[发明专利]压电驱动式微夹持器

说明书

技术领域

本发明涉及一种微操作作业工具，尤其涉及一种用于夹持微小物体的微夹持器。

背景技术

微机电系统(MEMS)是指可批量制作、集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路以及接口、通信和电源等于一体的微系统。MEMS不仅可以降低系统成本，而且还可以完成许多传统的大尺寸机电系统所无法完成的任务，如微观对象灵活操作。微夹持器是MEMS的关键组成部分，是沟通宏观与微观世界的基本工具，在微机电系统的研究及微型产品的研制开发中发挥着重要的作用。

微夹持器应用于微装配等领域，并且，微夹持器在精密仪器、生物医学、航空航天及军事领域都有着广泛的应用前景。微装配机器人在微零件装配、微机电系统、精密光学等领域有着广泛的应用前景。而微夹持器作为微装配机器人的末端执行器，直接决定机器人的工作效果。研究具有微感知功能的微夹持器是微装配机器人研究中的一个重点和难点。

微夹持器按照驱动方式划分可分为压电驱动、热驱动、静电驱动、电磁驱动等类型。其中，压电驱动通常与放大结构配合使用，驱动力大，位移小。其中，压电驱动微夹持器由压电驱动器(PZT)、内外悬臂梁组成的柔性铰链放大机构和夹持臂组成。当压电驱动器施加电压伸长时推动外悬臂梁运动，使得外悬臂梁运动方向改变，带动微夹持臂动作，根据杠杆原理，微夹持臂的位移量大大增加(一般是放大前的十几倍到几百倍)，每一夹持臂的最大位移可达240um。

如图1所示，图1为常规纵效应驱动的压电元件示意图。所述常规纵效应驱动的压电元件1的极化方向(P)及施加电场方向(E)，两者均为所述常规纵效应驱动的压电元件1的长度方向(平行设置)，通过所述极化方向(P)及施加电场方向(E)所产生的应力，使所述常规纵效应驱动的压电元件1产生纵向的变形(如虚线所示)，以形成纵向驱动力。

如图2所示，图2为常规横效应驱动的压电元件示意图。所述常规横效应驱动的压电元件2的极化方向(P)及施加电场方向(E)，两者均为所述常规横效应驱动的压电元件2的宽度方向(平行设置)，通过所述极化方向(P)及施加电场方向(E)所产生的应力，使所述常规纵效应驱动的压电元件2产生横向的变形(如虚线所示)，以形成横向驱动力。

上述所述常规纵效应驱动的压电元件1及所述常规横效应驱动的压电元件2所分别产生的纵效应及横效应，其为当外加电场(E)与极化方向(P)为平行设置时所产生的特性。然而，上述两种驱动配置方式却无法在纵效应与横效应发生的同时激发出剪切效应。因此，利用单一压电元件虽然有较高的驱动精度或微驱动效果，但其能驱动行程却仅仅有几十微米(um)等级。甚至有些压电元件仅有亚微米(sub-um)等级的驱动功效，所以，对于要夹持较大尺寸(例如：100um以上)的精微元件则有些困难。

另外，如果要增加上述所述常规纵效应驱动的压电元件1及所述常规横效应驱动的压电元件2的驱动行程，需以多个压电元件堆叠才能增加驱动行程的功效。

如图3及图4所示，图3及图4是一种常规堆叠式压电驱动装置3，其包括所述常规纵效应驱动的压电元件1及所述的常规横效应驱动的压电元件2，所述常规横效应驱动的压电元件2设置于所述常规纵效应驱动的压电元件1上。

如图5及图6所示，图5是显示输入所述常规效应驱动的压电元件1的第一驱动信号，图6是显示输入所述常规横效应驱动的压电元件2的第二驱动信号。其中，所述第一驱动信号与所述第二驱动信号具有相位差。

结合图3至图6所示，所述常规纵效应驱动的压电元件1接收所述第一驱动信号后，即产生纵效应以进行纵向运动，而所述常规横效应驱动的压电元件2接收所述第二驱动信号后，即产生横效应以进行横向运动。通过控制具有相位差的所述第一驱动信号及所述第二驱动信号，分别驱动所述常规纵效应驱动的压电元件1及所述常规横效应驱动的压电元件2，使所述常规堆叠式压电驱动装置3产生类似长方形或椭圆形的运动轨迹，以达到推动或驱动效果。

上述所述常规堆叠式压电驱动装置3的驱动方式，是精密压电驱动器中最普遍且最方便实施的一种方式，但是，此种实施方式，相对的需要用到两种压电材料，且需准确搭配好两相的电信号(所述第一驱动信号及所述第二驱动信号)，才能产生较佳的运动轨迹，其硬件实现上较为复杂。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种新的压电驱动式微夹持器，以克服上述缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种张合量大、驱动力大、并且具有精密夹持力反馈功能的压电驱动式微夹持器。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：