一種柔性結構電熱驅動鎳微夾鉗的製作方法

2023-05-16 23:12:31

專利名稱：一種柔性結構電熱驅動鎳微夾鉗的製作方法
技術領域：
本發明屬於微機電系統技術領域中的微執行器類，是一種柔性結構電 熱驅動鎳微夾鉗。
技術背景微型夾持系統在MEMS中佔有重要地位。微夾鉗作為操作機構與微型零 件之間的接口，直接與被操作物體接觸，在微構件的製作，器件集成和裝 配過程中發揮重要作用。研究和開發適用於微型零件操作和裝配的微型夾 鉗，是實現微系統技術產業化的一個關鍵環節。由於其重要性及廣泛的應 用，近年來它已成為微機電系統技術領域的研究熱點。微夾鉗位移放大機構有剛性結構和柔性結構兩種形式。採用剛性結構 製作的鉗體一般體積較大，製作，裝配比較困難，並且難於實現微型化。 相對於傳統的剛性聯接結構，柔性結構通過其部分或全部具有柔性的構件 的彈性變形來傳遞運動、力和能量，具有體積小，重量輕，無磨損和運動 間隙，不需潤滑及裝配等優點，且易於實現批量生產及驅動單元的集成。 現有的柔性微夾鉗在設計時多採用一些功能材料，如壓電材料、形狀記憶 合金、磁致伸縮材料等。驅動方式也多種多樣，如靜電驅動、壓電驅動、 電磁驅動、電熱驅動等。電熱驅動方式與其他驅動方式相比，具有驅動電 壓低、結構簡單、輸出力和輸出變形大、與製造工藝兼容等優點。電熱驅動的柔性微夾鉗結構類型多種多樣，輸出效果也不盡相同。 Young Seek 0h等人在國際學術會議(2003 ASME International Mechanical Engineering Congress)上發表了用拓補優化方法設計的電熱驅動微夾鉗，其驅動器同本發明相同均為V形梁陣列，但鉗體結構完全不同，因而輸出效果也不同。且該文獻中提到的微夾鉗鉗口位移較小，約為10pm，鉗體結 構剛度較小，在夾持物體時容易產生變形。與本人己申請的兩種柔性結構 微夾鉗(專利號:200410020675.9， 200410050254.0)相比，i亥發明結構類 型獨特新穎，具有更大的輸出位移，材料為金屬鎳，響應速度快。發明內容本發明的目的是提供一種結構類型新穎，放大倍數高，輸出位移大， 響應速度快，控制簡單，便於集成的柔性結構電熱驅動鎳微夾鉗。本發明的技術方案是一種柔性結構電熱驅動鎳微夾鉗，其特徵是驅動部分和位移放大部分通過驅動位移杆16連接為一個整體結構；驅動部分為V形梁陣列l，由驅動固定杆4a和4b固定；位移放大部分為集中式柔性結 構，由鉗體固定杆5a和(5b)固定；電極2a和2b位於固定杆4a和4b的 表面上。整個鉗體為十桿機構，通過柔性鉸鏈鉸接，其機構原理簡圖如附圖2 所示；鉗臂搖杆14a和14b的上端是夾持端15a和15b，下端通過柔性鉸鏈 12a和12b及13a和13b分別與搖杆8a和8b及lla和lib的上端鉸接；搖 杆8a和8b中部通過柔性鉸鏈7a和7b與鉗體固定杆5a和5b鉸接，下端 通過柔性鉸鏈9a和9b與搖杆6a和6b中部鉸接；搖杆6a和6b上端通過 柔性鉸鏈10a和10b與搖杆lla和lib下端鉸接，下端通過柔性鉸鏈3a和 3b與驅動位移杆16上端鉸接。柔性結構電熱驅動鎳微夾鉗V形梁陣列的"V"字開口方向是能夠改變 的，並且陣列中梁的數目能夠從一到多改變。當V形梁陣列的方向為倒"V"字形時，夾持端實現的是張開的動作，夾持端的初始距離L可以為零；當V 形梁陣列的方向為正"V"字形時，夾持端實現的是閉合的動作，夾持端的 初始距離L不能為零。柔性結構電熱驅動鎳微夾鉗的柔性鉸鏈7a和柔性鉸鏈7b在搖杆8a和 搖杆8b上的位置能夠任意改變，柔性鉸鏈9a和柔性鉸鏈9b在搖杆6a和 搖杆6b上的位置也能夠任意改變；鉗體固頂端5a和5b與V形梁陣列固定 端4a和4b能夠相連也能夠分離。本發明的效果和益處是該柔性結構電熱驅動鎳微夾鉗驅動部分和位移 放大部分為一整體結構，整個鉗體為十桿機構，通過柔性鉸鏈鉸接，其材 料為金屬鎳，採用UV-LIGA工藝製成。結構類型獨特新穎，放大倍數高， 輸出位移大，響應速度快，控制簡單，便於集成，適用於對微小零件進行 微操作或微裝配等。


圖1是柔性結構電熱驅動鎳微夾鉗的結構示意圖。圖中1V形梁陣列；2a、 2b電極；3a、 3b柔性鉸鏈；4a、 4b驅動固 定杆；5a、 5b鉗體固定杆；6a、 6b搖杆；7a、 7b柔性鉸鏈；8a、 8b搖杆； 9a、 9b柔性鉸鏈;10a、 10b柔性鉸鏈;lla、 lib搖杆;12a、 12b柔性鉸 鏈；13a、 13b柔性鉸鏈；14a、 14b鉗臂搖杆；15a、 15b夾持端；16驅動 位移杆。圖2是微夾鉗鉗體結構的機構原理簡圖。圖中3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10是搖杆；1是驅動位移杆。圖3是採用正V形梁陣列的微夾鉗結構示意圖。
圖4是柔性鉸鏈7a、 7b位於搖杆8a、 8b另一位置時的微夾鉗結構示 意圖。
圖5是驅動固定杆4a、 4b和鉗體固定杆5a、 5b分離時的微夾鉗結構 示意圖。
具體實施例方式
以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施方式
。 如附圖1所示，在電極2a和2b之間加上合適的電壓後，V形梁陣列l 中有電流通過，因高阻產生熱，使V形梁膨脹伸長，推動驅動位移杆16產 生一個向上的力和運動。此力和運動通過柔性鉸鏈3a、 3b使搖杆6a產生 逆時針轉動，搖杆6b產生順時針轉動。搖杆6a通過柔性鉸鏈9a和10a使 搖杆8a和lla分別產生逆時針和順時針轉動；搖杆6b通過柔性鉸鏈9b和 10b使搖杆8b和lib分別產生順時針和逆時針轉動。搖杆8a和lla分別通 過柔性鉸鏈12a和13a將力和運動傳遞給鉗臂搖杆14a，使之產生逆時針轉 動；搖杆8b和lib分別通過柔性鉸鏈12b和13b將力和運動傳遞給鉗臂搖 杆14b，使之產生順時針轉動。此時夾持端15a、 15b張開。通過改變施加 在電極2a和2b之間電壓的大小，能夠控制夾持端L的大小。當採用正V 形梁陣列時，夾持端15a、 15b實現的是閉合動作。如附圖3所示。
權利要求
1. 一種柔性結構電熱驅動鎳微夾鉗，其特徵是驅動部分和位移放大部分通過驅動位移杆(16)連接為一個整體結構；驅動部分為V形梁陣列(1)，由驅動固定杆(4a)和(4b)固定；位移放大部分為集中式柔性結構，由鉗體固定杆(5a)和(5b)固定；電極(2a)和(2b)位於固定杆(4a)和(4b)的表面上。
2、 根據權利要求l中所述的一種柔性結構電熱驅動鎳微夾鉗，其特徵是 整個鉗體為十桿機構，通過柔性鉸鏈鉸接；鉗臂搖杆(14a)和(14b)的上 端是夾持端(15a)和(15b);下端通過柔性鉸鏈(12a)和(12b)及(13a) 和(13b)分別與搖杆(8a)和(8b)及(lla)和(lib)的上端鉸接；搖杆(8a)和(8b)中部通過柔性鉸鏈(7a)和(7b)與鉗體固定杆(5a)和(5b) 鉸接，下端通過柔性鉸鏈(9a)和(9b)與搖杆(6a)和(6b)中部鉸接； 搖杆(6a)和(6b)上端通過柔性鉸鏈(10a)和(10b)與搖杆(lla)和(lib) 下端鉸接，下端通過柔性鉸鏈(3a)和(3b)與驅動位移杆(16)上端鉸接。
3、 根據權利要求1或2中所述的一種柔性結構電熱驅動鎳微夾鉗，其特 徵是V形梁陣列的"V"字開口方向是能夠改變的，並且陣列中梁的數目能夠 從一到多改變；當V形梁陣列的方向為倒"V"字形時，夾持端實現的是張開 的動作，夾持端的初始距離L可以為零；當V形梁陣列的方向為正"V"字形 時，夾持端實現的是閉合的動作，夾持端的初始距離L不能為零。
4、 根據權利要求1或2中所述的一種柔性結構電熱驅動鎳微夾鉗，其特 徵是柔性鉸鏈(7a)和柔性鉸鏈(7b)在搖杆(8a)和搖杆(8b)上的位置 能夠任意改變，柔性鉸鏈(9a)和柔性鉸鏈(9b)在搖杆(6a)和搖杆(6b) 上的位置也能夠任意改變；鉗體固頂端(5a)和(5b)與V形梁陣列固定端(4a)和(4b)能夠相連也能夠分離。
全文摘要
一種柔性結構電熱驅動鎳微夾鉗，屬於微機電系統技術領域中的微執行器類。其特徵是驅動部分和位移放大部分通過驅動位移杆連接為一個整體結構，驅動部分為V形梁陣列，位移放大部分為集中式柔性結構，整個鉗體為十桿機構，通過柔性鉸鏈鉸接。其材料為金屬鎳，採用UV-LIGA工藝製成。本發明的效果和益處是該柔性結構電熱驅動鎳微夾鉗結構類型獨特新穎，放大倍數高，輸出位移大，響應速度快，控制簡單，便於集成，適用於對微小零件進行微操作或微裝配等。
文檔編號B25J7/00GK101269489SQ200810011180
公開日2008年9月24日 申請日期2008年4月22日 優先權日2008年4月22日
發明者帥 劉, 孫建偉, 然 張, 曹建玉, 褚金奎 申請人:大連理工大學