CN114761181A - 用于微致动器的装置，以及配备有该装置的微致动器 - Google Patents

Abstract

一种用于微致动器的装置，包括主体(110)、两个端子构件(20、22)，该端子构件以关节(136、138)连结在主体(110)上，位于主体(110)的一侧，以及两个彼此面对的可变形碗形壁(120、122)。壁被配置为容纳致动器，这些壁(120、122)的位于一侧的两个相应的第一边缘(1202、1222)被固定(1264)到主体(110)上，而这些壁(120、122)位于另一侧的两个相应的第二边缘(1204)在致动器的作用下连续移动到壁(120、122)的变形。该运动由两个终止于两个相应的端子构件(20、22)的臂(132、134)传递。

Description

用于微致动器的装置，以及配备有该装置的微致动器

技术领域

本发明涉及用于微致动器的装置的领域，且特别是用于微技术夹具的装置的领域。

背景技术

微致动器是能够在非常短的距离(以下称为致动器行程)内产生运动的机械装置。特别是，微技术夹具是微致动器，其通过沿着致动器行程移动的指状物来执行对小物体的抓取。这些指状物通常安装在指状物载体(也称为端子构件)上。

微技术夹具，以及更普遍的微致动器，最常由压电致动器驱动，该压电致动器能够在电场的作用下膨胀和收缩，即变形。压电致动器通常具有沿叠层方向的叠层的形式。该叠层纵向变形，由在其长度上穿过它的电场控制。该受控变形允许在非常短的距离内的精确抓取。

压电叠层的行程约为其长度的千分之一(1/1000)。工业应用所需的致动器行程必须至少为400μm。为了获得超过微技术夹具的紧凑比的合理的致动器行程，微技术夹具包括在压电叠层和指状物载体之间的放大结构。该放大结构通过将压电叠层的变形乘以放大因子来将其转化为指状物载体的移动。

然而，目前微致动器的放大结构并不令人满意。

已知的放大结构的放大因子较低，一般小于5:1。因此，微技术夹具占用了大量空间，最长可达500毫米。它们融入产业链是复杂的，甚至是不可能的。

这些放大结构基于大量易损元件的复杂的组装，例如专利FR 1758847，其描述了一种微技术夹具，其放大结构是三维的并带有膜。已知的微技术夹具不适合大规模生产，并且它们的使用寿命短。

在某些已知的放大结构中，指状物的运动不保持它们的方向并且是不对称的。微技术夹具是已知的，其中单个指状物是可移动的，或者其中两个指状物由不同的运动驱动。这样的微技术夹具难以用于工业应用所强加的精确操作。

IEEE/ASME机电一体化汇刊24卷(2019)的Wang，Fujun等人的文章“具有非对称柔顺结构的新型双轴显微机械手的设计”：656-665页尤其广为人知，它描述了一种放大结构，其指状物中之一的放大率可达11:1，另一指状物的放大率可达4.6:1。该放大结构具有比其他已知放大结构更大的放大因子，但代价是高度不对称。此外，它的大量零件使其复杂、易损且无法使用。

本发明改善了该情况。

发明内容

在这方面，本发明提出了一种用于微致动器的装置，包括

-主体，

-两个关节式连结在主体上的端子构件，其位于主体的一侧，

-两个彼此面对的可变形碗形壁，其布置为容纳致动器，这些壁的位于一侧的两个相应的第一边缘被紧固在主体上，而这些壁的位于另一侧的两个相应的第二边缘在致动器的作用下连续移动到使壁变形，

-该运动由终止于两个相应端子构件的两个臂传递。

本发明的装置的放大因子是高的。它可以超过30:1(或30/1)，即对于致动器的1μm的纵向变形，端子构件移动至少30μm，甚至50:1。该装置还易于制造。此外，由于零件数量少和其简便性，该装置的坚固性远高于传统结构的坚固性。

在多种替代实施例中，微致动器的装置还可以具有以下特征中的一个或多个：

-碗形壁各自具有相应的底部，致动器支承抵靠在该底部上，

-两个端子构件通过各自的杆关节式连结在主体上，

-两个端子构件通过两对大致平行且长度相同的相应的杆关节式连结在主体上，

-在端子构件侧的杆的端部基本对齐，

-致动器的变形是抵靠壁的两个底部的纵向膨胀或纵向收缩，致动器抵靠两个底部的膨胀驱动第一边缘和第二边缘一起靠近，由此第二边缘通过臂对称地驱动端子构件的相对一起靠近，

以及

致动器抵靠两个底部的收缩驱动第一边缘和第二边缘分开，第二边缘由此通过臂对称地驱动端子构件相对分开，

-端子构件的相对一起靠近和相对分开通常沿线性行程表示，

-两个碗形壁一般形成菱形、六边形或椭圆形，

-该装置由单件制成，

-该装置由成型板形成，

-装置具有大于30:1的放大因子，

-杆和/或臂在它们端部的一个或多个处变细，

-微致动器是微技术夹具，并且端子构件各自包括指状物载体和安装在所述指状物载体上的指状物，

-致动器是压电致动器，优选地是压电叠层，

-该装置相对于位于两个壁之间、两个臂之间以及两个端子构件之间对称的平面是对称的。

附图说明

本发明的其他特征和优点将在参照附图的以下描述中详细揭露，其中：

-[图1]示出了根据本发明的设置有微技术装置的微致动器的立体图，

-[图2]显示了图1的微致动器的俯视图，

-[图3]显示了图1的微致动器的仰视图，

-[图4]显示了图1的微致动器的分解图；

-[图5]显示了图1的装置的仰视图，

-[图6]显示了图5的装置的俯视图

-[图7]显示了图5的装置的替代结构。

附图中大部分包含某种性质的元件。因此，其不仅可以用于帮助更好地理解本发明，而且在适用的情况下还有助于其定义。

具体实施方式

现在参考图1至图6。

微致动器1包括底座10、两个端子构件20和22，以及致动所述端子构件20和22的致动器30。

在一个实施例中，微致动器1是微技术夹具并且端子构件是抓握构件，例如每个都可以接收指状物的指状物载体。致动器30可以致动指状物载体20和22，以便通过微致动器1执行抓握。

指状物载体20、22可以接收相应的指状物以形成微技术夹具。在一个实施例中，微致动器1包括安装在底座10上的末端件200，包括支撑件202和通过相应的柔性连接元件2040、2060连接到支撑件202的两个指状物204和206，诸如在本申请人的专利EP2718066中所述的。每个指状物204、206包括各自的紧固基部2042、2062，通过该紧固基部2042、2062，指状物被紧固在指状物载体20、22之一上，这里通过形状配合。支撑件202可以接合在布置在底座10中的凹口2020中，以便将末端件200安装在底座10上。可替代地，如在专利EP2718066中所述，支撑件可以安装在布置在底座10中的凹槽中。可替代地，指状物可以由具有指状物载体20和22的单件形成。可替代地，指状物可以通过螺纹接合和/或胶合固定到底座。

这里，致动器30是压电致动器。致动器30能够根据穿过它的电场沿致动器方向32变形，即膨胀和收缩。该变形是双向的，即致动器30可以沿其致动器方向32在两个方向上膨胀。此处的致动器30具有沿着致动器方向32的平行六面体压电叠层的形式。压电叠层可以是品牌PI的叠层，例如尺寸为3x3x13.5mm的平行六面体模型P-883.30。可替代地，致动器30可以是电磁或热致动器。

微致动器1可以安装在工业设备上，例如紧固到机械臂的端部。微致动器1的底座10例如设有两个孔1009和1010，微致动器1可以通过这些孔紧固。

在此处描述的示例中，微致动器的底座10在其侧边之一包括凹部12，该凹部12用于穿过一根或多根电缆，用于致动器30的电力供应和控制。

微致动器1还包括放大结构100，以将致动器30的运动传递到指状物载体20和22。结构100在这里通常是平坦的。结构100可以制造成3.5mm厚的板。所述板可以例如由铝、钢或硅制成。结构100紧固在底座10上，这里通过四个螺丝孔1001、1002、1003和1004拧紧。结构100容纳致动器30并形成两个指状物载体20和22。

此处的结构100形成凹口2020，形成两个指状物204和206的末端件200的支撑件202可以接合在其中。可替代地，凹口2020可以布置在底座10的另一部分中。

现在参考图5和图6。

结构100包括主体110，通过主体110可以将结构100紧固到微致动器1的底座10。这里，主体110包括四个螺丝孔1001、1002、1003和1004，结构100可以通过这些螺丝孔紧固在底座10上。为了清晰起见，结构100形成凹口2020的部分在图5中未示出，但在图6中可见。凹口2020在此形成在结构100的主体110中。

结构100包括两个壁120和122，它们形成用于致动器30的外壳124(在图5和图6中未示出)。两个壁120和122具有大体碗的形状，例如“U”形(或者，“V”形)，并且彼此面对。两个壁120和122一起形成沿第一方向1260延伸的第一子结构126。

这里，两个壁120和122是对称的并且具有大致相似的形状。或者，两个壁120和122可以是不对称的和/或具有一般不同的形状。

第一碗形壁120和第二碗形壁122分别具有各自的底部1200、1220、各自的第一边缘1202、1222和与各自的第一边缘1202、1222相对的各自的第二边缘1204、1224。壁120和122在一侧通过它们各自的第一边缘1202和1222在紧固部分1262处连接在一起，而在另一侧通过它们各自的第二边缘1204和1224在传输部分1264中连接在一起。在这里，两个壁(因此两个碗形彼此面对)一起形成扩展的六边形，其边是两两平行的。

第一子结构126通过紧固部分1262紧固在主体110上。紧固部分1262和传输部分在这里比壁120和122的其余部分厚。

更普遍地，两个壁120和122形成扩展的六边形。或者，两个壁120和122可以形成菱形、椭圆形、卵形或基本上沿第一方向1260延伸的任何其他形状。

两个壁120和122纵向地将致动器30(图5中未示出)容纳在外壳124中。安装在外壳124中的致动器30的致动器方向32与第一子结构126的第一方向1260一致。致动器30优选地以预加载的方式安装在外壳126中，即连续地支撑在每个壁120、122的底部1200、1220上，包括在空闲状态下。致动器30可以可选地胶合在壁120和122的底部1200和1220上，以使其安装紧固并提高微致动器的使用寿命。

这里，底部1200和1220具有各自平行的面1206和1226并且彼此面对。安装在外壳126中的致动器30与面1206和1226连续接触。

两个壁120和122可以变形。致动器30在其沿第一方向1260膨胀(分别收缩)时使两个底部1200和1220彼此分开(分别靠近)。两个彼此分开(分别靠近)的底部1200和1220驱动紧固部分1262和传输部分1264彼此移近(分别移开)。紧固部分1262被紧固到主体110，传输部分1264相对于主体110移动并传递致动器30的膨胀(分别收缩)。传输部分1264沿基本上垂直于第一方向1260的第二方向1266移动的距离等于两个底部1200和1222的相对移动乘以第一预定放大因子。

第一放大因子取决于第一子结构126的几何形状。特别地，第一放大因子取决于第一子结构126的总体形状的扩展以及壁120和122的厚度。在这里描述的实施例中，第一放大因子介于2:1和7:1之间。

结构100还包括相对于传输部分1264与第一子结构126相对的第二子放大结构130。第二子放大结构130将传输部分1264的运动传递到指状物载体20和22。

第二子结构130包括用于每个指状物载体20、22的相应臂132、134。每个臂132、134在各自的第一端部1320、1340处紧固到传输部分1264。每个臂132、134在与其相应的第一端部1320、1340相对的相应第二端部1322、1342处紧固到其相应的指状物载体20、22。臂132和134具有一般扩展的形状，并且在彼此附近纵向扩展，与第二方向1266形成小于10度、优选地小于5度的角度。

第二子结构130还包括用于每个指状物载体20、22的相应关节136、138。关节136和138可以控制指状物载体20和22相对于主体110的运动。关节136、138关于第二方向1266基本对称。这里，两个关节136和138位于臂132和134的任一侧。

在一个实施例中，每个关节136、138包括两个相应的延伸杆1360和1362、1380和1382。关节136(分别为138)的两个杆1360和1362(分别为1380和1382)是平行的并且具有相同的长度，或者换句话说，形成平行四边形的两个相对的边。所述平行四边形的另外两个边在第三方向1300上表示，第三方向1300可选地基本上垂直于第二方向1266。两个关节136和138的该“平行四边形”布置约束指状物载体20和22相对于第二方向1266平行且对称地移动。在杆1360、1362、1380和1382的纵向方向与第二方向1266之间的角度小于10°，优选小于5°。

当传输部分1264靠近(分别离开)紧固部分移动1262时，第二子结构130通过臂132和134驱动指状物载体20、22沿第三方向1300靠近(分别离开)的运动。指状物载体20和22的相对运动等于传输部分1264相对于紧固部分1262的相对运动乘以第二预定放大因子。换言之，指状物载体20和22的致动器行程是线性的，并且沿第三方向1300表示。

第二放大因子取决于第二子结构130的几何形状。特别地，该第二放大因子取决于在臂132和134与第二方向1266之间、在杆1360、1362、1380和1382与第二方向1266之间的角度、取决于杆1360、1362、1380和1382的长度，以及臂132和134的长度。在所描述的实施例中，第二放大因子大于2:1，可以达到15:1，甚至可以达到20:1。

结构100的总放大因子等于第一放大因子和第二放大因子的乘积。在这里描述的例子中，结构100的总放大因子是50:1，但可以达到140:1，这比已知的放大结构要大得多。此外，指状物载体20和22的运动是对称的并且彼此平行。结构100因此可能达到非常高的放大因子，而没有已知的放大结构的易损性、复杂性或不对称性的缺点。

第一子结构126的总体形状的相对刚度增加了第二子结构130的硬度。因此，第一子结构126为整个结构100提供机械稳定性。第二子结构130的形状允许结构100达到非常高的放大因子。第二子结构130进一步在结构100的指状物载体20、22的运动中提供平行性和对称性。两个子结构126和130因此协同作用。

结构100在这里是单件的，并且由单个成型板形成。因此其制造非常简单，易于组装(四个螺丝就足够了)。结构100可以是：

-通过电镀腐蚀(EDM)加工，

-通过底切加工，

-注塑成型(金属注塑成型)，

-通过微烧结制造，

-通过增材制造(也称为“3D打印”)进行，或

-在洁净室中通过物理化学硅加工进行(例如在缩小规模制造的情况下)。

这些制造方法是作为示例提及的并且不是限制性的。

结构100可能达到在50μm和3mm之间的致动器行程。在此处描述的示例中，执行器行程约为800μm，微致动器的尺寸为45x23x7.5mm。因此，设置有这样的结构100的致动器比设置有已知放大结构的致动器具有更有利的尺寸/行程比。

在结构100中，臂132和134以及关节136和138可以在它们的端部通过在其端部的变形相对于主体110、它们各自的指状物载体20、22和传输部分1264枢转。由于主体110的各个部分的运动非常低，所以变形是弹性的，大约小于2°且小于2mm。

臂132和134和/或杆1360、1362、1380和1382可以具有变细的端部。在图5所示的示例中，臂132和134的端部以及杆1360、1362、1380和1382的端部都变细了。所述端部的变细提高了臂132和134以及杆1360、1362、1380和1382相对于它们分别紧固在其上的枢转的能力。

可选地，主体可以在壁120和122的相应第一边缘1202和1222之间的接合处具有凹部1100和1102。这使得可能避免在壁120和122与主体110之间的该接合处具有尖锐边缘，这减少了在结构100的材料中的在壁120和122与主体110之间的该接合处的局部约束。

因此，描述的结构100具有比现有技术的放大结构在设计和制造的简便性上更有利的放大因子。

在这里描述的实施例中，结构100相对于垂直于第一方向1260的对称的平面具有平面对称。对称的平面包含第二方向1266。对称的平面位于两个臂132和134之间、两个碗形壁120和122之间以及指状物载体20和22之间。结构100的平面对称性允许指状物载体相对于彼此对称地移动。

作为替代，可以将两对杆和两个关节136和138倒置，即通过两对相应的杆1360、1362和1380、1382将传输部分1264连接到两个指状物载体20、22，并且通过两个臂132和134将两个指状物载体20、22连接到主体。

现在参考图7。

在作为图5的实施例的替代的该实施例中，结构100具有第三子结构230来代替第二子结构130。这里，第三子结构230的每个关节由单个杆236、238形成。该杆236、238牢固地紧固在其相应的指状物载体20、22的第一端部2360、2380处，并且在第二端部2362、2382处可枢转地紧固到主体110。

结构100在这里是单件的并且在第二端部2362、2382处的枢转通过在主体110和第二端部2362、2382之间的接合2364、2384处的弹性变形来完成。第二端部2362和2382可以变细，从而通过弹性变形改善该枢转。

指状物载体20和22的运动是对称的。由于现在在第三结构230中只有一个单一的枢转，因此指状物载体20和22描述了围绕接合2364、2368的角运动。

该第三结构230具有比第二子结构130的放大因子更高的放大因子，代价是失去了指状物载体20和22的运动的平行性。

已经描述了全局对称的放大结构100。该对称性允许端子构件对称地移动。然而，由于零件数量少且它们的简单性，可能具有将保持非常高的放大因子和比已知结构的坚固性高得多的坚固性的不对称结构100。

已经描述了用于微技术夹具的微致动器的放大结构100。根据本发明的放大结构使得可能通过压电控制端子构件在非常精确的距离上移动，该距离是对称的，甚至是平行的。这为除微技术夹具之外的许多应用提供了可能性。

在一个实施例中，微致动器1是微技术电接触器。两个端子构件20和22各自包括各自的接触构件，所述两个接触构件在它们彼此接触时电连接。然后，致动器30驱动端子构件在通过状态(其中接触构件接触)和切断状态(其中接触构件彼此相距一定距离并且电分离)之间切换接触构件。

由于放大结构，该微技术电接触器非常紧凑、积极且可控，特别是在致动器的控制电流非常低的情况下。此外，端子构件可以产生的夹持力使得可以考虑在强电流或强电压的情况下使用这样的致动器。该微技术电接触器的切换快速，小于10毫秒，甚至小于1毫秒。

在另一个实施例中，微致动器是光学膜片或光学快门。在此，每个端子构件包括相应的半膜片。两个半膜片呈大致直角“V”形，并对称地相互面对，各自的拐角彼此相距一定距离。两个大致的“V”形重叠，两个半膜片一起形成方形膜片。两个半膜片在致动器的作用下分开和靠近，这使得控制它们形成的方形膜片的尺寸成为可能。

再次，微致动器的致动速度有利地短(小于10ms，甚至1ms)。膜片的大小可以非常精确地控制。膜片进一步保持以光轴为中心。

本发明不限于上文提及的示例，并且在需要两个端子构件在短距离上对称地甚至平行地精确移动的所有领域中都是有意义的。

Claims (15)

1.用于微致动器的装置，包括

-主体(110),

-两个端子构件(20、22)，其以关节(136、138；236、238)式连结在主体(110)上，位于主体的一侧，

-两个彼此面对的可变形碗形壁(120、122)，布置成容纳致动器(30)，这些壁(120、122)的位于一侧的两个相应的第一边缘(1202、1222)被紧固(1264)在主体(110)上，而这些壁(120、122)的位于另一侧的两个相应的第二边缘(1204、1224)在致动器(30)的作用下连续移动以使壁(120、122)变形,

-该运动由终止于两个相应端子构件(20、22)的两个臂(132、134)传递。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，碗形壁(120、122)各自具有相应的底部(1200、1220)，致动器(30)支承抵靠在所述底部(1200、1220)上。

3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，两个端子构件(20、22)通过相应的杆(1360、1362、1380、1382；2360、2380)关节式连结在主体(110)上。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，两个端子构件(20、22)通过两对相应的杆(1360、1362；1380、1382)关节式连结在主体(110)上，所述成对的杆基本上平行并且具有相同的长度。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，杆(1360、1362、1380、1382)在端子构件(20、22)侧的端部(1322、1342)基本对齐。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的装置，其特征在于，致动器(30)的变形是抵靠壁(120、122)的两个底部(1200、1220)的纵向膨胀或纵向收缩，

其中致动器(30)抵靠两个底部(1200、1220)的膨胀驱动第一边缘(1202、1222)和第二边缘(1204、1224)一起靠近，由此第二边缘(1204、1224)通过臂(132、134)对称地驱动端子构件(20、22)相对一起靠近，以及

其中致动器(30)抵靠两个底部(1200、1220)的收缩驱动第一边缘(1202、1222)和第二边缘(1204、1224)分开，由此第二边缘(1204、1224)通过臂(132、134)对称地驱动端子构件(20、22)相对分开。

7.根据从属于权利要求4或5中的任一项时的权利要求6所述的装置，其特征在于，端子构件的相对一起靠近和端子构件的相对分开通常沿线性行程(1300)表示。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，两个碗形壁(120、122)通常形成菱形、六边形或椭圆形。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，装置(100)由单件制成。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，装置(100)由成型板形成。

11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，装置具有大于30:1的放大因子。

12.根据权利要求2至11中任一项所述的装置，其特征在于，杆(1360、1362、1380、1382；2360、2380)和/或臂(132、134)在它们的一个或多个端部(1320、1322、1340、1342；2362、2382)处变细。

13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，微致动器是微技术夹具，并且端子构件(20、22)各自包括指状物载体和安装在所述指状物载体上的指状物。

14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，致动器(30)是压电致动器，优选地是压电叠层(34)。

15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，装置相对于位于两个壁(120、122)之间、两个臂(132、134)之间以及两个端子构件(20，22)之间对称的平面是对称的。

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