在本发明所揭示的原理下，根据实际情况对下述实施例的相关结构作出调整和改进。

实施例

如图1～4所示，一种激光驱动的带有柔顺放大机构的微夹钳，包括：

第一基座1、带基座的柔性铰链一3、衬底4、第二基座5、光热微膨胀臂结构6、桥式环形杆件7、直夹头8、夹持杆件9、弯夹头10、带基座的柔性铰链二11，其中：桥式环形杆件7、带基座的柔性铰链一3、带基座的柔性铰链二11组成夹持力放大机构，所述夹持力放大机构、光热微膨胀臂结构6、直夹头8和弯夹头10、夹持杆件结构9均位于衬底4的上方，并且所述光热微膨胀臂结构6、桥式环形杆件7、直夹头8依次相连，所述光热微膨胀臂结构6通过第二基座5与衬底4相连，所述夹持杆件结构9通过第一基座1与衬底4相连；其中，

桥式环形杆件7通过带基座的柔性铰链一3、带基座的柔性铰链二11与衬底4相连，具体地，请参见图2和图3，所述的桥式环形杆件7由驱动臂和柔性铰链连接点2组成，所述驱动臂包括与所述光热微膨胀臂结构6通过一连接点12相互连接的第一杆部71、与所述第一杆部71垂直的第二杆部72、与所述第二杆部72相垂直并且与所述第一杆部71位于所述第二杆部72同侧的第三杆部73、与所述第三杆部73成一角度的第四杆部74，所述第一杆部71、第二杆部72、第三杆部73、第四杆部74依次相连且为一体设置，所述第四杆部74与所述直夹头8相连，所述带基座的柔性铰链一3设置在所述第一杆部71靠近所述第二杆部72的位置，所述带基座的柔性铰链二11设置在所述第三杆部73靠近所属第四杆部74的位置，所述柔性铰链连接点2位于所述第二杆部72靠近所述第三杆部73的位置且所述柔性铰链连接点2是所述第二杆部的一部分，以使所述第三杆部73和所述第二杆部72之间的夹角可以发生变化。

在本实施例中，所述直夹头8与所述第四杆部74之间具有非180度的夹角，具体地，直夹头8与第四杆部74在图中所示的下表面具有小于180度的夹角。

弯夹头10由两个杆部组成，其中与夹持杆件结构9相连接的一个杆部与夹持杆件结构9的从图中所示的上表面具有小于180度的夹角。

本实施例采用桥式杠杆双级放大的结构，其中，桥式杆件的一级放大是通过带基座的柔性铰链一3的支点作用利用杠杆原理实现一级放大，二级放大的作用是通过带基座的柔性铰链二11再次利用杠杆原理完成的二级放大，利用杠杆原理可以最大限度的增加微夹钳的夹持力，有效的提高微夹钳机构的夹持能力。在本实施例中，带基座的柔性铰链一3、带基座的柔性铰链二11采用直圆形对称结构，结构紧凑、易于制作。

并且，本实施例采用柔性铰链连接点2进行连接，且柔性铰链连接点2采用直圆形对称结构，增加了整个夹持力放大机构的弹性，结构紧凑、易于制作，可以延长整个机构的使用寿命。

本实施例的光热微膨胀臂结构6一体式固定在第二基座5上，光热微膨胀臂结构6由激光驱动，是整个微夹钳的动力单元，选用激光光热驱动的方式，具有反应迅速和可控性的特点。

本实施例的微夹钳的夹头的设计由两部分组成：直夹头8、弯夹头10，使得微夹钳机构的夹持性能稳定，并可以实现复杂形状物体的夹持，实现多功能夹持的目的。

请参见图3所示，为本实施例的激光驱动带有柔顺放大机构的微夹钳的动力单元的示意图，所述动力单元为光热微膨胀臂结构6，光热微膨胀臂结构6与第二基座5相连，第二基座5与衬底4相连接，并且，光热微膨胀臂结构6与桥式环形杆件7通过连接点12相连。其中光热微膨胀臂6、桥式环形杆件7是悬空的运动单元结构。

当激光照射到光热微膨胀臂结构6上时，由于光热微膨胀臂结构6的杆件吸收激光能量产生温度的升高，温度升高产生的热应力使得光热微膨胀臂结构6产生热膨胀，而连接点12隔离了热量的传递，桥式环形杆件7为‘冷臂’，其热膨胀效果比光热微膨胀臂结构6差，因此光热微膨胀臂结构6会产生向上弯曲的驱动力，整个动力单元产生热弯曲，从而为整个微夹钳机构提供驱动力。光热微膨胀臂结构6产生向上弯曲的驱动力就带动桥式环形杆件7的运动。由于带基座的柔性铰链一3与桥式环形杆件7构成的是杠杆结构，同时通过图4所示的带基座的柔性铰链二11对于桥式环形结构的二次放大作用，为直夹头8产生了力的二次放大作用，从而使得直夹头8产生了较大的夹持力。获得夹持力的直夹头8靠近弯夹头10，完成夹持动作。

在本实施例中还优选，夹持杆件结构9固定在第一基座1上，并且具有粗细不同的结构，从图1的视角看，从左到右夹持杆件结构9的宽度逐渐减小且为轴对称结构，能够确保微夹钳结构的稳定性和可靠性。

以上，通过结合图1～图4说明了本实施例的微夹钳的一系列的动作，并最终完成了整个微夹钳机构的夹持动作。

本发明的微夹钳具有以下特点：

采用杠杆放大原理，实现了夹持力的二级放大效果；

利用激光驱动的新型驱动方式，改进了驱动方式，使得热膨胀臂的热响应速度加快，适应了微执行机构的反应速度；

引进柔性铰链结构，使得整个机构的柔顺性能大大增强，减少了噪声和震荡，使得机构的使用寿命大大增加，此外，由于这种柔顺铰链机构易于加工，工艺成熟，具有良好的机械性能，定位精确稳定，可以成为替代刚性杆件的新机构，避免了刚性杆件接触带来得刚性冲击，最大限度的增加了柔性杆件的柔性变形，极大缓冲了由于杆件运动所带来的振荡、冲击、摩擦等损耗；

夹头的独特设计满足了微夹钳的多功能夹持效果，可以增加夹持过程的稳定性；

一体化的结构设计使得掩模版制作方便，缩短了制作周期，有利于MEMS器件的集成化和批量化，可以方便的实现小型化。

本发明结构简单，工艺实现方便，易于制作且成本较低。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种激光驱动的带有柔顺放大机构的微夹钳，其特征在于，包括衬底、一组夹头结构、夹持杆件结构、由激光驱动的光热微膨胀臂结构和夹持力放大机构，其中，所述一组夹头结构包括第一夹头和第二夹头，所述光热微膨胀臂结构、所述夹持力放大机构、所述第一夹头依次相接，所述夹持杆件结构与所述第二夹头相接，所述光热微膨胀臂结构通过一第一基座结构与所述衬底相连接，所述夹持杆件结构通过一第二基座结构与所述衬底相连接，所述一组夹头结构、所述夹持杆件结构、所述夹持力放大机构、光热微膨胀臂结构、所述第一基座结构和所述第二基座结构均位于所述衬底的上方；其中，所述夹持力放大机构采用桥式杠杆双级放大的结构；

所述夹持力放大机构包括桥式环形杆件，所述桥式环形杆件与所述光热微膨胀臂结构相连，所述的桥式环形杆件由驱动臂和柔性铰链连接点组成，所述驱动臂包括与所述光热微膨胀臂结构通过一连接点相互连接的第一杆部；所述的光热微膨胀臂结构由光驱动臂构成，并通过所述第一基座结构固定在所述衬底上，所述光驱动臂是悬空的运动机构，所述桥式环形杆件也是悬空的运动机构，并且所述光热微膨胀臂结构的热膨胀要比所述桥式环形杆件的热膨胀效果好，并且所述连接点隔离热量的传递。

2.如权利要求1所述的激光驱动的带有柔顺放大机构的微夹钳，其特征在于，所述夹持力放大机构为单边型双级放大的结构。

3.如权利要求1所述的激光驱动的带有柔顺放大机构的微夹钳，其特征在于，所述夹持力放大机构是一侧具有开环的环形结构，并通过若干带基座的柔性铰链连接至所述衬底，所述带基座的柔性铰链作为支点，利用杠杆原理实现力双级放大的作用。

4.如权利要求1或2或3所述的激光驱动的带有柔顺放大机构的微夹钳，其特征在于，所述夹持力放大机构还包括带基座的柔性铰链一和带基座的柔性铰链二，所述夹持力放大机构通过所述带基座的柔性铰链一和所述带基座的柔性铰链二连接至所述衬底，其中所述带基座的柔性铰链一实现一级放大，所述带基座的柔性铰链二实现二级放大。

5.如权利要求4所述的激光驱动的带有柔顺放大机构的微夹钳，其特征在于，所述驱动臂还包括与所述第一杆部垂直的第二杆部、与所述第二杆部相垂直并且与所述第一杆部位于所述第二杆部同侧的第三杆部、与所述第三杆部成一角度的第四杆部，所述第一杆部、第二杆部、第三杆部、第四杆部依次相连，所述第四杆部与所述第一夹头相连，所述带基座的柔性铰链一设置在所述第一杆部靠近所述第二杆部的位置，所述带基座的柔性铰链二设置在所述第三杆部靠近所属第四杆部的位置，所述柔性铰链连接点位于所述第二杆部靠近所述第三杆部的位置且所述柔性铰链连接点是所述第二杆部的一部分。

6.如权利要求5所述的激光驱动的带有柔顺放大机构的微夹钳，其特征在于，所述第三杆部平行于所述第一杆部，所述第四杆部与所述第三杆部之间的夹角为钝角且所述第四杆部远离所述第一杆部。

7.如权利要求1所述的激光驱动的带有柔顺放大机构的微夹钳，其特征在于，所述的第一夹头、夹持力放大机构、光热微膨胀臂结构、第一基座结构为一体化结构，并且它们共同构成了微夹钳的动力输出单元。

8.如权利要求1所述的激光驱动的带有柔顺放大机构的微夹钳，其特征在于，所述夹持杆件结构具有粗端和细端并且由粗端向细端宽度逐渐减小，所述粗端固定在所述第二基座结构上，所述细端连接有所述第二夹头。

9.如权利要求1所述的激光驱动的带有柔顺放大机构的微夹钳，其特征在于，所述第二夹头为弯夹头，所述第一夹头为直夹头。

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