基于LIGA技术的微行星齿轮减速器的设计和制造
时间：2018/3/24 14:26:00
摘要：使用同步辐射光和X 射线掩模板的L IGA 技术能够制造大深宽比的三维微结构。详细讨论了基于该技术的微行星齿轮减速器的设计和制造，包括微行星齿轮减速器的设计、微齿轮X 射线掩模板的CAD 技术、X 射线深层光刻、微齿轮的微电铸和微复制，以及微行星齿轮减速器的微装配。目前已经得到了金属镍的厚度为400Lm 的太阳轮、行星轮，厚度为200 Lm 的固定内齿轮、旋转内齿轮，其齿数分别为15、11、36、39。用这些微齿轮装配成了一台模数为0.03 mm、减速比为44. 2、最大外径为2 mm 的微行星齿轮减速器，并将其成功地应用在直径为2 mm 的电磁型微马达上。
关键词：3K- 2 型微行星齿轮减速器；微齿轮；L IGA；电磁型微马达
微行星齿轮减速器可以降低微马达的转速，提高微马达的输出力矩，是微机电系统的重要组成部件。1994 年日本东芝技术研究所使用微细电火花技术(EDM ) 制造出了模数为0104 mm、减速比为44.2 的微行星齿轮减速器[ 1 ]；1998 年，上海交通大学用EDM 技术研制出了模数为0.06mm、减速比为44.2 的微行星齿轮减速器[ 2 ]。使用同步辐射光和X 射线掩模板的L IGA 技术能够制造大深宽比的三维微结构，该结构侧壁陡峭，表面平整[ 3 ]。利用LIGA 技术的特点，我们又研制出模数为0.3 mm、最大外径为2 mm 的3K- 2 型微行星齿轮减速器。
1 微行星齿轮减速器的设计
图1 是微行星齿轮减速器结构示意图，a、g、b、e 分别是太阳轮、行星轮、固定内齿轮、旋转内齿轮。太阳轮是输入轮，旋转内齿轮是输出轮。输入输出同轴。
图1 微行星齿轮减速器 有3个理论中心距，分别是太阳轮和行星轮的理论中心距aag，固定内齿轮和行星轮之间的理论中心距abg，旋转内齿轮和行星轮之间的理论中心距aeg。3 个理论中心距彼此不同，为了保证啮合，在行星轮g 和别的齿轮之间必须有一个共同的实际中心距。显然，实际中心距的最大值amax 和最小值amin 之间。为保证微齿轮的加工性和啮合性，避免微齿轮干涉，我们设定微齿轮的变位系数是正值，旋转内齿轮的变位系数x e =0。因为旋转内齿轮的齿数最多，旋转内齿轮的变位系数取为0 可有效降低微减速器的尺寸。基于以上设定，我们在amax 和am in 之间插值，就可以得到实际中心距为[ 4 ]
a = amin + 0.76 (amax - amin)
有了实际中心距，根据通常行星齿轮减速器的计算公式[ 5 ] ，就可计算出微齿轮的参数。表1 是模数为0.03 mm 的微行星齿轮减速器的计算参数。
关键词：3K- 2 型微行星齿轮减速器；微齿轮；L IGA；电磁型微马达
微行星齿轮减速器可以降低微马达的转速，提高微马达的输出力矩，是微机电系统的重要组成部件。1994 年日本东芝技术研究所使用微细电火花技术(EDM ) 制造出了模数为0104 mm、减速比为44.2 的微行星齿轮减速器[ 1 ]；1998 年，上海交通大学用EDM 技术研制出了模数为0.06mm、减速比为44.2 的微行星齿轮减速器[ 2 ]。使用同步辐射光和X 射线掩模板的L IGA 技术能够制造大深宽比的三维微结构，该结构侧壁陡峭，表面平整[ 3 ]。利用LIGA 技术的特点，我们又研制出模数为0.3 mm、最大外径为2 mm 的3K- 2 型微行星齿轮减速器。
1 微行星齿轮减速器的设计
图1 是微行星齿轮减速器结构示意图，a、g、b、e 分别是太阳轮、行星轮、固定内齿轮、旋转内齿轮。太阳轮是输入轮，旋转内齿轮是输出轮。输入输出同轴。
图1 微行星齿轮减速器 有3个理论中心距，分别是太阳轮和行星轮的理论中心距aag，固定内齿轮和行星轮之间的理论中心距abg，旋转内齿轮和行星轮之间的理论中心距aeg。3 个理论中心距彼此不同，为了保证啮合，在行星轮g 和别的齿轮之间必须有一个共同的实际中心距。显然，实际中心距的最大值amax 和最小值amin 之间。为保证微齿轮的加工性和啮合性，避免微齿轮干涉，我们设定微齿轮的变位系数是正值，旋转内齿轮的变位系数x e =0。因为旋转内齿轮的齿数最多，旋转内齿轮的变位系数取为0 可有效降低微减速器的尺寸。基于以上设定，我们在amax 和am in 之间插值，就可以得到实际中心距为[ 4 ]
a = amin + 0.76 (amax - amin)
有了实际中心距，根据通常行星齿轮减速器的计算公式[ 5 ] ，就可计算出微齿轮的参数。表1 是模数为0.03 mm 的微行星齿轮减速器的计算参数。
表1 模数为0.03mm的微行星齿轮减速器的计算参数 X射线掩模板的CAD技术及加工
在用L IGA 技术进行加工时，需要先制作出X 光掩模板图形，掩模板图形是通过矩形窗口在光刻胶上连续曝光而形成的。因此，用LIGA 技术制备微齿轮的第一步是要把齿轮进行矩形分割，且矩形窗口在0.1～ 150μm之间(视掩模板曝光机技术参数而定) ，分割要包容所有的区域，只允许重叠，不允许遗漏，否则，曝光不到的地方将不能显影成图形，齿轮的制作也只能以失败告终。基于以上考虑，将各个微齿轮图形分割成无数个长方形图形，并在坐标系中以五参数(M 、N 、Q、a、b)表示，其中M 、N 为长方形中心坐标，Q 为长方形一边与水平轴夹角，a、b 分别为长方形的边长。太阳轮、行星轮、固定内齿轮、旋转内齿轮分别被分割成1095、803、1548、1443 个曝光矩形窗口。这些矩形窗口转化成曝光机可识别的加工数据文件输出。图2 是太阳轮、外轮齿分割图，图3 是内齿轮、内轮齿分割图。
太阳轮、外轮齿分割图