CN1829064A - 采用五自由度静电悬浮的可变电容式微静电电机 - Google Patents

Abstract

一种采用五自由度静电悬浮的可变电容式微静电电机，用于MEMS系统的微执行部件、微惯性敏感元件等领域。本发明包括上定子、下定子、转子、内定子和外定子以及悬浮控制系统，上下定子和内外定子构成一个封闭的内腔，工作时转子悬浮于这个环形内腔的几何中心，利用轴向和径向加力电极施加静电力，通过检测电极与转子间的电容差动变化实现位移检测，借助于悬浮控制系统实现五自由度有源静电悬浮，利用转子上的凸极和定子上的驱动电极施加驱动转矩。本发明提出的微静电电机可约束转子除绕Z轴旋转外的所有运动自由度，不仅消除了机械接触引起的摩擦力矩，显著提高了工作寿命，还可提供较大的驱动力矩和径向过载能力，获得很高的转子转速。

Description

采用五自由度静电悬浮的可变电容式微静电电机

技术领域

本发明涉及一种MEMS(微机电系统)工艺的微静电电机，特别是一种采用五自由度有源静电悬浮的可变电容式微静电电机，用于MEMS系统中的微执行部件、微惯性敏感元件等领域。

背景技术

MEMS是集微型机构、微型传感器、微型驱动器、微型执行器、信号处理和控制电路甚至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。它具有低成本、低能耗、微型化、集成度高和易于批量制造等特点。在微型执行器中，通常采用微电机作为微型动力构件，目前主要有静电型、电磁型和超声波型微电机。从能量密度、体积、工艺等方面考虑，在电机尺寸小于1mm的场合，微静电电机具备以下优势：①几何形状和制造工艺简单；②超微型化后的电场能量密度可与电磁电机的磁场能量密度相比拟；③能量转换效率高。

当微电机的尺寸越来越小时，转子采用接触式轴承支承时摩擦力矩就变得十分明显。特别是由于MEMS工艺的微电机中无法加工出通常的轴承组件，许多设计方案采用简单的针型支承结构，导致较大的摩擦力矩，成为制约其寿命、性能与效率的关键因素。

为了消除由于机械支承引入的摩擦力矩，可以采用磁悬浮、气浮或静电悬浮轴承来实现电机转子的无接触支承。目前，由于磁悬浮轴承与气浮轴承还难于实现微型化，在微电机中采用静电悬浮轴承就显得十分必要。静电悬浮具有体积小、功耗低、能量密度高、无电磁场干扰、易于采用MEMS工艺集成等特点，尤其适于超静、真空环境以及微尺寸的器件。

美国专利(专利号US5187399)公开了一种“悬浮式微电机“(Levitated Micromotor)，该技术存在以下不足和缺陷：1)仅包含沿Z轴方向的单自由度悬浮；2)采用基于LC谐振的无源静电悬浮方式，支承刚度较低，系统特性不便调整，电感线圈不易微型化；3)采用侧向驱动方式，电机驱动力矩偏低。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术的不足，提出一种采用五自由度静电悬浮的可变电容式微静电电机，它可完全约束转子除绕Z轴旋转外的所有运动自由度；不仅可提供较大的驱动力矩，获得很高的转子转速，使其具有尺寸小、重量轻、成本低、寿命长、功耗低、易于大批量加工等特点，而且可进一步提高电机承受的径向过载能力，消除了机械接触引起的摩擦力矩，显著提高了其工作寿命。

本发明的技术方案如下：

一种采用五自由度静电悬浮的可变电容式微静电电机，其特征在于：该微静电电机包括下定子、外定子、转子、内定子、上定子以及悬浮与转速控制系统，下定子和上定子的结构相同，由多个轴向悬浮电极对、多个轴向检测电极和三相驱动电极组成圆周平面；每个轴向检测电极位于一个轴向悬浮电极对之间；所述的三相驱动电极置于轴向悬浮电极和轴向检测电极的内侧或外侧；所述的外定子和内定子处于同一平面内，外定子由多个外侧径向悬浮电极对和多个外侧径向检测电极，内定子由多个内侧径向悬浮电极对和多个内侧径向检测电极组成，所述的每个径向检测电极位于一个径向悬浮电极对之间；所述的转子的内侧或外侧表面设有凹槽和凸极，与上、下驱动电极相互作用；所述的悬浮控制系统通过差动电容传感器检测由各个悬浮电极和转子间构成的六路差动电容变化的信号；经过坐标变换矩阵T获得五自由度转子位移信号；五自由度的转子参考位置信号和五自由度的反馈信号分别经过求和器运算后得到位置偏差；经控制器进行校正后输出五自由度控制信号；经第二个坐标变换矩阵T^-1后将五自由度控制信号转换为六路电极控制电压信号；六路电极控制电压经过静电执行器后输出十六对加力电压施加到各个定子悬浮电极上，每对加力电压的幅值相同、极性相反；通过悬浮电极对转子在电极内腔中的五自由度转子运动进行闭环控制。

本发明的技术特征还在于：所述的转子与下定子的上表面、上定子的下表面、外定子的内表面和内定子的外表面之间保持微米量级的间隙。所述的上定子和下定子可以采用玻璃或硅等材料制造；外定子和内定子采用硅材料制造，转子可采用硅或镍、铜等金属材料制造。

本发明所述的加力电压信号为直流或频率低于10kHz低频信号，所述的位移检测信号为200kHz～5MHz的高频信号。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：1)采用五自由度有源静电悬浮，可完全约束转子除绕Z轴旋转外的所有运动自由度；2)采用轴向驱动方式，可提供较大的驱动力矩，获得很高的转子转速；3)转子采用环形结构，提高了电机承受的径向过载能力。将此五自由度静电悬浮轴承应用于微静电电机，消除了机械接触引起的摩擦力矩，显著提高了其工作寿命和转子转速。整个器件采用MEMS微加工技术制成，具有尺寸小、重量轻、成本低、寿命长、功耗低、易于大批量加工等特点。作为为机械的动力源，此种采用静电悬浮轴承的静电电机在MEMS领域有着广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的五个悬浮自由度示意图。

图2是本发明提供的微静电电机的总体结构示意图。

图3是本发明的转子结构示意图。

图4是本发明的上定子或下定子实施例的结构示意图。

图5是本发明的内定子和外定子实施例结构示意图。

图6是本发明的静电悬浮控制系统的原理图。

图中：1-下定子；2-外定子；3-转子；4-内定子；5-上定子；6-气隙；7-凸极；8-凹槽；9-A相驱动电极；10-B相驱动电极；11-C相驱动电极；12-第一组轴向悬浮电极对；13-轴向检测电极；14-第二组轴向悬浮电极对；15-第三组轴向悬浮电极对；16-第四组轴向悬浮电极对；17-第一组内侧径向悬浮电极对；18-内侧径向检测电极；19-第二组内侧径向悬浮电极对；20-第三组内侧径向悬浮电极对；21-第四组内侧径向悬浮电极对；22-第一组外侧径向悬浮电极对；23-外侧径向检测电极；24-第二组外侧径向悬浮电极对；25-第三组外侧径向悬浮电极对；26-第四组外侧径向悬浮电极对；27-求和器；28-控制器；29-坐标变换矩阵(T^-1)；30-静电执行器；31-五个自由度运动；32-差动电容传感器；33-坐标变换矩阵(T)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理、结构及具体实施方式作进一步的说明。

图2是本发明提供的微静电电机的总体结构示意图。本发明静电电机采用三明治结构(如玻璃-硅-玻璃)，本发明由下定子1、外定子2、转子3、内定子4、上定子5组合而成。下定子1在转子的下面，上定子5在转子的上面，外定子2在转子的外面，内定子4在转子的内部，下定子1、外定子2、内定子4、上定子5构成一个封闭内腔，转子3置于这个封闭的环形内腔的中间，转子3与内定子4外表面、外定子2内表面、上定子5下表面、下定子1上表面间保持微米级的气隙6。外定子2、内定子4实现转子3沿如图1所示的x，y两个自由度的有源静电悬浮，下定子1、上定子5实现转子3沿如图1所示的z、θ、三个自由度的有源静电悬浮，并同时可实现对转子3施加旋转力矩。

如图3所示，转子为环形结构，采用强度较好及适合微加工的硅或镍、铜等材料。8为在转子上加工的若干个凹槽，均布在靠近转子内侧或外侧的上下表面上。凹槽之间形成凸极7，与上下驱动电极相互作用，利用可变电容式静电电机原理产生驱动力矩或制动力矩，借助于转速控制系统实现对微静电电机的转速控制。

如图4所示，下定子1和上定子5的结构相同，由处于同一平面层内的轴向悬浮电极，轴向检测电极和多个驱动电极组成。上定子和下定子采用玻璃或硅材料制造，其中轴向检测电极13a位于第一组轴向悬浮电极对12a、12b之间，轴向检测电极13b位于第二组轴向悬浮电极对14a、14b之间，轴向检测电极13c位于第三组轴向悬浮电极对15a、15b之间，轴向检测电极13d位于第四组轴向悬浮电极对16a、16b之间。成对使用的轴向悬浮电极分别加幅值相同、极性相反的加力电压，使环形转子对加力电压而言为零电位。上定子5和下定子1共同实现环形转子沿如图1所示的一个平动自由度z和两个转动自由度θ和的位移检测和悬浮控制。驱动电极分为A相驱动电极9a和9b、B相驱动电极10a和10b、C相驱动电极11a和11b共三组，可置于轴向悬浮电极和轴向检测电极的内侧或外侧，沿下定子1和上定子5的表面形成一个空间分布周期。在上、下定子的A相、B相、C相驱动电极上分别施加幅值相同、极性相反的加力电压，使环形转子对驱动电压而言为零电位。在A相、B相、C相驱动电极上施加方波驱动电压，各相间相位相差120°。与转子上的凹槽8和凸极7相互作用，通过转速反馈控制系统实现恒速控制。图示驱动电极的极对数为两个，实际操作中驱动电极A相、B相、C相的极对数可根据需要配置，以获得期望的转矩转速特性。

如图5所示，内定子包含径向悬浮电极和径向检测电极，检测电极布置在悬浮电极中间。其中内侧径向检测电极18a位于第一组内侧径向悬浮电极对17a、17b之间，内侧径向检测电极18b位于第二组内侧径向悬浮电极对19a、19b之间，内侧径向检测电极18c位于第三组内侧径向悬浮电极对20a、20b之间，内侧径向检测电极18d位于第四组内侧径向悬浮电极对21a、21b之间。外定子包含径向悬浮电极和径向检测电极，检测电极布置在悬浮电极中间。其中外侧径向检测电极23a位于第一组外侧径向悬浮电极对22a、22b之间，外侧径向检测电极23b位于第二组外侧径向悬浮电极对24a、24b之间，外侧径向检测电极23c位于第三组外侧径向悬浮电极对25a、25b之间，外侧径向检测电极23d位于第四组外侧径向悬浮电极对26a、26b之间。成对使用的径向悬浮电极分别加幅值相同、极性相反的加力电压，使环形转子对加力电压而言为零电位。内定子4和外定子2共同实现环形转子沿如图1所示两个平动自由度x和y的位移检测和悬浮控制。外定子和内定子采用硅材料制造。

如图6所示，通过差动电容传感器32检测由各个悬浮电极和转子间构成的6路差动电容变化信号；经过坐标变换矩阵(T)33获得五自由度x、y、z、θ和转子位移信号；五自由度的转子参考位置信号和五自由度的反馈信号分别经过求和器27运算后得到位置偏差；经控制器28进行校正后输出五自由度控制信号；经第二个坐标变换矩阵(T^-1)29后将五自由度控制信号转换为六路电极控制电压信号；六路电极控制电压经过静电执行器30后输出十六对幅值相同、极性相反的加力电压施加到各个定子悬浮电极上；通过悬浮电极对环形转子在电极内腔中的转子五自由度运动31进行闭环控制。通过设置转子参考位置为零，可将环形转子稳定地悬浮在电极内腔的几何中心。三十二个加力电压信号为直流或频率低于10kHz低频信号，而位移检测信号为200kHz～5MHz的高频信号。因此，借助于频分复用技术，加力电极可以兼作位移检测的激励电极或读出电极。

为保证微静电电机的性能，整个器件可以采用真空封装。

Claims (4)

1.一种采用五自由度静电悬浮的可变电容式微静电电机，其特征在于：该微静电电机包括下定子(1)，外定子(2)，转子(3)，内定子(4)、上定子(5)以及悬浮控制系统，下定子和上定子的结构相同，由多个轴向悬浮电极对(12a、12b、14a、14b、15a、15b、16a、16b)、多个轴向检测电极(13a、13b、1c3、13d)和三相驱动电极(9a、9b、10a、10b、11a、11b)组成圆周平面；每个轴向检测电极位于一个轴向悬浮电极对之间；所述的三相驱动电极置于轴向悬浮电极和轴向检测电极的内侧或外侧；所述的外定子和内定子处于同一平面内，外定子由多个外侧径向悬浮电极对(22a、22b、24a、24b、25a、25b、26a、26b)和多个外侧径向检测电极(23a、23b、23c、23d)，内定子由多个内侧径向悬浮电极对(17a、17b、19a、19b、20a、20b、21a、21b)和多个内侧径向检测电极(18a、18b、18c、18d)组成，所述的每个径向检测电极位于一个径向悬浮电极对之间；所述的转子的内侧或外侧表面设有凹槽(8)和凸极(7)，与上、下驱动电极相互作用；所述的悬浮控制系统通过差动电容传感器(32)检测由各个悬浮电极和转子间构成的六路差动电容变化的信号；经过坐标变换矩阵T(33)获得五自由度(x、y、z、θ、)转子位移信号；五自由度的转子参考位置信号和五自由度的反馈信号分别经过求和器(27)运算后得到位置偏差；经控制器(28)进行校正后输出五自由度控制信号；经第二个坐标变换矩阵T^-1(29)后将五自由度控制信号转换为六路电极控制电压信号；六路电极控制电压经过静电执行器(30)后输出十六对幅值相同、极性相反的加力电压施加到各个定子悬浮电极上；通过悬浮电极对转子在电极内腔中的五自由度转子运动(31)进行闭环控制。

2.按照权利要求1所述的采用五自由度静电悬浮的可变电容式微静电电机，其特征在于：所述的转子与下定子的上表面、上定子的下表面、外定子的内表面和内定子的外表面之间保持微米量级的间隙。

3.按照权利要求1或2所述的采用五自由度静电悬浮的可变电容式微静电电机，其特征在于：所述的上定子和下定子采用玻璃或硅材料制造；外定子和内定子采用硅材料制造，转子采用硅、镍或铜材料制造。

4.按照权利要求1所述的采用五自由度静电悬浮的可变电容式微静电电机，其特征在于：所述的加力电压信号为直流或频率低于10kHz低频信号，所述的位移检测信号为200kHz～5MHz的高频信号。

Images