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          技術知識:
          基于LIGA技術的微行星齒輪減速器的設計和制造
          時間:2018/3/24 14:26:00
              摘要:使用同步輻射光和X 射線掩模板的L IGA 技術能夠制造大深寬比的三維微結構。詳細討論了基于該技術的微行星齒輪減速器的設計和制造,包括微行星齒輪減速器的設計、微齒輪X 射線掩模板的CAD 技術、X 射線深層光刻、微齒輪的微電鑄和微復制,以及微行星齒輪減速器的微裝配。目前已經得到了金屬鎳的厚度為400Lm 的太陽輪、行星輪,厚度為200 Lm 的固定內齒輪、旋轉內齒輪,其齒數分別為15、11、36、39。用這些微齒輪裝配成了一臺模數為0.03 mm、減速比為44. 2、最大外徑為2 mm 的微行星齒輪減速器,并將其成功地應用在直徑為2 mm 的電磁型微馬達上。
          關鍵詞:3K- 2 型微行星齒輪減速器;微齒輪;L IGA;電磁型微馬達

            微行星齒輪減速器可以降低微馬達的轉速,提高微馬達的輸出力矩,是微機電系統的重要組成部件。1994 年日本東芝技術研究所使用微細電火花技術(EDM ) 制造出了模數為0104 mm、減速比為44.2 的微行星齒輪減速器[ 1 ];1998 年,上海交通大學用EDM 技術研制出了模數為0.06mm、減速比為44.2 的微行星齒輪減速器[ 2 ]。使用同步輻射光和X 射線掩模板的L IGA 技術能夠制造大深寬比的三維微結構,該結構側壁陡峭,表面平整[ 3 ]。利用LIGA 技術的特點,我們又研制出模數為0.3 mm、最大外徑為2 mm 的3K- 2 型微行星齒輪減速器。

          1 微行星齒輪減速器的設計

            圖1 是微行星齒輪減速器結構示意圖,a、g、b、e 分別是太陽輪、行星輪、固定內齒輪、旋轉內齒輪。太陽輪是輸入輪,旋轉內齒輪是輸出輪。輸入輸出同軸。
          圖1 微行星齒輪減速器

            有3個理論中心距,分別是太陽輪和行星輪的理論中心距aag,固定內齒輪和行星輪之間的理論中心距abg,旋轉內齒輪和行星輪之間的理論中心距aeg。3 個理論中心距彼此不同,為了保證嚙合,在行星輪g 和別的齒輪之間必須有一個共同的實際中心距。顯然,實際中心距的最大值amax 和最小值amin 之間。為保證微齒輪的加工性和嚙合性,避免微齒輪干涉,我們設定微齒輪的變位系數是正值,旋轉內齒輪的變位系數x e =0。因為旋轉內齒輪的齒數最多,旋轉內齒輪的變位系數取為0 可有效降低微減速器的尺寸;谝陨显O定,我們在amax 和am in 之間插值,就可以得到實際中心距為[ 4 ]

          a = amin + 0.76 (amax - amin)

            有了實際中心距,根據通常行星齒輪減速器的計算公式[ 5 ] ,就可計算出微齒輪的參數。表1 是模數為0.03 mm 的微行星齒輪減速器的計算參數。

          表1 模數為0.03mm的微行星齒輪減速器的計算參數  X射線掩模板的CAD技術及加工

            在用L IGA 技術進行加工時,需要先制作出X 光掩模板圖形,掩模板圖形是通過矩形窗口在光刻膠上連續曝光而形成的。因此,用LIGA 技術制備微齒輪的第一步是要把齒輪進行矩形分割,且矩形窗口在0.1~ 150μm之間(視掩模板曝光機技術參數而定) ,分割要包容所有的區域,只允許重疊,不允許遺漏,否則,曝光不到的地方將不能顯影成圖形,齒輪的制作也只能以失敗告終;谝陨峡紤],將各個微齒輪圖形分割成無數個長方形圖形,并在坐標系中以五參數(M 、N 、Q、a、b)表示,其中M 、N 為長方形中心坐標,Q 為長方形一邊與水平軸夾角,a、b 分別為長方形的邊長。太陽輪、行星輪、固定內齒輪、旋轉內齒輪分別被分割成1095、803、1548、1443 個曝光矩形窗口。這些矩形窗口轉化成曝光機可識別的加工數據文件輸出。圖2 是太陽輪、外輪齒分割圖,圖3 是內齒輪、內輪齒分割圖。  太陽輪、外輪齒分割圖

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