專利名稱:基于凸輪機構(gòu)的可調(diào)輸出位移的直線微馬達的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及MEMS領(lǐng)域馬達,特別是一種基于凸輪機構(gòu)的可調(diào)輸出位移的直線微馬達,該裝置利用右側(cè)和上側(cè)V型電熱致動器陣列的交替工作,實現(xiàn)齒條滑槽的往復(fù)直線運動;利用凸輪的輪廓曲線,實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制叉子型推桿的輸出位移大小。
背景技術(shù):
隨著MEMS技術(shù)的快速發(fā)展以及MEMS應(yīng)用領(lǐng)域的擴展,對具有實用性的MEMS馬達的研究和需求日益增多。在宏觀機械運動中,往復(fù)直線運動和旋轉(zhuǎn)運動之間的轉(zhuǎn)換較為常見,通過凸輪、曲柄連桿、齒輪等就能實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。在MEMS領(lǐng)域,往復(fù)直線運動與旋動運動的轉(zhuǎn)換較宏觀相比,比較難實現(xiàn)。這是因為雖然傳動功能的基本原理一樣,但是MEMS尺寸微小,其表面力占主導(dǎo)地位,器件之間容易粘附在一起,運動部件之間出現(xiàn)黏著磨損,加工工藝的限制。1988年,美國加州大學伯克利分校的研究人員采用表面工藝制作了直徑為120
的靜電型微馬達,直接利用靜電力驅(qū)動轉(zhuǎn)子,雖然可小型化,與MEMS工藝兼容,但輸出力矩小,轉(zhuǎn)速高,無法直接應(yīng)用。2001年,Jae-Sung提出利用V型電熱硅微致動器單元在硅芯片上制作了熱致動微馬達機構(gòu)的思路,但是只實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)運動而沒有輸出功能,不具有頭用性。本發(fā)明結(jié)合電熱致動器具有輸出位移和力大、操作電壓小、與IC兼容、運動可控等有利特點,利用左側(cè)和上側(cè)V型電熱致動器陣列的交替工作,實現(xiàn)齒條滑槽的往復(fù)直線運動;利用凸輪的輪廓曲線,實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制叉子型推桿的輸出位移大小。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于凸輪機構(gòu)的可調(diào)輸出位移的直線微馬達,該裝置利用電熱驅(qū)動及棘齒輪傳動,實現(xiàn)齒條滑槽的往復(fù)運動;通過凸輪的輪廓曲線實現(xiàn)可調(diào)節(jié)輸出位移的功能。該設(shè)計具有與集成電路制造工藝相兼容、輸出位移大、實用性強,易于調(diào)節(jié)控制輸出位移、可測試靜態(tài)特性等優(yōu)點。為達到上述目的,本發(fā)明的構(gòu)思是右側(cè)和上側(cè)電熱致動器陣列的交替工作,推動棘齒輪傳動,棘齒輪推動齒條滑槽往復(fù)運動,實現(xiàn)該往復(fù)直線微馬達的往復(fù)直線運動;叉子型推桿沿凸輪的輪廓曲線運動,通過凸輪的輪廓曲線不同實現(xiàn)可調(diào)節(jié)輸出位移的功能;弓字形彈簧用于測試叉子型推桿的輸出力;標尺用于測試叉子型推桿的輸出位移。因此該設(shè)計的優(yōu)點是與集成電路制造工藝相兼容、輸出位移大、實用性強,易于調(diào)節(jié)控制輸出位移、可測試靜態(tài)特性。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思,本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種基于凸輪機構(gòu)的可調(diào)輸出位移的直線微馬達,包括驅(qū)動裝置、傳動裝置和輸出裝置,其特征在于所述各裝置均由MEMS表面工藝制成;所述驅(qū)動裝置為右側(cè)和上側(cè)兩個電熱驅(qū)動裝置,所述傳動裝置為右側(cè)推齒和上側(cè)推齒受控嚙合一個棘齒輪構(gòu)成;所述傳動裝置由棘齒輪經(jīng)一個齒條滑槽和凸輪頂推一叉子型推桿構(gòu)成;所述兩個電熱驅(qū)動裝置驅(qū)動兩個推齒而驅(qū)動棘齒輪作順時針和逆時針往復(fù)轉(zhuǎn)動,棘齒輪經(jīng)齒條滑槽和凸輪推動叉子型推桿作左右往復(fù)直線運動。所述右側(cè)電熱驅(qū)動裝置是上下兩個由六個V型電熱硅微致動器并列而成的電熱致動器陣列和一個由三個V型電熱硅微致動器并列而成的電熱致動器陣列聯(lián)接所述右側(cè)推齒,所述上下兩個電熱致動器陣列和右側(cè)嚙合控制器的兩端分別連接三個正電極和三個負電極;所述上側(cè)電熱驅(qū)動裝置是一個由六個V型電熱硅微致動器并列而成的左側(cè)電熱致動器陣列和一個由三個V型電熱硅微致動器并列而成的上側(cè)電熱致動器陣列聯(lián)接所述上側(cè)推齒,所述左側(cè)電熱驅(qū)動器陣列兩極分別連接正電極和負電極,所述上側(cè)嚙合控制器的兩端分別連接正電極和負電極。所述傳動裝置中,右側(cè)推齒、上側(cè)推齒和棘齒輪都與基面脫離可游動,棘齒輪與一個固定軸轉(zhuǎn)動配合,右側(cè)推齒和上側(cè)推齒初始位置靠近棘齒輪并可受控與棘齒輪嚙合。所述輸出裝置中,所述齒條滑槽相對基體可浮動,有一個固定的導(dǎo)塊與齒條滑槽滑配,齒條滑槽的一側(cè)為齒條與棘齒輪嚙合,另一側(cè)固定所述凸輪成一體,所述叉子型推桿 為浮動件,其右端叉頭頂靠著凸輪,而左端的三個支頭支承于三個固定弓形彈簧的一端上,三個弓形彈簧的另一端分別連接三個電極。所述叉子型推桿左端旁有一固定的標尺;所述標尺和弓形彈簧用于測試叉子型推桿的輸出位移和輸出力。所述驅(qū)動裝置是電熱V型梁致動器,或者是其它適宜產(chǎn)生直線運動的電熱致動器;驅(qū)動裝置是單個致動器,或者是多個數(shù)量陣列的致動器。所述傳動裝置可以是單個棘齒輪傳動,也可以是多級齒輪傳動;所述凸輪尺寸的大小可以根據(jù)所需調(diào)節(jié)位移的大小而改變。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較,具有如下顯而易見的突出實際性特點和顯著技術(shù)進
I K
少
(I)采用電熱致動方式,與集成電路制造工藝相兼容。(2)凸輪的輪廓曲線設(shè)計,可以調(diào)節(jié)控制叉子型推桿的輸出位移,具有可調(diào)性。(3)彈簧和標尺,可以測試靜態(tài)特性。(4)實用性強,易于控制、輸出效率高。
圖I是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的傳動裝置示意圖。圖3是本發(fā)明的輸出裝置示意圖。圖4是傳動裝置的橫截面圖。
具體實施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實施例結(jié)合附圖詳述如下
實施例一
參見圖一,本基于凸輪機構(gòu)的可調(diào)輸出位移的直線微馬達,包括驅(qū)動裝置、傳動裝置和輸出裝置,其特征在于所述各裝置均由MEMS表面工藝制成;所述驅(qū)動裝置為右側(cè)和上側(cè)兩個電熱驅(qū)動裝置,所述傳動裝置為右側(cè)推齒(3)和上側(cè)推齒(8)受控嚙合一個棘齒輪
(11)構(gòu)成;所述傳動裝置由棘齒輪(11)經(jīng)一個齒條滑槽(14)和凸輪(15)頂推一叉子型推桿(16)構(gòu)成;所述兩個電熱驅(qū)動裝置驅(qū)動兩個推齒(3、8)而驅(qū)動棘齒輪(11)作順時針和逆時針往復(fù)轉(zhuǎn)動,棘齒輪(11)經(jīng)齒條滑槽(14)和凸輪(15)推動叉子型推桿(16)作左右往復(fù)直線運動。實施例二
本實施例與實施例一基本相同,特別之 處如下
所述右側(cè)電熱驅(qū)動裝置是上下兩個由六個V型電熱硅微致動器并列而成的電熱致動器陣列(I)和一個由三個V型電熱硅微致動器并列而成的電熱致動器陣列(2)聯(lián)接所述右側(cè)推齒(3),所述上下兩個電熱致動器陣列(I)和右側(cè)嚙合控制器(2)的兩端分別連接三個正電極(4a、4c、5a)和三個負電極(4b、4d、5b);所述上側(cè)電熱驅(qū)動裝置是一個由六個V型電熱娃微致動器并列而成的左側(cè)電熱致動器陣列(6)和一個由三個V型電熱娃微致動器并列而成的上側(cè)電熱致動器陣列(7)聯(lián)接所述上側(cè)推齒(8),所述左側(cè)電熱驅(qū)動器陣列(6)兩極分別連接正電極(9a)和負電極(9b),所述上側(cè)嚙合控制器(7)的兩端分別連接正電極(IOa)和負電極(IOb) ο所述傳動裝置中,右側(cè)推齒(3)、上側(cè)推齒(8)和棘齒輪(11)都與基面脫離可游動,棘齒輪(11)與一個固定軸(12)轉(zhuǎn)動配合,右側(cè)推齒(3)和上側(cè)推齒(8)初始位置靠近棘齒輪(11)并可受控與棘齒輪(11)嚙合。所述輸出裝置中,所述齒條滑槽(14)相對基體可浮動,有一個固定的導(dǎo)塊(13)與齒條滑槽(14)滑配,齒條滑槽(14)的一側(cè)為齒條與棘齒輪(11)嚙合,另一側(cè)固定所述凸輪(15)成一體,所述叉子型推桿(16)為浮動件,其右端叉頭頂靠著凸輪(15),而左端的三個支頭支承于三個固定弓形彈簧(17a、20、17b)的一端上,三個弓形彈簧的另一端分別連接三個電極(18a、9b、18b)。所述叉子型推桿(16)左端旁有一固定的標尺(19);所述標尺(19)和弓形彈簧
(20)用于測試叉子型推桿(16)的輸出位移和輸出力。所述驅(qū)動裝置是電熱V型梁致動器,或者是其它適宜產(chǎn)生直線運動的電熱致動器;驅(qū)動裝置是單個致動器,或者是多個數(shù)量陣列的致動器。所述傳動裝置可以是單個棘齒輪傳動,也可以是多級齒輪傳動;所述凸輪(15)尺寸的大小可以根據(jù)所需調(diào)節(jié)位移的大小而改變。實施例三
參看圖I、圖2和圖3,一種基于凸輪機構(gòu)的可調(diào)輸出位移的直線微馬達,包括左側(cè)和上側(cè)兩個驅(qū)動裝置,一個傳動裝置和一個輸出裝置。所述左側(cè)驅(qū)動裝置主要包括兩個由六個V型電熱硅微致動器串聯(lián)而成的電熱致動器陣列(I)、一個嚙合控制器(2),一個推齒(3),三個正電極(4a,4c,5a)和三個負電極(4b,4d,5b)。所述上側(cè)驅(qū)動裝置主要包括一個由六個V型電熱娃微致動器串聯(lián)而成的電熱致動器陣列(6)、一個哨合控制器(7),一個推齒(8),兩個正電極(9a, IOa)和兩個負電極(9b, IOb)。所述傳動裝置主要包括一個棘齒輪(11),一個棘齒輪軸(12),一個導(dǎo)塊(13),一個齒條滑槽(14)和兩個用于調(diào)節(jié)控制輸出位移大小的凸輪(15)。所述輸出裝置包括叉子型推桿(16),平衡彈簧(17 a,17b),兩個錨點(18a,18b),一個標尺(19)和一個弓形彈簧(20)。
如附圖2所示的棘齒輪(11)主要包括三個區(qū)域,即區(qū)域(),區(qū)域(Π)和區(qū)域(IH)0區(qū)域()為三角形的棘齒,推齒(3)只能推動棘齒輪(11)逆時針運動;區(qū)域(π)為方向與區(qū)域()三角形棘齒相反的棘齒,推齒(8)只能推動棘齒輪(11)順時針運動;區(qū)域(m)為齒輪區(qū)域,用于傳遞推動齒條滑槽(14)的運動。因此所述棘齒輪(11)只能實現(xiàn)90°的運動,不能實現(xiàn)整周運動。對左側(cè)的哨合控制器⑵的正負電極(5a,5b)同時施加合適的電壓,左側(cè)哨合控制器(2)受熱膨脹在頂端產(chǎn)生位移或力,推動推齒(3)向棘齒輪方向運動,從而使得推齒
(3)與棘齒輪(11)嚙合。對左側(cè)電熱致動器陣列(I)的正負電極(4a,4b,4c,4d)同時施加合適的電壓,電熱致動器陣列(I)受熱膨脹在頂端產(chǎn)生位移或力,推動推齒(3)向上運動。推齒(3)向上運動從而推動棘齒輪(11)繞棘齒輪軸(12逆時針轉(zhuǎn)動,棘齒輪(11)推動齒條滑槽(14)向下運動,導(dǎo)塊(13)縱向約束齒條滑槽(14)。齒條滑槽(14)上帶有兩個凸輪(15),用于調(diào)節(jié)叉子型推桿(16)的輸出位移的大?。黄胶鈴椈?17 a, 17b)用于平衡叉子型推桿(16),并利用彈簧的彈性作用將叉子型推桿(16)推回至初始位置;兩個錨點(18a,18b)固定并懸掛叉子型推桿(16)和平衡彈簧(17 a, 17b);標尺(19)用于測量叉子型推桿 (16)的輸出位移;弓形彈簧(20)用于測量叉子型推桿(16)的輸出力。通過上述步驟,實現(xiàn)齒條滑槽的向下直線運動。釋放所有正負電極(4a,4b,4c,4d,5a,5b)的電壓。左側(cè)驅(qū)動裝置因放電回到初始位移。對上側(cè)的嚙合控制器(7)的正負電極(10a,IOb)同時施加合適的電壓,上側(cè)嚙合控制器(7)受熱膨脹在頂端產(chǎn)生位移或力,推動推齒(8)向棘齒輪方向運動,從而使得推齒(8)與棘齒輪(11) B齒合。對上側(cè)電熱致動器陣列(6)的正負電極(9a,9b)同時施加合適的電壓,電熱致動器陣列(6)受熱膨脹在頂端產(chǎn)生位移或力,推動推齒(8)向左運動。推齒
(8)向左運動從而推動棘齒輪(11)繞棘齒輪軸(12順時針轉(zhuǎn)動,棘齒輪(11)推動齒條滑槽
(14)向上運動,導(dǎo)塊(13)縱向約束齒條滑槽(14)。齒條滑槽(14)上帶有兩個凸輪(15),用于調(diào)節(jié)叉子型推桿(16)的輸出位移的大小;平衡彈簧(17 a, 17b)用于平衡叉子型推桿
(16),并利用彈簧的彈性作用將叉子型推桿(16)推回至初始位置;兩個錨點(18a,18b)固定并懸掛叉子型推桿(16)和平衡彈簧(17 a, 17b);標尺(19)用于測量叉子型推桿(16)的輸出位移;弓形彈簧(20)用于測量叉子型推桿(16)的輸出力。通過上述步驟,實現(xiàn)齒條滑槽的向上直線運動。附圖4中,傳動裝置的橫截面圖。本發(fā)明采用MEMS表面工藝制作,無需裝配,一個棘齒輪(11),一個齒條滑槽(14)和兩個凸輪(15)為結(jié)構(gòu)層Polyl,浮動在PolyO上,為可動件;一個棘齒輪軸(12)和一個導(dǎo)塊(13)為結(jié)構(gòu)層Poly2,固定在PolyO上,為固定件,并且Z方向約束結(jié)構(gòu)層Polyl層上構(gòu)件。基本原理
電熱硅微致動器是一種典型的固體熱膨脹微致動器,其特點是以在基底材料上制作出的娃微機械機構(gòu)作為驅(qū)動兀件,而娃結(jié)構(gòu)層具有一定的電阻值,所以結(jié)構(gòu)層本身又可兼作加熱器,當通過控制輸入電壓或功率時,由于結(jié)構(gòu)受熱膨脹而產(chǎn)生致動效應(yīng),從而輸出位移或力。
權(quán)利要求
1.一種基于凸輪機構(gòu)的可調(diào)輸出位移的直線微馬達,包括驅(qū)動裝置、傳動裝置和輸出裝置,其特征在于所述各裝置均由MEMS表面工藝制成;所述驅(qū)動裝置為右側(cè)和上側(cè)兩個電熱驅(qū)動裝置,所述傳動裝置為右側(cè)推齒(3)和上側(cè)推齒(8)受控嚙合一個棘齒輪(11)構(gòu)成;所述傳動裝置由棘齒輪(11)經(jīng)一個齒條滑槽(14)和凸輪(15)頂推一叉子型推桿(16)構(gòu)成;所述兩個電熱驅(qū)動裝置驅(qū)動兩個推齒(3、8)而驅(qū)動棘齒輪(11)作順時針和逆時針往復(fù)轉(zhuǎn)動,棘齒輪(11)經(jīng)齒條滑槽(14)和凸輪(15)推動叉子型推桿(16)作左右往復(fù)直線運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于凸輪機構(gòu)的可調(diào)輸出位移的直線微馬達,其特征在于所述右側(cè)電熱驅(qū)動裝置是上下兩個由六個V型電熱硅微致動器并列而成的電熱致動器陣列(I)和一個由三個V型電熱硅微致動器并列而成的電熱致動器陣列(2)聯(lián)接所述右側(cè)推齒(3),所述上下兩個電熱致動器陣列(I)和右側(cè)嚙合控制器(2)的兩端分別連接三個正電極(4a、4c、5a)和三個負電極(4b、4d、5b);所述上側(cè)電熱驅(qū)動裝置是一個由六個V型電熱硅微致動器并列而成的左側(cè)電熱致動器陣列(6)和一個由三個V型電熱硅微致動器并列而成的上側(cè)電熱致動器陣列(7)聯(lián)接所述上側(cè)推齒(8),所述左側(cè)電熱驅(qū)動器陣列(6)兩極分別連接正電極(9a)和負電極(9b),所述上側(cè)嚙合控制器(7)的兩端分別連接正電極(IOa)和負電極(IOb) ο
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于凸輪機構(gòu)的可調(diào)輸出位移的直線微馬達,其特征在于所述傳動裝置中,右側(cè)推齒(3)、上側(cè)推齒(8)和棘齒輪(11)都與基面脫離可游動,棘齒輪(11)與一個固定軸(12)轉(zhuǎn)動配合,右側(cè)推齒(3)和上側(cè)推齒(8)初始位置靠近棘齒輪(11)并可受控與棘齒輪(11)嚙合。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于凸輪機構(gòu)的可調(diào)輸出位移的直線微馬達,其特征在于所述輸出裝置中,所述齒條滑槽(14)相對基體可浮動,有一個固定的導(dǎo)塊(13)與齒條滑槽(14)滑配,齒條滑槽(14)的一側(cè)為齒條與棘齒輪(11)嚙合,另一側(cè)固定所述凸輪(15)成一體,所述叉子型推桿(16)為浮動件,其右端叉頭頂靠著凸輪(15),而左端的三個支頭支承于三個固定弓形彈簧(17a、20、17b)的一端上,三個弓形彈簧的另一端分別連接三個電極(18a、9b、18b)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于凸輪機構(gòu)的可調(diào)輸出位移的直線微馬達,其特征在于所述叉子型推桿(16)左端旁有一固定的標尺(19);所述標尺(19)和弓形彈簧(20)用于測試叉子型推桿(16)的輸出位移和輸出力。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于凸輪機構(gòu)的可調(diào)輸出位移的直線微馬達,其特征是所述驅(qū)動裝置是電熱V型梁致動器,或者是其它適宜產(chǎn)生直線運動的電熱致動器;驅(qū)動裝置是單個致動器,或者是多個數(shù)量陣列的致動器。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于凸輪機構(gòu)的可調(diào)輸出位移的直線微馬達,其特征是所述傳動裝置可以是單個棘齒輪傳動,也可以是多級齒輪傳動;所述凸輪(15)尺寸的大小可以根據(jù)所需調(diào)節(jié)位移的大小而改變。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于凸輪機構(gòu)的可調(diào)輸出位移的直線微馬達,包括驅(qū)動裝置、傳動裝置和輸出裝置,所述各裝置均由MEMS表面工藝制成;所述驅(qū)動裝置為右側(cè)和上側(cè)兩個電熱驅(qū)動裝置,所述傳動裝置為右側(cè)推齒和上側(cè)推齒受控嚙合一個棘齒輪構(gòu)成;所述傳動裝置由棘齒輪經(jīng)一個齒條滑槽和凸輪頂推一叉子型推桿構(gòu)成;所述兩個電熱驅(qū)動裝置驅(qū)動兩個推齒而驅(qū)動棘齒輪作順時針和逆時針往復(fù)轉(zhuǎn)動,棘齒輪經(jīng)齒條滑槽和凸輪推動叉子型推桿作左右往復(fù)直線運動。本發(fā)明具有與集成電路制造工藝相兼容、輸出位移大、實用性強,易于調(diào)節(jié)控制輸出位移、可測試靜態(tài)特性等優(yōu)點。
文檔編號H02K7/116GK102882307SQ201210325630
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月6日
發(fā)明者沈雪瑾, 周玲, 王振祿, 陳曉陽, 胡懿 申請人:上海大學