CN1871497A - 带有至少一个弹性铰链的单块结构 - Google Patents

Abstract

一种见于现有技术的弹性铰链将单块结构(18)分离成旋转结构件(21)和固定结构件(20)，其中弹性铰链容许所述旋转结构件相对于所述固定结构件(20)旋转。弹性铰链通过将至少一个第一狭槽状元件形成于所述单块结构中而形成，其中该第一狭槽状元件或每个第一狭槽状元件(22)限定了弹性铰链进而限定了弹性铰链的至少一根旋转轴线。见于现有技术的此类弹性铰链的主要缺点在于横向刚度比轴向刚度低，特别是绕着旋转轴线的倾斜刚度低时。为了提供具有增大横向刚度的弹性铰链，通过将至少一个第二狭槽状元件(23)形成于所述单块结构(18)中，至少一个杆状或板状元件(27)就形成于所述单块结构(18)中。

Description

带有至少一个弹性铰链的单块结构

本发明涉及一种弹性铰链以及包括至少一个弹性铰链的设备。另外，本发明涉及一种用于制造弹性铰链的方法。

铰链用来使得运动或旋转结构件能够相对于固定结构件发生位移或旋转。现有技术中的已知有各种各样的铰链如滚柱轴承或滑动接头。游隙、摩擦和滞后效应限制了滚柱轴承和滑动接头的定位性能。

在高精度机构和固定中，通常使用弹性铰链。弹性铰链提供了准确的、可再现的以及成本有效的替代方案来代替滚柱轴承和滑动接头。根据现有技术，弹性铰链通过形成间隙或狭槽并可能结合孔而形成于单块结构中，从而将单块结构分离成除了弹性铰链以外的固定结构件和旋转结构件。间隙或狭槽可以通过钻孔过程或通过金属线EDM(放电加工)形成。

专利US 6,538,747 B1公开了一种相移适配器，其包括固定端支承部分和可动端支承部分，因此固定端支承部分和可动端支承部分通过整体地形成的挠曲铰链连接起来，挠曲铰链串联放置以便形成弹性机构。两个支承部分由通过金属线EDM过程形成于相移适配器的单块结构中的狭槽来分离。

见于现有技术的弹性铰链的缺点在于横向刚度比轴向刚度低，而该方向为铰接部分的方向。特别是当需要极低的倾斜刚度时，根据现有技术这通过低的坝高度与孔直径比来实现，横向刚度就极低。因此，弹性铰链主要可以用于加载方向或力的方向与弹性铰链的轴向一致的应用场合中。因此，对于弹性铰链加载方向或力的方向与弹性铰链的轴向不一致的应用场合，根据现有技术的弹性铰链将会失效。

为了解决该问题，根据现有技术已知的做法是为此类应用场合增加垂直于第一弹性铰链的第二弹性铰链以便形成所谓的交叉弹簧弹性铰链。然而，增加第二弹性铰链需要另加的装配过程并且导致设计复杂昂贵。形成此类交叉弹簧弹性铰链就会失去弹性铰链的主要优点如简单性、紧凑性和可再现性。

本发明的一个目的是提供一种具有改进横向刚度的新型弹性铰链。

本发明提供了形成于单块结构中的弹性铰链，其中弹性铰链将单块结构分离成旋转结构件和固定结构件，并且其中弹性铰链容许所述旋转结构件相对于所述固定结构件旋转，所述弹性铰链通过将至少一个第一狭槽状元件形成于所述单块结构中而形成，其中该第一狭槽状元件或每个第一狭槽状元件限定了弹性铰链进而限定了弹性铰链的至少一根旋转轴线，并且其中通过将至少一个第二狭槽状元件形成于所述单块结构中，至少一个杆状或板状元件就形成于所述单块结构中。

根据本发明的一个优选实施例，该第一狭槽状元件或每个第一狭槽状元件包括限定了一个平面的至少两个段，因此该第二狭槽状元件或每个第二狭槽状元件近似平行于相应第一狭槽状元件的一个段，进而限定了杆状或板状元件。弹性铰链的旋转轴线近似垂直于由该第一狭槽状元件或每个第一狭槽状元件的段限定的所述平面。

优选地，该第一和第二狭槽状元件或每个第一和第二狭槽状元件通过金属线放电加工(EDM)过程而形成于所述单块结构中。可以使用其它制造过程，例如微EDM过程、电化学加工(ECM)过程、激光束加工(LBM)过程、铜蒸气激光器(CVL)加工过程或所谓的LIGA过程。

该第二狭槽状元件或每个第二狭槽状元件最优选通过与将该第一狭槽状元件或每个第一狭槽状元件形成于所述单块结构中使用的过程相同的金属线放电加工过程而形成于所述单块结构中。

另外，本发明提供了包括至少一个弹性铰链的设备。此外，本发明提供了用于制造弹性铰链的方法。

图1示出了根据现有技术的形成于单块结构中的弹性铰链，其用于将单块器件分离成固定的结构件和旋转的结构件；

图2示出了根据本发明第一实施例的形成于单块结构中的弹性铰链，其提供了用于使得旋转结构件相对于固定结构件绕着一根轴线旋转的二维弹性铰链；

图3示出了根据本发明第二实施例的形成于单块结构中的弹性铰链，其提供了用于使得旋转结构件相对于固定结构件绕着一根轴线旋转的二维弹性铰链；

图4示出了根据本发明第三实施例的形成于单块结构中的弹性铰链，其提供了用于使得旋转结构件相对于所述固定结构件绕着两根轴线旋转的三维弹性铰链；

图5示出了根据本发明另一个实施例的形成于单块结构中的弹性铰链，其提供了用于使得旋转结构件相对于所述固定结构件绕着两根轴线旋转的三维弹性铰链；以及

图6示出了根据本发明另一个实施例的形成于单块结构中的弹性铰链，其提供了用于使得旋转结构件相对于所述固定结构件绕着两根轴线旋转的三维弹性铰链。

图1在两个不同的视图中示出了呈板状元件10形式的单块结构。在图1的左侧示出了板状元件10的前视图，在右侧示出了板状元件10的侧视图。在图1的左侧示出的坐标系与板状元件10的前视图有关，而在图1的右侧示出的坐标系与侧视图有关。如图1中所示，板状元件10的特征在于厚度t。

在根据图1的板状元件10中，弹性铰链11由两个狭槽状元件12形成。根据现有技术，狭槽状元件12将单块板状元件10分成固定结构件13和旋转结构件14。除了在板状元件10中间形成的弹性铰链11以外，这两个狭槽状元件12沿水平X轴方向在板状元件的整个厚度t上除去板状元件10的材料。弹性铰链11由在这两个狭槽状元件12之间剩下的材料限定，因此这两个狭槽状元件12之间沿水平方向的距离的特征在于图1中的参考符号h。

根据图1的弹性铰链11的两个狭槽状元件12根据现有技术形成并且包括两个段。两个狭槽状元件12的第一段15起始于板状元件10的相邻外侧壁16处并且指向形成了弹性铰链11的板状元件10的中间或中心部分。狭槽状元件12的该第一段15沿着水平X轴的方向。每个狭槽状元件12的第一段15在板状元件10的中央或中间部分过渡成为狭槽状元件12的第二段17。从图1可以看到，第一段15主要将板状元件10分离至下部固定结构件13和上部旋转结构件15，因此第二段17主要限定弹性铰链11。在图1中，第二段17被设计成圆弧的形式，因此该圆弧所指或所沿的方向大体上是垂直于水平X轴的竖直Z轴方向。由狭槽状元件12的每个第二段17限定的圆弧的直径的特征在于图1中的参考符号D。狭槽状元件12的两个段15和17限定了平面X-Z。

由两个狭槽状元件12形成的弹性铰链11包括旋转轴线，该旋转轴线近似垂直于由狭槽状元件12限定的平面X-Z。在图1中，弹性铰链11的旋转轴线沿着水平Y轴的方向，因此该水平Y轴垂直于X轴和Z轴。形成于单块板状元件10中的上述弹性铰链11容许上部结构件14相对于下部结构件13绕着Y轴旋转。参考图1所述的根据现有技术的弹性铰链11的主要缺点在于沿X轴方向的横向刚度比沿Z轴方向的轴向刚度低。因此，根据现有技术的弹性铰链11主要可用于力的方向与Z轴一致的应用场合中。然而，当力的方向并不与该方向一致并且出现沿X轴方向的力时，由于根据现有技术的弹性铰链11具有低横向刚度，其将会失效。

本发明提供了一种具有改进横向刚度的形成于单块结构中的新型弹性铰链11。图2至6示出了根据本发明的弹性铰链的不同实施例。

图2示出了本发明的第一实施例，其中弹性铰链18形成于单块结构中，由此单块结构被设计为板状元件19。像图1一样，图2以两个不同的视图示出了板状元件19，前视图示于图2的左侧部分而侧视图示于图2的右侧部分中。图2的左侧部分中所示的坐标系与板状元件19的前视图有关，而图2的右侧部分中所示的坐标系与板状元件19的侧视图相对应。

弹性铰链18将板状元件19分离成下部固定结构件20和上部旋转结构件21。弹性铰链18由狭槽状元件形成，其将会更详细地描述如下。弹性铰链18的旋转轴线沿着图2中的Y轴方向。

如图2中所示的根据本发明的弹性铰链18由总共四个狭槽状元件形成，即由一对第一狭槽状元件22和一对第二狭槽状元件23形成。第一狭槽状元件22包括两个段，所述第一狭槽状元件22的第一段24沿着水平X轴的方向而所述第一狭槽状元件22的第二段25大体上沿着竖直Z轴的方向，该Z轴垂直于水平X轴。第一段24的特征在于长度1并且在图2的左侧部分的前视图中具有直线形状。第二段25被设计为具有直径D的圆弧，其中圆弧大体上指向竖直Z轴的方向。在板状元件12的中央部分中的两个第一狭槽状元件22的两个第二段25之间的距离的特征在于图2中的参考符号h并且在板状元件19的中央部分中限定了弹性铰链。从图2可以看到，每个第一狭槽状元件22形成于板状元件19的单块结构中的方式使得第一狭槽状元件22沿X轴和Z轴的方向完全被单块结构包围。这意味着第一狭槽状元件22的第一段24并不延伸穿过板状元件19的外侧壁26。第一狭槽状元件22只沿旋转轴线(Y轴)的方向延伸至板状元件19的外部。

根据本发明，第二狭槽状元件23在邻近第一狭槽状元件22的每个第一段24处形成于板状元件19中。第二狭槽状元件23在图2的左侧部分中的前视图中具有直线形状。第二狭槽状元件23近似平行于第一狭槽状元件22的第一段24延伸，第二狭槽状元件23与相应第一狭槽状元件22的相应第一段24之间的距离的特征在于图2中的参考符号b。通过将第二狭槽状元件23形成于板状元件19中，就形成了杆状元件27。从图2可以看到，第二狭槽状元件23只沿水平X轴的方向，并且第二狭槽状元件23沿X轴的方向穿过侧壁26延伸至板状元件19的外部。所述侧壁26中的第二狭槽状元件23的开口28示于图2的右侧部分中。

根据本发明，除了位于板状元件19的中央部分或中间部分中的弹性铰链18的铰接部分之外，杆状元件27也沿X轴的方向应用。这些杆状元件27增加了弹性铰链18沿X轴方向的横向刚度。因此，根据本发明的弹性铰链18沿Z轴方向和X轴方向都提供了足够的刚度。

图3示出了本发明的第二实施例。图3的实施例从图2的实施例类推设计。因此，为了避免重复，对于相同的结构和功能元件使用相同的参考数字。

图3的实施例不同于图2中的实施例之处在于第一狭槽状元件22的第二段25的形状。在根据图3的实施例中，第二段25被设计成直线形式而非圆弧形式。因此，除了由第一狭槽状元件22的第一段24和第二狭槽状元件23限定的杆状元件27之外，一个附加杆状元件29形成于两个第一狭槽状元件22的第二段25之间。附加杆状元件29沿着竖直Z轴的方向延伸并且因此近似垂直于杆状元件27的方向延伸，该杆状元件27沿着水平X轴延伸。杆状元件27的长度的特征在于参考符号l₂并且宽度的特征在于参考符号b₂。附加杆状元件29的长度的特征在于参考符号l₁并且宽度的特征在于参考符号b₁。如果沿着Z轴的轴向刚度等于根据图2的实施例，则沿着竖直Z轴的附加杆状元件29还减小了弹性铰链18绕着Y轴的倾斜刚度。根据图3的实施例提供了一种新型的交叉弹簧弹性铰链，其与见于现有技术单块结构的解决方案不同，因此结构紧凑并且没有滞后。

参考图2和3所述的本发明的实施例两者都提供了用于使旋转结构件相对于固定结构件绕着一根轴线旋转的二维弹性铰链。然而，本发明还包含提供了三维弹性铰链的实施例，这种三维弹性铰链用于使旋转结构件相对于固定结构件绕着两根轴线旋转，因此绕着由所述两根轴线限定的平面中的任意轴线旋转。图4至6示出了此类三维弹性铰链的实施例。

图4示出了提供了一种三维弹性铰链的本发明的实施例。在图4的实施例中，弹性铰链形成于呈立方体状元件30形式的单块结构中，因此图4示出了立方体状元件30的三个不同视图。在图4的底部示出了立方体状元件30的两个不同侧视图(X-Z视图和Y-Z视图)，在图4的上部示出了沿A-A方向穿过立方体状元件30的剖视图(X-Y视图)。在每一个不同视图的旁边，示出了相应的坐标系。

根据图4的立方体状元件30包括四个侧壁31、32、33和34。两个狭槽状元件，即第一狭槽状元件35和第二狭槽状元件36形成于所述侧壁31、32、33和34的每一个中。第一狭槽状元件35中每一个包括两个段，沿水平方向即沿水平X轴或Y轴方向的第一段37和沿竖直Z轴的方向的第二段38。从图4的剖视图(X-Y视图)可以看到，第二段38从立方体状元件30的第一角42/44延伸至相邻的第二角43/45。第一段37在两个相邻侧壁31和33或32和34之间延伸。第二狭槽状元件36近似平行于所述第一狭槽状元件35的第一段37，因此杆状或板状元件39形成于第一狭槽状元件35的第一段37与第二狭槽状元件36之间。杆状或板状元件39在剖视图中具有矩形形状并且只沿水平方向连接着弹性铰链的固定结构件和旋转结构件。另一个杆状元件40形成于相邻第一狭槽状元件35的第二段38之间的中央。杆状元件40在剖视图中具有正方形形状并且只沿垂直方向连接着弹性铰链的固定结构件和旋转结构件。

沿水平方向的杆状元件39的特征在于其长度l₂或l₄以及其宽度b₂或b₄。沿垂直方向的杆状元件40的特征在于其长度l_t和l₃及其宽度b₁和b₃。

图5和6中所示的三维弹性铰链的实施例从图4的实施例类推设计。因此，为了避免重复，对于相同的结构和功能元件使用相同的参考数字。

图5的实施例不同于根据图4的实施例之处在于狭槽状元件35和36的方位。在根据图5的实施例中，狭槽状元件35和36与根据图4的实施例相比沿着Y轴方向镜像(在Y-Z视图中而不是在X-Z视图中)。在图4的实施例中，上部旋转结构件相对于下部固定结构件绕着竖直Z轴的抗扭刚度比较低，因为只有四个杆状元件39和杆状元件40将上部旋转结构件互连至下部固定结构件。在图5的实施例中，四个三角形板状元件41也将上部旋转结构件连接至下部固定结构件，从而提供了绕着竖直Z轴的更高抗扭刚度。在图5的实施例中，四个杆状元件39和四个三角形板状元件41沿水平方向将上部旋转结构件连接至下部固定结构件。在中央的杆状元件40沿垂直方向将上部旋转结构件连接至下部固定结构件。

图4和5中所示的三维弹性铰链的实施例与图3中所示的二维铰链相对应(由狭槽状元件的形状来看)。根据图6的三维弹性铰链与图2中所示的二维弹性铰链相对应(由狭槽状元件的形状来看)。根据图6的实施例的第一狭槽状元件35的形状与图2中的实施例的第一狭槽状元件22的形状相对应，因此这些第一狭槽状元件35的第二段38并不具有直线形状而是具有圆弧形状。从功能观点看，图6的实施例类似于图5的实施例，四个杆状元件39和四个三角形板状元件41沿水平方向将上部旋转结构件连接至下部固定结构件，在中央的一个杆状元件40沿垂直方向将上部旋转结构件连接至下部固定结构件。

根据图4至6的实施例提供的三维弹性铰链提供了上部旋转结构件相对于下部固定结构件绕着两个水平轴即X轴和Y轴的全部旋转。

根据本发明，所有狭槽状元件都形成于由板状元件19或立方体状元件30通过金属线放电加工(EDM)过程所提供的单块结构中。这样容许非常紧凑地设计包括根据本发明的弹性铰链的设备。所有狭槽状元件都可以在相同的EDM过程期间形成。因此，制造很简单并且可以以低成本提供包括根据本发明的弹性铰链的设备。可以使用其它制造过程，例如微EDM过程、电化学加工(ECM)过程、激光束加工(LBM)过程、铜蒸气激光器(CVL)加工过程或所谓的LIGA过程。

根据本发明的弹性铰链可被用于需要改进或增加横向刚度的任何类型的弹性机构或弹性固定中。一个实例为弹性铰链可被用于高精度光学组件所用的运动学固定中。本发明的其它应用领域有用于测量小型产品的高精度坐标测量机、作为滑动或滚压接头的更准确的替代方案的无滞后挠性接头以及自调位轴承支座，例如空气静压轴承系统。

参考符号清单：

10    板状元件                  39    杆状元件

11    弹性铰链                  40    杆状元件

12    狭槽状元件                41    三角形板状元件

13    固定结构件                42    角

14    旋转结构件                43    角

15    第一段                    44    角

16    第二段                    45    角

17    侧壁

18    弹性铰链

19    板状元件

20    固定结构件

21    旋转结构件

22    第一狭槽状元件

23    第二狭槽状元件

24    第一段

25    第二段

26    侧壁

27    杆状元件

28    开口

29    杆状元件

30    立方体状元件

31    侧壁

32    侧壁

33    侧壁

34    侧壁

35    第一狭槽状元件

36    第二狭槽状元件

37    第一段

38    第二段

Claims (16)

1.一种形成于单块结构(18)中的弹性铰链，其中弹性铰链将单块结构(18)分离成旋转结构件(21)和固定结构件(20)，并且其中弹性铰链容许所述旋转结构件(21)相对于所述固定结构件(20)旋转，所述弹性铰链通过将至少一个第一狭槽状元件(22)形成于所述单块结构(18)中而形成，其中该第一狭槽状元件或每个第一狭槽状元件(22)限定了弹性铰链进而限定了弹性铰链的至少一根旋转轴线(Y)，其特征在于，通过将至少一个第二狭槽状元件(23)形成于所述单块结构(18)中，至少一个杆状或板状元件(27)就形成于所述单块结构(18)中。

2.根据权利要求1所述的弹性铰链，其特征在于，该第一狭槽状元件或每个第一狭槽状元件(22)包括限定了一个平面(X-Z)的至少两个段(24、25)，因此该第二狭槽状元件或每个第二狭槽状元件(23)近似平行于相应第一狭槽状元件(22)的一个段(24)，进而限定了杆状或板状元件(27)。

3.根据权利要求2所述的弹性铰链，其特征在于，弹性铰链的位移或旋转轴线(Y)近似垂直于所述平面(X-Z)。

4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的弹性铰链，其特征在于，该第一狭槽状元件或每个第一狭槽状元件(22)包括至少两个段，因此第一段(24)沿着第一轴(X)的方向而第二段(25)大体上沿着垂直于所述第一轴(X)的第二轴(Z)的方向，因此弹性铰链的旋转轴线(Y)沿着垂直于由第一轴(X)和第二轴(Z)限定的所述平面(X-Z)的方向。

5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的弹性铰链，其特征在于，该第一狭槽状元件或每个第一狭槽状元件(22)形成于所述单块结构(18)中的方式使得该第一狭槽状元件或每个第一狭槽状元件(22)只沿弹性铰链的旋转轴线(Y)的方向延伸至单块结构(18)的外部，因此第一狭槽状元件(22)沿限定了所述平面(X-Z)的轴线(X、Z)的方向完全被单块结构(18)包围。

6.根据前述权利要求1至5中任一项所述的弹性铰链，其特征在于，该第二狭槽状元件或每个第二狭槽状元件(23)形成于所述单块结构(18)中的方式使得该第二狭槽状元件或每个第二狭槽状元件(23)沿弹性铰链的旋转轴线(Y)的方向和沿限定了所述平面(X-Z)的一根轴线(X)的方向延伸至单块结构(18)的外部。

7.根据前述权利要求1至6中任一项所述的弹性铰链，其特征在于，该第一和第二狭槽状元件或每个第一和第二狭槽状元件(22、23)通过金属线放电加工过程而形成于所述单块结构中。

8.根据权利要求7所述的弹性铰链，其特征在于，该第二狭槽状元件或每个第二狭槽状元件(23)通过与将该第一狭槽状元件或每个第一狭槽状元件(22)形成于所述单块结构中使用的过程相同的金属线放电加工过程而形成于所述单块结构中。

9.一种设备，包括至少一个形成于所述设备的单块结构(18)中的弹性铰链，其中该弹性铰链或每个弹性铰链将单块结构分离成旋转结构件(21)和固定结构件(20)，并且其中弹性铰链容许所述旋转结构件相对于所述固定结构件旋转，所述弹性铰链通过将至少一个第一狭槽状元件(22)形成于所述单块结构中而形成，其中该第一狭槽状元件或每个第一狭槽状元件(22)限定了弹性铰链进而限定了弹性铰链的至少一根旋转轴线(Y)，其特征在于，通过将至少一个第二狭槽状元件(23)形成于所述单块结构(18)中，至少一个杆状或板状元件(27)就形成于所述单块结构(18)中。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，该弹性铰链或每个弹性铰链根据前述权利要求2至8中任一项形成。

11.一种用于将弹性铰链制造于单块结构中的方法，其中弹性铰链将单块结构分离成旋转结构件和固定结构件，并且其中弹性铰链容许所述旋转结构件相对于所述固定结构件旋转，这通过执行以下步骤而实现：

a)提供单块结构，

b)将至少一个第一狭槽状元件形成于所述单块结构中，从而限定弹性铰链，由此所述弹性铰链限定了弹性铰链的至少一根旋转轴线(Y)，

c)通过将至少一个第二狭槽状元件形成于所述单块结构中而将至少一个杆状或板状元件形成于所述单块结构中。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，该第一狭槽状元件或每个第一狭槽状元件形成的方式将使得该第一狭槽状元件或每个第一狭槽状元件包括至少两个段，其中第一段沿着第一轴(X)的方向而第二段大体上沿着垂直于所述第一轴(X)的第二轴(Z)的方向，并且其中弹性铰链的旋转轴线(Y)沿着垂直于由第一轴(X)和第二轴(Z)限定的所述平面(X-Z)的方向。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，该第二狭槽状元件或每个第二狭槽状元件的形成方式将使得该第二狭槽状元件或每个第二狭槽状元件近似平行于相应第一狭槽状元件的一个段，进而限定了杆状或板状元件。

14.根据前述权利要求11至13中任一项所述的方法，其特征在于，该第一狭槽状元件或每个第一狭槽状元件将会形成于所述单块结构中的方式使得该第一狭槽状元件或每个第一狭槽状元件只沿弹性铰链的旋转轴线(Y)的方向延伸至单块结构的外部，由此该第一狭槽状元件或每个第一狭槽状元件沿限定了所述平面(X-Z)的轴线(X、Z)的方向完全被单块结构包围。

15.根据前述权利要求11至14中任一项所述的方法，其特征在于，该第二狭槽状元件或每个第二狭槽状元件形成于所述单块结构中的方式使得该第二狭槽状元件或每个第二狭槽状元件沿弹性铰链的旋转轴线(Y)的方向和沿限定了所述平面(X-Z)的一根轴线(X)的方向延伸至单块结构的外部。

16.根据前述权利要求11至15中任一项所述的方法，其特征在于，该第一和第二狭槽状元件或每个第一和第二狭槽状元件将会通过金属线放电加工过程而形成于所述单块结构中。

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