[發(fā)明專利]整體式微位移、力三維柔性驅動放大與轉向機構

無效

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• 申請日: 2000-05-26
• 公開（公告）號: CN1275469A
• 公開（公告）日: 2000-12-06
• 發(fā)明（設計）人: 李慶祥;李玉和;白立芬;于水
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: B25J11/00
• 分類號: B25J11/00;G05B19/00;G01B9/00
• 代理公司: 清華大學專利事務所
• 代理人: 廖元秋

本發(fā)明屬于微納米技術領域，特別涉及應用于超精密加工、微定位、微裝配、微型機器人等的微器件的結構設計。

微納米技術是一個新興的、多學科交叉的高科技領域，它匯集電子、機械、材料、制造、測量以及物理、化學和生物中新生長出的(包括交叉的、不同層次的)微小和微觀領域的科學技術群體，被認為是21世紀的核心技術。在微機電系統(tǒng)(MEMS)領域，微納米技術涉及到微加工、微裝配、微器件制作以及微型機器人等不同研究方向。目前現有技術中驅動、放大與轉向等多項功能的實現采用相互獨立的機構模塊，結構龐大，中間環(huán)節(jié)多，累積誤差大。其中傳統(tǒng)的電機驅動，結構尺寸較大，穩(wěn)定性差、分辨率低，例如步進電機通常的步距角大約在1度(°)左右，而在微機電系統(tǒng)或微納米技術領域，角度的精確度往往以秒(″)為數量級，可見傳統(tǒng)的驅動方式已遠遠不能滿足現代技術領域的要求。常用的齒輪或杠桿傳遞等放大機構，運動與力傳遞環(huán)節(jié)多、可靠性低、非線性誤差大、精確度低，直接影響輸出位移分辨率。通常的輸出換向是通過多路系統(tǒng)在三維空間中獨立完成多個方向位移和力的輸出，需要的操作空間大，這限制了其在微米/納米等微觀技術領域的實際應用和拓展。

本發(fā)明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種整體式微位移、力三維柔性驅動放大與轉向機構，具有結構緊湊，運動與力的傳遞環(huán)節(jié)少，可靠性高，非線性誤差小，同時可保證機構的微型化與所需操作空間的相對縮小的諸多優(yōu)點。

本發(fā)明提出的一種整體式微位移、力三維柔性驅動放大與轉向機構，其特征在于，包括微驅動器、柔性鉸鏈、定位結構、調整旋鈕；所說的微驅動器包括兩個有平面度要求的光滑頂面和底面，該微驅動器嵌置在該柔性鉸鏈中，該微驅動器的底面與設置在該柔性鉸鏈中的調整旋鈕接觸，該微驅動器的頂面通過設置在該柔性鉸鏈中的定位結構與柔性鉸鏈相連接。

所說的微驅動器可采用壓電陶瓷材料、電致伸縮材料或者電磁材料制成。所說的微驅動器可為六面體或圓柱體。

所說的柔性鉸鏈可采用單晶硅、多晶硅、鋼或者優(yōu)質合金材料制成。所說的柔性鉸鏈可由頂桿、拉桿、橫推桿、輸出桿、轉向桿及固定桿六部分鉸鏈桿組成，各鉸鏈桿之間分別通過彈性薄臂相互連接為一多面體的整體形狀；在柔性鉸鏈的固定桿上可有三個大小相等呈三角形排列的通孔，用來固定整個柔性機構。

所說的定位結構可為一球形滾珠，其半徑可取微驅動器頂面寬度的1/6；為保證穩(wěn)定定位，在與該定位結構相接觸的柔性鉸鏈的頂桿，有一開口與滾珠相對的“V”形槽，其外接圓半徑與滾珠相同。

所說的調整旋鈕頂端可為六棱形，下端可為圓柱狀，帶有細螺紋，與柔性鉸鏈的固定桿的螺紋孔有公差配合。

本發(fā)明是一種對微位移和力具有驅動、放大和輸出轉向等多項功能集成的柔性機構，整體尺寸可根據柔性機構的位移輸出量及分辨率大小設定。柔性鉸鏈的各鉸鏈桿尺寸由整個柔性機構的位移放大比決定。柔性鉸鏈材料不同整個機構的輸出位移和力都將相應變化。柔性鉸鏈可通過微細加工或激光加工等特種加工工藝技術實現。在柔性鉸鏈的固定桿上的三個大小相等呈三角形排列的通孔半徑在滿足機械強度要求的前提下與柔性機構尺寸呈比例關系。整個柔性機構總體上為六面體，尺寸可根據位移輸出大小加工制作成不同級別：小型、微小型、微型等。

本發(fā)明的工作結構原理為：柔性機構工作過程中，利用逆壓電效應或電致伸縮原理，輸入穩(wěn)定直流電壓作用于微驅動器，產生初始驅動的微位移和力，并通過與微驅動器相連的定位機構將微位移和力傳遞給柔性鉸鏈的頂桿，經柔性鉸鏈的各級放大模塊以及轉向模塊，進行放大和轉向，最后輸出滿足設計要求的微位移和力。

本發(fā)明的效果：?

本發(fā)明機構中基于彈性變形的柔性鉸鏈結構能夠實現無機械摩擦、無間隙、高精度和穩(wěn)定性，體積小，放大比高，適用于微機電系統(tǒng)；微壓電/電致伸縮器件的集成，使得機構驅動分辨率高、承載能力大、輸出位移精度高、穩(wěn)定性好，在我國微機械精密加工與微納米技術等方面都有廣泛的應用前景。

本機構的放大比可達105；

輸出位移可達1.68mm；

位移分辨率可達1μm；

輸出微位移和力可在水平面和垂直面內轉化。

附圖的簡單說明：

圖1是本發(fā)明的實施例結構左視立體示意圖；

圖2是本發(fā)明的實施例結構右視立體示意圖；

圖3是本發(fā)明的工作原理圖；????

圖4是本發(fā)明的柔性鉸鏈簡化設計數學模型示意圖；

圖5是本發(fā)明的機構位移放縮計算原理圖；

圖6是本實施例的軟件設計流程圖；

圖7為本發(fā)明的實施例結構平面示意圖。