CN205521129U - 一种基于压电陶瓷驱动的微夹持器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于压电陶瓷驱动的微夹持器，包括具有对称结构的直圆型柔性铰链和直角型柔性铰链组成，所述微夹持器采用4对对称的直圆型柔性铰链和1对对称的直角型柔性铰链实现了微夹持器输入位移的两级放大，其中3对直圆型柔性铰链对称分布于两侧实现了输入位移的一级放大，另1对直圆型柔性铰链和直角型柔性铰链实现了输入位移的两级放大；微夹持器的夹持端采用局部削弱弹性体的方法,设计成一种悬臂式应变梁结构，局部削弱悬臂梁弯矩较大的根部，把它作为贴应变片的部位，实现夹持力的实时监测和控制，所设计的微夹持器可用于生物工程、微机电***装配、纳米科学与技术、光学等领域。
Description
技术领域
本实用新型属于精密工程领域，所设计的微夹持器可用于微机电***的装配、微电子工程、生物工程、纳米科学与技术、光学等领域。
背景技术
随着生物工程技术、微机电***(MEMS)技术、微/纳米技术及光学等领域的研究，微夹持器得到极大发展。微夹持器是微零件装配及细胞微操作过程中重要的末端执行器，在微机械零件的加工、装配、生物工程和光学等领域均有很好的应用前景。如在微机电***(MEMS)领域中，微夹持器可用来将微轴、微齿轮等微零件装配成微部件；在生物工程领域，微夹持器可用来抓取细胞，与微探针结合，还可向细胞注入或从细胞中提取某种成分，微夹持器在生物工程技术、微机电***(MEMS)技术、微/纳米技术及光学等领域的作用已越来越重要，应用越来越广泛。但对其要求也越来越高，要求其能夹持不同尺寸的微小物体，微夹持器需要大的张合量。为了避免夹持器的夹持口与微操作的物体接触时发生碰撞而脱落或损伤，需要易于控制夹持力，即要求高的夹持力灵敏度，同时，要求快的响应速度。
柔顺机构是采用柔性构件的弹性变形传递和转换运动、力或能量的一种新型结构，柔顺结构具有免摩擦、免润滑、整体化制造、运动灵敏度高等优点，柔顺机构的这些优点使得其可用于微夹持器的设计。目前针对微夹持机构的驱动国内外已有大量的研究，具有代表性的有： 两个压电单晶片悬臂梁组成的微夹持器，但是其末端的输出位移较小；电磁力驱动的微夹持器虽然动作范围大，但结构复杂，对加工和装配的精度要求也高，故成本也是很高昂的；由形状记忆合金(SMA)驱动的微夹持器由于对热量的控制困难，很难实现精确动作。经过对多种驱动器的对比和分析，考虑到压电陶瓷(PZT)具有高精度、高频响、体积小、出力大等特点，采用压电陶瓷作为驱动元件。
为了满足对夹持力的实时监测，选择合适的测力方法是设计这种力传感微夹持器的首要问题。比较国内外采用的测力方法可知。基于原子力显微镜(AFM)的力传感精度很高,但是造价高而且不便于微夹持器的安装设计；基于压电薄膜(PVDF)的传感器的优点是动态灵敏性能好，但是用于测试静态力时需要很好的压电电荷保持技术；压电晶片式力传感应用于微力测量的灵敏度不够；光纤力传感器虽然成本不高，但是存在传感器安装不便和光纤信号处理仪器昂贵的问题。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种用于夹持微小物体的微夹持器，所设计的基于压电陶瓷驱动的微夹持器具有响应速度快、结构稳定、夹持力可控、张合量大等优点。
本实用新型采用的技术方案如下：
包括具有对称结构的直圆型柔性铰链和直角型柔性铰链组成，所述微夹持器采用4对对称的直圆型柔性铰链和1对对称的直角型柔性铰链实现了微夹持器输入位移的两级放大，其中3对直圆型柔性铰链对称分布于两侧实现了输入位移的一级放大，另1对直圆型柔性铰链 和直角型柔性铰链实现了输入位移的两级放大。
微夹持器的夹持端采用局部削弱弹性体的方法,设计成一种悬臂式应变梁结构，局部削弱悬臂梁弯矩较大的根部，把它作为贴应变片的部位，实现夹持力的实时监测和控制。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本实用新型设计的微夹持器，是以柔性铰链为基础的二级位移放大机构，具有一定范围的张合量能够夹持不同大小的微小物体，而且还具有较大的刚度和固有频率，响应速度快的特点；
(2)本实用新型设计的微夹持器，采取局部削弱弹性体的方法,设计了图2中1所示的悬臂式应变梁结构，局部削弱悬臂梁弯矩较大的根部，把它作为贴应变片的部位，实现夹持力的实时监测和控制。
附图说明
图1是微夹持器的结构设计原理示意图；
图2是微夹持器结构示意图；
图1中，B、C、D、E分别表示直圆型柔性铰链，F表示直角型柔性铰链，I点表示位移输入端，O点表示微夹持器夹持输出端，数字I、II、III、IV、V、VI表示杆件；
图2中，微夹持器为对称结构，1表示悬臂式应变梁应变片粘贴位置，2表示直角型柔性铰链，3、4、5、8表示直圆型柔性铰链，6、7表示微夹持器的定位孔，9表示压电陶瓷装配孔。
具体实施方式
为了更好地理解本实用新型，下面结合附图对其作进一步地描述。
根据如图1所示的微夹持器设计原理图，设计的关键在于实现差动式杆杆原理的二级放大。如图1所示，为了实现一级放大，在微夹持器输入端I施加位移，通过柔性铰链B、C、D、E、形成了一级放大机构，使得输入端I的位移得到一级放大且E点作为输出点。另外F、E、O形成二级放大机构，点E输出位移经过二级放大机构放大然后在O点得到最终输出位移。微夹持器采用对称机构，夹持端双臂均能得到放大后的位移且放大倍数一样，这使得微夹持器具有较大的张合量，能够夹持大小不一的微物体。B、C、D、E分别采用直圆型柔性铰链实现，F采用直角型柔性铰链实现，并采用结构紧凑的对称式结构，以提高其刚度和固有频率。
所设计的微夹持器适宜于采用电火花线切割加工技术进行整体化加工，微夹持器采用半导体应变片作为力传感，具有结构简单、成本较低、易于安装等特点，可方便用于实际微操作或装配的微力测试。对于采用半导体应变片的力传感微夹持器，悬臂式应变梁作为力传感的敏感元件，其结构形状与尺寸对其测力性能的影响极大。由于本夹持器的应变梁不仅是传感器的敏感元件，而且还是夹持动作的执行元件，具有双重功能，为此，本实用新型采取局部削弱弹性体的方法,设计了图2中1所示的悬臂式应变梁结构，局部削弱悬臂梁弯矩较大的根部，把它作为贴应变片的部位，这样既提高了贴片部位的应变水平，又使得弹性体整体保持较高的刚度，以兼顾悬臂梁的力传感性能和夹持功能。最后根据应变采集仪采集数据，计算机进行分析处理，从而控制压电驱动器来达到夹持力的控制。
微夹持器的材料决定了微夹持器的性能，其材料要求柔而强。柔是指柔度，柔度的好坏决定了微夹持器夹持力灵敏度的好坏，即柔度越好，微夹持器夹持力灵敏度越高；强是指强度，由于微夹持器只夹持微小物体，要求其尺寸较小，为了防止其在工作过程中失效，必须要保证材料的强度极限符合要求。选择柔而强的微夹持器材料，使得其能满足微夹持器的性能要求。另外考虑到经济效益，选择铝合金作为微夹持器制作材料。
通过以上实施方式可较好地实现张合量大、夹持力的实时监测与控制的微夹持器。
上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于压电陶瓷驱动的微夹持器，其特征在于，包括具有对称结构的直圆型柔性铰链和直角型柔性铰链组成，所述微夹持器采用4对对称的直圆型柔性铰链和1对对称的直角型柔性铰链实现了微夹持器输入位移的两级放大，其中3对直圆型柔性铰链对称分布于两侧实现了输入位移的一级放大，另1对直圆型柔性铰链和直角型柔性铰链实现了输入位移的两级放大；微夹持器的夹持端采用局部削弱弹性体的方法,设计成一种悬臂式应变梁结构，局部削弱悬臂梁弯矩较大的根部，把它作为贴应变片的部位，实现夹持力的实时监测和控制。
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