法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2013-07-24
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):B81B5/00 授权公告日:20070606 终止日期:20120604 申请日:20040604
专利权的终止
2007-06-06
授权
授权
2006-02-01
实质审查的生效
实质审查的生效
2005-12-07
公开
公开
技术领域 本发明一种电热驱动柔性微夾钳,属于微机电系统领域中的微执行器类。
背景技术 微夾钳是微机电系统领域中的一个关键器件。在一些微小的机械零件、电子元件、生物细胞等的微操作和微装配中,所用的器件都是微夾钳。目前,微夾钳的钳体结构主要有两大类:即刚性结构和柔性结构,采用传统的刚性结构作为钳体,一般体积较大,制作麻烦,装配比较困难,而柔性结构正好可以克服刚性结构的不足,并且可以借助于微工艺技术实现钳体的微制造,能够进行批量生产和实现驱动单元的集成化制造,而在柔性结构的设计方面更多集中在采用一些功能材料,如压电材料、形状记忆合金、磁致伸缩材料等;微夾钳的驱动有多种形式,包括:静电驱动、压电驱动、电磁驱动、气压驱动、电热驱动等,电热驱动方式与其它方式比起来是最简洁的,并能提供大的输出力,易于集成。
现有的柔性微夾钳结构较多集中在使用功能材料,但往往受到材料制备的限制。电热驱动的柔性微夾钳大多具有复杂的几何结构,结构的细微差别就会产生不同的效果。有关电热驱动微夾钳方面的研究,在中国专利中未发现相关文献。国外专利中,日本专利静电驱动式微夾钳(专利号JP7052072),虽然输入是电压,但其驱动力是电极之间的静电力,本发明的驱动力是钳体受焦耳热产生的热应变。Young Seek Oh等人在国际学术会议(2003 ASME International Mechanical Engineering Congress)的论文中发表了拓扑优化设计并进行修改的微夾钳结构,并加上电热驱动,驱动器为V形梁阵列,该文献中提到的微夾钳夹持物体时容易产生变形,在驱动电压为5v时,钳口位移仅为10um左右,位移小。E.V.Bordatchev等人在国际学术会议(Proceedings of the International Conference onMEMS,NANOand Smart Systems,2003)的论文中发表了基于电热原理设计,并加工的镍材料的微夾钳,其热驱动的温度高,驱动电压大,并且结构尺寸较大。
发明内容 本发明的目的是克服现有技术的不足,提供一种结构精巧细微,控制简单,易于集成;输出效率高,钳口位移大的电热驱动柔性微夾钳。
本发明采用的技术方案是一种电热驱动柔性微夾钳,由驱动和钳体部分组成,驱动部分为V形梁阵列9。微夹钳结构为一整体柔性结构,它由钳体固定部分1a和1b、电极2a和2b、柔性铰3a和3b、柔性铰4a和4b、连接杆5a和5b、柔性铰6a和6b、钳臂7a和7b、夹持端8a和8b、V形梁阵列9、钳体中间上部11、下部12不同的几何形体构成,无需任何装配。V形梁阵列9为电热驱动部分,它的固定端1a和1b也是钳体的固定端。钳臂7a和7b为流线型,它的前端是夹持端8a和8b,后端由柔性杆3a和3b与钳体固定部分1a和1b相连,同时通过柔性铰4a和4b与连接杆5a和5b的一端相连;连接杆5a和5b的另一端通过柔性铰6a和6b与钳体中间上部11相连。钳体中间上部和钳体中间下部12相连,钳体中间下部与驱动部分9相连;电极2a和2b位于1a和1b的表面上。柔性铰3a和3b、4a和4b、6a和6b的几何形状为细长杆状结构,钳体中间上部11由两个半圆环状通过三条筋板状结构相连并与杆状钳体中间下部12相连。
柔性微夹钳的钳体中间上部11可以是半圆形结构15,可以是三角形结构17,可以是两个或多个三角形形成的环状结构14,可以是矩形结构,也可以是上弦形等多种形状的具有一定刚性的结构;钳体中间下部可以是矩形16,可以是凸多边形12,也可以是几个凸多边形组合起来的能够传递运动的刚性结构。
柔性微夾钳的V形梁阵列的数目可以从一个到多个变化,V形梁阵列的方向也可以改变,当为正“V”形13时,夹持端实现的是闭合动作,当V形梁阵列的方向为倒“V”形9时,夹持端实现的是张开的动作,夹持端的距离L应视夹持物体大小而定,但必须L≥0。
本发明的效果是使用电热方式驱动微夾钳,控制简单、易行,并且微夹钳的钳体部分与驱动部分为一柔性整体,无需装配,制作简单,能够应用于微机电系统领域、微机器人技术领域等进行微操作、微装配等。
附图说明 图1是微夾钳的结构图。其中:1a、1b-钳体固定端,2a、2b-电极,3a、3b-柔性杆,4a、4b-柔性铰,5a、5b-连接杆,6a、6b-柔性铰,7a、7b-钳臂,8a、8b-夹持端;9-V形电热驱动部分,10-驱动部分的输出端,11-钳体中间部分一,12-钳体中间部分二。
图2是微夾钳钳体结构的等效机构简图。其中:A和A′-铰链、B和B′-铰链、D和D′-铰链,ABC和A′B′C′-构件,BD和B′D′-构件,DED′-构件,FG-构件,H-移动副。
图3是输入电压与夹持端(单侧)的夹持方向位移的关系曲线图。
图4是夹持端(单侧)的位移与夹持力的关系曲线图。
图5是输入电压与微夾钳最高表面温度的关系曲线图。
图6是微夹钳的正“V”形梁阵列的结构图,其中:13-正“V”形梁阵列。
图7是微夹钳钳体中间上部为三角环形的结构图,其中:14-三角环形钳体中间上部。
图8是微夹钳的钳体中间上部为半圆形、中间下部为矩形的结构图,其中:15-半圆形钳体中间上部;16-矩形钳体中间下部。
图9是微夹钳的钳体中间上部为三角形、中间下部为组合多边形的结构图,其中:15-三角形钳体中间上部;16-组合多边形钳体中间下部。
具体实施方式 下面结合附图具体说明实施方式。附图1中在电极2a和2b之间加上合适电压后,V形电热驱动部分9有电流通过,因高阻而生热,使倾斜的梁膨胀伸长,在V形驱动部分的输出端10产生一定的输出位移和驱动力,这可以作为钳体部分的输入位移和输入力,通过钳体的中间部分12、11和柔性铰6a、6b及连接杆5a、5b,使柔性铰链4a、4b产生变形,柔性铰链4a、4b处的小变形可以使钳臂7a、7b的夹持端8a、8b产生较大的位移;同时,在两个电极间加电压之后,在钳体部分也构成回路,钳体的中间部分11、12会受热而产生膨胀变形,通过柔性铰链6a、6b引起柔性铰链4a、4b产生变形,从而使钳臂的夹持端8a、8b产生位移,所以说该夹钳结构的输出位移是由两部分位移串联迭加而成,较小的输入电压就可实现较大的输出位移,实现了夹持端的张开动作。
微夾钳钳体结构等效于平面六杆机构,附图2是平面六杆机构的机构简图,结合附图1和附图2说明它们之间的对应关系。钳臂7a和7b相当于构件ABC和A′B′C′,柔性杆3a和3b相当于铰链A和A′,柔性铰4a和4b相当于铰链B和B′,杆5a和5b相当于构件BD和B′D′,柔性铰6a和6b相当于铰链D和D′,构件DED′相当于钳体中间上部11,钳体中间下部12相当于FG,钳体中间下部12与驱动部分9相连,其连接关系相当于移动副H,钳体的固定部分相当于固定杆件即机架。
附图3、附图4和附图5从量上说明了该微夾钳所具备的性能特征。附图3表示电极间所加电压从0伏到5伏时,单侧夹持端的位移变化情况,当所加电压为5伏时,单侧夹持端的最大位移达到110um;附图4表示夹持端的夹持力随位移的变化情况,当单侧夹持端的位移为100um时,所产生的夹持力可达3.5mN;附图5表示钳体表面的最高温度随电压的变化情况,所加电压为5伏时,表面最高温度为1217℃。
附图6、附图7、附图8和附图9表示钳体中间部分发生改变后的几种微夹钳结构,这些微夹钳都可用于微操作和微装配中。
机译: 集成双轴电容力传感器的电热驱动MEMS微钳
机译: 集成双轴电容力传感器的电热驱动MEMS微钳
机译: 用于微致动器的柔性电缆框架组件和用于磁盘驱动器设备的HGA的柔性电缆悬挂组件