CN203775079U - 一种大行程的高精度微纳夹持器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种大行程的高精度微纳夹持器，特点是包括两根竖直设置的圆柱状的扭转臂，扭转臂的下端固定设置有基座，扭转臂的上端固定设置有水平设置的夹持臂，两根夹持臂相对设置且相平行，扭转臂上固定设置有压电扭转驱动器，夹持臂的侧面上固定设置有压电弯曲驱动器；优点是保证了微纳夹持器的夹持精度、分辨率以及夹持力，有效解决了夹持行程与夹持精度之间的矛盾，实现了在较大夹持行程内的高精度夹持动作，且整个微纳夹持器空间结构紧凑、重量轻、控制方便可靠，适用于微操作机器人系统和微机电系统等。
Description
技术领域
本实用新型涉及微机电系统技术领域中用于微机械精密加工、微装配、微型机器人等的微夹持器，尤其涉及一种大行程的高精度微纳夹持器。
背景技术
随着纳米技术的迅速发展，研究对象不断向微细化发展，“微纳米”尺度上的操作技术变得越来越重要。微夹持技术作为微操作技术研究领域中的一项关键技术，在微电子、微机械加工及装配、微机器人、生物细胞显微操作、显微外科及精密光学等技术领域中有着广泛的应用前景，成为人们关注的研究热点。
压电陶瓷微位移驱动技术由于具有结构紧凑、运动分辨率高、响应快等优点，已成为目前微夹持技术的主流驱动技术。目前国内外研制出了一些基于压电效应的微夹持器，基本都是基于压电材料的纵向伸缩和横向弯曲效应。利用单一的压电元件进行位移驱动具有较高的驱动精度，有些甚至可以达到次微米等级的驱动效果，但是驱动行程却仅有几十微米等级，由于工作行程小，不能对微小尺寸范围内不同尺寸量级和形状的微器件进行夹持操作，造成夹持器的适用范围很窄。而为了扩大微夹持器的行程，有些研究者基于杠杆原理利用柔性铰链机构或其它机械机构进行位移放大，夹持行程可以达到几百至几千微米等级，但是这是以牺牲微夹持器的夹持力以及分辨率为代价达到的，由于目前的微夹持器广泛存在着夹持行程与夹持精度、分辨率的矛盾，造成微夹持器的适用性和通用性较差。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种在保证夹持精度的基础上具有较大夹持行程的大行程的高精度微纳夹持器。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种大行程的高精度微纳夹持器，包括两根竖直设置的圆柱状的扭转臂，所述的扭转臂的下端固定设置有基座，所述的扭转臂的上端固定设置有水平设置的夹持臂，两根所述的夹持臂相对设置且相平行，所述的扭转臂上固定设置有压电扭转驱动器，所述的夹持臂的侧面上固定设置有压电弯曲驱动器。
所述的压电扭转驱动器为压电陶瓷扭转驱动器或压电纤维扭转驱动器。
所述的压电陶瓷扭转驱动器包括至少四片瓦形的第一压电陶瓷片，所述的第一压电陶瓷片的数量为偶数，所述的第一压电陶瓷片粘贴在所述的扭转臂的外圆周面上且相互围成圆管状，所述的第一压电陶瓷片的底部与所述的扭转臂的下端对齐，相邻的两个所述的第一压电陶瓷片的极化方向相反，相邻的两个所述的第一压电陶瓷片之间固定设置有电极，相邻的两个所述的电极的极性相反。
所述的压电纤维扭转驱动器由压电纤维薄膜沿所述的扭转臂的外圆周面绕一周而成，所述的压电纤维薄膜粘贴固定在所述的扭转臂的外圆周面上，所述的压电纤维扭转驱动器为一个或多个，当采用压电纤维扭转驱动器来驱动扭转臂微旋转时，其工作更可靠、稳定，控制效果也更好，且当采用多个压电纤维扭转驱动器时，其扭矩更大。
所述的扭转臂为空心圆管，降低了扭转臂的扭转刚度。
所述的压电弯曲驱动器为形状和尺寸均与所述的夹持臂相同的第二压电陶瓷片，位于两个夹持臂上的第二压电陶瓷片的电极极性相反，所述的第二压电陶瓷片粘贴固定在所述的夹持臂的外侧面或两侧面上且后端与所述的夹持臂的根部对齐，位于同一个夹持臂两侧面上的第二压电陶瓷片的电极极性相同。
所述的扭转臂和所述的夹持臂的材料为单晶硅、多晶硅或优质合金。
所述的夹持臂的前端夹持面上设置有摩擦纹，便于夹持臂夹持物件。
两个所述的基座之间固定设置有尺寸预调块，所述的尺寸预调块由多片调节片并排组成，可对微纳夹持器的夹持行程进行预先调节。
与现有技术相比，本实用新型的优点是该微纳夹持器基于压电材料的扭转及弯曲耦合效应，先通过压电扭转驱动器驱动扭转臂以带动夹持臂微旋转，完成初步夹持动作，由于夹持臂长度方向的放大效应，放大了微纳夹持器的夹持范围，扩大了微纳夹持器的夹持行程，然后通过压电弯曲驱动器驱动夹持臂产生弯曲动作，进行最终的夹持动作，保证了微纳夹持器的夹持精度、分辨率以及夹持力，有效解决了夹持行程与夹持精度之间的矛盾，实现了在较大夹持行程内的高精度夹持动作，且整个微纳夹持器空间结构紧凑、重量轻、控制方便可靠，适用于微操作机器人系统和微机电系统等。
附图说明
图1为本实用新型实施例一的立体结构示意图；
图2为本实用新型实施例一的压电陶瓷扭转驱动器的结构示意图；
图3为本实用新型实施例一的压电陶瓷扭转驱动器的俯视图；
图4为本实用新型实施例一的工作原理示意图；
图5为本实用新型实施例二的立体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
实施例一：如图所示，一种大行程的高精度微纳夹持器，包括两根竖直设置的扭转臂1，扭转臂1为空心圆管，扭转臂1的下端固定设置有基座2，两个基座2之间固定设置有尺寸预调块3，尺寸预调块3由多片调节片并排组成，扭转臂1的上端固定设置有水平设置的夹持臂4，两根夹持臂4相对设置且相平行，扭转臂1上固定设置有压电陶瓷扭转驱动器5，压电陶瓷扭转驱动器5包括四片瓦形的第一压电陶瓷片51，第一压电陶瓷片51粘贴固定在扭转臂1的外圆周面上且相互围成圆管状，第一压电陶瓷片51的底部与扭转臂1的下端对齐，相邻的两个第一压电陶瓷片51的极化方向Pd相反，相邻的两个第一压电陶瓷片51之间固定设置有电极52，相邻的两个电极52的极性相反，夹持臂4的外侧面上固定设置有压电弯曲驱动器6，压电弯曲驱动器6为形状与尺寸均与夹持臂4相匹配的第二压电陶瓷片，位于两个夹持臂4上的第二压电陶瓷片的电极极性相反，第二压电陶瓷片粘贴在夹持臂4的外侧面上且后端与夹持臂4的根部对齐，夹持臂4的前端夹持面上设置有摩擦纹（图中未显示）。
实施例二：如图所示，其它结构同实施例一，不同之处在于压电陶瓷扭转驱动器5由压电纤维扭转驱动器7替代，压电纤维扭转驱动器7由压电纤维薄膜沿扭转臂1的外圆周面绕一周而成，压电纤维薄膜粘贴固定在扭转臂1的外圆周面上，压电纤维扭转驱动器7为多个，夹持臂4的内、外侧面上均固定设置有压电弯曲驱动器6，压电弯曲驱动器6为第二压电陶瓷片，位于同一个夹持臂4两侧面上的第二压电陶瓷片的电极极性相同。
上述实施例中，扭转臂1和夹持臂4的材料可以为单晶硅、多晶硅或优质合金。
本微纳夹持器的工作过程结合图4进行说明：在工作时，首先根据夹持物件的基本尺寸数量级，通过改变尺寸预调块3的厚度来对两个夹持臂4之间的初始夹持距离进行调整，然后对粘贴固定在两个扭转臂1上的压电陶瓷扭转驱动器5或压电纤维扭转驱动器7输入数值相同、极性相反的稳定直流电压，基于压电材料的扭转效应，在驱动电压的作用下，压电陶瓷扭转驱动器5或压电纤维扭转驱动器7驱动两个扭转臂1产生角度相同（扭转角度为β）、扭转方向相反的微旋转运动，由于夹持臂4长度方向的放大作用，扭转臂1带动夹持臂4做微旋转运动，完成初步夹持动作，然后对两个夹持臂4上的压电弯曲驱动器6输入数值相同、极性相反的稳定直流电压，基于压电材料弯曲效应，压电弯曲驱动器6带动夹持臂4做弯曲运动（弯曲距离为L），完成最终的夹持动作，实现微纳夹持器的整个“夹持”动作；如果输入相反的电压，就可以完成“松开”动作，最终实现夹持臂4的“夹持”和“松开”动作。
Claims (9)
1.一种大行程的高精度微纳夹持器，其特征在于包括两根竖直设置的圆柱状的扭转臂，所述的扭转臂的下端固定设置有基座，所述的扭转臂的上端固定设置有水平设置的夹持臂，两根所述的夹持臂相对设置且相平行，所述的扭转臂上固定设置有压电扭转驱动器，所述的夹持臂的侧面上固定设置有压电弯曲驱动器。
2.如权利要求1所述的一种大行程的高精度微纳夹持器，其特征在于所述的压电扭转驱动器为压电陶瓷扭转驱动器或压电纤维扭转驱动器。
3.如权利要求2所述的一种大行程的高精度微纳夹持器，其特征在于所述的压电陶瓷扭转驱动器包括至少四片瓦形的第一压电陶瓷片，所述的第一压电陶瓷片的数量为偶数，所述的第一压电陶瓷片粘贴在所述的扭转臂的外圆周面上且相互围成圆管状，所述的第一压电陶瓷片的底部与所述的扭转臂的下端对齐，相邻的两个所述的第一压电陶瓷片的极化方向相反，相邻的两个所述的第一压电陶瓷片之间固定设置有电极，相邻的两个所述的电极的极性相反。
4.如权利要求2所述的一种大行程的高精度微纳夹持器，其特征在于所述的压电纤维扭转驱动器由压电纤维薄膜沿所述的扭转臂的外圆周面绕一周而成，所述的压电纤维薄膜粘贴固定在所述的扭转臂的外圆周面上，所述的压电纤维扭转驱动器为一个或多个。
5.如权利要求1所述的一种大行程的高精度微纳夹持器，其特征在于所述的扭转臂为空心圆管。
6.如权利要求1所述的一种大行程的高精度微纳夹持器，其特征在于所述的压电弯曲驱动器为形状和尺寸均与所述的夹持臂相同的第二压电陶瓷片，位于两个夹持臂上的第二压电陶瓷片的电极极性相反，所述的第二压电陶瓷片粘贴固定在所述的夹持臂的外侧面或两侧面上且后端与所述的夹持臂的根部对齐，位于同一个夹持臂两侧面上的第二压电陶瓷片的电极极性相同。
7.如权利要求1所述的一种大行程的高精度微纳夹持器，其特征在于所述的扭转臂和所述的夹持臂的材料为单晶硅、多晶硅或优质合金。
8.如权利要求1所述的一种大行程的高精度微纳夹持器，其特征在于所述的夹持臂的前端夹持面上设置有摩擦纹。
9.如权利要求1所述的一种大行程的高精度微纳夹持器，其特征在于两个所述的基座之间固定设置有尺寸预调块，所述的尺寸预调块由多片调节片并排组成。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103929092A (zh) * | 2014-03-19 | 2014-07-16 | 宁波大学 | 一种大行程的高精度微纳夹持器 |
| CN105058366A (zh) * | 2015-08-20 | 2015-11-18 | 宁波大学 | 一种四自由度压电微夹钳 |
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| CN105058366A (zh) * | 2015-08-20 | 2015-11-18 | 宁波大学 | 一种四自由度压电微夹钳 |
| CN105058366B (zh) * | 2015-08-20 | 2017-03-22 | 宁波大学 | 一种四自由度压电微夹钳 |
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