CN1260046C - 组合式微夹持器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于夹持微小物体的夹持器——组合式微夹持器。它由导槽体(4)、电机(3)、螺母(5)、前支撑梁(6)、后支撑梁(8)、轴承(10)、弹簧(7)和两根压电悬梁(2)组成，前支撑梁(6)的下半部镶在导槽体(4)上表面上所开的导槽(4-1)中，电机设置在导槽体(4)的左端上，电机(3)的表面上开有精密螺纹的电机轴(3-1)穿入导槽体(4)中，电机轴(3-1)的自由端通过轴承(10)连接在导槽体(4)上，螺母(5)旋合在电机轴(3-1)上并且与前支撑梁(6)的下端固定连接，后支撑梁(8)固定在导槽体(4)的右端上，前支撑梁(6)与后支撑梁(8)之间设置有弹簧(7)，两根压电悬梁(2)分别设置在前支撑梁(6)和后支撑梁(8)的上端上。与其他微夹持器相比，本发明具有更大的通用性和适用性，具有很高的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种微操作作业工具，具体涉及一种用于夹持微小物体的夹持器。
背景技术
随着纳米技术的发展，在机械、电子、医疗、生物等领域，迫切需要微细作业装备，尽管微细作业的对象不同，但在微操作过程中，对微小物体的摄取、操作和搬运都离不开微夹持技术，微夹持器是一种重要的微操作作业工具，具有重要的研究和实用价值，目前，国内研制出一些微夹持器，它们在动作原理、驱动方式、机构等方面各有特色，但也存在一些问题，表现在：夹持范围小(几百微米以下)；如果夹持范围较大，夹持精度和夹持器的开合分辨率就较低，存在夹持范围与夹持精度、分辨率的矛盾；因此，夹持器的通用性和适用性较差。
发明内容
为了克服现有的夹持器通用性和适用性较差的缺陷，提供一种具有广泛的通用性和适用性的夹持器。本发明通过下述方案予以实现：一种组合式微夹持器，采用了宏微结合的结构，它由导槽体4、电机3、螺母5、前支撑梁6、后支撑梁8、轴承10、弹簧7和两根压电悬梁2组成，前支撑梁6的下半部镶在导槽体4上表面上所开的导槽4-1中，电机3设置在导槽体4的左端上，电机3的表面上开有精密螺纹的电机轴3-1穿入导槽体4中，电机轴3-1的自由端通过轴承10连接在导槽体4上，螺母5旋合在电机轴3-1上并且与前支撑梁6的下端固定连接，后支撑梁8固定在导槽体4的右端上，前支撑梁6与后支撑梁8之间设置有弹簧7，两根压电悬梁2分别设置在前支撑梁6和后支撑梁8的上端上。压电悬梁2由一号压电晶片2-1、中间金属骨架2-2、二号压电晶片2-3、一号应变传感器2-4和二号应变传感器2-5组成，中间金属骨架2-2固定在一号压电晶片2-1和二号压电晶片2-3的中间，一号应变传感器2-4集成在一号压电晶片2-1的表面上，二号应变传感器2-5集成在二号压电晶片2-3的表面上，一号应变传感器2-4和二号应变传感器2-5组成惠斯通电桥，实现了机构、驱动、检测的集成化设计。本发明的夹持器在使用时，通过电机轴3-1的旋转来带动与螺母5固连的前支撑梁6移动，从而完成两根压电悬梁2之间距离的宏动调整，通过给压电悬梁2通电使之弯曲来完成夹持物体的工作。本发明基于宏微结合的设计思想，提出组合式微夹持器的方案，它既能够实现宏动调整，又能够实现微动夹持，解决夹持范围与开合分辨率之间的矛盾，实现较大夹持范围下，较高的张合分辨率，夹持可控，结构紧凑、可适应不同尺寸的微小物体，免去经常更换工具的麻烦，同时体积小、重量轻，适应微细作业显微镜下有限的作业空间。与其他微夹持器相比，本发明具有更大的通用性和适用性，具有很高的实用价值。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，图2是图1的俯视图，图3是压电悬梁2的结构示意图。
具体实施方式
它由导槽体4、电机3、螺母5、前支撑梁6、后支撑梁8、轴承10、弹簧7和两根压电悬梁2组成，前支撑梁6的下半部镶在导槽体4上表面上所开的导槽4-1中，电机3设置在导槽体4的左端上，电机3的表面上开有精密螺纹的电机轴3-1穿入导槽体4中，电机轴3-1的自由端通过轴承10连接在导槽体4上，螺母5旋合在电机轴3-1上并且与前支撑梁6的下端固定连接，后支撑梁8固定在导槽体4的右端上，前支撑梁6与后支撑梁8之间设置有弹簧7，两根压电悬梁2分别设置在前支撑梁6和后支撑梁8的上端上。弹簧7作用于前后支撑梁之间，消除机构间隙。提高定位精度，对于宏动部分，为了减小体积，尽量简化机构，减小传动环节，电机3选用APH59001型高精度直线电机实现大范围夹持调整运动。对于微动部分，由于压电陶瓷器件具有高分辨率(可达纳米级)、高频响(可达几十kHz)、不发热、体积小等优点，为了减小体积，简化机构，采用双晶片压电悬梁为驱动元件，压电悬梁2由一号压电晶片2-1、中间金属骨架2-2、二号压电晶片2-3、一号应变传感器2-4和二号应变传感器2-5组成，中间金属骨架2-2固定在一号压电晶片2-1和二号压电晶片2-3的中间，一号应变传感器2-4集成在一号压电晶片2-1的表面上，二号应变传感器2-5集成在二号压电晶片2-3的表面上，一号应变传感器2-4和二号应变传感器2-5组成惠斯通电桥。本发明在工作时，中间金属骨架2-2接地，二号压电晶片2-3接负电压，一号压电晶片2-1接正电压，压电悬梁2就发生向内的弯曲变形，从而夹住物体。调节加在压电晶体上的电场大小，就可以调节微夹持量，通过应变传感器能进行微张合量的检测。本发明采用双晶片压电悬梁为驱动元件，同时它还作为机构的骨架，表面集成应变传感器进行微位移检测，实现了机构、驱动、检测的集成化。本发明的微夹持器达到的性能指标：宏动张合量：0～3000μm，微动张合量：±130μm，张合重复定位精度：0.5μm，分辨率：35nm。夹持力：0.119N，整体尺寸：40mm×28mm×50mm(长×宽×高)。该微夹持器结构将微直线电机与压电悬梁结合，实现了宏微夹持定位，通过弹簧消除了机构间隙，通过压电悬梁达到较高的控制精度，实现了机构、驱动、检测的集成化。具有结构紧凑，操作空间大、精度高、分辨率高、结构紧凑的特点、可实现多种尺寸微小物体的夹持。
Claims (1)
1、一种组合式微夹持器，其特征是采用宏微结合的结构，它由导槽体(4)、电机(3)、螺母(5)、前支撑梁(6)、后支撑梁(8)、轴承(10)、弹簧(7)和两根压电悬梁(2)组成，前支撑梁(6)的下半部镶在导槽体(4)上表面上所开的导槽(4-1)中，电机(3)设置在导槽体(4)的左端上，电机(3)的表面上开有精密螺纹的电机轴(3-1)穿入导槽体(4)中，电机轴(3-1)的自由端通过轴承(10)连接在导槽体(4)上，螺母(5)旋合在电机轴(3-1)上并且与前支撑梁(6)的下端固定连接，后支撑梁(8)固定在导槽体(4)的右端上，前支撑梁(6)与后支撑梁(8)之间设置有弹簧(7)，两根压电悬梁(2)分别设置在前支撑梁(6)和后支撑梁(8)的上端上；压电悬梁(2)由一号压电晶片(2-1)、中间金属骨架(2-2)、二号压电晶片(2-3)、一号应变传感器(2-4)和二号应变传感器(2-5)组成，中间金属骨架(2-2)固定在一号压电晶片(2-1)和二号压电晶片(2-3)的中间，一号应变传感器(2-4)集成在一号压电晶片(2-1)的表面上，二号应变传感器(2-5)集成在二号压电晶片(2-3)的表面上，一号应变传感器(2-4)和二号应变传感器(2-5)组成惠斯通电桥，实现了机构、驱动、检测的集成化设计。
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