[发明专利]一种基于静电自激振动原理的梳齿结构驱动器

说明书

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。

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。