[發明專利]三自由度MEMS活塞管靜電微致動器

有效

• 申請號: 201480080900.X
• 申請日: 2014-08-04
• 公開（公告）號: CN106604887B
• 公開（公告）日: 2019-04-02
• 發明（設計）人: 費斯·巴-提斯;里哈德·本-馬德
• 申請（專利權）人: 費斯·巴-提斯;里哈德·本-馬德
• 主分類號: B81B3/00
• 分類號: B81B3/00
• 代理公司: 上海勝康律師事務所 31263
• 代理人: 樊英如;包孟如

公開了一種三自由度MEMS靜電活塞管致動器。該致動器包括兩個結構。一個結構包括：多個固定的活塞狀電極，所述多個固定的活塞狀電極附接到基座，并且形成致動器的定子。第二結構包括多個移動的管狀電極，所述多個移動的管狀電極附接到上部結構的主體并形成致動器的轉子。該轉子通過機械彈簧連接到定子。致動器的轉子提供3?DOF運動，包括垂直平移和圍繞結構的軸線的雙軸旋轉。本活塞管致動器利用能夠使用寬廣區域電極的構造，并且因此提供使得轉子能夠平移的高輸出力或者能夠使轉子旋轉的高輸出轉矩。

技術領域

本發明涉及提供大的力、大的面外(out-of-plane)平移行程和/或雙軸旋轉的微致動器領域。

背景技術

大的面外平移和高輸出力的微致動器在自適應光學和微機器人中具有廣泛的應用。在自適應光學中，它們用于自動對焦[1]、微型相機中的光學圖像穩定(Optical ImageStabilization，OIS)[2]和可變形微鏡[3]。對于手機相機應用中的自動對焦，需要致動器使3毫克(mg)質量的透鏡沿著光軸平移80μm[4]。手機相機中的OIS需要使45毫克質量的鏡筒[2]繞兩個軸旋轉1°以消除手抖對圖像和錄制視頻的任何影響。在微機器人中，大行程和高輸出力致動器用于微裝配系統和微型夾具[5][6]。

使用不同的微致動方法。這些包括電磁式、壓電式和靜電式的微致動器。電磁致動器提供大行程和高輸出力；然而，他們已知有許多缺點，如高功耗和大尺寸[7][4]。雖然壓電致動器提供高輸出力，但它們對溫度敏感并且難以制造[1][8]。靜電致動器提供高速響應、低功耗和小尺寸[9][7][4]。然而，設計能夠同時提供高輸出力、大的面外行程并且同時保持低電壓的靜電致動器是具有挑戰性的[10]。

提供面外行程的靜電致動器包括平行板和垂直梳狀驅動(Vertical Comb-Drive，VCD)致動器。前者受到拉入效應的影響，該效應將致動器的垂直行程限制為板之間的初始間隙的三分之一[9]。后者可以分為兩種類型：旋轉式和平移式(活塞式)VCD致動器。

在旋轉梳狀驅動致動器(包括交錯式和角式VCD致動器)中，轉子的初始運動是旋轉，因此提供旋轉的面外行程；然而，這些致動器通常利用機械放大機構，例如杠桿，以擴大行程，以及將轉子的初始旋轉運動轉換成負載的平移。由于運動放大和變換，作用在負載上的致動器的輸出轉矩通常低于產生的輸出轉矩。已經開發了旋轉VCD致動器的不同設計。例如，由V.Milanovic等人開發的旋轉VCD致動器[11]實現了在150V下60μm的垂直偏轉(對應于20°的旋轉角)。它利用懸臂進行機械放大。Li等人[12]開發了一種旋轉(交錯式)VCD致動器，其實現了在35V下180μm的垂直偏轉。將板連接到致動器的自由梳狀物以實現大的旋轉行程，同時減小輸出轉矩。

美國專利No.8,358,925B2[13]公開了用于使透鏡沿著光軸(z)平移的旋轉梳狀驅動致動器的發明。轉子的初始運動是面外旋轉，其(借助圍繞透鏡的類似致動器)使用復雜變換機制被轉換為透鏡的垂直偏轉。在運動的變換期間消耗大量的轉子扭矩。由于該致動器的轉子結構的復雜性，因此當透鏡被多個類似致動器致動時，在透鏡的平移期間發生不期望的傾斜。該傾斜需要運動控制器來消除。

美國專利No.8,269,395B2[14]公開了一種大行程旋轉梳狀驅動致動器。它基于排斥力原理工作，并且致動器的轉子基于致動器的四個邊緣中的每一個處的旋轉行程在200V下實現86μm的垂直偏轉，然后使用懸臂梁將其放大；然而，由于使用放大機構以及用于產生力的指狀物的小區域，其提供了低的輸出扭矩。