CN101183838A - 微机电系统微型马达和装备该微型马达的时计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微机电系统微型马达和装备该微型马达的时计。本发明建议了产生在由晶体或非晶体材料，特别是基于硅的材料制成的板中的MEMS微型马达，该板包括形成基片的下部层、和至少一个促动器和一个转子蚀刻到其中的上部层，促动器驱动转子绕轴(64)旋转，其特征在于，轴(64)连接到板(30)，该轴(64)为阶梯的，且轴向延伸通过板(30)的孔(74)，且轴(64)通过弹性固定结构(96)在孔(74)中夹紧和定心，该弹性固定结构通过蚀刻在基片(32)中产生，且布置在孔(74)的周边上。

Description

微机电系统微型马达和装备该微型马达的时计
技术领域
本发明涉及MEMS(微机电系统)类微型马达和装备该微型马达的时计。
本发明更特定地涉及形成在由晶体或非晶体材料，特别是基于硅的材料制成的板中的MEMS微型马达，板包括形成基片的下部层、和至少一个促动器和一个转子蚀刻到其中的上部层，促动器驱动转子绕圆柱形轴旋转。
背景技术
棘轮驱动的静电MEMS微型马达的转子必须被精确地引导旋转，以便使得棘轮可能正确地工作。标准的方式为形成整合的固定轮轴，与转子和其穿孔同时产生。这样的例子在文档WO 2004/081695中描述。
带有整合的轮轴的转子的穿孔轴线径向间隙不能小于通过术语称为DRIE(深反应离子蚀刻)的深等离子蚀刻技术可获得的最小切割，对于80微米的厚度通常为5微米。另一方面，硅对硅的侧向摩擦增加(μ＝0.4)。
发明内容
本发明的目的是以简单和经济的方式来解决这些问题。
为此目的，本发明建议了以上所提及的类型的微型马达，其特征在于轴连接到板，该轴为阶梯的，且轴向延伸通过板的孔，且轴通过弹性固定结构在孔中夹紧和定心，该弹性固定结构通过蚀刻在基片中产生，且布置在孔的周边上。
根据本发明的其他特征：
-转子通过轴的外部轴向壁引导旋转；
-轴的外部轴向壁提供有涂层，其最小化与硅的摩擦；
-轴为仿形车削(profile-turn)的金属轮轴；
-板为绝缘体上硅的类型；
-转子提供有棘轮齿，且促动器通过与棘轮合作的棘爪驱动转子；
-微型马达包括小齿轮，其与转子共轴线且通过接收在提供在转子的厚度内的槽内的销旋转地连接到转子，且小齿轮通过轴引导旋转；
-除了弹性固定结构，补充固定装置提供为将轴固定在板内，特别是粘合剂或者焊接部。
本发明也建议了包括由根据前述特征的一个产生的微型马达驱动旋转的齿轮系的时计。
附图说明
当参考附图阅读如下的详细描述时，本发明的其他特征和优点将变得更清晰，附图通过非限制性例子给出，且各图为：
图1是示意性地表示了根据本发明的教示产生的时计的截面视图；
图2是部分地表示了图1的时计的芯的透视图，芯装配有包括MEMS微型马达的驱动模块；
图3是示意性地表示了图2的驱动模块的俯视图；
图4是表示了图2的驱动模块和围绕此驱动模块的外壳的分解透视图；
图5是根据平面5-5的轴截面放大视图，图中示意性地表示了驱动模块的部分且图示了小齿轮和微型马达的转子的绕轴的旋转组件；
图6是根据平面X′X的轴截面示意性视图，图中图示了由转子通过销驱动小齿轮；
图7是图示了由转子通过销驱动小齿轮的示意俯视图；
图8是根据平面X′X的轴截面示意性视图，图中图示了轴相对于转子的组件的变体；
图9是示意性地表示了弹性固定结构的仰视图，该弹性固定结构提供在板内用于根据图8的组件将轴夹紧和定心；
图10是示意性地表示了硅晶片的俯视图，且图中图示了晶片上的多个微型马达的构造的例子。
具体实施方式
在图1中示意性地表示了时计10，时计10包括装配有根据本发明的教示的驱动模块13的手表，驱动模块13在此布置在外壳12内。
时计10包括由水晶16封闭的手表外壳14、面盘18和在此包括指针20的模拟显示装置。提供了指针20以由根据本发明的驱动模块13通过包括例如减速装置的齿轮系22驱动旋转。驱动模块13由电池24供电。外壳12、驱动模块13、齿轮系22和电池24在此安装在板26上且一起形成了时计10的芯27，此芯27固定在手表外壳14内部。当然，芯27包括其他元件(未表示出)，特别是包括集成电路的电子模块、包括石英的时基、印刷电路板等。
在图2中表示了时计10的芯27的部分，特别是板26，外壳12和齿轮系22安装在板26上。
驱动模块13意图于与时计轮啮合，该时计轮在此在术语上称为齿轮系22的输入轮28。
根据本发明的驱动模块13的多种元件在图3至图7中更详细地表示。
驱动模块13包括由晶体或非晶体材料制成的板30，例如板30由硅制成，板30包括形成了基片32的下部层和其中蚀刻了MEMS(微机电系统)类微型马达36的上部层34。微型马达36在此由两个促动器38、40形成，它们旋转转子42，转子42蚀刻在上部层34内。
每个促动器38、40包括在平行于板30的平面的方向A1、A2上可移动的触针44、46。每个触针44、46在其自由端提供有棘爪48、50，棘爪48、50被提供以与提供在转子42的外部外周边缘上的棘轮齿52合作以顺序驱动转子42旋转。
优选地，每个触针44、46在将相关的促动器38、40切割为两个总体上对称的部分的方向A1、A2上延伸。优选地，第一促动器38包括推进棘爪48且第二促动器40包括牵拉棘爪50。
每个促动器38、40是带有交叉指型梳的静电类促动器，且通过蚀刻产生在硅板30内。板30在此是绝缘体上硅(SOI)类的板且包括硅基片的厚的下部层32、氧化硅的中间层54和由硅制成的其厚度小于基片32的厚度的上部层34。
每个促动器38、40的固定部分包括提供为电连接到电子模块的供电盘56、58，且每个促动器38、40的可移动部分包括接触盘57、59，其将这些可移动部分置于预先确定的电势，在此处于零伏。
在硅板内形成的包括静电促动器的微型马达例如在文档WO2004/081695中描述和表示，在此通过参考将该文档合并。在此文档中，马达通过蚀刻产生在硅层内。马达包括带齿的驱动轮和促动指部，其与轮的齿协作以旋转轮。每个促动指部与可移动梳一起站立，可移动梳相对于固定梳作为施加到固定梳的电压的函数而位移。
使用SOI板的实施例参考在以上所提及的文档中的图7A至图7D描述。
根据有利的实施例，每个促动器38、40与被动棘爪49、51相关，被动棘爪49、51的棘轮接合区位于啮合区70和相关的棘爪的棘轮接合区之间。这些被动棘爪49、51被维持弹性地与转子42啮合以保证精确的角向定位，特别是在驱动阶段期间，当其他棘爪48、50位移时。
根据在图3至图7中表示的实施例，转子42由整合或插入的中心滑动轴承60引导，其与棘爪48、50同时产生且具有在4至10微米之间的直径间隙，近似的下极限对应于80微米的硅层厚度。棘爪48、50如果在切向路线中起作用则将运行良好，该切向路线显著地大于此间隙，即典型地在20至100微米之间。这对应于通过偏转弹簧(未示出)以触针44、46引导的可能的路线范围。
转子42的转矩通过类似于曲柄的系统传递到小齿轮62。位于转子42的正上方的小齿轮62与转子42共轴线且被中心轴64引导。小齿轮62提供有接合在转子42的槽68内的销66。运行间隙cl_group、cl_rot、cl_pi提供在转子42和小齿轮62的多种元件之间，如在图7中所表示。因此转子42和小齿轮62角向联接但侧向独立：在xy平面内的间隙被用于转子42的轴承60和用于小齿轮62的轴64吸收。因此因为载荷的侧向反作用力不被轴承60在转子42的水平上吸收，而是通过小齿轮62的引导被轴64吸收。因此，保护了微型马达36的微制造的元件在例如冲击的情况中不受由时计元件施加的较大的力。
提供了小齿轮62以与齿轮系22的输入轮28在位于板30的外部外周边缘72附近的啮合区70内啮合。
根据有利的特征，转子42提供在板30上以最小化转子42的齿52和对应于啮合区70的板30的外部外周边缘72之间的距离D。此外，小齿轮62的外径略微大于转子42的外径以在啮合区70内相对于板30突出。
为简化图7的示图，转子42表示为仅包括四个槽68且小齿轮62仅包括四个销66。根据有利的实施例，例如在图3和图4中特别地图示的实施例，提供了八个槽68和八个销66。
根据优选实施例，每个棘爪48、50与转子42的棘轮接合区的角向位置在角向上相对于啮合区70偏置。每个棘爪48、50的棘轮接合区与轴线X′X形成了β角度。α代表了在给定时刻在通过在接合中邻靠其槽68的边缘的销66的半径和轴线X′X(图7)之间的角度。
然后对于小齿轮62、转子42和销66的圆的给定半径明智地选择所有参数(α、β、j_rot、j_pi、j_group)，将有助于从转子42到小齿轮62的机械能传递的效率。因此，对于本发明具有β＝45度的特定的情况，如果很好地调整间隙，则对于带有四个销的系统的效率接近85％，这改进了相对于其中转子42和小齿轮62相互粘合的情况的效率。实际上，在后者的情况中，所有载荷在轴承60的水平处且垂直在转子42的外周和基片32之间因为枢转转矩将具有侧向硅对硅摩擦的形式。然而，硅对硅摩擦是有些不利的，其干静态系数接近0.4。
此传递解决方法使得可以再次改变小齿轮62的直径以根据载荷使转矩和转速适合。此外，如果小齿轮62足够大且突出超过板30的外周边缘72，则通过切口的啮合被简化，且驱动模块13可以以模块化方式组装在时计10的板26上，即不必拆卸/再组装从动轮28。
根据多种变体：
-转子42微制造到位，且微制造在与促动器38、40相同的基片32上，以保证匹配到轴承60且匹配到棘爪；
-另一个变体包括在同一个晶片上或在另一个晶片上分开地制造转子42，此转子42然后组装在板30或定子上。这允许在其中转子被轴承60引导的情况中，如果希望，则降低径向间隙；
-由转子42和/或小齿轮62形成了一族变体，转子42和/或小齿轮62由与DRIE加工不同的方法(激光切割、EDM、LIGA、微注塑等)微制造，然后在板30上组装到定子；
-由销66形成了另一族变体，销66通过第二光刻水平形成在小齿轮62和/或转子42内。
根据本发明的驱动模块13通过允许使用多种直径的小齿轮62而不修改模块13的剩余部分而允许了增加的模块性，以用于适用于载荷。因此，对于组件也获得了增加的模块性，因为用于连接到时计齿轮系22的机械接口由于存在整合到驱动模块13内且可旋转地连接到微型马达36的小齿轮62而已经存在。
小齿轮62可以以例如黄铜的金属产生，使得销连接的销66也以金属产生。小齿轮62也可以通过以塑料材料模制而与销66成单件产生。也可以构想具有模制上的金属销66的以塑料材料的小齿轮62的产生。
根据特别地在图4和图5中表示的实施例，小齿轮62的旋转轴线通过由仿形车削(profile-turned)金属制成的阶梯轴64形成，该阶梯轴64通过产生在基片32内的第一孔74插入在板30内，且阶梯轴64被推进到产生在外壳12的板106内的第二孔76内。在此实施例中，施加在轴64上的径向力被板106吸收。
轴64包括下端部分78，下端部分78与下部中间部分80限定了第一肩表面82，肩表面82向顶部定向且轴向邻靠板30的下面。下部中间部分80的直径大体上等于第一孔74的直径，且下部中间部分80延伸到孔74内。轴包括上部中间部分84，上部中间部分84的直径略微小于下部中间邻近部分80的直径且上部中间部分84延伸到小齿轮62的穿孔86内，以引导小齿轮旋转。上部中间部分84与上端部分88限定了第二肩表面90，固定环92被维持为轴向邻靠第二肩表面90，所述的固定环被推在上端部分88上。
当转子42的旋转引导由轴承60产生时，轴承60以光刻蚀刻过程以与第一孔74相同的方式产生，这确定了轴64相对于轴承60的定心，获得了轴64、小齿轮62、轴承60和转子42的非常好的定心。
进一步地，小齿轮62的下面包括与轴承60相对的凸部94，凸部94防止小齿轮62轴向邻靠转子42，特别是在枢转的情况中，这避免了对转子42的损伤。
在图8和图9中表示了另一个有利的实施例，其中轴64以压配合的方式通过围绕第一孔74提供在基片32内的弹性固定结构96安装在板30内。在此实施例中，施加在轴64上的径向力被基片32吸收且因此被弹性固定结构96吸收。
弹性固定结构96在此由通过光刻形成在板30的后面内的柔性片98形成。对于包括棘爪48、50和转子42的上部层34，前面的光刻同样地非常精确地相对于后面的光刻对齐和定心(误差小于1微米)，且与轴与板30以单件产生相比，结果是更精确地引导和定心，因为径向间隙可以同样地降低到1微米。
由于此精确的对齐和此定心，可以免除轴承60，使得转子42直接地由轴64引导旋转。因此，轴64可以同时引导转子42和小齿轮62旋转。因为轴64通过仿形车削产生，这使得可以获得非常有限的制造公差，所以获得了非常精确的组件，这保证了促动器38、40的特别地可靠的运行。转子42然后由轴64的外部轴向壁引导。
轴64可以最后通过补充的固定装置固定在板30内，例如通过以在图8中表示的焊缝99焊接到基片32或甚至通过粘合。
靠着轴64的摩擦的问题可以通过在轴64的外部轴向壁上沉积固体薄层解决，这使得可以降低零件之间的摩擦。
弹性固定结构96可以特别地从在文档CH 695 395中描述和表示的例子中选择，或从其他保证了轴64在板30上的精确的定心和夹紧的结构中选择，例如通过带有自由端的柔性舌形成的结构。
有利地，特别地考虑图3，促动器38、40一起描绘了近似九十度的角度，此角的平分线通过啮合区70且通过转子42的旋转轴线Z′Z，使得驱动模块13具有一般的“V”形形状，该“V”形形状由板30的外轮廓限定，此轮廓被优化。
板30包括承载了转子42的中心部分100和两个侧向部分102、104。板30的外轮廓总体上对应于一起正交且形成了两个侧向部分102、104的两个矩形与形成了中心部分100的横向矩形的交叉，横向矩形描绘了相对于两个其他矩形的每个的四十五度的角。每个侧向部分102、104的表面的主要部分被促动器38、40占据，而中心部分100的表面的主要部分被转子42占据。啮合区70提供为靠近中心部分100的外周边缘72的一个。
优选地，区域56、57、58、59布置在中心部分100上，在与啮合区70相对于转子42的轴线Z′Z的相对侧上。
可见驱动模块13的“V”形形状具有允许优化微型马达36相对于所使用的板30的表面的效率的优点和优化所使用的晶体或非晶体材料的表面以产生微型马达36和驱动模块13的优点。因此，当板30从硅晶片101产生时，如在图10中示意性地示出，“V”形形状允许在晶片表面上交错复制板30，以最大化从给定的硅表面获得的微型马达36的个数。特别地，根据在图10中表示的例子，板30可以成平行的列以人字形方式布置在晶片上，邻近的两个列Cn、Cn+1在相对的方向上定向。此外，两个邻近的列Cn、Cn+1的两个邻近的板30具有其对齐的侧向邻近部分102。
优选地，由两个促动器38、40所描绘的角度在九十度至一百四十度之间。角度越大，则在晶片100上板30的交错越被优化，但大的角度要求促动器38、40的触针44、46相对于其各自的对称轴线A1、A2位移，这影响了促动器38、40的机械效率。
根据在图中表示的实施例，包含了驱动模块13的外壳12包括下板106，下板106被提供以固定在时计10的元件上，在此固定在芯的板12上，且驱动模块13的板30安装在下板106上。外壳12包括保护盖108，保护盖108覆盖了固定在下板106上的驱动模块13，在此通过螺钉109固定，且其将驱动模块13保持为靠着下板106。
下板106的上面在此包括空心或壳体110，驱动模块13的板30以大体上互补的方式接收在其内。
盖108在其外部外围边缘的一个内包括打开凹口112，且当盖108组装在下板106上后，小齿轮62容纳在此凹口112内。
有利地，印刷电路114插入在下板106和盖108之间，以允许微型马达36通过其盘56、57、58、59电连接到时计10的电子模块。
根据实施例变体(未表示)，驱动模块13可以直接安装在板26上，这使得可以免除外壳12，特别地最小化了部件的个数，以便于芯27的组装和最小化驱动装置的空间要求。保护元件可以提供在驱动模块13上以保护其部件。

Claims (9)

1.产生在由晶体或非晶体材料，特别是基于硅的材料制成的板(30)中的MEMS微型马达(36)，该板包括形成基片(32)的下部层、和至少一个促动器(38，40)和一个转子(42)蚀刻到其中的上部层(34)，促动器(38，40)驱动转子(42)绕圆柱形轴(64)旋转，其特征在于，轴(64)连接到板(30)，该轴(64)为阶梯的，且轴向延伸通过板(30)的孔(74)，且轴(64)通过弹性固定结构(96)在孔(74)中夹紧和定心，该弹性固定结构通过蚀刻在基片(32)中产生，且布置在孔(74)的周边上。
2.根据权利要求1所述的微型马达(36)，其特征在于：转子(42)通过轴(64)的外部轴向壁引导旋转。
3.根据权利要求1所述的微型马达(36)，其特征在于：轴(64)的外部轴向壁提供有涂层，其最小化与硅的摩擦。
4.根据权利要求1所述的微型马达(36)，其特征在于：轴(64)为仿形车削的金属轮轴。
5.根据权利要求1所述的微型马达(36)，其特征在于：板(30)为绝缘体上硅的类型。
6.根据权利要求1所述的微型马达(36)，其特征在于：转子(42)提供有棘轮齿，且促动器(38，40)通过与棘轮合作的棘爪(48，50)驱动转子(42)。
7.根据权利要求1所述的微型马达(36)，其特征在于：微型马达包括小齿轮(62)，其与转子(42)共轴线且通过接收在提供在转子(42)的厚度内的槽(68)内的销(66)旋转地连接到转子(42)，且小齿轮(62)通过轴(64)引导旋转。
8.根据权利要求1所述的微型马达(36)，其特征在于：除了弹性固定结构(96)，补充固定装置提供为将轴(64)固定在板(30)内，特别是粘合剂或者焊接部。
9.时计(10)，其包括由根据权利要求1所述的微型马达(36)驱动旋转的齿轮系(22)。
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