專利名稱：一種柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗，屬于微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域中的微執(zhí)行器類。
背景技術(shù)：
微納米技術(shù)是一個(gè)新興的多學(xué)科交叉的高技術(shù)領(lǐng)域，涉及電子、機(jī)械、材料、物理、化學(xué)等學(xué)科，它研究和控制物質(zhì)結(jié)構(gòu)的功能尺寸和分辨能力達(dá)到微米至納米量級(jí)。其目標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)原子分子層次上的制造技術(shù)，形成新的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和機(jī)器，實(shí)現(xiàn)此目的的途徑有兩種一種是bottom-up技術(shù)，即通過直接操作單個(gè)原子或分子構(gòu)造需要的器件，這樣，一種操作尺度十分細(xì)微的微動(dòng)系統(tǒng)就成為微機(jī)械研究的一個(gè)重要方向和內(nèi)容。另一途徑則是top-down技術(shù)，即用傳統(tǒng)的方法由大機(jī)器制造出小機(jī)器。為此，要求相應(yīng)的工藝裝備的定位精度進(jìn)入亞微米甚至納米精度。實(shí)際上，無論哪種途徑加工出的微機(jī)械零件都需要一種操作尺寸十分細(xì)微的微動(dòng)系統(tǒng)裝配成微機(jī)器。由以上分析可以看出，微夾持或微操作系統(tǒng)的重要性，而微夾鉗技術(shù)是其關(guān)鍵。微夾鉗作為一種典型的微執(zhí)行機(jī)構(gòu)，不僅可以成為微機(jī)器人的手爪，而且在微機(jī)械零件的加工、裝配、生物工程和光學(xué)等領(lǐng)域均有很好的應(yīng)用前景。因此，微夾鉗及其相關(guān)的研究已成為國內(nèi)外微機(jī)械研究領(lǐng)域的一個(gè)前沿課題。
微夾鉗的鉗體采用剛性結(jié)構(gòu)時(shí)，一般體積較大，制作麻煩，裝配比較困難；柔性結(jié)構(gòu)正好可以克服剛性結(jié)構(gòu)的不足，它是指能通過其部分或全部具有柔性的構(gòu)件變形而產(chǎn)生位移的機(jī)械機(jī)構(gòu)，一個(gè)柔性結(jié)構(gòu)能夠傳遞或傳輸運(yùn)動(dòng)、力或能量。柔性結(jié)構(gòu)一般采用壓電、形狀記憶合金、磁致伸縮等功能材料。與剛體連接機(jī)構(gòu)不同的是，柔性機(jī)構(gòu)不僅可以從鉸鏈的運(yùn)動(dòng)來獲得可運(yùn)動(dòng)性，還可以從柔性部件的變形獲得它們的可運(yùn)動(dòng)性，具有以下一些優(yōu)點(diǎn)可以大量減少所需的部件數(shù)量；容易小型化，并且可以利用微加工技術(shù)進(jìn)行批量與集成制造；無摩擦、磨損、傳動(dòng)間隙、不需潤(rùn)滑，可以減少或消去間隙，提高結(jié)構(gòu)的精度；因?yàn)槿嵝詸C(jī)構(gòu)依賴于柔性部件的變形，因而能量被柔性部件以應(yīng)變能的形式儲(chǔ)存，這種能量存儲(chǔ)性質(zhì)可能對(duì)特殊的力變形特性有用，或引起一個(gè)機(jī)構(gòu)趨向于特定位置；可以比相應(yīng)的剛性機(jī)構(gòu)在質(zhì)量方面有顯著降低。微夾鉗的驅(qū)動(dòng)形式包括靜電驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電熱驅(qū)動(dòng)等。電熱驅(qū)動(dòng)方式與其它方式比起來具有驅(qū)動(dòng)電壓低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)力和輸出變形大以及易于同集成電路制造工藝相兼容等優(yōu)點(diǎn)。
有關(guān)電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗方面的研究，在中國專利中未發(fā)現(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)。B.E.Volland等人在在國外期刊(Microelectronic Engineering)的論文中發(fā)表了靜電驅(qū)動(dòng)的微夾鉗，雖然也是采用體硅工藝制作，并且也是電壓驅(qū)動(dòng)，但其驅(qū)動(dòng)力主要為靜電力因此其驅(qū)動(dòng)電壓太大。Young Seek Oh等人在國際學(xué)術(shù)會(huì)議(2003 ASME International Mechanical Engineering Congress)的論文中發(fā)表了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)并進(jìn)行修改的微夾鉗結(jié)構(gòu)，并加上電熱驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器同本發(fā)明相同均為V型梁陣列，但結(jié)構(gòu)型式完全不同，該文獻(xiàn)中提到的微夾鉗夾持物體時(shí)容易產(chǎn)生變形、鉗口位移小，夾持力也比較小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，所需的零、部件數(shù)量少，控制簡(jiǎn)單，輸出效率高，夾持力大，位移放大倍數(shù)較大的柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗，由驅(qū)動(dòng)部分和鉗體部分組成，驅(qū)動(dòng)部分為V形梁陣列16，其特征是微夾鉗是利用高阻值的多晶硅材料進(jìn)行體硅加工形成的一整體柔性結(jié)構(gòu)，無需任何裝配，整個(gè)鉗體結(jié)構(gòu)由四對(duì)搖桿5a和5b、7a和7b、11a和11b、鉗臂14a和14b，六對(duì)柔性鉸鏈4a和4b、6a和6b、8a和8b、10a和10b、12a和12b、13a和13b，驅(qū)動(dòng)位移桿9，驅(qū)動(dòng)固定桿1a、1b組成；四對(duì)搖桿的外輪廓形狀曲線可以全部為圓弧曲線，也可以全部為矩形曲線、菱形曲線等多種形狀，或?yàn)椴煌€形狀的任意組合。六對(duì)柔性鉸鏈都是桿狀結(jié)構(gòu)；鉗臂搖桿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分別與搖桿5a和5b的上端以及搖桿11a和11b的下端相鉸接，搖桿5a和5b中間通過柔性鉸鏈4a和4b與鉗體固定桿3a和3b相鉸接，下端又通過柔性鉸鏈6a和6b與搖桿7a和7b的下端相鉸接，搖桿7a和7b的上端通過柔性鉸鏈8a和8b與鉗體中間的驅(qū)動(dòng)位移桿9下端相鉸接，驅(qū)動(dòng)位移桿9的上端通過柔性鉸鏈10a和10b與搖桿11a和11b的上端相鉸接，驅(qū)動(dòng)位移桿9的輸入端與產(chǎn)生直線驅(qū)動(dòng)位移的驅(qū)動(dòng)部分V形梁陣列16相連，V形電熱驅(qū)動(dòng)部分16的固定桿1a和1b與鉗體的固定桿3a、3b相連，電極2a和2b位于固定桿1a和1b的表面上。
柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗的V形梁陣列的“V”字開口方向可以改變，并且陣列中梁的數(shù)目可以從一到多改變；當(dāng)V形梁陣列的方向?yàn)榈埂癡”字形16時(shí)，夾持端實(shí)現(xiàn)的是閉合的動(dòng)作，夾持端的距離L不能為零，具體應(yīng)視夾持物體大小而定；當(dāng)V形梁陣列的方向?yàn)檎癡”字形17時(shí)，夾持端實(shí)現(xiàn)的是張開的動(dòng)作，夾持端的距離L可以為零。
柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗的柔性鉸鏈13a、13b在鉗臂14a、14b上的位置可以任意改變，同時(shí)柔性鉸鏈10a、10b在驅(qū)動(dòng)位移桿9上的位置也可以改變；鉗體的固定端3a、3b與電熱驅(qū)動(dòng)部分的固定端1a、1b可以相連也可以分離。
本發(fā)明的效果是一種柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗，其控制簡(jiǎn)單、易行，并且微夾鉗的鉗體部分與驅(qū)動(dòng)部分為一柔性整體，無需裝配，制作簡(jiǎn)單，能夠應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域、微機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域等進(jìn)行微操作、微裝配等，且其位移放大倍數(shù)較大，輸出效率高，精度高。


圖1是微夾鉗鉗體結(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖。其中AB、AG、BD、GI、EF、JF、DE、IJ為搖桿；AF為中間驅(qū)動(dòng)桿；C、H為固定鉸支座；A、B、D、E、F、G、I、J為轉(zhuǎn)動(dòng)副；K為移動(dòng)副。
圖2是柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗的結(jié)構(gòu)圖。其中1a、1b-驅(qū)動(dòng)固定桿；2a、2b-電極；3a、3b-鉗體固定桿；4a、4b-柔性鉸鏈；5a、5b-搖桿；6a、6b-柔性鉸鏈；7a、7b-搖桿；8a、8b-柔性鉸鏈；9-驅(qū)動(dòng)位移桿；10a、10b-柔性鉸鏈；11a、11b-搖桿；12a、12b-柔性鉸鏈；13a、13b-柔性鉸鏈；14a、14b-鉗臂搖桿；15a、15b-夾持端；16-V形電熱驅(qū)動(dòng)部分。
圖3是柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗的柔性鉸鏈13a、13b、12a、12b、5a、5b鉸接的結(jié)構(gòu)圖。圖4是采用倒V形電熱驅(qū)動(dòng)部分微夾鉗的結(jié)構(gòu)圖，其中17-V形電熱驅(qū)動(dòng)部分。圖5是驅(qū)動(dòng)固定端[1a]、[1b]和鉗體固定端[3a]、[3b]分離時(shí)的微夾鉗結(jié)構(gòu)圖。圖6是幾種搖桿形狀圖，其中(a)搖桿外輪廓為圓弧曲線形狀；(b)搖桿外輪廓為長(zhǎng)方形形狀；(c)搖桿外輪廓為菱形形狀。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖具體說明實(shí)施方式。在電極2a和2b之間加上合適電壓后，V形電熱驅(qū)動(dòng)部分16有電流通過，因高阻而生熱，使傾斜的梁膨脹伸長(zhǎng)，在V形驅(qū)動(dòng)部分的輸出端產(chǎn)生一定的輸出位移和驅(qū)動(dòng)力，這可以作為鉗體部分的輸入位移和輸入力，輸入到鉗體中間部分的驅(qū)動(dòng)桿9，使其產(chǎn)生豎直向上的直線位移，通過柔性鉸鏈8a、10a及8b、10b作用分別使搖桿7a、11a產(chǎn)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)、搖桿7b、11b產(chǎn)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，其中7a、7b通過柔性鉸鏈6a、6b使搖桿5a、5b轉(zhuǎn)動(dòng)，柔性鉸鏈12a、12b和13a、13b可利用搖桿5a、5b和11a、11b的轉(zhuǎn)動(dòng)最終驅(qū)使鉗臂14a、14b分別產(chǎn)生順時(shí)針和逆時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就可以在夾持端15a、15b處產(chǎn)生較大的位移，從而實(shí)現(xiàn)微夾鉗夾取微小物體的閉合動(dòng)作。通過控制施加在電極2a、2b上電壓的大小，就可以控制微夾鉗夾持端15a、15b處的閉合位移大小，見附圖2。
當(dāng)柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗采用V形梁陣列時(shí)，其可實(shí)現(xiàn)夾持端的張開動(dòng)作，見附圖3，此時(shí)夾持端初始位移L可以適當(dāng)減小。當(dāng)柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗采用倒V形梁陣列時(shí)，可實(shí)現(xiàn)夾持端的閉合動(dòng)作，見附圖4。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)部分和鉗體部分的固定端分離時(shí)，此種結(jié)構(gòu)的鉗體中不會(huì)有電流通過，可以避免靜電現(xiàn)象產(chǎn)生，見附圖5。
權(quán)利要求
1.一種柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗，由驅(qū)動(dòng)部分和鉗體部分組成，驅(qū)動(dòng)部分為V形梁陣列[16]，其特征是微夾鉗是利用高阻值的多晶硅材料進(jìn)行體硅加工形成的一整體柔性結(jié)構(gòu)，無需任何裝配，整個(gè)鉗體結(jié)構(gòu)由四對(duì)搖桿[5a]和[5b]、[7a]和[7b]、[11a]和[11b]、鉗臂[14a]和[14b]，六對(duì)柔性鉸鏈[4a]和[4b]、[6a]和[6b]、[8a]和[8b]、[10a]和[10b]、[12a]和[12b]、[13a]和[13b]，驅(qū)動(dòng)位移桿[9]，驅(qū)動(dòng)固定桿[1a]、[1b]組成；四對(duì)搖桿的外輪廓形狀曲線可以全部為圓弧曲線，也可以全部為矩形曲線、菱形曲線等多種形狀，或?yàn)椴煌€形狀的任意組合。六對(duì)柔性鉸鏈都是桿狀結(jié)構(gòu)；鉗臂搖桿[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]分別與搖桿[5a]和[5b]的上端以及搖桿[11a]和[11b]的下端相鉸接，搖桿[5a]和[5b]中間通過柔性鉸鏈[4a]和[4b]與鉗體固定桿[3a]和[3b]相鉸接，下端又通過柔性鉸鏈[6a]和[6b]與搖桿[7a]和[7b]的下端相鉸接，搖桿[7a]和[7b]的上端通過柔性鉸鏈[8a]和[8b]與鉗體中間的驅(qū)動(dòng)位移桿[9]的下端相鉸接，驅(qū)動(dòng)位移桿[9]的上端通過柔性鉸鏈[10a]和[10b]與搖桿[11a]和[11b]的上端相鉸接，驅(qū)動(dòng)位移桿[9]的輸入端與產(chǎn)生直線驅(qū)動(dòng)位移的驅(qū)動(dòng)部分V形梁陣列[16]相連，V形電熱驅(qū)動(dòng)部分[16]的固定桿[1a]和[1b]與鉗體的固定桿[3a]、[3b]相連，電極[2a]和[2b]位于固定桿[1a]和[1b]的表面上。
2.如權(quán)利要求1中所述的柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗，V形梁陣列的“V”字開口方向可以改變，并且陣列中梁的數(shù)目可以從一到多改變；當(dāng)V形梁陣列的方向?yàn)榈埂癡”字形[16]時(shí)，夾持端實(shí)現(xiàn)的是閉合的動(dòng)作，夾持端的距離L不能為零，具體應(yīng)視夾持物體大小而定；當(dāng)V形梁陣列的方向?yàn)檎癡”字形[17]時(shí)，夾持端實(shí)現(xiàn)的是張開的動(dòng)作，夾持端的距離L可以為零。
3.如權(quán)利要求1、2中所述的柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗，柔性鉸鏈[13a]、[13b]在鉗臂[14a]、[14b]上的位置可以任意改變，同時(shí)柔性鉸鏈[10a]、[10b]在驅(qū)動(dòng)位移桿[9]上的位置也可以改變；鉗體的固定端[3a]、[3b]與電熱驅(qū)動(dòng)部分的固定端[1a]、[1b]可以相連也可以分離。
全文摘要
本發(fā)明為一種柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗，屬于微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域中的微執(zhí)行器類。柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗由驅(qū)動(dòng)部分和鉗體部分組成，驅(qū)動(dòng)部分為V形梁陣列，微夾鉗是利用高阻值的多晶硅材料進(jìn)行體硅加工形成的一整體柔性結(jié)構(gòu)，無需任何裝配，整個(gè)鉗體結(jié)構(gòu)由四對(duì)搖桿，六對(duì)柔性鉸鏈，驅(qū)動(dòng)位移桿，驅(qū)動(dòng)固定桿組成。四對(duì)搖桿的外輪廓形狀曲線可為圓弧曲線，也可為矩形曲線、菱形曲線等多種形狀，或?yàn)椴煌€形狀的任意組合；六對(duì)柔性鉸鏈都是桿狀結(jié)構(gòu)。這種微夾鉗控制簡(jiǎn)單、易行，制作簡(jiǎn)單，且其位移放大倍數(shù)較大，輸出效率高，精度高?？蓱?yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行微操作、微裝配等。
文檔編號(hào)B81B5/00GK1733592SQ20041005025
公開日2006年2月15日 申請(qǐng)日期2004年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月12日
發(fā)明者褚金奎, 郝秀春, 王立鼎, 關(guān)樂 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)