RU2513030C2

RU2513030C2 - Reversivble rotation electrostatic micromotor

Info

Publication number: RU2513030C2
Application number: RU2012113770/07A
Authority: RU
Inventors: Валентин Федорович Устинов; Александр Сергеевич Степанов
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2014-04-20
Also published as: RU2012113770A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to the sphere of electrical engineering. Reversible rotation electrostatic micromotor consists of a power supply source, control system and an angular rate sensor; it has a rotor actuated by a microactuator system and each microactuator includes a moving element with two elastically attached moving electrodes of low bending stiffness, a silicone substrate with a conducting electrode and a dielectric film with high dielectric capacity applied in-series. There are the following alternatives. Microactuators are located at the lower plane of the rotor ring; at the upper plane of the rotor ring there are applied conducting layers which are connected by respective contacts to mobile electrodes. Microactuators are located at the lower plane of three rotor rings; at the upper plane of the rotor rings there are applied conducting layers which are connected by respective contactsto mobile electrodes. Microactuators are located at the lower and upper planes of the rotor ring while conducting layers are applied at the external and internal lateral sides of the ring. Microactuators are located at the lower and upper planes of two rotor rings while conducting layers are applied at the external and internal lateral sides of the rings.

EFFECT: improving accuracy and expanding functionality of microelectromechanical systems due to use of reversible rotation micromotor as an angular shift micro- and nanopositioner, reversible high energy-consuming rotation microdrive in step-by-step mode and quasi-steady-state mode.

4 cl, 8 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к микроэлектромеханическим системам (МЭМС), в частности к микромеханическим устройствам с подвижными, деформируемыми элементами. Может использоваться для построения микро- нанопозиционеров, микросистем передвижения и транспортировки различного назначения, осуществляющих перемещения в микро- и наноразмерной шкале масштабов, а также двигателей, обладающих микроразмерами, в роботехнике, в том числе микророботехнических системах медицинского назначения.The proposed device relates to microelectromechanical systems (MEMS), in particular to micromechanical devices with movable, deformable elements. It can be used to build micro-nanopositioners, microsystems of movement and transportation for various purposes, performing movements on a micro- and nanoscale scale, as well as motors with microdimensions, in robotics, including microrobotechnical medical systems.

Известен шаговый линейный электростатический двигатель (патент США №580383, Intern'l Class: H02K 41/00, опубл. 16.10.1997), состоящий из плоского статора, имеющего емкостную структуру, сформированную металлическим слоем и слоем диэлектрического материала, подвижным ротором, совершающего поступательное движение, посредством группой проводящих деформируемых лепестков, формирующих контакт со слоем диэлектрического материала статора путем наката. Подвижная часть двигателя параллельна и отделена от статора. Недостатком этого двигателя является наличие значительных потерь на трение направляющих о слой диэлектрического материала статора, а также износ этого материала.Known step linear electrostatic motor (US patent No. 580383, Intern'l Class: H02K 41/00, publ. 16.10.1997), consisting of a flat stator having a capacitive structure formed by a metal layer and a layer of dielectric material, a movable rotor, making translational movement, through a group of conductive deformable petals, forming contact with a layer of stator dielectric material by rolling. The moving part of the motor is parallel and separated from the stator. The disadvantage of this engine is the presence of significant friction losses of the guides on the stator dielectric material layer, as well as the wear of this material.

Известен электростатический микро-, нанодвигатель (патент РФ №2374746, МПК H02N 1/00, опубл. 27.11.2009), содержащий источник питания, по крайней мере две пластины, расположенные друг относительно друга с зазором и с возможностью изменения за счет электростатического воздействия их пространственной ориентации друг относительно друга. Недостатком такого микро-, нанодвигателя является малая точность и небольшое быстродействие при вращательном движении.Known electrostatic micro-, nanomotor (RF patent No. 2374746, IPC H02N 1/00, publ. 11/27/2009) containing a power source, at least two plates located relative to each other with a gap and with the possibility of change due to their electrostatic effect spatial orientation relative to each other. The disadvantage of such a micro-, nanomotor is its low accuracy and low speed during rotational motion.

Известен также электромеханизм (патент РФ №95323, МПК В81В 3/00, опубл. 27.06.2010), состоящий из корпуса полимерного материла, имеющего форму прямоугольного параллелепипеда, на дне которого закреплена металлическая подложка, на подложку нанесен слой диэлектрика с высоким значением относительной диэлектрической проницаемости, электрод выполнен изогнутым U-образным, наружная поверхность выполнена с возможностью соприкосновения со слоем диэлектрика. Прямоугольные в плане поверхности электроды выполнены с возможностью соприкосновения с внутренней верхней поверхностью корпуса и подключены к системе питания и управления, которая соединена с металлической подложкой. Недостатком этого электромеханизма является малая мощность, отсутствие возможности перемещения, вращения, что приводит к невозможности использования его в системах передвижения и транспортировки, осуществляемых в микроразмерной шкале измерений.The electromechanism is also known (RF patent No. 95323, IPC B81B 3/00, publ. 06/27/2010), consisting of a housing of a polymeric material having the shape of a rectangular parallelepiped, at the bottom of which a metal substrate is fixed, a dielectric layer with a high relative dielectric value is deposited on the substrate permeability, the electrode is made curved U-shaped, the outer surface is made with the possibility of contact with the dielectric layer. The electrodes, rectangular in plan of the surface, are made with the possibility of contact with the inner upper surface of the housing and are connected to a power and control system, which is connected to a metal substrate. The disadvantage of this electromechanism is its low power, the lack of the ability to move, rotate, which makes it impossible to use it in the systems of movement and transportation carried out in a micro-sized measurement scale.

Наиболее близким, принятым за прототип, является электростатический двигатель с деформируемым лепестком между ротором и диэлектрическим слоем на статоре (патент США №5898254, Intern'l Class: H02N 1/00, опубл. 16.10.1997), представляющий емкостную структуру, образованную металлическим слоем и слоем диэлектрического материала, подвижным ротором, совершающего поступательное движение, посредством проводящего деформируемого лепестка, формирующего контакт со слоем диэлектрического материала статора путем наката. Слой диэлектрического материала обладает нелинейностью поляризации от напряженности электрического поля, предварительно нанесенный слой диэлектрика имеет высокое значение относительной диэлектрической проницаемости. Недостатком этого устройства является существенное трение от направляющих ротора и сильный износ слоя диэлектрического материала статора посредством направляющих.The closest adopted for the prototype is an electrostatic motor with a deformable lobe between the rotor and the dielectric layer on the stator (US patent No. 5889254, Intern'l Class: H02N 1/00, publ. 16.10.1997), representing a capacitive structure formed by a metal layer and a layer of dielectric material, a movable rotor performing translational motion, by means of a conductive deformable lobe forming contact with the layer of dielectric material of the stator by rolling. The layer of dielectric material has a nonlinearity of polarization from the electric field, the previously deposited dielectric layer has a high relative permittivity. The disadvantage of this device is the significant friction from the guides of the rotor and the strong wear of the layer of dielectric material of the stator through the guides.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей быстродействующего высокоэнергоемкого реверсивного электростатического микродвигателя вращения за счет использования его в качестве углового шагового микро-, нанопозиционера, в одношаговом и квазиустановившемся вращательных режимах движения и уменьшение износа поверхности диэлектрической пленки, состоящей из диэлектрического материала высокой проницаемости.The objective of the invention is to expand the functionality of a high-speed, high-power, reversible electrostatic rotary micromotor of rotation by using it as an angular stepper micro-, nanopositioner, in one-step and quasi-steady-state rotational modes of motion and to reduce wear on the surface of a dielectric film consisting of a dielectric material of high permeability.

Технический эффект, используемый при решении технической задачи, заключается в изменении электрической емкости конденсаторов, образованными микроактюаторами с гибкими проводящими электродами и проводящим слоем статора, за счет деформации гибких электродов, возникающей в результате наката электродов на поверхность статора, тем самым приводя во вращение ротор микродвигателя, у которого отсутствуют направляющие, соприкасающиеся с поверхностью диэлектрика, тем самым, уменьшая износ материала диэлектрической пленки. Указанный технический эффект достигается тем, что в известном реверсивном электростатическом микродвигателе вращения, содержащем источник питания и систему управления, датчик угловой скорости, ротор, приводится в движение системой микроактюаторов, согласно изобретению, часть ротора выполнена в виде плоского кольца, каждый из микроактюаторов, расположенный на нижней плоскости кольца ротора, включает в себя подвижный элемент с упруго связанными двумя гибкими электродами малой изгибной жесткости, на верхнюю плоскость кольца ротора нанесены проводящие слои, которые соединены с соответствующими гибкими электродами контактами, а статор выполнен состоящим из кремниевой подложки, на которую последовательно нанесены проводящий слой и диэлектрическая пленка высокой диэлектрической проницаемости.The technical effect used to solve the technical problem is to change the electric capacitance of the capacitors formed by microactuators with flexible conductive electrodes and a conductive layer of the stator, due to the deformation of the flexible electrodes resulting from the rolling of electrodes on the stator surface, thereby causing the micromotor rotor to rotate, in which there are no guides in contact with the surface of the dielectric, thereby reducing the wear of the material of the dielectric film. The specified technical effect is achieved by the fact that in the known reversible electrostatic rotation micromotor containing a power source and a control system, an angular velocity sensor, the rotor is driven by a microactuator system, according to the invention, a part of the rotor is made in the form of a flat ring, each of the microactuators located on the lower plane of the rotor ring, includes a movable element with elastically coupled two flexible electrodes of low bending stiffness, on the upper plane of the rotor ring nan senna conductive layers that are connected to respective flexible contacts the electrodes, and the stator is composed of a silicon substrate on which successively deposited a conductive layer and a dielectric film of high dielectric constant.

По второму варианту реверсивный электростатический микродвигатель вращения, содержащий источник питания и систему управления, датчик угловой скорости, имеет ротор, приводимый в движение системой микроактюаторов, при этом часть ротора выполнена состоящей из трех плоских колец, на верхние плоскости колец ротора нанесены проводящие слои, от которых отводятся контакты к гибким электродам, а каждый из микроактюаторов расположен на нижних плоскостях трех колец ротора.According to the second embodiment, the reversible electrostatic rotation micromotor, containing a power source and a control system, an angular velocity sensor, has a rotor driven by a microactuator system, while part of the rotor is made up of three flat rings, conductive layers are deposited on the upper planes of the rotor rings, from which contacts are provided to flexible electrodes, and each of the microactuators is located on the lower planes of the three rotor rings.

По третьему варианту реверсивный электростатический микродвигатель вращения, содержащий источник питания и систему управления, датчик угловой скорости, имеет ротор, при этом часть ротора выполнена состоящей из плоского кольца, на внешнюю и внутреннюю боковые грани кольца ротора нанесены проводящие слои, от которых отводятся контакты к гибким электродам, ротор приводится в движение системой микроактюаторов, которые расположены на верхних и нижних плоскостях кольца ротора.According to the third variant, the reversible electrostatic rotation micromotor, which contains the power source and control system, the angular velocity sensor, has a rotor, while part of the rotor is made up of a flat ring, conductive layers are applied to the outer and inner side faces of the rotor ring, from which the contacts are withdrawn to flexible electrodes, the rotor is driven by a system of microactuators that are located on the upper and lower planes of the rotor ring.

По четвертому варианту реверсивный электростатический микродвигатель вращения, содержащий источник питания и систему управления, датчик угловой скорости, имеет ротор, при этом часть ротора выполнена состоящей из двух плоских колец, проводящие слои нанесены на внешние и внутренние боковые грани колец, от которых отводятся контакты к гибким электродам, ротор приводится в движение системой микроактюаторов, которые расположены на верхних и нижних плоскостях двух колец ротора.In the fourth embodiment, a reversible electrostatic rotation micromotor containing a power source and a control system, an angular velocity sensor, has a rotor, while part of the rotor is made up of two flat rings, the conductive layers are deposited on the outer and inner side faces of the rings, from which the contacts are assigned to flexible electrodes, the rotor is driven by a system of microactuators, which are located on the upper and lower planes of the two rings of the rotor.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.The invention is illustrated by the following description and the accompanying drawings.

На фиг.1 изображена конструкция первого варианта реверсивного электростатического микродвигателя вращения при вращении с положительной угловой скоростью.Figure 1 shows the construction of the first embodiment of a reversible electrostatic micromotor of rotation during rotation with a positive angular velocity.

На фиг.2 представлена составная часть микродвигателя - микроактюатор.Figure 2 presents the component of the micromotor - microactuator.

На фиг.3 изображен микроактюатор с противоположной стороны.Figure 3 shows the microactuator on the opposite side.

На фиг.4 показан реверсивный электростатический микродвигатель вращения в первом исполнении, когда гибкие электроды находятся в недеформируемом состоянии.Figure 4 shows a reversible electrostatic micromotor of rotation in the first embodiment, when the flexible electrodes are in an undeformable state.

На фиг.5 представлен реверсивный электростатический микродвигатель вращения в первом исполнении при вращении с отрицательной угловой скоростью.Figure 5 presents the reversible electrostatic micromotor of rotation in the first embodiment when rotating at a negative angular velocity.

На фиг.6 изображен второй вариант реверсивного электростатического микродвигателя вращения при движении с положительной угловой скоростью.Figure 6 shows a second embodiment of a reversible electrostatic micromotor of rotation when moving with positive angular velocity.

На фиг.7 показан реверсивный электростатический микродвигатель вращения в третьем исполнении при вращении с положительной угловой скоростью.7 shows a reversible electrostatic micromotor of rotation in the third embodiment when rotating at a positive angular velocity.

На фиг.8 приведена конструкция реверсивного электростатического микродвигателя вращения при движении с положительной угловой скоростью. On Fig shows the design of a reversible electrostatic micromotor of rotation when moving with positive angular velocity.

Реверсивный электростатический микродвигатель вращения (фиг.1), содержащий систему питания и систему управления (PSCS - power system and control system) 1, датчик угловой скорости 2, имеет ротор 3, приводимый в движение системой микроактюаторов 4. При этом каждый из микроактюаторов 4 расположен на нижней плоскости кольца ротора 3, и включает в себя подвижный элемент (часть ротора 3) (фиг.2) с упруго связанными двумя гибкими электродами (лепестками) 5а, 5б малой изгибной жесткости, кремниевую подложку - статор 6, на которую последовательно нанесены проводящий слой 7 и диэлектрическая пленка высокой диэлектрической проницаемости 8. На верхнюю плоскость кольца ротора нанесены проводящие слои 9а, 9б, которые соединены с соответствующими гибкими электродами 5а, 5б контактами 10а (показан на фиг.2), 10б (показан на фиг.3).Reversible electrostatic micromotor of rotation (figure 1), containing a power system and a control system (PSCS - power system and control system) 1, an angular velocity sensor 2, has a rotor 3, driven by a system of microactuators 4. Moreover, each of the microactuators 4 is located on the lower plane of the ring of the rotor 3, and includes a movable element (part of the rotor 3) (figure 2) with elastically connected two flexible electrodes (petals) 5a, 5b of low bending stiffness, the silicon substrate is a stator 6 on which a conductive layer 7 dielectric film of high dielectric constant of the rotor 8. On the upper plane of the ring applied conductive layers 9a, 9b, which are connected to respective flexible electrodes 5a, 5b contacts 10a (shown in Figure 2), 10b (shown in Figure 3).

Гибкие электроды 5а, 5б и проводящий слой 7 образуют конденсаторы переменной емкости. Гибкие электроды 5а, 5б, например, могут выполняться из бериллиевой бронзы, в качестве диэлектрической пленки высокой диэлектрической проницаемости можно использовать сегнетоэлектрик ниобат бария стронция, модифицированного лантаном.Flexible electrodes 5a, 5b and the conductive layer 7 form capacitors of variable capacitance. Flexible electrodes 5a, 5b, for example, can be made of beryllium bronze; ferroelectric strontium niobate modified with lanthanum can be used as a dielectric film of high dielectric constant.

Другие варианты исполнения микродвигателя представлены на фиг.6 - фиг.8.Other versions of the micromotor are shown in Fig.6 - Fig.8.

Во втором исполнении реверсивного электростатического микродвигателя (см. фиг.6) микроактюаторы 4 размещены на нижних плоскостях трех колец ротора, на верхние плоскости колец ротора нанесены проводящие слои 9а, 9б, от которых подводятся контакты к гибким электродам 5а, 5б. В третьем варианте реверсивного электростатического микродвигателя микроактюаторы 4 (см. фиг.7) расположены на нижней и верхней плоскостях кольца ротора, проводящие слои 9а, 9б нанесены на внешнюю и внутреннюю боковые грани кольца, от которых отводятся к гибким электродам 5а, 5б контакты 10а и 10б соответственно. В четвертом исполнении реверсивного электростатического микродвигателя (см. фиг.8) микроактюаторы 4 размещены на нижней и верхней плоскостях колец ротора соответственно, проводящие слои 9а, 9б нанесены на внешнюю и внутреннюю боковые грани каждого кольца, от которых отводятся к гибким электродам 5а, 5б контакты 10а, 10б соответственно.In the second embodiment of a reversible electrostatic micromotor (see Fig. 6), microactuators 4 are placed on the lower planes of the three rotor rings, conductive layers 9a, 9b are applied to the upper planes of the rotor rings, from which the contacts are applied to the flexible electrodes 5a, 5b. In the third embodiment of a reversible electrostatic micromotor, microactuators 4 (see Fig. 7) are located on the lower and upper planes of the rotor ring, the conductive layers 9a, 9b are deposited on the outer and inner side faces of the ring, from which the contacts 10a and 5b are fed to the flexible electrodes 5a, 5b 10b, respectively. In the fourth embodiment of a reversible electrostatic micromotor (see Fig. 8), microactuators 4 are placed on the lower and upper planes of the rotor rings, respectively, the conductive layers 9a, 9b are deposited on the outer and inner side faces of each ring, from which the contacts are assigned to flexible electrodes 5a, 5b 10a, 10b, respectively.

Рассмотрим функционирование реверсивного микродвигателя вращения в различных режимах.Consider the operation of a reversible micromotor of rotation in various modes.

Исходное положение представлено первым вариантом двигателя на фиг.4 в неподвижной системе координат x_3,y_3,z₃, в котором все гибкие электроды 5а и 5б находятся в недеформируемом состоянии.The initial position is represented by the first version of the engine in Fig. 4 in a fixed coordinate system x _3, y _3, z ₃ , in which all flexible electrodes 5a and 5b are in an undeformable state.

В микроактюаторе 4 (фиг.2) на проводящие слои 7 и 9а подается разность потенциалов, таким образом, по контакту 10а к гибкому электроду 5а подводится ток, в результате возникает электростатическое давление, действие которого приводит к деформации гибкого электрода 5а, который незакрепленным краем накатывается на поверхность диэлектрической пленки 8, и образует неподвижный контакт, а закрепленным концом приводит в движение ротор 3. Каждый микроактюатор 4 создает момент, тем самым приводя во вращение ротор микродвигателя с моментом M_z3 и с положительной угловой скоростью Ωz₃относительно неподвижной системы координат x₃, y₃, z₃, связанной со статором 6 (см. фиг.1, фиг.6 - фиг.8). При реверсивной работе микродвигателя, в каждом микроактюаторе 4 прикладывается разность потенциалов на проводящие слои 7 и 9б (фиг.3), тем самым подводится ток ко второму гибкому электроду 5б, в результате, приводится во вращение ротор с отрицательной угловой скоростью Ω_z3(фиг.5).In the microactuator 4 (FIG. 2), a potential difference is applied to the conductive layers 7 and 9a, thus, a current is applied to the flexible electrode 5a through the contact 10a, resulting in electrostatic pressure, which leads to deformation of the flexible electrode 5a, which rolls with an loose edge on the surface of the dielectric film 8, and forms a fixed contact, and with the fixed end drives the rotor 3. Each microactuator 4 creates a moment, thereby bringing the micromotor rotor into rotation with a moment M _z3 and integral angular velocity Ωz ₃ relative to the fixed coordinate system x ₃ , y ₃ , z ₃ associated with the stator 6 (see Fig. 1, Fig. 6 - Fig. 8). During the reverse operation of the micromotor, in each microactuator 4 a potential difference is applied to the conductive layers 7 and 9b (Fig. 3), thereby applying current to the second flexible electrode 5b, as a result, the rotor is rotated with a negative angular velocity Ω _z3 (Fig. 5).

Одношаговый режим работы микродвигателя представляет вращательное движение ротора с угловой скоростью Ωz₃ и моментом Mz₃ относительно неподвижной системы координат x_3,y₃, z₃ при единичном воздействии импульса напряжения на гибкие электроды 5а либо 5б микроактюаторов. Процесс разгона ротора осуществляется последовательной подачей импульсов напряжения на гибкие электроды 5а либо 5б микроактюаторов, необходимой продолжительностью и интервалами между ними. По мере движения ротор разгоняется и выходит на квазиустановившийся режим, при котором относительное изменение средней угловой скорости не превышает заданной величины. Разгон и квазиустановившийся режим могут выполняться с регулированием по максимальной скорости и без регулирования. Для выполнения с регулированием по максимальной угловой скорости используется датчик угловой скорости 2.The one-step mode of operation of the micromotor is the rotational movement of the rotor with an angular velocity of Ωz ₃ and a moment of Mz ₃ relative to the fixed coordinate system x _3, y ₃ , z ₃ under a single action of a voltage pulse on the flexible electrodes 5a or 5b of microactuators. The process of acceleration of the rotor is carried out by the sequential supply of voltage pulses to the flexible electrodes 5a or 5b of microactuators, the necessary duration and intervals between them. As it moves, the rotor accelerates and enters a quasi-steady state mode in which the relative change in the average angular velocity does not exceed a predetermined value. Acceleration and quasi-steady mode can be performed with regulation at maximum speed and without regulation. For execution with regulation of the maximum angular velocity, an angular velocity sensor 2 is used.

Режим работы микродвигателя в качестве углового шагового микро-, нанопозиционера представляет собой потактовое поочередное вращение ротора в двух поочередных направлениях при необходимой длительности импульсов и задержке между ними. Такой режим работы демонстрирует высокую прецизионность вращения ротора и воспроизводимость параметров углового шага. Величина шага зависит от массы нагрузки, от величины импульсов напряжения. The operation mode of the micromotor as an angular stepper micro-, nanopositioner is a tick-by-turn alternating rotation of the rotor in two alternate directions with the required pulse duration and delay between them. This mode of operation demonstrates the high precision of rotor rotation and the reproducibility of the parameters of the angular pitch. The magnitude of the step depends on the mass of the load, on the magnitude of the voltage pulses.

Claims

1. The reversible electrostatic micromotor of rotation, containing a power source and a control system, has a rotor driven by a system of microactuators, characterized in that the part of the rotor is made in the form of a flat ring, conductive layers are deposited on the upper plane of the rotor ring, from which the contacts are withdrawn to flexible electrodes, the stator is made up of a silicon substrate on which a conductive layer and a dielectric film of high dielectric constant are sequentially applied, each of Hur disposed on the lower plane of the rotor ring and includes a movable element elastically associated with two flexible electrodes of low bending stiffness.

2. A reversible electrostatic rotation micromotor containing a power source and a control system, an angular velocity sensor, has a rotor driven by a system of microactuators, characterized in that the part of the rotor is made up of three flat rings, and conductive layers are applied to the upper planes of the rotor rings, from which contacts are assigned to flexible electrodes, each of the microactuators is located on the lower planes of the three rotor rings.

3. Reversible electrostatic micromotor of rotation, containing a power source and a control system, an angular velocity sensor, has a rotor driven by a system of microactuators, characterized in that part of the rotor is made up of a flat ring, and conductive wires are applied to the outer and inner side faces of the rotor ring. layers from which contacts to flexible electrodes are relegated, each of the microactuators is located on the lower and upper planes of the rotor ring.

4. Reversible electrostatic micromotor of rotation, containing a power source and a control system, an angular velocity sensor, has a rotor driven by a system of microactuators, characterized in that the part of the rotor is made up of two flat rings, and on the outer and inner side faces of the rotor rings are applied conductive layers, from which contacts to flexible electrodes are relegated, each of the microactuators is located on the lower and upper planes of each rotor ring.