CN102769371B - 基于电热驱动的步进微转动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电热驱动的步进微转动装置，用于将电热致动器产生的往复直线运动转换为齿轮的旋转运动。所述装置由主动致动器、啮合控制致动器、齿条、齿轮构成，整个装置采用多晶硅材料，用MEMS表面硅工艺制作，无需装配。该装置将致动器的往复直线运动转变为齿轮的旋转运动，结构简单，输出效率高，可与齿条组合应用在微夹钳、微操作台、微马达等MEMS器件中。

Description

基于电热驱动的步进微转动装置

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域中的微执行器类，特别涉及一种基于电热驱动的步进微转动装置，用于将电热致动器产生的往复直线运动转换为齿轮的旋转运动。

背景技术

致动器是MEMS的执行部件，承担着能量转化、运动传递等重要作用，按能量来源分为电能、化学能、流体能和热能致动方式。电能致动器利用电荷作用力、磁场力等产生致动，响应速度快、功耗低，但输出位移小、所需电压高，如压电式、电磁式和静电式。静电致动器由于功耗低，工作频率高，具有高的可设计性和可靠性，在RF-MEMS开关、MEMS光学开关、微位移工作台和一些通信器件方面得到了广泛应用，但工作电压高，输出力小，难与IC电压兼容。压电致动器利用压电材料的压电效应致动，响应速度快、能量密度高、位移输出稳定、无吸合效应、驱动电压小，但制作工艺复杂、输出位移小。电磁致动器基于电磁作用产生驱动力，具有易与机构连接、可在恶劣环境下工作等优点，但发热量大、能耗高、工艺复杂、不易制造。电热致动器利用温度变化产生形变致动，输出位移和力大、操作电压小、与IC兼容，是现阶段MEMS可行的主要致动方式，如膨胀伸长式和形状记忆合金式。可利用加热固体产生热膨胀致动，如双金属效应执行器产生垂直运动，冷热臂、长短臂、曲臂执行器产生水平运动；也可利用加热空气、液体等介质产生体积变化致动，如喷墨打印机喷头。由于热致动器较低的驱动电压和较大的输出力以及与IC工艺的良好兼容性，热致动器比传统的静电致动器有更大的优势，但也有响应速度慢（通常为100-300μs）、能量损耗大、需持续供电等缺点。

电热致动器结构简单、驱动力较大，输入交变电压后产生往复直线运动，但产生的位移较小，为实现特定的机械运动，需通过传动系统将致动器产生的微小位移转换放大，以实现大位移传动或转动。若通过合适的运动转换装置将其产生的往复直线运动转换成连续旋转运动，即可达到转速合适、驱动力大的实际应用要求。MEMS领域，一般通过齿轮齿条机构、棘轮机构或摩擦驱动方法将往复直线运动转换为旋转运动。Jae-Sung Park等在Bent-Beam Electrothermal Actuators-Part II: Linear and Rotary Microengines (Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 10, NO. 2, June 2001) 文中介绍了一种通过推拉式结构将电热致动器产生的往复直线运动转变成齿轮的转动，该结构只有在致动器位移较大时才能实现推拉运动，如文中所述致动器输出位移要求为34                                               ，而一般电热致动器的输出位移很难直接到达此值，故此转换结构不适合于微小位移致动器的运动转换。David G. Smith等在Piezoresistive encoders for ratcheting actuation systems (Sensors and Actuators A, Vol.165, No. 2, 2011) 文中介绍了用棘轮机构将直线运动转化成旋转运动，由于棘轮结构的间歇运动特性，转化后的旋转运动不连续，是间歇旋转运动。

为克服上述两类结构自身的缺点，本发明利用两组热致动器交替驱动齿条，将致动器的往复直线运动转化成齿轮的连续转动，该装置对致动器的输出位移适应范围宽，结构新颖独特，与MEMS工艺兼容，传动效率高。

发明内容

本发明的目的在于克服传统运动转化方法的缺陷，提供一种适应范围广、对致动器输出位移无特殊要求、输出效率高、控制简单、能实现连续转动的基于电热驱动的步进微转动装置。

为达到上述目的，本发明的构思是：

本发明的任务在于建立一种与MEMS表面工艺兼容、无需装配、能将电热致动器产生的往复直线运动转换成齿轮连续转动的多晶硅微机械装置。采用电热致动，结构简单、驱动力大。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于电热驱动的步进微转动装置，包括驱动部分和转换传动部分，其特征在于：

所述驱动部分包括左侧和右侧水平排列的各上下两个主致动器以及左侧和右侧各一个啮合控制致动器，所述左右两侧共四个主致动器分别由6个V型电热硅微致动器串联构成，端部分别连接两个负电极和四个正电极；所述左右两侧共两个啮合控制致动器分别由3个V型电热硅微致动器串联构成，端部分别连接两个负电极和两个正电极；

所述转换传动部分包括左侧和右侧各一个齿条和一个转动套装在一根固定齿轮轴上的齿轮，所述左右两侧上下两个主致动器的中部以及左右两侧的啮合控制致动器的中部分别连接左右两侧的齿条，两个齿条与齿轮之间的位置能实现两个齿条与齿轮受控啮合与分离。

2．根据权利要求1所述的基于电热驱动的步进微转动装置，其特征在于：

    所述驱动部分和转换传动部分制备在硅基板的氮化层上，该氮化层上有固定结构层Poly0，在Poly0上有固定的结构层Poly2构成齿轮轴（5），Poly0上有活动结构层Poly1构成齿轮（4），两个齿条（6、3）和啮合控制致动器（2b、2a）。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：

本发明通过齿轮、齿条和电热动器的运动配合实现了齿轮连续转动，结构简单，易于控制，输出效率高，整个装置无需装配。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中主致动器1c和1d改变方向后的结构示意图。

图3是图1的A-A横截面图。

具体实施方式

本发明的优选实例结合附图详述如下：

实施例一：

参见图1和图2，本基电热驱动的步进微转动装置，包括驱动部分和转换传动部分，其特征在于：

1） 所述驱动部分包括左侧和右侧水平排列的各上下两个主致动器（1a、1b和1d、1c）以及左侧和右侧各一个啮合控制致动器（2b、2a），所述左右两侧共四个主致动器（1a、1b和1d、1c）分别由6个V型电热硅微致动器串联构成，端部分别连接两个负电极（9a、9b）和四个正电极（10a、10b和10c、10d）；所述左右两侧共两个啮合控制致动器（2b、2a）分别由3个V型电热硅微致动器串联构成，端部分别连接两个负电极（7b、7a）和两个正电极（8b、8a）；

2）所述转换传动部分包括左侧和右侧各一个齿条（6、3）和一个转动套装在一根固定齿轮轴（5）上的齿轮（4），所述左右两侧上下两个主致动器（1a、1b和1d、1c）的中部以及左右两侧的啮合控制致动器（2b、2a）的中部分别连接左右两侧的齿条（6、3），两个齿条（6、3）与齿轮（4）之间的位置能实现两个齿条（6、3）与齿轮（4）受控啮合与分离。

实施例二：

参见图3，本实施例与实施例一级别相同，特别之处是：所述驱动部分和转换传动部分制备在硅基板的氮化层上，该氮化层上有固定结构层Poly0，在Poly0上有固定的结构层Poly2构成齿轮轴（5），Poly0上有活动结构层Poly1构成齿轮（4），两个齿条（6、3）和啮合控制致动器（2b、2a）。

实施例三：

本转换装置，初始状态时齿条3与齿轮4啮合，电极7、8给啮合控制致动器2供电，电极9、10给主动致动器1供电。

参看附图1，所述电极9a、9b和10a、10b、10c、10d间同时加合适电压后，主动致动器1a、1b、1c和1d中有电流通过，在电阻热应力的作用下致动器同时向上运动，带动齿条3和6向上运动，在齿条3作用下，齿轮4逆时针转动一定角度；接着电极7a、8a和7b、8b通电，啮合控制致动器2a、2b有电流通过，在电阻热应力作用下向右运动，齿条3与齿轮4脱离啮合，齿条6与齿轮4进入啮合；电极9a、9b和10a、10b、10c、10d同时断电，主动致动器1a和1b、1c和1d恢复原位，带动齿条6向下运动，在齿条6作用下，齿轮4逆时针转动一定角度；最后电极7a、8a和7b、8b断电，齿条3与齿轮4再次进入啮合，完成一个工作循环，如此循环，致动器交替连续驱动，齿轮4实现转动。

参看附图2，本实施例所述致动器1c和1d与实例二中的方向相反，与实施例一工作原理相同，实施过程如下：电极9a、10a和9b、10b通电后，主动致动器1a、1b同时向上运动，带动齿条3向上运动，在齿条3作用下，齿轮4逆时针转动一定角度；接着电极7a、8a和7b、8b通电，啮合控制致动器2a、2b向右运动，齿条3与齿轮4脱离啮合，齿条6与齿轮4进入啮合；此时电极9a、9b和10c、10d通电，主致动器1c、1d带动齿条6向下运动，在齿条6的作用下，齿轮4逆时针转过一定角度；最后所有电极断电，各部件恢复原位，完成一个工作循环，如此交替循环驱动，齿轮4连续转动。

Claims (2)

1.一种基于电热驱动的步进微转动装置，包括驱动部分和转换传动部分，其特征在于：

1） 所述驱动部分包括左侧和右侧水平排列的各上下两个主致动器（1a、1b和1d、1c）以及左侧和右侧各一个啮合控制致动器（2b、2a），所述左右两侧共四个主致动器（1a、1b和1d、1c）分别由6个V型电热硅微致动器串联构成，端部分别连接两个负电极（9a、9b）和四个正电极（10a、10b和10c、10d），即左侧两个主致动器（1d、1c）的左端部和右侧两个主致动器（1a、1b）的右端部分别连接四个正电极（10d、10c和10a、10b），左侧两个主致动器（1d、1c）的右端部和右侧两个主致动器（1a、1b）的左端部分别连接两个负电极（9a、9b）；所述左右两侧共两个啮合控制致动器（2b、2a）分别由3个V型电热硅微致动器串联构成，端部分别连接两个负电极（7b、7a）和两个正电极（8b、8a），即左侧啮合控制致动器（2b）和右侧啮合控制致动器（2a）的上端部分别连接两个负电极（7b、7a），左侧啮合控制致动器（2b）和右侧啮合控制致动器（2a）的下端部分别连接两个正电极（8b、8a）；

2）所述转换传动部分包括左侧和右侧各一个齿条（6、3）和一个转动套装在一根固定齿轮轴（5）上的齿轮（4），所述左右两侧上下两个主致动器（1a、1b和1d、1c）的中部以及左右两侧的啮合控制致动器（2b、2a）的中部分别连接左右两侧的齿条（6、3），左侧齿条（6）与左侧主致动器（1d、1c）的中部接连杆和左侧啮合控制致动器（2b）的中部连接杆相连接，右侧齿条（3）与右侧主致动器（1a、1b）的中部接连杆和右侧啮合控制致动器（2a）的中部连接杆相连接；两个齿条（6、3）与齿轮（4）之间的位置能实现两个齿条（6、3）与齿轮（4）受控啮合与分离。

2.根据权利要求1所述的基于电热驱动的步进微转动装置，其特征在于：

    所述驱动部分和转换传动部分制备在硅基板的氮化层上，该氮化层上有固定结构层Poly0，在Poly0上有固定的结构层Poly2构成齿轮轴（5），Poly0上有活动结构层Poly1构成齿轮（4），两个齿条（6、3）和啮合控制致动器（2b、2a）。