CN108631643B - 一种基于静电自激振动原理的梳齿结构驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于静电自激振动原理的梳齿结构驱动器，包括排梁结构、电容结构、和梳齿电极结构三部分；梳齿电极结构由多对电极并列组成，电极一端由两个导电连接梁将相同极性的电极连接形成通路，另一端连接在绝缘连接梁上；排梁结构中的导电微板处于梳齿电极之间，导电微板的两端分别与输出梁和弹簧连接；电容结构提供高压直流电压，在梳齿电极间产生静电场，导电微板在静电场中受到静电力，且力的方向在微板碰撞电极后发生改变，弹簧为排梁结构提供回复力，排梁结构在静电力与回复力共同作用下形成稳定振动，并由输出梁输出驱动力。本发明结构简单、质量轻、易于微型化、能量转化效率高。

Description

一种基于静电自激振动原理的梳齿结构驱动器

技术领域

本发明涉及MEMS(微机电系统)技术领域，特别涉及一种微型静电梳齿驱动器。

背景技术

传统的梳齿驱动器在MEMS领域应用很广，包括光开关、微继电器、谐振器、微镊、微马达、微镜和快门等。传统的梳齿一般采用MEMS加工方法，尺寸在毫米到微米范围内，可看作是一种平面结构，通常包括一对梳齿结构，一个固定，另一个连接弹簧保证两个梳齿结构不接触并可在一定范围内运动，使用交流电加上直流偏置电流供能，输出频率高但是输出力和功率较低。使用这种形式的驱动器作为微型机器人动力源的设计很少，虽然也存在使用梳齿结构设计爬行机器人的成功研究案例，但此类机器人的爬行速度很慢。

对于尺寸在几毫米或者厘米级别的机械，传统梳齿结构的输出能量远远不够；而将传统机械中经常使用的直流电机进行微型化后，由于尺寸效应，会存在摩擦阻力所占比例增大等问题，造成电机效率急剧下降。因此，新型驱动结构的研究应用，是毫米到厘米级机器人以及类似机械结构研究中的重点。

目前，发展较快的新型驱动器主要有三类，压电陶瓷驱动器、SMA(形状记忆合金)驱动器和静电驱动器。其中，压电陶瓷驱动器利用压电陶瓷晶体的逆压电效应，通电后压电陶瓷晶体发生形变，进而产生运动，输出频率高、质量小；SMA驱动器利用SMA的形状记忆效应，通过电加热方式使其产生形变进而实现往复运动，输出频率低、输出力大。压电陶瓷驱动器和SMA驱动器均是厘米级机械用驱动器的不错选择，但是这两种驱动器均采用交流电源进行供能，其电源和控制电路结构复杂且质量大，无法集成在毫米至厘米尺寸的机器人上，从而导致机器人仅能通过外置电源进行供能，需要带导线工作，应用范围受限。静电驱动器利用导电微板在静电场中形成自激振动实现稳定工作，具有输出位移大、输出频率高等特点，同时由于其使用直流电源进行供电，电源和控制电路微型化的难度较小，更适合作为微型机器人的动力。

现有的静电驱动器技术的缺点是采用单根梁结构作为输出的动力源，输出功率低，输出力小，不能满足机器人运动的能量需求。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于静电自激驱动原理的梳齿结构驱动器，其利用自激振动的优势，采用静电力作为驱动力，能量转换效率高；通过增加电极对数并对驱动器进行优化，大大提高了输出功率；利用电容直接对驱动器进行供能，结构简单，易于进一步微型化。

本发明采用的技术方案为：一种基于静电自激驱动原理的梳齿结构驱动器，具体包括：电容结构、排梁结构、梳齿电极结构。其中，电容结构包括两侧的结构电容，可为梳齿电极结构提供高压直流电压，同时可为排梁结构和梳齿电极结构提供支撑；梳齿电极结构并列若干对电极，相邻电极通过绝缘双面胶粘接，最外侧的电极通过导电胶粘接在电容结构上，电极的一端按极性分别连接在两个导电连接梁上，所有电极的另一端连接在绝缘连接梁上；排梁结构两端分别为输出梁和弹簧，中间处于电极之间的部分由多个导电微板并排组成，导电微板的两端分别连接第一连接梁和第二连接梁，第一连接梁与输出梁相连，第二连接梁通过第三连接梁与弹簧相连，弹簧的两端与结构电容固接。当充满高压电的电容结构在梳齿电极上加直流电压后，电极对之间会产生稳定的静电场，导电微板在静电场中受到静电力作用，静电力的方向在导电微板撞上电极后发生改变，整个排梁结构在静电力与弹簧回复力的共同作用下形成稳定的自激振动，并由输出梁输出运动，从而实现结构的驱动功能。

进一步地，所述梳齿电极结构中电极的对数为4对，甚至更多对，与导电微板的个数匹配。

进一步地，所述排梁结构的制备材料可以是各种导电材料，如硅、金、铝、铜、形状记忆合金、碳纤维等。

进一步地，所述的梳齿电极结构可以由金属化薄膜或碳纤维经过激光切割并粘接制成，或者通过MEMS加工工艺得到。

进一步地，所述的弹簧可以为自制弹簧或其他具有弹簧性质的结构。

进一步地，所述的电容结构可以是薄膜电容、陶瓷电容、电化学电容或特制的结构电容。

进一步地，由于驱动原理和结构十分简单，本发明的总长度通常小于30mm，经MEMS工艺微型化后，本发明的身长可以小于10mm甚至1mm。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)能量转换效率高、功率密度高。如前所述，很多微型机器人相对应的能量转化效率取决于驱动器的电－机械能转换效率，该类机器人对总体质量极其敏感，需要较高的功率密度。本发明驱动器的单元结构的电－机械能量转换效率很高(90％左右)，同时多对电极集成后可进一步降低总体质量，提高驱动器功率密度。

(2)结构简单。本发明的排梁结构在静电场中的自激振动频率始终保持在一阶固有频率附近，且能够自动跟随一阶固有频率的变化而变化，不需要任何复杂的交流发生和频率跟随装置。

(3)易于微型化，应用范围广。由于本发明驱动器的驱动原理和结构都很简单，在降低驱动器质量、提高行进速度与稳定性的同时，可进一步微型化，适应于更小尺寸机器人的驱动；理论上，利用现有的MEMS加工工艺，本发明的总长度可以小于10mm甚至1mm。

附图说明

图1为本发明的整体结构的轴测图；

图2为本发明的排梁结构的轴测图；

图3为本发明的梳齿电极结构的轴测图；

图4为本发明的振动原理图。

附图标记含义：1.排梁结构；2.电容结构；3.梳齿电极结构；101.弹簧；102.导电微板；103.输出梁；104.第一连接梁；105.第二连接梁；106.第三连接梁；301.梳齿电极；302.绝缘双面胶；303.绝缘连接梁；304.导电连接梁。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，本发明提供一种基于静电自激驱动原理的梳齿结构驱动器，包括：排梁结构1，电容结构2和梳齿电极结构3。其中电容结构2为排梁结构1、电极结构3提供支撑并为梳齿电极结构3提供电压。

如图2所示，本发明的排梁结构1包括：弹簧101、导电微板102、输出梁103、第一连接梁104、第二连接梁105与第三连接梁106。其中，弹簧101提供回复力，导电微板102提供静电力，输出梁103输出驱动力，按照图中所示方位，第一连接梁104用于连接输出梁103和导电微板102的顶端，第二连接梁105和第三连接梁106用于连接弹簧101和导电微板102底端。将提供回复力的部分与提供静电力的部分分离，可在确保各自功能的前提下，根据实际需求分别设计各部分的几何结构以及导电微板102的个数，并尽可能地减小其质量。

在本实施例中，弹簧101线径为0.1mm，自由状态总长度为8mm；导电微板102长度为6mm，宽度为4mm，厚度为0.03mm；输出梁103厚度为0.05mm，长度为2mm；第一连接梁104、第二连接梁105、第三连接梁厚度均为0.05mm。

如图3所示，梳齿电极结构3由梳齿电极301、绝缘双面胶302、绝缘连接梁303和导电连接梁304组成。梳齿电极301包括4对，并列设置，相邻的电极通过绝缘双面胶302粘接，按照图中所示方位，电极的底端，由两个导电连接梁304分别将相同极性的电极连接形成通路，电极顶端连接在绝缘连接梁303上以增加稳定性。

本发明产生振动输出运动的原理是：如图4所示，电容充满高压电后，每个单元结构中电极对之间均会产生一个稳定的静电场，处在电极之间的导电微板102受到静电力的作用，多个单元结构并列，使得排梁结构1所受到的静电力增加数倍，同时通过对弹簧101的线径及有效圈数设计，使其刚度与静电力相匹配，在静电力和弹簧回复力的共同作用下，排梁结构1不断与正极和负极碰撞，从而持续产生充电、放电过程并改变静电力的方向，最终形成稳定的自激振动，并由输出梁103输出稳定的直线运动。

经过理论计算和试验研究，当所述的排梁结构1由2个以上长方体形的导电微板102并排连接构成、且导电微板所受到的总的静电力与弹簧提供的回复力之比为0.2～0.6时，排梁结构1能够在没有交流驱动信号的情况下，仅依靠直流电压，通过自身运动状态的反馈作用调节能量输入，始终保持在一阶固有频率附近的振动状态。从结构动力学角度来讲，所述排梁结构1的振动现象属于一种静电场中的“自激振动”。

本发明中，排梁结构1的制备材料可以是各种导电材料，如硅、金、铝、铜、形状记忆合金、碳纤维等；电容结构2可以是薄膜电容、陶瓷电容、电化学电容或特制的结构电容；梳齿电极结构3可以由金属化薄膜或碳纤维经过激光切割成形，或者通过MEMS加工工艺得到。

本发明未详细阐述的属于本领域公知技术。

以上所述，仅是本发明的实施例子，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明原理和技术实质对以上实施例子所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围之内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。

Claims (5)

1.一种基于静电自激振动原理的梳齿结构驱动器，其特征在于，包括排梁结构(1)、电容结构(2)、梳齿电极结构(3)三个部分；其中，电容结构(2)包括两侧的结构电容，可为梳齿电极结构提供高压直流电压，同时可为排梁结构(1)和梳齿电极结构(3)提供支撑；梳齿电极结构(3)由梳齿电极(301)、绝缘双面胶(302)、绝缘连接梁(303)和导电连接梁(304)组成，梳齿电极(301)有若干对，并列设置，相邻电极通过绝缘双面胶(302)粘接，最外侧的电极通过导电胶粘接在电容结构上，电极的一端由两个导电连接梁(304)将相同极性的电极分别连接形成通路，另一端连接在绝缘连接梁(303)上；排梁结构(1)由弹簧(101)、导电微板(102)、输出梁(103)、第一连接梁(104)、第二连接梁(105)与第三连接梁(106)组成，弹簧(101)和输出梁(103)位于排梁结构(1)的两端，导电微板(102)处于梳齿电极(301)之间，导电微板(102)的两端通过三个连接梁(104、105、106)分别与输出梁(103)和弹簧(101)连接，弹簧(101)两端固接在电容结构(2)上；

当充满高压电的电容结构(2)在梳齿电极(301)上加直流电压后，电极对之间会产生稳定的静电场，导电微板(102)受到静电力作用，且力的方向在导电微板(102)碰撞电极后发生改变，排梁结构(1)在静电力与弹簧(101)回复力的共同作用下形成稳定的自激振动，并由输出梁(103)输出运动，从而实现驱动功能。

2.根据权利要求1所述的基于静电自激振动原理的梳齿结构驱动器，其特征在于：所述梳齿电极(301)对数为4对，与导电微板(102)的个数匹配。

3.根据权利要求1所述的基于静电自激振动原理的梳齿结构驱动器，其特征在于：所述排梁结构(1)的材料为包括硅、金、铝、铜、形状记忆合金、碳纤维在内的各种导电材料。

4.根据权利要求1所述的基于静电自激振动原理的梳齿结构驱动器，其特征在于：所述的梳齿电极结构(3)由金属化薄膜或碳纤维经过激光切割并粘接制成，或者通过MEMS加工工艺得到。

5.根据权利要求1所述的基于静电自激振动原理的梳齿结构驱动器，其特征在于：所述梳齿结构驱动器的总长度小于30mm。