專利名稱：一種由多極化方式壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的多自由度微操作器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及ー種多自由度微操作器，尤其是涉及ー種由多極化方式壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的多自由度微操作器。
背景技術(shù)：
隨著微納米技術(shù)的迅速發(fā)展，“微/納米”尺度上的操作技術(shù)變得越來(lái)越重要。微操作器作為微操作系統(tǒng)中的核心部件，受到國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的細(xì)胞分割、移植、細(xì)胞轉(zhuǎn)基因、探刺與注射，微機(jī)電裝配領(lǐng)域內(nèi)微小零件的加工、定位，以及半導(dǎo)體加工等領(lǐng)域。因此對(duì)微操作器的研究具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。微操作器直接作用于微操作對(duì)象，完成微操作任務(wù)。因此要求微操作器既要具有高精度、高分辨率的微動(dòng)定位能力；還要具有多個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)能力；同時(shí)要體積小、質(zhì)量輕，適應(yīng)于某些特殊的狹小場(chǎng)合如顯微鏡下的有限作業(yè)空間。由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、分辨率聞、頻響聞、控制簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)微納米級(jí)的驅(qū)動(dòng)控制，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)技術(shù)已成為微操作器的主流驅(qū)動(dòng)技木。目前研究發(fā)現(xiàn)，壓電陶瓷材料的變形形式和變形量跟所加的電場(chǎng)大小、方向以及壓電陶瓷材料本身的極化方式有著密切的關(guān)系。根據(jù)壓電材料的極化方向與所加電場(chǎng)方向關(guān)系不同，常見的變形形式有三種基于壓電應(yīng)變常數(shù)d33的厚度伸縮變形，基于壓電應(yīng)變常數(shù)d31的長(zhǎng)度伸縮變形和基于壓電應(yīng)變常數(shù)d15的厚度剪切變形。利用這三種不同極化方式下的變形原理制成的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器就可以驅(qū)動(dòng)微操作器產(chǎn)生伸縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)微操作器高精度的多自由度運(yùn)動(dòng)。目前，基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的多自由度微操作臂有兩種常見的結(jié)構(gòu)形式一類是基于經(jīng)典的Stewart平臺(tái)或其變種的并聯(lián)六自由度微操作臂的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，這類微操作臂具有剛度高、慣性小、結(jié)構(gòu)緊湊、誤差積累小、固有頻率高等優(yōu)點(diǎn)，可分別實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)的平動(dòng)和繞X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸的擺動(dòng)，但由于其運(yùn)動(dòng)是由多條運(yùn)動(dòng)支鏈連接耦合的，因此其控制計(jì)算量大、難度高，另外這種結(jié)構(gòu)制造要求高，成本也相對(duì)較大。另ー類是將相似結(jié)構(gòu)的一維或ニ維的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組裝起來(lái)的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)盡量使每維運(yùn)動(dòng)間互不耦合，簡(jiǎn)化了模型建立和運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題，但是由于同一結(jié)構(gòu)中基本上是同一種類型的壓電驅(qū)動(dòng)器，平臺(tái)的互相疊加組裝使得實(shí)現(xiàn)微操作器的微小型化變得困難。并且在大多數(shù)的微操作臂中轉(zhuǎn)動(dòng)自由度都是通過(guò)擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，造成轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的控制比較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)精度也相對(duì)較低。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)目前的微操作器在實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)、高精度定位驅(qū)動(dòng)控制、微小型化等方面存在的一系列問(wèn)題，本實(shí)用新型的目的在于提供ー種由多極化方式壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的多自由度微操作器，利用不同極化方式的壓電驅(qū)動(dòng)器可產(chǎn)生不同的變形驅(qū)動(dòng)機(jī)理，并吸取現(xiàn)有微操作器的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，在不同極化方式壓電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)微操作器的多自由度、 高精度的運(yùn)動(dòng)控制，并實(shí)現(xiàn)微操作器的小型化，同時(shí)提高微操作器的運(yùn)動(dòng)控制精度和操作效率。[0006]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是本實(shí)用新型包括基座，兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)，嵌套的X、Y軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)，Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)；兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)稱垂直的固定在基座的兩側(cè)，嵌套的X、Y軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)的兩端分別與各自的Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)其下部法蘭與嵌套的X、Y軸微動(dòng)機(jī)構(gòu)中的X向運(yùn)動(dòng)臺(tái)相連，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)其安裝法蘭與Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)上部法蘭相連。所述的兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)均為矩形金屬塊，在矩形金屬塊上部的兩側(cè)對(duì)稱的開有三組矩形槽，其中下部矩形槽的上面兩個(gè)角開有兩個(gè)向上凸出的乳狀直通槽，上部矩形槽的上端開到矩形金屬塊的頂端，上部矩形槽下面兩個(gè)角開有兩個(gè)向下凸出的乳狀直通槽，中部矩形槽的四個(gè)角均開有對(duì)稱的向外凸出的乳狀直通槽，井分別與上、下兩個(gè)矩形槽的乳狀直通槽相對(duì)應(yīng)；形成8個(gè)Z向柔性鉸鏈、4個(gè)Z向柔性鉸鏈臂和Z向運(yùn)動(dòng) 臺(tái)，在矩形金屬塊的底部中心開有安裝壓電驅(qū)動(dòng)器矩形凹槽，基于壓電應(yīng)變常數(shù)d33的Z向壓電驅(qū)動(dòng)器安裝在底部凹槽中，并用底部預(yù)緊螺釘預(yù)紫。所述的嵌套的X、Y軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)為矩形的金屬塊，在金屬塊的上、下兩側(cè)的中部分別開有相向布置的対稱的敞框形直通槽，所述的兩個(gè)敞框形直通槽的兩短邊分別開有兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽，在矩形金屬塊水平方向上的ー側(cè)開有長(zhǎng)直通槽，長(zhǎng)直通槽上、下兩端分別開有兩組向外凸出的乳狀直通槽，分別與所述的兩個(gè)敞框形直通槽兩短邊的兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽相對(duì)應(yīng)，在矩形金屬塊水平方向的另外ー側(cè)對(duì)稱的開有兩個(gè)短直槽，兩個(gè)短直槽上分別開有兩個(gè)向外凸出的乳狀直通槽，分別與所述的兩敞框形直通槽兩短邊的兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽相對(duì)應(yīng)，形成8個(gè)Y向柔性鉸鏈、4個(gè)Y向柔性鉸鏈臂和Y向運(yùn)動(dòng)臺(tái)，所述的兩個(gè)短直槽的中間還開有用于安裝Y向壓電驅(qū)動(dòng)器的矩形通槽，基于壓電應(yīng)變常數(shù)d33的Y向壓電驅(qū)動(dòng)器安裝在此所述的矩形通槽中，并用裝在同側(cè)外部的預(yù)緊螺釘預(yù)緊；Y向運(yùn)動(dòng)臺(tái)的左、右兩側(cè)的中部分別開有相向布置的対稱的敞框形直通槽，兩個(gè)敞框形直通槽的兩短邊分別有兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽，在Y向運(yùn)動(dòng)臺(tái)豎直方向上的一側(cè)開有長(zhǎng)直通槽，長(zhǎng)直通槽的左右兩側(cè)分別開有兩組向外凸出的乳狀直通槽，分別與所述的兩敞框形直通槽兩短邊的兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽相對(duì)應(yīng)，在Y向運(yùn)動(dòng)臺(tái)豎直方向的另ー側(cè)対稱的開有兩個(gè)短直槽，兩個(gè)短直槽上分別開有兩個(gè)向外凸出的乳狀直通槽，分別與所述的兩敞框形直通槽兩短邊的兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽相對(duì)應(yīng)，形成8個(gè)X柔性鉸鏈、4個(gè)X向柔性鉸鏈臂和X向運(yùn)動(dòng)臺(tái)，所述的兩個(gè)短直槽的中間開有用于安裝X向壓電驅(qū)動(dòng)器的矩形通槽，基于壓電應(yīng)變常數(shù)d33的X向壓電驅(qū)動(dòng)器安裝在所述的矩形通槽中，并用裝在同側(cè)外部的預(yù)緊螺釘預(yù)紫。所述的Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)由上下兩個(gè)安裝法蘭、扭轉(zhuǎn)臂和壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器組成，扭轉(zhuǎn)臂為中空的圓管狀結(jié)構(gòu)，其外表面粘貼壓ー個(gè)以上的壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，扭轉(zhuǎn)臂的兩個(gè)端部設(shè)有上下安裝法蘭，壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器由偶數(shù)塊相同的基于壓電應(yīng)變常數(shù)d15的扇形壓電陶瓷塊粘接而成，各個(gè)壓電扇塊均采用軸向極化方式，在拼裝時(shí)相鄰的扇形壓電陶瓷塊極化方向相反，扇形壓電陶瓷塊內(nèi)側(cè)采用環(huán)氧樹脂與扭轉(zhuǎn)臂外表面相粘接，扇形壓電陶瓷塊之間采用導(dǎo)電環(huán)氧膠粘接，形成壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器。所述的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)為壓電雙晶片微夾持器或微注射探針，其中壓電雙晶片微夾持器由基于壓電應(yīng)變常數(shù)d31的雙晶片壓電懸臂梁和安裝法蘭組成，壓電懸臂梁的一端設(shè)有安裝法蘭；微注射探針由安裝法蘭和前端磨細(xì)的細(xì)長(zhǎng)的中空管組成，細(xì)長(zhǎng)中空管的末端設(shè)有安裝法蘭。本實(shí)用新型具有的有益效果是I.在不同的控制器和壓電驅(qū)動(dòng)電源作用下，可以實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三維平動(dòng)，繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，繞X軸擺動(dòng)五個(gè)自由度的高精度微動(dòng)；尤其是通過(guò)壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的扭轉(zhuǎn)變形驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了微操作器的高精度扭轉(zhuǎn)微動(dòng)。2.采用不同極化方式的壓電驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，充分利用了不同極化方式的壓電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)了微操作器的微小型化。3.通過(guò)兩個(gè)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的配合使用，可以完成夾持、搬運(yùn)、探刺以及注射等操作，可用于多種操作任務(wù)，適用范圍廣泛。4.實(shí)現(xiàn)了多個(gè)自由度的相互解耦驅(qū)動(dòng)控制，驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單，可操控性好，運(yùn)動(dòng)精 度高。本實(shí)用新型可以應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程中的細(xì)胞操作、基因轉(zhuǎn)移、染色體切割，物質(zhì)注射與提取以及微機(jī)電工程中的微機(jī)械精密加工、微裝配、微型機(jī)器人等領(lǐng)域。

圖I是本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是ー個(gè)Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)的剖視圖。圖4是另ー個(gè)Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)的剖視圖。圖5是嵌套的X、Y軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是壓電雙晶片微夾持器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是微注射探針的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9是ー種本實(shí)用新型微操作器在進(jìn)行細(xì)胞藥物注射時(shí)的工作圖。圖中1.基座，2. Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)，3. Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)，4.嵌套的X、Y軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)，5. Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)，6.壓電雙晶片微夾持器，7.微注射探針，8、10、11、15、
17、18、22、23、29.各部件之間聯(lián)接螺栓的安裝孔，9和16,25,30. Z、X、Y三向壓電驅(qū)動(dòng)器預(yù)緊螺栓安裝孔，13和20、31、32. Z、X、Y三向柔性鉸鏈和柔性鉸鏈臂，12和19、27、24. Z、X、Y三向運(yùn)動(dòng)臺(tái)，14和21、26、28. Z、X、Y三向的壓電驅(qū)動(dòng)器，33、36. Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)的上下安裝法蘭，34.壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，35.扭轉(zhuǎn)臂，37.細(xì)胞培養(yǎng)板，38.三維微位移平臺(tái)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)ー步的描述。如圖I所示，本實(shí)用新型包括基座1，兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)2和3，嵌套的X、Y軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)4，Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)5和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)2和3通過(guò)兩組孔8和10，15和17對(duì)稱垂直的固定在基座I的兩側(cè)，嵌套的X、Y軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)4的兩端通過(guò)兩組孔22和29分別與兩個(gè)Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)2和3相連，Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)5通過(guò)其下部法蘭33上的一組環(huán)狀均布孔與嵌套的X、Y軸微動(dòng)機(jī)構(gòu)4中的X向運(yùn)動(dòng)臺(tái)27相連，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)其安裝法蘭與Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)5上對(duì)應(yīng)的安裝孔36相連。如圖2、3、4所示，所述的兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)2和3均為矩形金屬塊，在矩形金屬塊上部的兩側(cè)對(duì)稱的開有三組矩形槽，其中下部矩形槽的上面兩個(gè)角開有兩個(gè)向上凸出的乳狀直通槽，上部矩形槽的上端開到矩形金屬塊的頂端，上部矩形槽下面兩個(gè)角開有兩個(gè)向下凸出的乳狀直通槽，中部矩形槽的四個(gè)角均開有對(duì)稱的向外凸出的乳狀直通槽，并分別與上、下兩個(gè)矩形槽的乳狀直通槽相對(duì)應(yīng)；形成8個(gè)Z向柔性鉸鏈、4個(gè)Z向柔性鉸鏈臂13和20及Z向運(yùn)動(dòng)臺(tái)12和19，螺孔8和10、15和17分別用于Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)2和3與基座I相連，另外兩組螺孔11和18分別用于Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)2和3與嵌套的X、Y軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)4相連，在矩形金屬塊的底部中心開有安裝壓電驅(qū)動(dòng)器矩形凹槽，基于壓電應(yīng)變常數(shù)d33的Z向壓電驅(qū)動(dòng)器14和21安裝在底部凹槽中，并分別用底部預(yù)緊螺孔9和16中的預(yù)緊螺釘進(jìn)行預(yù)緊。如圖5所示，所述的嵌套的X、Y軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)4為矩形的金屬塊，在金屬塊的 上、下兩側(cè)的中部分別開有相向布置的対稱的敞框形直通槽，所述的兩個(gè)敞框形直通槽的兩短邊分別開有兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽，在矩形金屬塊水平方向上的ー側(cè)開有長(zhǎng)直通槽，長(zhǎng)直通槽上、下兩端分別開有兩組向外凸出的乳狀直通槽，分別與所述的兩個(gè)敞框形直通槽兩短邊的兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽相對(duì)應(yīng)，在矩形金屬塊水平方向的另ー側(cè)対稱的開有兩個(gè)短直槽，兩個(gè)短直槽上分別開有兩個(gè)向外凸出的乳狀直通槽，分別與所述的兩敞框形直通槽兩短邊的兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽相對(duì)應(yīng)，形成8個(gè)Y向柔性鉸鏈、4個(gè)Y向柔性鉸鏈臂32和Y向運(yùn)動(dòng)臺(tái)24，所述的兩個(gè)短直槽的中間還開有用于安裝Y向壓電驅(qū)動(dòng)器28的矩形通槽，基于壓電應(yīng)變常數(shù)d33的Y向壓電驅(qū)動(dòng)器28安裝在此所述的矩形通槽中，并用裝在同側(cè)外部的預(yù)緊螺孔30中的預(yù)緊螺釘進(jìn)行預(yù)緊；Y向運(yùn)動(dòng)臺(tái)24的左、右兩側(cè)的中部分別開有相向布置的対稱的敞框形直通槽，兩個(gè)敞框形直通槽的兩短邊分別有兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽，在Y向運(yùn)動(dòng)臺(tái)豎直方向上的ー側(cè)開有長(zhǎng)直通槽，長(zhǎng)直通槽的左右兩側(cè)分別開有兩組向外凸出的乳狀直通槽，分別與所述的兩敞框形直通槽兩短邊的兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽相對(duì)應(yīng)，在Y向運(yùn)動(dòng)臺(tái)豎直方向的另ー側(cè)対稱的開有兩個(gè)短直槽，兩個(gè)短直槽上分別開有兩個(gè)向外凸出的乳狀直通槽，分別與所述的兩敞框形直通槽兩短邊的兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽相對(duì)應(yīng)，形成8個(gè)X柔性鉸鏈、4個(gè)X向柔性鉸鏈臂31和X向運(yùn)動(dòng)臺(tái)27，所述的兩個(gè)短直槽的中間開有用于安裝X向壓電驅(qū)動(dòng)器的矩形通槽，基于壓電應(yīng)變常數(shù)d33的X向壓電驅(qū)動(dòng)器26安裝在所述的矩形通槽中，并用裝在同側(cè)外部的預(yù)緊螺孔25中的預(yù)緊螺釘進(jìn)行預(yù)緊，嵌套的X、Y軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)4的兩組沉孔22和29用于和Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)2和3相連,另外一組環(huán)狀均布孔23用于和Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)5相連。嵌套的X、Y軸微動(dòng)機(jī)構(gòu)4中的X、Y向壓電驅(qū)動(dòng)器26和28以及Z向平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)2和3中的壓電驅(qū)動(dòng)器14和21都是基于壓電應(yīng)變常數(shù)d33的壓電疊堆，在驅(qū)動(dòng)電壓作用下，壓電驅(qū)動(dòng)器將產(chǎn)生伸縮變形，位移輸出通過(guò)擰緊各自的預(yù)緊螺栓緊靠在相應(yīng)的柔性鉸鏈臂上，通過(guò)柔性鉸鏈和柔性鉸鏈臂的導(dǎo)向和放大作用，驅(qū)動(dòng)微操作器實(shí)現(xiàn)高精度的X、Y、Z三維平動(dòng)運(yùn)動(dòng)。如圖6所示，Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)5包括下安裝法蘭33，ー組壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器34，扭轉(zhuǎn)臂35和上安裝法蘭36，其中扭轉(zhuǎn)臂35為中空的圓管狀結(jié)構(gòu)，其外表面粘貼壓ー個(gè)以上的壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器34，扭轉(zhuǎn)臂35的兩個(gè)端部設(shè)有上下安裝法蘭33和36，壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器34由偶數(shù)塊相同的基于壓電應(yīng)變常數(shù)d15的扇形壓電陶瓷塊粘接而成，各個(gè)壓電扇塊均采用軸向極化方式，在拼裝時(shí)相鄰的扇形壓電陶瓷塊極化方向相反，扇形壓電陶瓷塊內(nèi)側(cè)采用環(huán)氧樹脂與扭轉(zhuǎn)臂外表面相粘接，塊與塊之間采用導(dǎo)電環(huán)氧膠粘接，形成壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器34，壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器34的數(shù)目和粘貼位置根據(jù)實(shí)際扭轉(zhuǎn)角度需要可進(jìn)行調(diào)整，在驅(qū)動(dòng)電壓作用下，壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器34將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)微操作器實(shí)現(xiàn)高精度的繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖7和8所示，所述的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)為壓電雙晶片微夾持器6或微注射探針7，其中壓電雙晶片微夾持器6由基于壓電應(yīng)變常數(shù)d31的雙晶片壓電懸臂梁和安裝法蘭組成，壓電懸臂梁的一端設(shè)有安裝法蘭；微注射探針7由安裝法蘭和前端磨細(xì)的細(xì)長(zhǎng)的中空管組 成，細(xì)長(zhǎng)中空管的末端設(shè)有安裝法蘭。需要指出的是，壓電雙晶片微夾持器6和微注射探針7的安裝法蘭的安裝結(jié)構(gòu)尺寸完全相同，可以根據(jù)實(shí)際操作任務(wù)的不同，進(jìn)行更換使用。本實(shí)用新型的由多極化方式壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的多自由度微操作器，對(duì)X軸壓電驅(qū)動(dòng)器施加驅(qū)動(dòng)電壓，可實(shí)現(xiàn)微操作器X軸的高精度平動(dòng)運(yùn)動(dòng)；對(duì)Y軸壓電驅(qū)動(dòng)器施加驅(qū)動(dòng)電壓，可實(shí)現(xiàn)微操作器Y軸的高精度平動(dòng)運(yùn)動(dòng)；對(duì)兩個(gè)Z軸壓電驅(qū)動(dòng)器施加相同的驅(qū)動(dòng)電壓，可實(shí)現(xiàn)微操作器Z軸的高精度平動(dòng)運(yùn)動(dòng)；對(duì)扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器施加驅(qū)動(dòng)電壓，可以實(shí)現(xiàn)微操作器繞Z軸的高精度轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)；對(duì)兩個(gè)Z軸壓電驅(qū)動(dòng)器施加不同的驅(qū)動(dòng)電壓，可以實(shí)現(xiàn)微操作器繞X軸高精度的擺動(dòng)。在不同的控制器和壓電驅(qū)動(dòng)電源作用下，微操作器可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三維平動(dòng)，繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，繞X軸擺動(dòng)五個(gè)自由度的高精度微動(dòng)，通過(guò)使用壓電雙晶片微夾持器和微注射探針兩種不同的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以完成夾持、搬運(yùn)、探刺以及注射等操作。下面是ー個(gè)本實(shí)用新型的具體應(yīng)用實(shí)例在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，有時(shí)候需要對(duì)生物細(xì)胞進(jìn)行藥物注射，觀察生物細(xì)胞對(duì)不同注射藥物的各異反應(yīng)，并且常常要進(jìn)行多組試驗(yàn)，這種情況一般都是在ー個(gè)細(xì)胞培養(yǎng)板上進(jìn)行試驗(yàn)，一個(gè)細(xì)胞培養(yǎng)板上有多個(gè)細(xì)胞培養(yǎng)井，每個(gè)細(xì)胞培養(yǎng)井中的細(xì)胞液完全相同，以便進(jìn)行對(duì)照實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)多次的細(xì)胞藥物注射任務(wù)，采用我們發(fā)明的由多極化方式壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的高精度多自由度微操作器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這時(shí)候的末端執(zhí)行臂為微注射探針，并將微操作器安裝在一個(gè)三維微位移平臺(tái)上，安裝好的整個(gè)微操作器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示，具體的工作過(guò)程如下在初始狀態(tài)下，Z向壓電驅(qū)動(dòng)器14、21，X向壓電驅(qū)動(dòng)器26以及Y向壓電驅(qū)動(dòng)器28的輸出位移均為零，通過(guò)擰緊在預(yù)緊螺孔9、16、25、30中的預(yù)緊螺栓，可以調(diào)節(jié)Z、X、Y三軸方向上的壓電驅(qū)動(dòng)器的初始驅(qū)動(dòng)力。首先通過(guò)操控三維微位移平臺(tái)移動(dòng)微操作器，使要進(jìn)行藥物注射的細(xì)胞培養(yǎng)井位于微操作器的高精度移動(dòng)范圍之內(nèi)，然后對(duì)微操作器的Z向壓電驅(qū)動(dòng)器14、21施加相同的驅(qū)動(dòng)電壓，分別對(duì)X向壓電驅(qū)動(dòng)器26、Y向壓電驅(qū)動(dòng)器28施加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓，壓電驅(qū)動(dòng)器的伸縮變形通過(guò)柔性鉸鏈和柔性鉸鏈臂進(jìn)行傳遞放大，從而驅(qū)動(dòng)微操作器實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三向高精度的平動(dòng)微動(dòng)，使末端微注射探針達(dá)到注射位置，在進(jìn)行藥物注射的時(shí)候，由于細(xì)胞的細(xì)胞壁較難刺入，可以對(duì)微操作器的壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器34施加一定的驅(qū)動(dòng)電壓，壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，帶動(dòng)扭轉(zhuǎn)臂35驅(qū)動(dòng)末端微注射探針7產(chǎn)生繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而便于順利的刺入細(xì)胞內(nèi)，有時(shí)為了調(diào)整細(xì)胞刺入的角度和位置，對(duì)Z向壓電驅(qū)動(dòng)器14、21施加不同的驅(qū)動(dòng)電壓，由于兩個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器的變形量不一致，從而驅(qū)動(dòng)末端微注射探針7產(chǎn)生繞X軸的擺動(dòng)，達(dá)到了改變刺入角度和位置的目的，完成了一個(gè)細(xì)胞培養(yǎng)井的細(xì)胞藥物注射。再次操控三維微位移平臺(tái)移動(dòng)微操作 器到下一個(gè)細(xì)胞培養(yǎng)井的位置，重復(fù)以上操作，直至完成藥物注射實(shí)驗(yàn)。
權(quán)利要求1.ー種由多極化方式壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的多自由度微操作器，其特征在于包括基座(I)，兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)(2、3)，嵌套的X、Y軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)(4)，Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)；兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)(2、3)對(duì)稱垂直的固定在基座(I)的兩側(cè)，嵌套的X、Y軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)(4)的兩端分別與各自的Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)(2、3)相連，Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)通過(guò)其下部法蘭(33)與嵌套的X、Y軸微動(dòng)機(jī)構(gòu)(4)中的X向運(yùn)動(dòng)臺(tái)(27)相連，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)其安裝法蘭與Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)的上部法蘭(36)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種由多極化方式壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的多自由度微操作器，其特征在于所述的兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)(2、3)均為矩形金屬塊，在矩形金屬塊上部的兩側(cè)對(duì)稱的開有三組矩形槽，其中下部矩形槽的上面兩個(gè)角開有兩個(gè)向上凸出的乳狀直通槽，上部矩形槽的上端開到矩形金屬塊的頂端，上部矩形槽下面兩個(gè)角開有兩個(gè)向下凸出的乳狀直通槽，中部矩形槽的四個(gè)角均開有對(duì)稱的向外凸出的乳狀直通槽，井分別與上、下兩個(gè)矩形槽的乳狀直通槽相對(duì)應(yīng)；形成8個(gè)Z向柔性鉸鏈、4個(gè)Z向柔性鉸鏈臂和Z向運(yùn)動(dòng)臺(tái)，在矩形金屬塊的底部中心開有安裝壓電驅(qū)動(dòng)器的矩形凹槽，基于壓電應(yīng)變常數(shù)d33的Z向壓電驅(qū)動(dòng)器安裝在底部凹槽中，并用底部預(yù)緊螺釘預(yù)紫。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種由多極化方式壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的多自由度微操作器，其特征在干所述的嵌套的X、Y軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)(4)為矩形金屬塊，在金屬塊的上、下兩側(cè)的中部分別開有相向布置的対稱的敞框形直通槽，所述的兩個(gè)敞框形直通槽的兩短邊分別開有兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽，在矩形金屬塊水平方向上的ー側(cè)開有長(zhǎng)直通槽，長(zhǎng)直通槽上、下兩端分別開有兩組向外凸出的乳狀直通槽，分別與所述的兩個(gè)敞框形直通槽兩短邊的兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽相對(duì)應(yīng)，在矩形金屬塊水平方向的另ー側(cè)対稱的開有兩個(gè)短直槽，兩個(gè)短直槽上分別開有兩個(gè)向外凸出的乳狀直通槽，分別與所述的兩敞框形直通槽兩短邊的兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽相對(duì)應(yīng)，形成8個(gè)Y向柔性鉸鏈、4個(gè)Y向柔性鉸鏈臂和Y向運(yùn)動(dòng)臺(tái)(24)，所述的兩個(gè)短直槽的中間還開有用于安裝Y向壓電驅(qū)動(dòng)器的矩形通槽，基于壓電應(yīng)變常數(shù)d33的Y向壓電驅(qū)動(dòng)器(28)安裝在此所述的矩形通槽中，并用裝在同側(cè)外部的預(yù)緊螺釘預(yù)緊；Y向運(yùn)動(dòng)臺(tái)的左、右兩側(cè)的中部分別開有相向布置的対稱的敞框形直通槽，兩個(gè)敞框形直通槽的兩短邊分別有兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽，在Y向運(yùn)動(dòng)臺(tái)豎直方向上的ー側(cè)開有長(zhǎng)直通槽，長(zhǎng)直通槽的左右兩側(cè)分別開有兩組向外的乳狀直通槽，分別與所述的兩敞框形直通槽兩短邊的兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽相對(duì)應(yīng)，在Y向運(yùn)動(dòng)臺(tái)豎直方向的另ー側(cè)対稱的開有兩個(gè)短直槽，兩個(gè)短直槽上分別開有兩個(gè)向外凸出的乳狀直通槽，分別與所述的兩敞框形直通槽兩短邊的兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽相對(duì)應(yīng)，形成8個(gè)X柔性鉸鏈、4個(gè)X向柔性鉸鏈臂和X向運(yùn)動(dòng)臺(tái)，所述的兩個(gè)短直槽的中間開有用于安裝X向壓電驅(qū)動(dòng)器的矩形通槽，基于壓電應(yīng)變常數(shù)d33的X向壓電驅(qū)動(dòng)器(26)安裝在所述的矩形通槽中，并用裝在同側(cè)外部的預(yù)緊螺釘預(yù)紫。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種由多極化方式壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的多自由度微操作器，其特征在于所述的Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)由上下兩個(gè)安裝法蘭(33，36)、扭轉(zhuǎn)臂(35)和壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器(34)組成，扭轉(zhuǎn)臂(35)為中空的圓管狀結(jié)構(gòu)，其外表面粘貼壓ー個(gè)以上的壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，扭轉(zhuǎn)臂的兩個(gè)端部設(shè)有上下安裝法蘭(33，36)，壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器(34)由偶數(shù)塊相同的基于壓電應(yīng)變常數(shù)d15的扇形壓電陶瓷塊粘接而成，各個(gè)壓電扇塊均采用軸向極化方式，在拼裝時(shí)相鄰的扇形壓電陶瓷塊極化方向相反，扇形壓電陶瓷塊內(nèi)側(cè)采用環(huán)氧樹脂與扭轉(zhuǎn)臂(35)外表面相粘接，扇形壓電陶瓷塊之間采用導(dǎo)電環(huán)氧膠粘接，形成壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器(34)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種由多極化方式壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的多自由度微操作器，其特征在于所述的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)為壓電雙晶片微夾持器(6)或微注射探針(7)，其中壓電雙晶片微夾持器(6)由基于壓電應(yīng)變常數(shù)d31的雙晶片壓電懸臂梁和安裝法蘭組成，壓電懸臂梁的一端設(shè)有安裝法蘭；微注射探針(7)由安裝法蘭和前端磨細(xì)的細(xì)長(zhǎng)的中空管組成，細(xì)長(zhǎng)中空管的末端設(shè)有安裝法蘭。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種由多極化方式壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的多自由度微操作器。包括基座，嵌套的X、Y軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)，Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)，Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。三維平動(dòng)通過(guò)壓電應(yīng)變常數(shù)d33的壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)柔性鉸鏈實(shí)現(xiàn)，Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)由壓電應(yīng)變常數(shù)d15的壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)臂實(shí)現(xiàn)，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)為由基于壓電應(yīng)變常數(shù)d31的壓電雙晶片懸臂梁組成的微夾持器或微注射探針。在不同極化方式的壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)三維平動(dòng)，繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，繞X軸擺動(dòng)的高精度微動(dòng)，通過(guò)不同的末端執(zhí)行臂，完成夾持、搬運(yùn)、探刺以及注射等操作。具有自由度解耦、結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活、控制方便、運(yùn)動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn)，本實(shí)用新型可用于生物醫(yī)學(xué)及微機(jī)電工程等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H02N2/02GK202406060SQ20112050135
公開日2012年8月29日 申請(qǐng)日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者婁軍強(qiáng), 楊宇峰, 陳德坤, 魏燕定 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)