一种结构刚度可定制的微作动器制造技术

本发明专利技术提出一种结构刚度可定制的微作动器，包括外框、第三锚点、第四锚点、第一顶杆、第二顶杆，其中，第一顶杆和第二顶杆对称设置于动极板的两侧，第一顶杆、第二顶杆的长度方向与动极板运动方向平行；外框的一侧连接动极板，外框的上、下两端分别对称设置第一预定制曲线轮廓和第二预定制曲线轮廓，第一预定制曲线轮廓和第二预定制曲线轮廓的曲面分别对应第一顶杆和第二顶杆的自由端，当动极板在静电力作用在水平方向运动时，使第一顶杆的自由端和第二顶杆的自由端分别沿外框上的第一预定制曲线轮廓、第二预定制曲线轮廓滑动，产生水平方向的作用力。本发明专利技术可以针对不同驱动方式的工况特点，满足微作动器件对特定刚度‑位移特性的灵活需求。

A Micro Actuator with Customizable Stiffness

The invention provides a micro-actuator with customizable stiffness, which comprises an outer frame, a third anchor point, a fourth anchor point, a first ejector and a second ejector. The first ejector rod and a second ejector rod are symmetrically arranged on both sides of the moving pole plate, and the length direction of the first ejector rod and the second ejector rod are parallel to the moving direction of the moving pole plate; one side of the outer frame is connected with the moving pole plate, and the upper and lower ends of the outer frame are sym The curves of the first pre-made curve and the second pre-made curve are set. The curves of the first pre-made curve and the second pre-made curve correspond to the free ends of the first and second top rods respectively. When the moving plate moves horizontally under the action of electrostatic force, the free ends of the first top rod and the second top rod are made to follow the first pre-made curve outline and the first pre-made curve outline of the outer frame respectively. Second, the contour of the pre-made curve slides to produce forces in the horizontal direction. The invention can satisfy the flexible requirement of the micro-actuator for the specific stiffness and displacement characteristics according to the operating conditions of different driving modes.

【技术实现步骤摘要】
一种刚度可定制的微作动器
本专利技术涉及一种精密机械
的微机械作动器，具体地，涉及一种刚度可定制的微作动器。
技术介绍
静电微机械执行器作为一种基础性电子元器件，在微电动机、色散器、微夹钳、数字微镜和各种微光学开关中具有广泛的应用。目前，微机械执行器的工程化应用已经呼之欲出，但要真正大规模推广应用、还需要大幅度提高器件的可操作范围和可靠性。静电式微机械执行器是一种以静电吸合为动力的驱动装置，由于静电力本质上具有高度非线性特性，当驱动电压超过一个临界值时，静电式微机械执行器会发生失稳，对于使用线性弹簧悬浮支撑的平行极板静电驱动器来说，这个稳定的驱动行程范围被限制在初始极板气隙的三分之一以内。这很大程度上限制了静电式微机械执行器在微器件领域的应用。这种不稳定现象发生的根本原因在于，现有的静电微执行器结构刚度通常为固定值，相当于一个变形量与弹性回复力比值固定的线性弹簧。随着气隙减小，弹性回复力线性增大，而非线性静电力则急剧增大，在电压增大过程中，静电力随间隙减小呈指数上升、而线性弹簧变形力则通常与位移量呈正比，因此随着位移增大/间隙减小，静电力增加远超弹簧变形力。由此导致当静电驱动电压增大到一临界值时，微执行器驱动极板突然失稳，最终与定极板猛烈撞击，导致驱动失效。如果能使弹簧刚度不再是固定值，而是随着吸合行程而自动增大，形成一种自适应调控的机制，则弹簧弹力就会随着行程的增加快速增大，从而削弱静电力非线性增大的不利影响。目前在微作动器领域，具有可变刚度的微作动器正受到越来越多的关注，国内外相关机构纷纷开展研究。经对现有技术文献的检索发现，B.Rivlin等人在《JOURNALOFMICROELECTROMECHANICALSYSTEMS》(微机电系统学报)，撰文“Agap-closingelectrostaticactuatorwithalinearextendedrange”(一种扩大线性驱动范围的静电驱动器)”，提出了一种刚度可连续调整的微作动器结构方案，利用一个特殊轮廓的凸轮支撑块，连续调整微作动器悬臂梁在驱动过程中的有效力臂长度，从而使得微作动器悬臂梁的等效刚度随着输出位移的增大而增大，从而避免了输出位移增加时，静电驱动力远远大于微作动器结构弹性回复力的情况，明显改善了微作动器的输出位移特性，作动器可控行程达到总气隙的85％。该驱动器虽然性能有了明显改善，但是仍然存在以下不足：该驱动器需要引入面积较大的凸轮支撑块，器件结构较复杂，并且需要手动促使梁与凸轮的初始接触，难以集成到已有的器件结构方案中，同时从原理上看，其刚度调整范围有限，难以根据不同类型驱动器的要求实现大范围灵活调整。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种可定制刚度的微作动器，其结构相对简洁，无需手动预压接触，可以针对不同驱动方式的工况特点，满足微作动器件对特定刚度-位移特性的灵活需求。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案实现的：本专利技术提供了一种刚度可定制的微作动器，所述微作动器包括：动极板、定极板、折叠弹簧、止挡块、第一锚点、第二锚点，其中，所述动极板通过所述折叠弹簧固定于所述第一锚点上，所述定极板连接所述第二锚点，其特征在于：所述微作动器还包括外框、第三锚点、第四锚点、第一顶杆、第二顶杆，其中，所述第一顶杆和所述第二顶杆对称设置于所述动极板的两侧，所述第一顶杆、所述第二顶杆的长度方向与所述动极板运动方向平行，所述第一顶杆、所述第二顶杆的一端分别固定于所述第三锚点、所述第四锚点；所述第一顶杆和所述第二顶杆的另一端为自由端，所述自由端上设置圆角曲面；所述外框的一侧连接所述动极板，所述外框的上、下两端分别对称设置第一预定制曲线轮廓和第二预定制曲线轮廓，所述第一预定制曲线轮廓和所述第二预定制曲线轮廓的曲面分别对应所述第一顶杆和所述第二顶杆的自由端，当所述动极板在静电力作用在水平方向运动时，使所述第一顶杆的自由端和所述第二顶杆的自由端分别沿所述外框上的所述第一预定制曲线轮廓、所述第二预定制曲线轮廓滑动，产生水平方向的作用力。所述第一顶杆和所述第二顶杆在所述动极板朝着所述定极板运动时可以沿着第一预定制曲线轮廓、第二预定制曲线轮廓滑动，对所述动极板产生水平和纵向两个方向的作用力，而这两个方向的作用力比值取决于第一预定制曲线轮廓、第二预定制曲线轮廓曲线的斜率，本专利技术通过在外框上对称设置所述第一预定制曲线轮廓、所述第二预定制曲线轮廓且分布于所述动极板两侧，从而使所述动极板受到的垂直方向作用力相互平衡抵消，水平方向的作用力用来抵抗动极板受到的外加激励力(静电力)，与所述动极板移动位移的关系可由预定制曲线轮廓，即不同位置上的切线与水平方向的夹角来确定，即作动器的刚度可以通过定制曲线轮廓调节。上述装置通过在所述外框设置第一预定制曲线轮廓和第二预定制曲线轮廓的结构，设计了一种刚度可任意调节的静电微作动器，该执行器的系统输出(比如电压-位移曲线)可以通过预定制曲线轮廓的形状来进行调节和定制，理论上，可以明显延长静电执行器的稳态行程，并使其电压-位移输出关系呈现线性。所述外框能保持弯矩平衡，始终保持平动状态而不发生扭转。所述动极板与所述外框刚性相连。所述动极板由8个上下对称的手指组成。所述定极板由8个对称分布手指组成，所述定极板正对所述动极板，所述正极板与所述定极板之间有一定的工作气隙；优选地，所述第一顶杆的一端夹紧固定于第三锚点上，另一端为自由端；所述第一顶杆由第一悬臂梁、第二悬臂梁并联组成，所述第一悬臂梁、所述第二悬臂梁的所述自由端通过粗短梁连接，所述粗短梁上设置圆角曲面。进一步设置一根粗短梁连接所述第一悬臂梁、所述第二悬臂梁的自由端，确保所述第一顶杆和所述第二顶杆的自由端不会因为受到面内作用力而发生偏转，始终处于平动运动状态。所述第二顶杆与所述第一顶杆具有完全相同的结构。优选地，所述第一预定制曲线轮廓和所述第二预定制曲线轮廓厚度与所述动极板的厚度相同，所述第一预定制曲线轮廓和所述第二预定制曲线轮廓的初始曲率大于零。本专利技术的进一步设置为：所述折叠弹簧对称设置于所述外框内，所述折叠弹簧由多个悬臂梁通过粗短梁并联或串联组成，支撑所述外框；所述折叠弹簧的一端连接所述第一锚点，另一端连接所述外框；所述折叠弹簧支撑所述外框和所述动极板在水平方向的运动，使得本专利技术的结构更加紧凑，减小了结构的整体尺寸。优选地，所述第一预定制曲线轮廓和所述第二预定制曲线轮廓的起始位置分别与所述第一顶杆和所述第二顶杆的下边缘对齐，使所述动极板运动时，所述第一顶杆和所述第二顶板的自由端的圆角曲面分别沿所述第一预定制曲线轮廓和所述第二预定制曲线轮廓上滑动。优选地，所述第一顶杆和所述第二顶杆的长度与所述第一预定制曲线轮廓和所述第二预定制曲线轮廓在垂直方向的高度比大于40倍以上，使所述第一顶杆和所述第二顶杆的自由端的挠度相对于其长度变形小，所述第一顶杆和所述第二顶杆在垂直方向的刚度为一个常数。优选地，所述第一顶杆、所述第二顶杆的自由端的圆角曲面的曲率分别小于所述第一预定制曲线轮廓和所述第二预定制曲线轮廓的初始曲率，使圆角曲面与预定制曲线轮廓在初始接触时不发生干涉。优选地，所述作用力与位移的关系可由所述第一预定制轮廓和所述第一预定制轮廓的形状确定，即通过改变预定制曲线轮本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种刚度可定制的微作动器，其特征在于：所述微作动器包括：动极板、定极板、折叠弹簧、止挡块、第一锚点、第二锚点，其中，所述动极板通过所述折叠弹簧固定于所述第一锚点上，所述定极板连接所述第二锚点；所述微作动器还包括外框、第三锚点、第四锚点、第一顶杆、第二顶杆，其中，所述第一顶杆和所述第二顶杆对称设置于所述动极板的两侧，所述第一顶杆、所述第二顶杆的长度方向与所述动极板运动方向平行，所述第一顶杆、所述第二顶杆的一端分别固定于所述第三锚点、所述第四锚点；所述第一顶杆和所述第二顶杆的另一端为自由端，所述自由端上设置圆角曲面；所述外框的一侧连接所述动极板，所述外框的上、下两端分别对称设置第一预定制曲线轮廓和第二预定制曲线轮廓，所述第一预定制曲线轮廓和所述第二预定制曲线轮廓的曲面分别对应所述第一顶杆和所述第二顶杆的自由端，当所述动极板在静电力作用在水平方向运动时，使所述第一顶杆的自由端和所述第二顶杆的自由端分别沿所述外框上的所述第一预定制曲线轮廓、所述第二预定制曲线轮廓滑动，产生水平方向的作用力。

【技术特征摘要】
1.一种刚度可定制的微作动器，其特征在于：所述微作动器包括：动极板、定极板、折叠弹簧、止挡块、第一锚点、第二锚点，其中，所述动极板通过所述折叠弹簧固定于所述第一锚点上，所述定极板连接所述第二锚点；所述微作动器还包括外框、第三锚点、第四锚点、第一顶杆、第二顶杆，其中，所述第一顶杆和所述第二顶杆对称设置于所述动极板的两侧，所述第一顶杆、所述第二顶杆的长度方向与所述动极板运动方向平行，所述第一顶杆、所述第二顶杆的一端分别固定于所述第三锚点、所述第四锚点；所述第一顶杆和所述第二顶杆的另一端为自由端，所述自由端上设置圆角曲面；所述外框的一侧连接所述动极板，所述外框的上、下两端分别对称设置第一预定制曲线轮廓和第二预定制曲线轮廓，所述第一预定制曲线轮廓和所述第二预定制曲线轮廓的曲面分别对应所述第一顶杆和所述第二顶杆的自由端，当所述动极板在静电力作用在水平方向运动时，使所述第一顶杆的自由端和所述第二顶杆的自由端分别沿所述外框上的所述第一预定制曲线轮廓、所述第二预定制曲线轮廓滑动，产生水平方向的作用力。2.根据权利要求1所述的一种刚度可定制的微作动器，其特征在于，所述第一顶杆和所述第二顶杆分别由第一悬臂梁、第二悬臂梁并联组成，所述第一悬臂梁、所述第二悬臂梁的所述自由端通过粗短梁连接，所述粗短梁上设置圆角曲面。3.根据权利要求1所述的一种刚度可定制的微作动器，其特征在于，所述折叠弹簧对称设置于所述外框内，用于支撑所述外框；所述折叠弹簧的一端连接所述第一锚点，另一端连接所述外框。4.根据权利要求3所述的一种刚度可定制的微作动器，其特征在于，所述折叠弹簧由多个悬臂梁通过粗短梁并联或串联组成。5.根据权利要求1所述的一种刚度可定制的微作动器，其特征在于，所述第一预定制曲线轮廓和所述第二预定制...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴旭涵，向小健，王凯，丁桂甫，赵小林，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31