TWI515162B

TWI515162B - Active steady state clamping release system

Info

Publication number: TWI515162B
Application number: TW102138067A
Authority: TW
Original assignee: Nat Univ Chung Hsing
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2016-01-01
Also published as: TW201515987A

Description

主動式穩態夾持釋放系統

本發明是有關於一種夾持釋放系統，特別是指一種主動式穩態夾持釋放系統。

微機電系統(MEMS)是指尺寸小於1mm，且能夠在極小的空間內進行精密及特定作業的機械。由於操作的元件相當微小且質輕，因此，組件的結構與結構間很容易會因為表面黏著力會出現”沾黏”(stiction)的現象，而導致MEMS組件失效。

參閱圖1，為了改善前述問題，一篇由B.K.Chen,Y.Zhang and Y.Sun所提出的論文“Active Release of Microbjects Using a MEMS Microgripper to Overcome Adhesion Forces“，揭示一種釋放微小元件的微機電系統1，主要包含有二夾鉗11，及一推桿12。該等夾鉗11受一第一驅動力作用，而沿一X軸方向夾持或釋放一微小元件10。該推桿12受一第二驅動力作用，於該等夾鉗11相對遠離後，沿一Y軸方向推頂微小元件脫離該等夾鉗12。

惟，先、後驅動夾鉗11與推桿12的方式，必需在微小的空間內，設置能夠分別產生第一驅動力、第二驅動力的組件，有組件多且複雜的缺失，而不利於微小空間的規劃配置。

因此，本發明之目的，即在提供一種能夠簡化組件及提升動作順暢性的主動式穩態夾持釋放系統。

於是，本發明主動式穩態夾持釋放系統，作用於一微小元件，包含一撓性元件組，及一致動件。該撓性元件組具有一推送件、形成在該推送件二側的二夾鉗，及連接該等夾鉗與該推送件的一第一撓性件，該第一撓性件承受來自於一X軸方向的一作用力而在一第一穩態位置與一第二穩態位置間撓動變形，使該等夾鉗隨該第一撓性件沿一Y軸方向縮小間距而夾持該微小元件、隨該第一撓性件沿該Y軸方向擴大間距而釋放該微小元件，及使該推送件隨該第一撓性件沿該X軸方向遠離該微小元件，隨該第一撓性件沿該X軸方向推送該微小元件脫離該等夾鉗。該致動件相對該撓性元件組產生驅動該第一撓性件的作用力。

本發明之功效：利用雙穩態的設計，使該撓性元件組只需以一致動件，就能夠驅動該第一撓性件變形而夾持或釋放微小元件，及同步驅動該推送件推送該微小元件脫離該等夾鉗，不但能夠簡化組件，提升空間效益，且能夠提升釋放微小元件時的順暢性。

2‧‧‧微小元件

3‧‧‧載體

31‧‧‧凹槽

4‧‧‧撓性元件組

41‧‧‧推送件

42‧‧‧夾鉗

43‧‧‧第一撓性件

431‧‧‧側樑

432‧‧‧彎樑

44‧‧‧第二撓性件

441‧‧‧側樑

442‧‧‧彎樑

45‧‧‧電極部

5‧‧‧致動件

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一俯視示意圖，說明一種釋放微小元件的微機電系統；圖2是一立體示意圖，說明本發明一主動式穩態夾持釋放系統的一較佳實施例；圖3是一俯視示意圖，說明該較佳實施例中一撓性元件組位於一第一穩態位置；圖4是一俯視示意圖，說明該較佳實施例中該撓性元件組位於一第二穩態位置；圖5是該較佳實施例中該撓性元件組由該第一穩態位置撓動變形至該第二穩態位置的一反作用力-位移量曲線圖；圖6是該較佳實施例中該撓性元件組由該第一穩態位置撓動變形至該第二穩態位置的最大應力-位移量曲線圖；圖7是一示意圖，說明該較佳實施例中一推送件推頂一微小元件；圖8是一示意圖，說明該較佳實施例中二夾鉗釋放該微小元件；圖9是該較佳實施例中該撓性元件組由該第二穩態位置撓動變形至該第一穩態位置的一反作用力-位移量曲線圖；及圖10是該較佳實施例中該撓性元件組由該第二穩態位置撓動變形至該第一穩態位置的最大應力-位移量曲線圖。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖2、圖3，本發明主動式穩態夾持釋放系統的一較佳實施例，作用於一微小元件2，包含一載體3、一撓性元件組4，及一致動件5。

該載體3具有形成在一頂面的一凹槽31。

該撓性元件組4在本較佳實施例為一導電體，且懸置在該凹槽31上方，並具有沿一X軸方向延伸的一推送件41、形成在該推送件41二側的二夾鉗42、連接該等夾鉗42與該推送件41且沿一Y軸方向延伸的一第一撓性件43、與該推送件41連接且與該第一撓性件43併列形成連動的一第二撓性件44，及二電極部45。該第一撓性件43與該第二撓性件44分別具有形成在二端且沿平行該X軸方向延伸且固定在該載體3的二側樑431、441，及分別形成在該等側樑431、441間的一彎樑432、442。該等電極部45鄰接該等側樑431、441。

該致動件5在本較佳實施例為一磁性元件。

值得說明的是，為了證明了設計的有效性，本較佳實施例是利用電鑄工藝，以一玻璃基板為載體3，並通過蝕刻程序，製作該撓性元件組4的原型。在本較佳實施例中，該撓性元件組4為鎳材料，楊氏模數E為207 GPa，「Y軸應變」與「X軸應變」的比值(Poisson's ratio)為0.31。

由於該撓性元件組4為導體，因此，以該電極部45為電極導通電流後，該撓性元件組4的第一撓性件43、第二撓性件44會因為與該致動件5產生電磁效應，而受垂直於電流方向的磁性作用力，依循磁力方向沿該X軸方向由如圖3所示的一第一穩態位置撓動變形至如圖4所示的一第二穩態位置，而以該等側樑431、441為固定部，在導通正向電流或導通反向電流時，使該第一撓動件43的彎樑432、該第二撓動件44的彎樑442產生正向或反向位移量，及使該等夾鉗42夾持或釋放該微小元件2。

參閱圖3，當撓性元件組4未承受前述磁性作用力時，該第一撓性件43、該第二撓性件44的反作用力為0 mN，且穩定於該第一穩態位置。

參閱圖4，及圖5、圖6，當該第一撓性件43、該第二撓性件44承受前述磁性作用力而正向位移時，可以發現如圖中的實線所示，該第一撓性件43與該第二撓性件44產生的反作用力會隨著位移量增加而增加，到達一最大值後，產生的反作用力下降到0mN，此時，該第一撓性件43與該第二撓性件44仍然處於不穩定的可彈動狀態，當位移量進一步加大時，產生的反作用力減小，到達一最小值後，再次增加到達0 mN，藉此，只需停止供應電流，就可以使該第一撓性件43與該第二撓性件44產生為常數的反作用力(0 mN)，而穩定於第二穩態位置。

同時，該等夾鉗42會配合該第一撓性件43的內凹的弧度，隨該第一撓性件43沿該Y軸方向縮小間距而夾持該微小元件2，且該推送件41會隨該第一撓性件43與該第二撓性件44沿該X軸方向遠離該微小元件2。

值得說明的是，如圖5、圖6中的虛線所示，當該第一撓性件43與該第二撓性件44穩定於該第一穩態位置後，若持續增加該第一撓性件43與該第二撓性件44的位移量，該第一撓性件43與該第二撓性件44產生的反作用力也會持續增加，惟，此一狀態並不在本案論究的範圍內。

當前述第一撓性件43與第二撓性件44穩定於第二穩態位置後，如圖4所示，在該撓性元件組4未再承受磁性作用力的情形下，該第一撓性件43、該第二撓性件44的反作用力仍然為0 mN，而保持穩定於該第二穩態位置。

參閱圖7、圖8，及圖9、圖10，當改變電流方向，使該第一撓性件43、該第二撓性件44承受前述磁性作用力而反向位移時，可以發現，該第一撓性件43與該第二撓性件44產生的反作用力絕對值，同樣會隨著位移量增加而增加，到達一極限值後，該反作用力逐漸減小，並產生為常數且等於0 mN的反作用力，此時，該第一撓性件43與該第二撓性件44仍然處於不穩定的可彈動狀態，當位移量進一步加大時，產生的反作用力絕對值增加，到達一極限值後，再次降低到達0 mN，藉此，同樣只需停止供應電流，就可以使該第一撓性件43與該第二撓性件44產生為常數且等於0 mN的反作用力，而穩定於反向於該第二穩態位置的第一穩態位置。

同時，該等夾鉗42會配合該第一撓性件43的外凸的弧度，隨該第一撓性件43沿該Y軸方向擴大間距而釋放該微小元件2，且該推送件41會隨該第一撓性件43與該第二撓性件44沿該X軸方向推送該微小元件2脫離該等夾鉗42。

值得說明的是，該撓性元件組4承受的應力不應超過材料本身的屈服強度，使用鎳材料的撓性元件組4屈服強度為700MPa，而圖6、圖10中的最大應力約為634 MPa，遠小於鎳材料的屈服強度，藉此，可以避免該撓性元件組4有超過負載的情形。

綜上所述，本發明之主動式穩態夾持釋放系統具有下列優點及功效：本發明能夠利用雙穩態的設計，使該撓性元件組4只需搭配使用一致動件5，就能夠產生正向或反向的作用力，驅動該第一撓性件43變形，並連動該等夾鉗42而夾持或釋放微小元件2，及同步驅動該推送件41推送該微小元件2脫離該等夾鉗42，不但能夠簡化組件，提升空間效益，且能夠提升釋放微小元件2時的順暢性。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。