CN102882307B - 基于凸轮机构的可调输出位移的直线微马达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于凸轮机构的可调输出位移的直线微马达，包括驱动装置、传动装置和输出装置，所述各装置均由MEMS表面工艺制成；所述驱动装置为右侧和上侧两个电热驱动装置，所述传动装置为右侧推齿和上侧推齿受控啮合一个棘齿轮构成；所述传动装置由棘齿轮经一个齿条滑槽和凸轮顶推一叉子型推杆构成；所述两个电热驱动装置驱动两个推齿而驱动棘齿轮作顺时针和逆时针往复转动，棘齿轮经齿条滑槽和凸轮推动叉子型推杆作左右往复直线运动。本发明具有与集成电路制造工艺相兼容、输出位移大、实用性强，易于调节控制输出位移、可测试静态特性等优点。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS领域马达，特别是一种基于凸轮机构的可调输出位移的直线微马达，该装置利用右侧和上侧V型电热致动器阵列的交替工作，实现齿条滑槽的往复直线运动；利用凸轮的轮廓曲线，实现调节控制叉子型推杆的输出位移大小。
背景技术
随着MEMS技术的快速发展以及MEMS应用领域的扩展，对具有实用性的MEMS马达的研究和需求日益增多。在宏观机械运动中，往复直线运动和旋转运动之间的转换较为常见，通过凸轮、曲柄连杆、齿轮等就能实现转换。在MEMS领域，往复直线运动与旋动运动的转换较宏观相比，比较难实现。这是因为虽然传动功能的基本原理一样，但是MEMS尺寸微小，其表面力占主导地位，器件之间容易粘附在一起，运动部件之间出现黏着磨损，加工工艺的限制。1988年，美国加州大学伯克利分校的研究人员采用表面工艺制作了直径为120 的静电型微马达，直接利用静电力驱动转子，虽然可小型化，与MEMS工艺兼容，但输出力矩小，转速高，无法直接应用。2001年，Jae-Sung提出利用V型电热硅微致动器单元在硅芯片上制作了热致动微马达机构的思路，但是只实现了旋转运动而没有输出功能，不具有实用性。
本发明结合电热致动器具有输出位移和力大、操作电压小、与IC兼容、运动可控等有利特点，利用左侧和上侧V型电热致动器阵列的交替工作，实现齿条滑槽的往复直线运动；利用凸轮的轮廓曲线，实现调节控制叉子型推杆的输出位移大小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于凸轮机构的可调输出位移的直线微马达，该装置利用电热驱动及棘齿轮传动，实现齿条滑槽的往复运动；通过凸轮的轮廓曲线实现可调节输出位移的功能。该设计具有与集成电路制造工艺相兼容、输出位移大、实用性强，易于调节控制输出位移、可测试静态特性等优点。
为达到上述目的，本发明的构思是：右侧和上侧电热致动器阵列的交替工作，推动棘齿轮传动，棘齿轮推动齿条滑槽往复运动，实现该往复直线微马达的往复直线运动；叉子型推杆沿凸轮的轮廓曲线运动，通过凸轮的轮廓曲线不同实现可调节输出位移的功能；弓字形弹簧用于测试叉子型推杆的输出力；标尺用于测试叉子型推杆的输出位移。因此该设计的优点是：与集成电路制造工艺相兼容、输出位移大、实用性强，易于调节控制输出位移、可测试静态特性。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种基于凸轮机构的可调输出位移的直线微马达，包括驱动装置、传动装置和输出装置，其特征在于：所述各装置均由MEMS表面工艺制成；所述驱动装置为右侧和上侧两个电热驱动装置，所述传动装置为右侧推齿和上侧推齿受控啮合一个棘齿轮构成；所述传动装置由棘齿轮经一个齿条滑槽和凸轮顶推一叉子型推杆构成；所述两个电热驱动装置驱动两个推齿而驱动棘齿轮作顺时针和逆时针往复转动，棘齿轮经齿条滑槽和凸轮推动叉子型推杆作左右往复直线运动。
所述右侧电热驱动装置是：上下两个由六个V型电热硅微致动器并列而成的电热致动器阵列和一个由三个V型电热硅微致动器并列而成的右侧啮合控制器阵列联接所述右侧推齿，所述上下两个电热致动器阵列和右侧啮合控制器的两端分别连接三个正电极和三个负电极；所述上侧电热驱动装置是：一个由六个V型电热硅微致动器并列而成的左侧电热致动器阵列和一个由三个V型电热硅微致动器并列而成的上侧电热致动器阵列联接所述上侧推齿，所述左侧电热驱动器阵列两极分别连接正电极和负电极，所述上侧啮合控制器的两端分别连接正电极和负电极。
所述传动装置中，右侧推齿、上侧推齿和棘齿轮都与基面脱离可游动，棘齿轮与一个固定轴转动配合，右侧推齿和上侧推齿初始位置靠近棘齿轮并可受控与棘齿轮啮合。
所述输出装置中，所述齿条滑槽相对基体可浮动，有一个固定的导块与齿条滑槽滑配，齿条滑槽的一侧为齿条与棘齿轮啮合，另一侧固定所述凸轮成一体，所述叉子型推杆为浮动件，其右端叉头顶靠着凸轮，而左端的三个支头支承于三个固定弓形弹簧的一端上，三个弓形弹簧的另一端分别连接三个电极。
所述叉子型推杆左端旁有一固定的标尺；所述标尺和弓形弹簧用于测试叉子型推杆的输出位移和输出力。
所述驱动装置是电热V型梁致动器，或者是其它适宜产生直线运动的电热致动器；驱动装置是单个致动器，或者是多个数量阵列的致动器。
所述传动装置可以是单个棘齿轮传动，也可以是多级齿轮传动；所述凸轮尺寸的大小可以根据所需调节位移的大小而改变。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实际性特点和显著技术进步：
（1）采用电热致动方式，与集成电路制造工艺相兼容。
（2）凸轮的轮廓曲线设计，可以调节控制叉子型推杆的输出位移，具有可调性。
（3）弹簧和标尺，可以测试静态特性。
（4）实用性强，易于控制、输出效率高。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的传动装置示意图。
图3是本发明的输出装置示意图。
图4是传动装置的横截面图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
实施例一：
参见图一，本基于凸轮机构的可调输出位移的直线微马达，包括驱动装置、传动装置和输出装置，其特征在于：所述各装置均由MEMS表面工艺制成；所述驱动装置为右侧和上侧两个电热驱动装置，所述传动装置为右侧推齿(3)和上侧推齿(8)受控啮合一个棘齿轮(11)构成；所述传动装置由棘齿轮(11)经一个齿条滑槽(14)和凸轮(15)顶推一叉子型推杆(16)构成；所述两个电热驱动装置驱动两个推齿(3、8)而驱动棘齿轮(11)作顺时针和逆时针往复转动，棘齿轮(11)经齿条滑槽(14)和凸轮(15)推动叉子型推杆(16)作左右往复直线运动。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述右侧电热驱动装置是：上下两个由六个V型电热硅微致动器并列而成的电热致动器阵列(1)和一个由三个V型电热硅微致动器并列而成的右侧啮合控制器2联接所述右侧推齿(3)，所述上下两个电热致动器阵列(1)和右侧啮合控制器2的两端分别连接三个正电极(4a、4c、5a)和三个负电极(4b、4d、5b)；所述上侧电热驱动装置是：一个由六个V型电热硅微致动器并列而成的左侧电热致动器阵列(6)和一个由三个V型电热硅微致动器并列而成的上侧电热致动器阵列(7)联接所述上侧推齿(8)，所述左侧电热驱动器阵列(6)两极分别连接正电极(9a)和负电极(9b)，所述上侧啮合控制器(7)的两端分别连接正电极(10a)和负电极(10b)。
所述传动装置中，右侧推齿(3)、上侧推齿(8)和棘齿轮(11)都与基面脱离可游动，棘齿轮(11)与一个固定轴(12)转动配合，右侧推齿(3)和上侧推齿(8)初始位置靠近棘齿轮(11)并可受控与棘齿轮(11)啮合。
所述输出装置中，所述齿条滑槽(14)相对基体可浮动，有一个固定的导块(13)与齿条滑槽(14)滑配，齿条滑槽(14)的一侧为齿条与棘齿轮(11)啮合，另一侧固定所述凸轮(15)成一体，所述叉子型推杆(16)为浮动件，其右端叉头顶靠着凸轮(15)，而左端的三个支头支承于第一、第二和第三3个固定弓形弹簧(17a、20、17b)的一端上，第一、第二和第三3个弓形弹簧的另一端分别连接三个电极(18a、9b、18b)。
所述叉子型推杆(16)左端旁有一固定的标尺(19)；所述标尺(19)和第二弓形弹簧(20)用于测试叉子型推杆(16)的输出位移和输出力。
所述驱动装置是电热V型梁致动器，或者是其它适宜产生直线运动的电热致动器；驱动装置是单个致动器，或者是多个数量阵列的致动器。
所述传动装置可以是单个棘齿轮传动，也可以是多级齿轮传动；所述凸轮(15)尺寸的大小可以根据所需调节位移的大小而改变。
实施例三：
参看图1、图2和图3，一种基于凸轮机构的可调输出位移的直线微马达，包括左侧和上侧两个驱动装置，一个传动装置和一个输出装置。所述左侧驱动装置主要包括两个由六个V型电热硅微致动器串联而成的电热致动器阵列(1)、一个啮合控制器(2)，一个推齿(3)，三个正电极(4a，4c，5a)和三个负电极(4b，4d，5b)。所述上侧驱动装置主要包括一个由六个V型电热硅微致动器串联而成的电热致动器阵列(6)、一个啮合控制器(7)，一个推齿(8)，两个正电极(9a，10a)和两个负电极(9b，10b)。所述传动装置主要包括一个棘齿轮(11)，一个棘齿轮轴(12)，一个导块(13)，一个齿条滑槽(14)和两个用于调节控制输出位移大小的凸轮(15)。所述输出装置包括叉子型推杆(16)，第一、第三弓形弹簧(17 a，17b)，两个锚点(18a，18b)，一个标尺(19)和一个第二弓形弹簧(20)。
如附图2所示的棘齿轮(11)主要包括三个区域，即区域(І)，区域(П)和区域(Ш)。区域(І)为三角形的棘齿，推齿(3)只能推动棘齿轮(11)逆时针运动；区域(П)为方向与区域(І)三角形棘齿相反的棘齿，推齿(8)只能推动棘齿轮(11)顺时针运动；区域(Ш)为齿轮区域，用于传递推动齿条滑槽(14)的运动。因此所述棘齿轮(11)只能实现90°的运动，不能实现整周运动。
对左侧的啮合控制器(2)的正负电极(5a，5b)同时施加合适的电压，左侧啮合控制器(2)受热膨胀在顶端产生位移或力，推动推齿(3)向棘齿轮方向运动，从而使得推齿(3)与棘齿轮(11)啮合。对左侧电热致动器阵列(1)的正负电极(4a，4b，4c，4d)同时施加合适的电压，电热致动器阵列(1)受热膨胀在顶端产生位移或力，推动推齿(3)向上运动。推齿(3)向上运动从而推动棘齿轮(11)绕棘齿轮轴(12逆时针转动，棘齿轮(11)推动齿条滑槽(14)向下运动，导块(13)纵向约束齿条滑槽(14)。齿条滑槽(14)上带有两个凸轮(15)，用于调节叉子型推杆(16)的输出位移的大小；第一、第三弓形弹簧(17 a，17b)用于平衡叉子型推杆(16)，并利用弹簧的弹性作用将叉子型推杆(16)推回至初始位置；两个锚点(18a，18b)固定并悬挂叉子型推杆(16)和第一、第三弓形平衡弹簧(17 a，17b)；标尺(19)用于测量叉子型推杆(16)的输出位移；第二弓形弹簧(20)用于测量叉子型推杆(16)的输出力。通过上述步骤，实现齿条滑槽的向下直线运动。
释放所有正负电极(4a，4b，4c，4d，5a，5b)的电压。左侧驱动装置因放电回到初始位移。对上侧的啮合控制器(7)的正负电极(10a，10b)同时施加合适的电压，上侧啮合控制器(7)受热膨胀在顶端产生位移或力，推动推齿(8)向棘齿轮方向运动，从而使得推齿(8)与棘齿轮(11)啮合。对上侧电热致动器阵列(6)的正负电极(9a，9b)同时施加合适的电压，电热致动器阵列(6)受热膨胀在顶端产生位移或力，推动推齿(8)向左运动。推齿(8)向左运动从而推动棘齿轮(11)绕棘齿轮轴(12顺时针转动，棘齿轮(11)推动齿条滑槽(14)向上运动，导块(13)纵向约束齿条滑槽(14)。齿条滑槽(14)上带有两个凸轮(15)，用于调节叉子型推杆(16)的输出位移的大小；平衡弹簧(17 a，17b)用于平衡叉子型推杆(16)，并利用弹簧的弹性作用将叉子型推杆(16)推回至初始位置；两个锚点(18a，18b)固定并悬挂叉子型推杆(16)和第一、第三弓形弹簧(17 a，17b)；标尺(19)用于测量叉子型推杆(16)的输出位移；第二弓形弹簧(20)用于测量叉子型推杆(16)的输出力。通过上述步骤，实现齿条滑槽的向上直线运动。
附图4中，传动装置的横截面图。本发明采用MEMS表面工艺制作，无需装配，一个棘齿轮(11)，一个齿条滑槽(14)和两个凸轮(15)为结构层Poly1，浮动在Poly0上，为可动件；一个棘齿轮轴(12)和一个导块(13)为结构层Poly2，固定在Poly0上，为固定件，并且Z方向约束结构层Poly1层上构件。
基本原理：
电热硅微致动器是一种典型的固体热膨胀微致动器，其特点是以在基底材料上制作出的硅微机械机构作为驱动元件，而硅结构层具有一定的电阻值，所以结构层本身又可兼作加热器，当通过控制输入电压或功率时，由于结构受热膨胀而产生致动效应，从而输出位移或力。
Claims (5)
1.一种基于凸轮机构的可调输出位移的直线微马达，包括驱动装置、传动装置和输出装置，其特征在于：所述各装置均由MEMS表面工艺制成；所述驱动装置为右侧和上侧两个电热驱动装置，所述传动装置为右侧推齿(3)和上侧推齿(8)受控啮合一个棘齿轮(11)构成；所述输出装置由棘齿轮(11)经一个齿条滑槽(14)和凸轮(15)顶推一叉子型推杆(16)构成；所述两个电热驱动装置驱动两个推齿(3、8)而驱动棘齿轮(11)作顺时针和逆时针往复转动，棘齿轮(11)经齿条滑槽(14)和凸轮(15)推动叉子型推杆(16)作左右往复直线运动；
所述右侧电热驱动装置是：上下两个由六个V型电热硅微致动器并列而成的电热致动器阵列(1)和一个由三个V型电热硅微致动器并列而成的右侧啮合控制器(2)联接所述右侧推齿(3)，所述上下两个电热致动器阵列(1)和右侧啮合控制器(2)的两端分别连接三个正电极(4a、4c、5a)和三个负电极(4b、4d、5b)；所述上侧电热驱动装置是：一个由六个V型电热硅微致动器并列而成的左侧电热致动器阵列(6)和一个由三个V型电热硅微致动器并列而成的上侧啮合控制器(7)联接所述上侧推齿(8)，所述左侧电热驱动器阵列(6)两极分别连接正电极(9a)和负电极(9b)，所述上侧啮合控制器(7)的两端分别连接正电极(10a)和负电极(10b)。
2.根据权利要求1所述的基于凸轮机构的可调输出位移的直线微马达，其特征在于：所述传动装置中，右侧推齿(3)、上侧推齿(8)和棘齿轮(11)都与基面脱离可游动，棘齿轮(11)与一个固定轴(12)转动配合，右侧推齿(3)和上侧推齿(8)初始位置靠近棘齿轮(11)并可受控与棘齿轮(11)啮合。
3.根据权利要求1所述的基于凸轮机构的可调输出位移的直线微马达，其特征在于：所述输出装置中，所述齿条滑槽(14)相对基体可浮动，有一个固定的导块(13)与齿条滑槽(14)滑配，齿条滑槽(14)的一侧为齿条与棘齿轮(11)啮合，另一侧固定所述凸轮(15)成一体，所述叉子型推杆(16)为浮动件，其右端叉头顶靠着凸轮(15)，而左端的三个支头支承于第一、第二、第三3个固定弓形弹簧(17a、20、17b)的一端上，第一、第二、第三3个弓形弹簧的另一端分别连接三个电极(18a、9b、18b)。
4.根据权利要求3所述的基于凸轮机构的可调输出位移的直线微马达，其特征在于所述叉子型推杆(16)左端旁有一固定的标尺(19)；所述标尺(19)和第二弓形弹簧(20)用于测试叉子型推杆(16)的输出位移和输出力。
5.根据权利要求1所述的基于凸轮机构的可调输出位移的直线微马达，其特征是：所述传动装置是单个棘齿轮传动，或者是多级齿轮传动；所述凸轮(15)尺寸的大小根据所需调节位移的大小而改变。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150701 Termination date: 20180906 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |