專利名稱：一種電熱驅(qū)動柔性微夾鉗的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一種電熱驅(qū)動柔性微夾鉗，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)：
微夾鉗是微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域中的一個關(guān)鍵器件。在一些微小的機(jī)械零件、電子元件、生物細(xì)胞等的微操作和微裝配中，所用的器件都是微夾鉗。目前，微夾鉗的鉗體結(jié)構(gòu)主要有兩大類即剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)作為鉗體，一般體積較大，制作麻煩，裝配比較困難，而柔性結(jié)構(gòu)正好可以克服剛性結(jié)構(gòu)的不足，并且可以借助于微工藝技術(shù)實現(xiàn)鉗體的微制造，能夠進(jìn)行批量生產(chǎn)和實現(xiàn)驅(qū)動單元的集成化制造，而在柔性結(jié)構(gòu)的設(shè)計方面更多集中在采用一些功能材料，如壓電材料、形狀記憶合金、磁致伸縮材料等；微夾鉗的驅(qū)動有多種形式，包括靜電驅(qū)動、壓電驅(qū)動、電磁驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電熱驅(qū)動等，電熱驅(qū)動方式與其它方式比起來是最簡潔的，并能提供大的輸出力，易于集成。
現(xiàn)有的柔性微夾鉗結(jié)構(gòu)較多集中在使用功能材料，但往往受到材料制備的限制。電熱驅(qū)動的柔性微夾鉗大多具有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的細(xì)微差別就會產(chǎn)生不同的效果。有關(guān)電熱驅(qū)動微夾鉗方面的研究，在中國專利中未發(fā)現(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)。國外專利中，日本專利靜電驅(qū)動式微夾鉗(專利號JP7052072)，雖然輸入是電壓，但其驅(qū)動力是電極之間的靜電力，本發(fā)明的驅(qū)動力是鉗體受焦耳熱產(chǎn)生的熱應(yīng)變。Young Seek Oh等人在國際學(xué)術(shù)會議(2003 ASME International Mechanical Engineering Congress)的論文中發(fā)表了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計并進(jìn)行修改的微夾鉗結(jié)構(gòu)，并加上電熱驅(qū)動，驅(qū)動器為V形梁陣列，該文獻(xiàn)中提到的微夾鉗夾持物體時容易產(chǎn)生變形，在驅(qū)動電壓為5v時，鉗口位移僅為10um左右，位移小。E.V.Bordatchev等人在國際學(xué)術(shù)會議(Proceedings of the International Conference onMEMS，NANOand Smart Systems，2003)的論文中發(fā)表了基于電熱原理設(shè)計，并加工的鎳材料的微夾鉗，其熱驅(qū)動的溫度高，驅(qū)動電壓大，并且結(jié)構(gòu)尺寸較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)精巧細(xì)微，控制簡單，易于集成；輸出效率高，鉗口位移大的電熱驅(qū)動柔性微夾鉗。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種電熱驅(qū)動柔性微夾鉗，由驅(qū)動和鉗體部分組成，驅(qū)動部分為V形梁陣列9。微夾鉗結(jié)構(gòu)為一整體柔性結(jié)構(gòu)，它由鉗體固定部分1a和1b、電極2a和2b、柔性鉸3a和3b、柔性鉸4a和4b、連接桿5a和5b、柔性鉸6a和6b、鉗臂7a和7b、夾持端8a和8b、V形梁陣列9、鉗體中間上部11、下部12不同的幾何形體構(gòu)成，無需任何裝配。V形梁陣列9為電熱驅(qū)動部分，它的固定端1a和1b也是鉗體的固定端。鉗臂7a和7b為流線型，它的前端是夾持端8a和8b，后端由柔性桿3a和3b與鉗體固定部分1a和1b相連，同時通過柔性鉸4a和4b與連接桿5a和5b的一端相連；連接桿5a和5b的另一端通過柔性鉸6a和6b與鉗體中間上部11相連。鉗體中間上部和鉗體中間下部12相連，鉗體中間下部與驅(qū)動部分9相連；電極2a和2b位于1a和1b的表面上。柔性鉸3a和3b、4a和4b、6a和6b的幾何形狀為細(xì)長桿狀結(jié)構(gòu)，鉗體中間上部11由兩個半圓環(huán)狀通過三條筋板狀結(jié)構(gòu)相連并與桿狀鉗體中間下部12相連。
柔性微夾鉗的鉗體中間上部11可以是半圓形結(jié)構(gòu)15，可以是三角形結(jié)構(gòu)17，可以是兩個或多個三角形形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)14，可以是矩形結(jié)構(gòu)，也可以是上弦形等多種形狀的具有一定剛性的結(jié)構(gòu)；鉗體中間下部可以是矩形16，可以是凸多邊形12，也可以是幾個凸多邊形組合起來的能夠傳遞運動的剛性結(jié)構(gòu)。
柔性微夾鉗的V形梁陣列的數(shù)目可以從一個到多個變化，V形梁陣列的方向也可以改變，當(dāng)為正“V”形13時，夾持端實現(xiàn)的是閉合動作，當(dāng)V形梁陣列的方向為倒“V”形9時，夾持端實現(xiàn)的是張開的動作，夾持端的距離L應(yīng)視夾持物體大小而定，但必須L≥0。
本發(fā)明的效果是使用電熱方式驅(qū)動微夾鉗，控制簡單、易行，并且微夾鉗的鉗體部分與驅(qū)動部分為一柔性整體，無需裝配，制作簡單，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。


圖1是微夾鉗的結(jié)構(gòu)圖。其中1a、1b-鉗體固定端，2a、2b-電極，3a、3b-柔性桿，4a、4b-柔性鉸，5a、5b-連接桿，6a、6b-柔性鉸，7a、7b-鉗臂，8a、8b-夾持端；9-V形電熱驅(qū)動部分，10-驅(qū)動部分的輸出端，11-鉗體中間部分一，12-鉗體中間部分二。
圖2是微夾鉗鉗體結(jié)構(gòu)的等效機(jī)構(gòu)簡圖。其中A和A′-鉸鏈、B和B′-鉸鏈、D和D′-鉸鏈，ABC和A′B′C′-構(gòu)件，BD和B′D′-構(gòu)件，DED′-構(gòu)件，F(xiàn)G-構(gòu)件，H-移動副。
圖3是輸入電壓與夾持端(單側(cè))的夾持方向位移的關(guān)系曲線圖。
圖4是夾持端(單側(cè))的位移與夾持力的關(guān)系曲線圖。
圖5是輸入電壓與微夾鉗最高表面溫度的關(guān)系曲線圖。
圖6是微夾鉗的正“V”形梁陣列的結(jié)構(gòu)圖，其中13-正“V”形梁陣列。
圖7是微夾鉗鉗體中間上部為三角環(huán)形的結(jié)構(gòu)圖，其中14-三角環(huán)形鉗體中間上部。
圖8是微夾鉗的鉗體中間上部為半圓形、中間下部為矩形的結(jié)構(gòu)圖，其中15-半圓形鉗體中間上部；16-矩形鉗體中間下部。
圖9是微夾鉗的鉗體中間上部為三角形、中間下部為組合多邊形的結(jié)構(gòu)圖，其中15-三角形鉗體中間上部；16-組合多邊形鉗體中間下部。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖具體說明實施方式。附圖1中在電極2a和2b之間加上合適電壓后，V形電熱驅(qū)動部分9有電流通過，因高阻而生熱，使傾斜的梁膨脹伸長，在V形驅(qū)動部分的輸出端10產(chǎn)生一定的輸出位移和驅(qū)動力，這可以作為鉗體部分的輸入位移和輸入力，通過鉗體的中間部分12、11和柔性鉸6a、6b及連接桿5a、5b，使柔性鉸鏈4a、4b產(chǎn)生變形，柔性鉸鏈4a、4b處的小變形可以使鉗臂7a、7b的夾持端8a、8b產(chǎn)生較大的位移；同時，在兩個電極間加電壓之后，在鉗體部分也構(gòu)成回路，鉗體的中間部分11、12會受熱而產(chǎn)生膨脹變形，通過柔性鉸鏈6a、6b引起柔性鉸鏈4a、4b產(chǎn)生變形，從而使鉗臂的夾持端8a、8b產(chǎn)生位移，所以說該夾鉗結(jié)構(gòu)的輸出位移是由兩部分位移串聯(lián)迭加而成，較小的輸入電壓就可實現(xiàn)較大的輸出位移，實現(xiàn)了夾持端的張開動作。
微夾鉗鉗體結(jié)構(gòu)等效于平面六桿機(jī)構(gòu)，附圖2是平面六桿機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡圖，結(jié)合附圖1和附圖2說明它們之間的對應(yīng)關(guān)系。鉗臂7a和7b相當(dāng)于構(gòu)件ABC和A′B′C′，柔性桿3a和3b相當(dāng)于鉸鏈A和A′，柔性鉸4a和4b相當(dāng)于鉸鏈B和B′，桿5a和5b相當(dāng)于構(gòu)件BD和B′D′，柔性鉸6a和6b相當(dāng)于鉸鏈D和D′，構(gòu)件DED′相當(dāng)于鉗體中間上部11，鉗體中間下部12相當(dāng)于FG，鉗體中間下部12與驅(qū)動部分9相連，其連接關(guān)系相當(dāng)于移動副H，鉗體的固定部分相當(dāng)于固定桿件即機(jī)架。
附圖3、附圖4和附圖5從量上說明了該微夾鉗所具備的性能特征。附圖3表示電極間所加電壓從0伏到5伏時，單側(cè)夾持端的位移變化情況，當(dāng)所加電壓為5伏時，單側(cè)夾持端的最大位移達(dá)到110um；附圖4表示夾持端的夾持力隨位移的變化情況，當(dāng)單側(cè)夾持端的位移為100um時，所產(chǎn)生的夾持力可達(dá)3.5mN；附圖5表示鉗體表面的最高溫度隨電壓的變化情況，所加電壓為5伏時，表面最高溫度為1217℃。
附圖6、附圖7、附圖8和附圖9表示鉗體中間部分發(fā)生改變后的幾種微夾鉗結(jié)構(gòu)，這些微夾鉗都可用于微操作和微裝配中。
權(quán)利要求
1.一種電熱驅(qū)動柔性微夾鉗，由驅(qū)動和鉗體部分組成，驅(qū)動部分為V形梁陣列[9]，其特征是微夾鉗結(jié)構(gòu)為一整體柔性結(jié)構(gòu)，它由鉗體固定部分[1a]和[1b]、電極[[2a]和[2b]、柔性鉸[3a]和[3b]、柔性鉸[4a]和[4b]、連接桿[5a]和[5b]、柔性鉸[6a]和[6b]、鉗臂[7a]和[7b]、夾持端[8a]和[8b]、V形梁陣列[9]、鉗體中間上部[11]、下部[12]不同的幾何形體構(gòu)成，無需任何裝配；V形梁陣列[9]為電熱驅(qū)動部分，它的固定端[1a]和[1b]也是鉗體的固定端；鉗臂[7a]和[7b]為流線型，它的前端是夾持端[8a]和[8b]，后端由柔性桿[3a]和[3b]與鉗體固定部分[1a]和[1b]相連，同時通過柔性鉸[4a]和[4b]與連接桿[5a]和[5b]的一端相連，連接桿[5a]和[5b]的另一端通過柔性鉸[6a]和[6b]與鉗體中間上部[11]相連，鉗體中間上部和鉗體中間下部[12]相連，鉗體中間下部與驅(qū)動部分[9]相連；電極[2a]和[2b]位于[1a]和[1b]的表面上，柔性鉸[3a]和[3b]、[4a]和[4b]、[6a]和[6b]的幾何形狀為細(xì)長桿狀結(jié)構(gòu)，鉗體中間上部[11]由兩個半圓環(huán)狀通過三條筋板狀結(jié)構(gòu)相連并與桿狀鉗體中間下部[12]相連。
2.如權(quán)利要求1中所述的一種電熱驅(qū)動柔性微夾鉗，鉗體中間上部[11]可以是半圓形結(jié)構(gòu)[15]，可以是三角形結(jié)構(gòu)[17]，可以是兩個或多個三角形形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)[14]，可以是矩形結(jié)構(gòu)，也可以是上弦形等多種形狀的具有一定剛性的結(jié)構(gòu)；鉗體中間下部可以是矩形[16]，可以是凸多邊形[12]，也可以是幾個凸多邊形組合起來的能夠傳遞運動的剛性結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1和2中所述的一種電熱驅(qū)動微夾鉗，V形梁陣列的數(shù)目可以從一個到多個變化，V形梁陣列的方向也可以改變，當(dāng)為正“V”形[13]時，夾持端實現(xiàn)的是閉合動作，當(dāng)V形梁陣列的方向為倒“V”形[9]時，夾持端實現(xiàn)的是張開的動作，夾持端的距離L應(yīng)視夾持物體大小而定，但必須L≥0。
全文摘要
本發(fā)明一種電熱驅(qū)動柔性微夾鉗，屬于微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域中的微執(zhí)行器類。電熱驅(qū)動柔性微夾鉗由驅(qū)動和鉗體兩部分組成，驅(qū)動部分為V形梁陣列。微夾鉗鉗體結(jié)構(gòu)為一整體柔性結(jié)構(gòu)，它由鉗體固定部分、電極、柔性鉸、柔性鉸、連接桿、柔性鉸、鉗臂、夾持端、V形梁陣列、鉗體中間上部、下部不同的幾何形體構(gòu)成，無需任何裝配。鉗體的中間上部由兩個半圓環(huán)狀通過三條筋板狀結(jié)構(gòu)相連并與桿狀鉗體中間下部相連，鉗體的中間上部和中間下部可以改變?yōu)槎喾N形狀。這種微夾鉗結(jié)構(gòu)緊湊，控制簡單，輸出位移大，可用于微操作和微裝配中。
文檔編號B81B5/00GK1704329SQ20041002067
公開日2005年12月7日 申請日期2004年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月4日
發(fā)明者褚金奎, 郝秀春, 王立鼎, 關(guān)樂 申請人:大連理工大學(xué)