CN116038655A - 双驱动型电磁微夹持器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双驱动型电磁微夹持器，包括：支撑部，支撑部包括基座、设于基座上的中板和两个侧板，中板位于两个侧板之间，每个侧板背离基座的一端均设置有夹持臂，中板的相对两侧面分别与两个侧板之间形成空腔；永磁体，设置于中板内；线圈机构，线圈机构包括两个FPC线圈，每个FPC线圈设置于对应的空腔内，每个FPC线圈包括多层平面线圈；两个FPC线圈独立通电；当FPC线圈通电时，FPC线圈产生磁场并与永磁体发生作用力，使得对应的侧板运动带动对应的夹持臂运动。本发明线圈采用平面的FPC线圈，实现了电磁微夹持器的微型化，且可靠性好；两个FPC线圈能够独立通电，使得可调节的夹持范围更大；打印质量好，提高夹持精度；位移精度高并能做到快速响应。

Description

双驱动型电磁微夹持器

技术领域

本发明涉及微操作技术领域，尤其涉及一种双驱动型电磁微夹持器。

背景技术

微夹持器作为微纳器件等典型的微机电系统操作和制造装备的末端执行机构，在工作过程中，微夹持器与操作对象直接接触，执行自动抓取-夹持-释放过程。因而微夹持器的性能直接影响着微操作的质量、效率和精度。

在现有的微夹持器类型中，电热驱动微夹持器基于热膨胀原理，由于相对较小的热应变，容易生成较大的输出力，以在一个特定方向上产生大位移。然而电热微夹持器的工作温度较高并且响应速度慢。静电微夹持器利用电荷间的库仑力来驱动，精度和频率高，但是受限于驱动特性和材料的影响，表现出驱动电压过高、行程小、夹持力小的缺点。而压电驱动的压电陶瓷变形量小，需要额外的放大机构且无法使用MEMS工艺制作，尺寸较大。电磁微夹持器通过线圈驱动，分辨率高，响应速度快，符合微操作精准化的需求，但是由于电磁线圈的体积影响，使得电磁式微夹持器的尺寸较大，限制了电磁微夹持器的使用范围。

发明内容

针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种双驱动型电磁微夹持器。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种双驱动型电磁微夹持器，包括：

支撑部，所述支撑部包括基座、设于所述基座上的中板和两个侧板，所述中板位于两个所述侧板之间，每个所述侧板背离所述基座的一端均设置有夹持臂，所述中板的相对两侧面分别与两个所述侧板之间形成空腔；

永磁体，设置于所述中板内；

线圈机构，所述线圈机构包括两个FPC线圈，每个所述FPC线圈设置于对应的所述空腔内，每个所述FPC线圈包括多层平面线圈；

两个所述FPC线圈独立通电；当所述FPC线圈通电时，所述FPC线圈产生磁场并与所述永磁体发生作用力，使得对应的所述侧板运动带动对应的所述夹持臂运动。

作为本发明的进一步改进，所述基座内设置有中孔以及位于所述中孔两侧的两个侧孔，所述中孔与所述中板内部相连通，所述侧孔与所述空腔相连通。

作为本发明的进一步改进，还设置有挡块和两个盖板，所述挡块的一端伸入所述中孔以止挡所述永磁体，两个所述盖板均装配于所述基座且与伸出所述中孔的所述挡块的另一端相连接。

作为本发明的进一步改进，所述挡块的另一端开设有第一安装孔，所述盖板开设有第二安装孔和至少一个第三安装孔，所述第二安装孔与所述第一安装孔相对应。

作为本发明的进一步改进，每个所述盖板的一侧面开设有第一限位槽和第二限位槽，所述第一限位槽的深度小于所述第二限位槽的深度，所述第一限位槽与第二限位槽之间形成台阶面，所述第一安装孔连通所述第一限位槽。

作为本发明的进一步改进，每个所述盖板开设有至少一个限位孔，所述至少一个限位孔连通所述第二限位槽，所述基座的相对两侧面均向外凸出有至少一个凸起柱，所述凸起柱置入所述限位孔。

作为本发明的进一步改进，所述基座的相对两侧面均贯穿有缺口，所述缺口与所述侧孔相连通，所述侧板连接于所述缺口处，所述侧板的下端宽度小于所述缺口的宽度。

作为本发明的进一步改进，所述永磁体的尺寸为(2-4)mm×(3-6)mm×(0.5-1.5)mm，所述永磁体与所述FPC线圈之间的间距为0.05-0.15mm。

作为本发明的进一步改进，每层所述平面线圈的线宽为30-80μm，每层所述平面线圈的相邻圈之间的间距为30-80μm。

作为本发明的进一步改进，所述FPC线圈的平面尺寸为(2-6)mm×(8-12)mm，所述FPC线圈的总厚度为0.10-0.15mm，所述FPC线圈的总匝数为80-110匝。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的线圈采用FPC线圈，通过FPC工艺制成，其为平面微型线圈，尺寸小，柔韧性好，便于装配在侧板内以控制夹持器整体体积，结构紧凑、体积小巧，在提供足够驱动力的同时可以有效减小微夹持器的尺寸，实现了电磁微夹持器的微型化，且可靠性好，不易损坏。

(2)两个FPC线圈能够独立通电，从而使得两个夹持臂能够单独驱动，使得可调节的夹持范围更大，能够显著扩大电磁微夹持器的应用范围。

(3)其他结构通过高精度的微米级3D打印机打印而成，打印质量好，提高夹持精度。

(4)位移精度高并能做到快速响应，提高夹持的准确性、稳固性和快速性。

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，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为本发明的优选实施例的结构示意图；

图2为本发明的优选实施例的仰视的结构示意图；

图3为本发明的优选实施例未设置永磁体和FPC线圈的结构示意图；

图4为本发明的优选实施例的永磁体的结构示意图；

图5为本发明的优选实施例的挡块的结构示意图；

图6为本发明的优选实施例的盖板的结构示意图；

图7为本发明的优选实施例的永磁体与两个FPC线圈产生吸力的原理图；

图8为本发明的优选实施例的FPC线圈的俯视结构示意图；

图9为本发明的优选实施例的FPC线圈仰视结构示意图；

图10为本发明的优选实施例的FPC线圈的结构层图；

图11为本发明的优选实施例的FPC线圈的电热仿真结果图；

图12为本发明的优选实施例的FPC线圈的电磁仿真结果图；

图13为本发明的优选实施例的夹持臂不同末端的结构示意图；

图14为本发明的优选实施例的FPC线圈和永磁体的吸力以及斥力与电压的关系图；

图中：1、支撑部，11、基座，111、中孔，112、侧孔，113、缺口，114、凸起柱，12、中板，13、侧板，131、通孔，14、空腔，2、夹持臂，3、永磁体，4、FPC线圈，41、平面线圈，42、连接孔，43、第一电极，44、第二电极，5、挡块，51、第一安装孔，6、盖板，61、第二安装孔，62、第二安装孔，63、第一限位槽，64、第二限位槽，65、限位孔。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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清楚、完整地描述，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前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图8，本申请实施例公开了一种双驱动型电磁微夹持器，包括：支撑部1，支撑部1包括基座11、设于基座11上的中板12和两个侧板13，中板12位于两个侧板13之间，每个侧板13背离基座11的一端均设置有夹持臂2，中板12的相对两侧面分别与两个侧板13之间形成空腔14；永磁体3，设置于中板12内；线圈机构，线圈机构包括两个FPC线圈4，每个FPC线圈4设置于对应的空腔14内，每个FPC线圈4包括多层平面线圈41；两个FPC线圈独立通电；当FPC线圈4通电后，FPC线圈4产生磁场并与永磁体3发生作用力，使得对应的侧板13运动带动对应的夹持臂2运动。

在本实施例中，基座11内设置有中孔111以及位于中孔111两侧的两个侧孔112，中孔111与中板12内部相连通，侧孔112与空腔14相连通。如此设置，便于将永磁体3沿着中孔111装配入中板12内，将FPC线圈4沿着侧孔112装配入空腔14，装配快捷，且装配质量好。

具体地，侧板13的截面呈[形，则侧板13内部即为空腔14，FPC线圈4固定在侧板13内部。为了提高FPC线圈4的稳固性，优选侧板13上设置有至少一个通孔131，通过该通孔131便于往侧板13内注胶以便将FPC线圈4粘接在侧板13内。

请参阅图3，基座11的相对两侧面均贯穿有缺口113，缺口113与侧孔112相连通，侧板13连接于缺口113处，侧板13的下端宽度小于缺口113的宽度，便于侧板13的运动，从而便于带动夹持臂2运动。

还设置有挡块5和两个盖板6，挡块5的一端伸入中孔111以止挡永磁体3，两个盖板6均装配于基座11且与伸出中孔111的挡块5的另一端相连接。盖板6装配于基座11使得盖板6与基座11为一体，盖板6又与挡块5连接，这样就使得基座11、两个盖板6、挡块5为一体，使得永磁体3稳固在中板12内。

请参阅图5、图6，挡块5的另一端开设有第一安装孔51，盖板6开设有第二安装孔61和至少一个第三安装孔62，第二安装孔61与第一安装孔61相对应。可以通过插销依次穿过其中一个盖板6的第二安装孔61、挡块5的第一安装孔51、另一个盖板6的第二安装孔61，将挡块5与两个盖板6锁紧。其中一个盖板6的第三安装孔62与另一个盖板6的第三安装孔62对应设置，通过插销穿过相对的两个第三安装孔62将两个盖板6锁紧在基座11上。

每个盖板6的一侧面开设有第一限位槽63和第二限位槽64，第一限位槽63的深度小于第二限位槽64的深度，第一限位槽63与第二限位槽64之间形成台阶面65，第一安装孔61连通第一限位槽63。挡块5的另一端位于两个第一限位槽63围合的空间内，通过第一限位槽63对挡块5进行限位，从而提高挡块5的稳定性，基座11部分位于第二限位槽64内，提高基座11与盖板6之间装配的稳定性。

具体地，每个盖板6开设有至少一个限位孔66，至少一个限位孔66连通第二限位槽64，基座11的相对两侧面均向外凸出有至少一个凸起柱114，凸起柱114置入限位孔66，进一步提高盖板6与基座11之间连接的稳固性。

本实施例优选支撑部1通过微米级3D打印机打印成型，提高夹持器的夹持精度。优选挡块5和两个盖板6均通过微米级3D打印机打印成型，提高装配质量。

本实施例的FPC线圈4是采用柔性电路板工艺制作而成的微线圈。柔性电路板工艺以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成一种具有高度可靠性、绝佳的可挠性印刷电路板，具有配线密度高、重量轻、厚度薄、弯折性好的特点。本发明采用多层板结构制作FPC线圈4，不仅可以做到很薄，压缩线圈的体积，且可靠性和可弯曲性好，避免损坏，有效降低成本。

优选每层平面线圈41的线宽为30-80μm，每层平面线圈41的相邻圈之间的间距为30-80μm。具体地，FPC线圈4的每层平面线圈41的线宽为60μm，每层平面线圈41的相邻圈之间的间距为60μm，降低了制作工艺的困难，提高了平面线圈41在竖向和横向上宽度的一致性，并使得平面线圈41更加饱满均匀，且良品率能够达到60％。

FPC线圈的平面尺寸为(2-6)mm×(8-12)mm，FPC线圈4的总厚度为0.10-0.15mm，FPC线圈4的总匝数为80-110匝。具体地，FPC线圈4的平面尺寸为4mm×10mm，FPC线圈4的总厚度为0.11mm，FPC线圈4的总匝数为90匝。FPC线圈4包括六层平面线圈41。请参阅图8、图9，六层平面线圈41交错放置，交错放置指的是相邻层平面线圈41不是对齐重合堆叠，而是相对错开50-60μm的距离。请参阅图10，每层平面线圈41之间都有PI(聚酰亚胺)层，目的是隔绝开相邻的两个平面线圈41，先将平面线圈41一层一层制备好之后，再压印在一起，最后打连接孔22实现每两个平面线圈41之间的连接。具体地，每层平面线圈41包括Cu线圈、覆盖Cu线圈相对表面的胶层，相邻平面线圈41之间设置PI层，连接孔42处即为每两个平面线圈41的连接处。本实施例由于设置六层平面线圈41，增长了导线长度，使得FPC线圈4的电阻更低、发热量更低、生成的磁场强度更强。FPC线圈4还设置有第一电极43和第二电极44，便于从外部通入电流。

对FPC线圈4模型进行仿真以确定FPC线圈4能够通入的电流大小以及永磁体3所布置位置。首先是电热仿真，使用Workbench里的Thermal-Electric模块，施加0.06A的电流激励，边界条件为上下表面自然空气对流，也就是只考虑空气对流散热，其值为5W/(m2·℃)，求解之后得到FPC线圈4最大温度为58.9℃，如图11所示，在可接受范围内。并且短时间工作可以适当增大电流，所以FPC线圈4所通电流可以根据0.06A左右调整，最大能够达到0.14A，再往上增大电流导致仿真温度超过100℃。

接着对FPC线圈4模型进行电磁仿真以确定FPC线圈4磁场分布和永磁体3布置位置。仿真软件使用的是Maxwell，施加0.06A的电流激励作用于FPC线圈4截面，仿真结果如图12所示，磁场强度较大的范围在于FPC线圈4表面1mm以内，其值为4e-3T，其中T为磁感应强度单位。因此，永磁体3应该布置在距离FPC线圈4为1mm以内。

通过仿真优化永磁体3的长宽和与FPC线圈4的距离。设定永磁体3的宽度、长度以及与FPC线圈4之间的距离为变量，仿真永磁体3与FPC线圈4的相互作用力。表1为所仿真的部分数据，从表中可以看出，永磁体3的宽度从2.8mm变化到3.6mm时，相互作用力变化不大，但是当宽度增大到5mm后，相互作用力反而减小了；长度从10mm变化到5mm之后，相互作用力的变化就不明显了；永磁体3距离FPC线圈4越近，其相互作用力越大。优选永磁体3的尺寸为(2-4)mm×(3-6)mm×(0.5-1.5)mm，永磁体3与FPC线圈4之间的间距为0.05-0.15mm。根据表中数据，最终选择了永磁体3的宽度为3mm、长度为5mm、厚度为1mm，即永磁体3的尺寸为3mm×5mm×1mm，且永磁体3相距FPC线圈4为0.1mm布置，确保永磁体3与FPC线圈4之间相互作用力大。

表1不同参数永磁体仿真结果数值

宽度	长度	与FPC线圈距离	相互作用力
				2.8mm	10mm	1mm	6.37mN
2.8mm	10mm	0.1mm	13.95mN
				3mm	10mm	1mm	6.5mN
3mm	10mm	0.1mm	14.22mN
				3.6mm	10mm	1mm	6.6mN
3.6mm	10mm	0.1mm	14.27mN
				5mm	10mm	1mm	5.47mN
5mm	10mm	0.1mm	12.16mN
				3mm	6mm	1mm	7.06mN
3mm	6mm	0.1mm	17.98mN
				3mm	5mm	1mm	7.6mN
3mm	5mm	0.1mm	19.10mN
				3mm	4mm	1mm	7.5mN
3mm	4mm	0.1mm	18.84mN

除了FPC线圈4和永磁体3，微夹持器的其它结构均使用光敏树脂通过微米级3D打印机打印成型。光敏树脂主要由聚合物单体与预聚体组成，其中掺杂有光敏剂，在250～300nm波长的紫外光照射下便会立刻引起聚合反应，完成固态化转换。本实施例的微夹持器采用光敏树脂作为材料，在固化之后硬度较高、不易破碎且具有一定的柔性，可以在复杂恶劣的坏境下工作。这样，微夹持器的末端也可以设计成不同的复杂形状以适用于不同的被夹持物体，如图13所示。图13(a)所示的两个夹持臂2的末端均呈竖直型，适用于夹持100μm至400μm的物体。优选两个夹持臂2相距200μm。图13(b)所示的两个夹持臂2的末端均呈镂空型，夹持面为弧型并且设置有镂空排流体结构，适用于在液体中夹持物体。图13(c)所示的两个夹持臂2的末端均呈圆弧型，适合夹持球形物体。优选两个夹持臂2相距140μm。图13(d)所示的两个夹持臂2的末端均呈锯齿型，在夹持面设置多个齿距为20μm的锯齿，从而增大夹持面的粗糙度以更稳定地夹持物体。图13(e)所示的两个夹持臂2的末端均呈特殊型，能够夹持特殊形状的物体。不同的被夹持物体可以针对性的设置不同的末端形状，同时配合高精度3D打印的便捷性，可以很方便地制造出针对不同被夹持物体的微夹持器。

对制成的FPC线圈4进行实验，测量FPC线圈4和永磁体3的吸力以及斥力。将FPC线圈4固定在电子天平上，并将尺寸为3mm×5mm的NdFe35永磁体3固定在螺旋微调台上，通过调节螺旋微调台的高度使得FPC线圈4和永磁体2相距150μm。通过改变FPC线圈4所通电压的大小和方向来使得FPC线圈4和永磁体3之间的作用力发生变化，并根据电子天平的示数来获得力的数值。所采用的电子天平分辨率为万分之一。将实验所测量出的数据绘制成曲线，如图14所示，图14(a)是吸力与电压的关系图，图14(b)是斥力与电压的关系图。在驱动电流为0.1A时，也就是驱动电压在2.5V，实验所测得的值在8mN左右，而仿真结果数值为9.2mN，两者相差15％，说明仿真结果是可信的。

通过实验平台以对微夹持器微装配进行实验，实验平台包括操作平台、安装平台、显微镜、显示器以及电源。操作平台包含了两个三轴运动平台；安装平台负责安装微夹持器；显微镜上连接有相机并将信号传递给显示器；电源可连接电脑并通过电脑控制电源电压的变化。电源通过RS232或RS485串口与上位机或者PLC等主控设备进行数据通信，主控设备可以通过串行接口控制电源的开关、电压、电流大小等，也可以接收电源发出的信息。通讯协议使用MODBUS-RTU协议，为简化操作，电源在收到上位机发出的写寄存器指令后，将执行相应的操作，但不会向上位机发出响应。

本发明在使用时，当两个FPC线圈4均通电，中板12和永磁体3保持不动，根据FPC线圈4所通电流方向，永磁体3分别对两个FPC线圈4产生作用力，永磁体3可以同时对两个FPC线圈4产生吸力或斥力，每个FPC线圈4和对应的侧板13运动，从而带动两个夹持臂2相向运动或背离运动，永磁体3也可以对其中一个FPC线圈4产生吸力、对另一个FPC线圈4产生斥力。当其中一个FPC线圈4通电、另一个FPC线圈4不通电，则永磁体3对通电的FPC线圈4产生吸力或斥力，另一个FPC线圈4保持不动，则通电的FPC线圈4带动对应的侧板13和夹持臂2运动。

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 (10)

1.一种双驱动型电磁微夹持器，其特征在于，包括：

支撑部，所述支撑部包括基座、设于所述基座上的中板和两个侧板，所述中板位于两个所述侧板之间，每个所述侧板背离所述基座的一端均设置有夹持臂，所述中板的相对两侧面分别与两个所述侧板之间形成空腔；

永磁体，设置于所述中板内；

线圈机构，所述线圈机构包括两个FPC线圈，每个所述FPC线圈设置于对应的所述空腔内，每个所述FPC线圈包括多层平面线圈；

两个所述FPC线圈独立通电；当所述FPC线圈通电时，所述FPC线圈产生磁场并与所述永磁体发生作用力，使得对应的所述侧板运动带动对应的所述夹持臂运动。

2.根据权利要求1所述的双驱动型电磁微夹持器，其特征在于，所述基座内设置有中孔以及位于所述中孔两侧的两个侧孔，所述中孔与所述中板内部相连通，所述侧孔与所述空腔相连通。

3.根据权利要求2所述的双驱动型电磁微夹持器，其特征在于，还设置有挡块和两个盖板，所述挡块的一端伸入所述中孔以止挡所述永磁体，两个所述盖板均装配于所述基座且与伸出所述中孔的所述挡块的另一端相连接。

4.根据权利要求3所述的双驱动型电磁微夹持器，其特征在于，所述挡块的另一端开设有第一安装孔，所述盖板开设有第二安装孔和至少一个第三安装孔，所述第二安装孔与所述第一安装孔相对应。

5.根据权利要求4所述的双驱动型电磁微夹持器，其特征在于，每个所述盖板的一侧面开设有第一限位槽和第二限位槽，所述第一限位槽的深度小于所述第二限位槽的深度，所述第一限位槽与第二限位槽之间形成台阶面，所述第一安装孔连通所述第一限位槽。

6.根据权利要求5所述的双驱动型电磁微夹持器，其特征在于，每个所述盖板开设有至少一个限位孔，所述至少一个限位孔连通所述第二限位槽，所述基座的相对两侧面均向外凸出有至少一个凸起柱，所述凸起柱置入所述限位孔。

7.根据权利要求2所述的双驱动型电磁微夹持器，其特征在于，所述基座的相对两侧面均贯穿有缺口，所述缺口与所述侧孔相连通，所述侧板连接于所述缺口处，所述侧板的下端宽度小于所述缺口的宽度。

8.根据权利要求1所述的双驱动型电磁微夹持器，其特征在于，所述永磁体的尺寸为(2-4)mm×(3-6)mm×(0.5-1.5)mm，所述永磁体与所述FPC线圈之间的间距为0.05-0.15mm。

9.根据权利要求1所述的双驱动型电磁微夹持器，其特征在于，每层所述平面线圈的线宽为30-80μm，每层所述平面线圈的相邻圈之间的间距为30-80μm。

10.根据权利要求1或9所述的双驱动型电磁微夹持器，其特征在于，所述FPC线圈的平面尺寸为(2-6)mm×(8-12)mm，所述FPC线圈的总厚度为0.10-0.15mm，所述FPC线圈的总匝数为80-110匝。

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