一種大行程的高精度微納夾持器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大行程的高精度微納夾持器，特點(diǎn)是包括兩根豎直設(shè)置的圓柱狀的扭轉(zhuǎn)臂，扭轉(zhuǎn)臂的下端固定設(shè)置有基座，扭轉(zhuǎn)臂的上端固定設(shè)置有水平設(shè)置的夾持臂，兩根夾持臂相對設(shè)置且相平行，扭轉(zhuǎn)臂上固定設(shè)置有壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器，夾持臂的側(cè)面上固定設(shè)置有壓電彎曲驅(qū)動器；優(yōu)點(diǎn)是保證了微納夾持器的夾持精度、分辨率以及夾持力，有效解決了夾持行程與夾持精度之間的矛盾，實現(xiàn)了在較大夾持行程內(nèi)的高精度夾持動作，且整個微納夾持器空間結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、控制方便可靠，適用于微操作機(jī)器人系統(tǒng)和微機(jī)電系統(tǒng)等。
【專利說明】一種大行程的高精度微納夾持器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】中用于微機(jī)械精密加工、微裝配、微型機(jī)器人等的微夾持器，尤其涉及一種大行程的高精度微納夾持器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展，研究對象不斷向微細(xì)化發(fā)展，“微納米”尺度上的操作技術(shù)變得越來越重要。微夾持技術(shù)作為微操作技術(shù)研究領(lǐng)域中的一項關(guān)鍵技術(shù)，在微電子、微機(jī)械加工及裝配、微機(jī)器人、生物細(xì)胞顯微操作、顯微外科及精密光學(xué)等【技術(shù)領(lǐng)域】中有著廣泛的應(yīng)用前景，成為人們關(guān)注的研究熱點(diǎn)。
[0003]壓電陶瓷微位移驅(qū)動技術(shù)由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動分辨率高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前微夾持技術(shù)的主流驅(qū)動技術(shù)。目前國內(nèi)外研制出了一些基于壓電效應(yīng)的微夾持器，基本都是基于壓電材料的縱向伸縮和橫向彎曲效應(yīng)。利用單一的壓電元件進(jìn)行位移驅(qū)動具有較高的驅(qū)動精度，有些甚至可以達(dá)到次微米等級的驅(qū)動效果，但是驅(qū)動行程卻僅有幾十微米等級，由于工作行程小，不能對微小尺寸范圍內(nèi)不同尺寸量級和形狀的微器件進(jìn)行夾持操作，造成夾持器的適用范圍很窄。而為了擴(kuò)大微夾持器的行程，有些研究者基于杠桿原理利用柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)或其它機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行位移放大，夾持行程可以達(dá)到幾百至幾千微米等級，但是這是以犧牲微夾持器的夾持力以及分辨率為代價達(dá)到的，由于目前的微夾持器廣泛存在著夾持行程與夾持精度、分辨率的矛盾，造成微夾持器的適用性和通用性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種在保證夾持精度的基礎(chǔ)上具有較大夾持行程的大行程的高精度微納夾持器。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種大行程的高精度微納夾持器，包括兩根豎直設(shè)置的圓柱狀的扭轉(zhuǎn)臂，所述的扭轉(zhuǎn)臂的下端固定設(shè)置有基座，所述的扭轉(zhuǎn)臂的上端固定設(shè)置有水平設(shè)置的夾持臂，兩根所述的夾持臂相對設(shè)置且相平行，所述的扭轉(zhuǎn)臂上固定設(shè)置有壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器，所述的夾持臂的側(cè)面上固定設(shè)置有壓電彎曲驅(qū)動器。
[0006]所述的壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器為壓電陶瓷扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器或壓電纖維扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器。
[0007]所述的壓電陶瓷扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器包括至少四片瓦形的第一壓電陶瓷片，所述的第一壓電陶瓷片的數(shù)量為偶數(shù)，所述的第一壓電陶瓷片粘貼在所述的扭轉(zhuǎn)臂的外圓周面上且相互圍成圓管狀，所述的第一壓電陶瓷片的底部與所述的扭轉(zhuǎn)臂的下端對齊，相鄰的兩個所述的第一壓電陶瓷片的極化方向相反，相鄰的兩個所述的第一壓電陶瓷片之間固定設(shè)置有電極，相鄰的兩個所述的電極的極性相反。
[0008]所述的壓電纖維扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器由壓電纖維薄膜沿所述的扭轉(zhuǎn)臂的外圓周面繞一周而成，所述的壓電纖維薄膜粘貼固定在所述的扭轉(zhuǎn)臂的外圓周面上，所述的壓電纖維扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器為一個或多個，當(dāng)采用壓電纖維扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器來驅(qū)動扭轉(zhuǎn)臂微旋轉(zhuǎn)時，其工作更可靠、穩(wěn)定，控制效果也更好，且當(dāng)采用多個壓電纖維扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器時，其扭矩更大。
[0009]所述的扭轉(zhuǎn)臂為空心圓管，降低了扭轉(zhuǎn)臂的扭轉(zhuǎn)剛度。
[0010]所述的壓電彎曲驅(qū)動器為形狀和尺寸均與所述的夾持臂相同的第二壓電陶瓷片，位于兩個夾持臂上的第二壓電陶瓷片的電極極性相反，所述的第二壓電陶瓷片粘貼固定在所述的夾持臂的外側(cè)面或兩側(cè)面上且后端與所述的夾持臂的根部對齊，位于同一個夾持臂兩側(cè)面上的第二壓電陶瓷片的電極極性相同。
[0011 ] 所述的扭轉(zhuǎn)臂和所述的夾持臂的材料為單晶硅、多晶硅或優(yōu)質(zhì)合金。
[0012]所述的夾持臂的前端夾持面上設(shè)置有摩擦紋，便于夾持臂夾持物件。
[0013]兩個所述的基座之間固定設(shè)置有尺寸預(yù)調(diào)塊，所述的尺寸預(yù)調(diào)塊由多片調(diào)節(jié)片并排組成，可對微納夾持器的夾持行程進(jìn)行預(yù)先調(diào)節(jié)。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該微納夾持器基于壓電材料的扭轉(zhuǎn)及彎曲耦合效應(yīng)，先通過壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器驅(qū)動扭轉(zhuǎn)臂以帶動夾持臂微旋轉(zhuǎn)，完成初步夾持動作，由于夾持臂長度方向的放大效應(yīng)，放大了微納夾持器的夾持范圍，擴(kuò)大了微納夾持器的夾持行程，然后通過壓電彎曲驅(qū)動器驅(qū)動夾持臂產(chǎn)生彎曲動作，進(jìn)行最終的夾持動作，保證了微納夾持器的夾持精度、分辨率以及夾持力，有效解決了夾持行程與夾持精度之間的矛盾，實現(xiàn)了在較大夾持行程內(nèi)的高精度夾持動作，且整個微納夾持器空間結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、控制方便可靠，適用于微操作機(jī)器人系統(tǒng)和微機(jī)電系統(tǒng)等。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明實施例一的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明實施例一的壓電陶瓷扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明實施例一的壓電陶瓷扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器的俯視圖；
圖4為本發(fā)明實施例一的工作原理示意圖；
圖5為本發(fā)明實施例二的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0016]以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0017]實施例一:如圖所示，一種大行程的高精度微納夾持器，包括兩根豎直設(shè)置的扭轉(zhuǎn)臂1，扭轉(zhuǎn)臂I為空心圓管，扭轉(zhuǎn)臂I的下端固定設(shè)置有基座2，兩個基座2之間固定設(shè)置有尺寸預(yù)調(diào)塊3，尺寸預(yù)調(diào)塊3由多片調(diào)節(jié)片并排組成，扭轉(zhuǎn)臂I的上端固定設(shè)置有水平設(shè)置的夾持臂4，兩根夾持臂4相對設(shè)置且相平行，扭轉(zhuǎn)臂I上固定設(shè)置有壓電陶瓷扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器5，壓電陶瓷扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器5包括四片瓦形的第一壓電陶瓷片51，第一壓電陶瓷片51粘貼固定在扭轉(zhuǎn)臂I的外圓周面上且相互圍成圓管狀，第一壓電陶瓷片51的底部與扭轉(zhuǎn)臂I的下端對齊，相鄰的兩個第一壓電陶瓷片51的極化方向Pd相反，相鄰的兩個第一壓電陶瓷片51之間固定設(shè)置有電極52,相鄰的兩個電極52的極性相反,夾持臂4的外側(cè)面上固定設(shè)置有壓電彎曲驅(qū)動器6，壓電彎曲驅(qū)動器6為形狀與尺寸均與夾持臂4相匹配的第二壓電陶瓷片，位于兩個夾持臂4上的第二壓電陶瓷片的電極極性相反，第二壓電陶瓷片粘貼在夾持臂4的外側(cè)面上且后端與夾持臂4的根部對齊，夾持臂4的前端夾持面上設(shè)置有摩擦紋(圖中未顯示)。[0018]實施例二:如圖所示，其它結(jié)構(gòu)同實施例一，不同之處在于壓電陶瓷扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器5由壓電纖維扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器7替代，壓電纖維扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器7由壓電纖維薄膜沿扭轉(zhuǎn)臂I的外圓周面繞一周而成，壓電纖維薄膜粘貼固定在扭轉(zhuǎn)臂I的外圓周面上，壓電纖維扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器7為多個，夾持臂4的內(nèi)、外側(cè)面上均固定設(shè)置有壓電彎曲驅(qū)動器6，壓電彎曲驅(qū)動器6為第二壓電陶瓷片，位于同一個夾持臂4兩側(cè)面上的第二壓電陶瓷片的電極極性相同。
[0019]上述實施例中，扭轉(zhuǎn)臂I和夾持臂4的材料可以為單晶硅、多晶硅或優(yōu)質(zhì)合金。
[0020]本微納夾持器的工作過程結(jié)合圖4進(jìn)行說明:在工作時，首先根據(jù)夾持物件的基本尺寸數(shù)量級，通過改變尺寸預(yù)調(diào)塊3的厚度來對兩個夾持臂4之間的初始夾持距離進(jìn)行調(diào)整，然后對粘貼固定在兩個扭轉(zhuǎn)臂I上的壓電陶瓷扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器5或壓電纖維扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器7輸入數(shù)值相同、極性相反的穩(wěn)定直流電壓，基于壓電材料的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在驅(qū)動電壓的作用下，壓電陶瓷扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器5或壓電纖維扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器7驅(qū)動兩個扭轉(zhuǎn)臂I產(chǎn)生角度相同(扭轉(zhuǎn)角度為β )、扭轉(zhuǎn)方向相反的微旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，由于夾持臂4長度方向的放大作用，扭轉(zhuǎn)臂I帶動夾持臂4做微旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，完成初步夾持動作，然后對兩個夾持臂4上的壓電彎曲驅(qū)動器6輸入數(shù)值相同、極性相反的穩(wěn)定直流電壓，基于壓電材料彎曲效應(yīng)，壓電彎曲驅(qū)動器6帶動夾持臂4做彎曲運(yùn)動(彎曲距離為L)，完成最終的夾持動作，實現(xiàn)微納夾持器的整個“夾持”動作；如果輸入相反的電壓，就可以完成“松開”動作，最終實現(xiàn)夾持臂4的“夾持”和“松開”動作。
【權(quán)利要求】
1.一種大行程的高精度微納夾持器，其特征在于包括兩根豎直設(shè)置的圓柱狀的扭轉(zhuǎn)臂，所述的扭轉(zhuǎn)臂的下端固定設(shè)置有基座，所述的扭轉(zhuǎn)臂的上端固定設(shè)置有水平設(shè)置的夾持臂，兩根所述的夾持臂相對設(shè)置且相平行，所述的扭轉(zhuǎn)臂上固定設(shè)置有壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器，所述的夾持臂的側(cè)面上固定設(shè)置有壓電彎曲驅(qū)動器。
2.如權(quán)利要求1所述的一種大行程的高精度微納夾持器，其特征在于所述的壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器為壓電陶瓷扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器或壓電纖維扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器。
3.如權(quán)利要求2所述的一種大行程的高精度微納夾持器，其特征在于所述的壓電陶瓷扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器包括至少四片瓦形的第一壓電陶瓷片，所述的第一壓電陶瓷片的數(shù)量為偶數(shù)，所述的第一壓電陶瓷片粘貼在所述的扭轉(zhuǎn)臂的外圓周面上且相互圍成圓管狀，所述的第一壓電陶瓷片的底部與所述的扭轉(zhuǎn)臂的下端對齊，相鄰的兩個所述的第一壓電陶瓷片的極化方向相反，相鄰的兩個所述的第一壓電陶瓷片之間固定設(shè)置有電極，相鄰的兩個所述的電極的極性相反。
4.如權(quán)利要求2所述的一種大行程的高精度微納夾持器，其特征在于所述的壓電纖維扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器由壓電纖維薄膜沿所述的扭轉(zhuǎn)臂的外圓周面繞一周而成，所述的壓電纖維薄膜粘貼固定在所述的扭轉(zhuǎn)臂的外圓周面上，所述的壓電纖維扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器為一個或多個。
5.如權(quán)利要求1所述的一種大行程的高精度微納夾持器，其特征在于所述的扭轉(zhuǎn)臂為空心圓管。
6.如權(quán)利要求1所述的一種大行程的高精度微納夾持器，其特征在于所述的壓電彎曲驅(qū)動器為形狀和尺寸均與所述的夾持臂相同的第二壓電陶瓷片，位于兩個夾持臂上的第二壓電陶瓷片的電極極性相反，所述的第二壓電陶瓷片粘貼固定在所述的夾持臂的外側(cè)面或兩側(cè)面上且后端與所述的夾持臂的根部對齊，位于同一個夾持臂兩側(cè)面上的第二壓電陶瓷片的電極極性相同。
7.如權(quán)利要求1所述的一種大行程的高精度微納夾持器，其特征在于所述的扭轉(zhuǎn)臂和所述的夾持臂的材料為單晶硅、多晶硅或優(yōu)質(zhì)合金。
8.如權(quán)利要求1所述的一種大行程的高精度微納夾持器，其特征在于所述的夾持臂的前端夾持面上設(shè)置有摩擦紋。
9.如權(quán)利要求1所述的一種大行程的高精度微納夾持器，其特征在于兩個所述的基座之間固定設(shè)置有尺寸預(yù)調(diào)塊，所述的尺寸預(yù)調(diào)塊由多片調(diào)節(jié)片并排組成。
【文檔編號】H02N2/12GK103929092SQ201410102540
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月19日
【發(fā)明者】婁軍強(qiáng), 魏燕定, 楊依領(lǐng), 謝鋒然 申請人:寧波大學(xué)