1.3.2 Các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện
Các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện đƣợc phân loại thành các động cơ bƣớc truyền thống (variable capacitance), động cơ có rotor lắc (wobble), động cơ sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành kiểu răng lƣợc và một số loại đặc biệt khác.
Vi động cơ bước kiểu tĩnh điện: Hệ thống đƣợc giới thiệu trong [9, 21] ở hình 1.2 đƣợc
coi là một trong những vi động cơ bƣớc quay đầu tiên đƣợc thiết kế. Cùng với thời gian, cấu trúc các vi động cơ bƣớc kiểu tĩnh điện ngày càng đƣợc hoàn thiện [22]. Trong [23], các tác giả đã tiến hành phân tích đánh giá hoạt động của từng loại động cơ gồm có dẫn động mặt trên (top-drive), dẫn động mặt cạnh (side-drive) và dẫn động mặt cạnh dạng điều hịa (harmonic side-drive) (hình 1.10).
Cố định Di động Thanh trƣợt Dẫn hướng Dẫn hướng Khe = 1.5 m Cơ cấu dẫn động Thanh trượt Cánh FL Khe hở = 3 m p1= 10m p2= 2.5m V2 V1 Cơ cấu kẹp V1 V2
14
Hình 1.10 Phân loại vi động cơ bước kiểu tĩnh điện
Vi động cơ bƣớc dẫn động mặt trên (hình 1.10a) có đƣờng kính lớn hơn hẳn so với các vi động cơ dẫn động mặt cạnh (hình 1.10b, c) – 300 m so với 100 m. Khác với hai loại còn lại dùng lực tiếp tuyến, vi động cơ bƣớc kiểu dẫn động mặt cạnh dạng điều hòa sử dụng các lực tĩnh điện pháp tuyển để tạo ra chuyển động. Về mặt lý thuyết, các vi động cơ dẫn động mặt trên có mơmen xoắn đầu ra lớn hơn, tuy nhiên các lực tĩnh điện tác động theo phƣơng thẳng đứng vng góc với trục động cơ có xu hƣớng kéo rotor chạm vào stator hoặc tiếp xúc với lớp nền. Để khắc phục nhƣợc điểm này, trong [24], các tác giả đã dùng chính các lực tĩnh điện để “treo” và ổn định vị trí của rotor. Cịn trong [25], nhóm nghiên cứu sử dụng các viên bi với đƣờng kính 284,50,25 m để tạo ra ổ đỡ cho rotor. Một số vi động cơ dẫn động mặt cạnh thiết kế cho một số ứng dụng đặc thù (nhƣ trong ổ cứng HDD) sẽ khơng cần thiết phải quay tồn vịng. Các động cơ [26], [27] chỉ lắc trong biên độ lần lƣợt là 150 và 130
ở điện áp làm việc tƣơng ứng là 65 V và 75 V.
Vi động cơ tĩnh điện kiểu rotor lắc (wobble motor): Trong các vi động cơ tĩnh điện, vấn
đề quan trọng là ổn định khoảng cách vốn đã rất nhỏ giữa các bản cực. Các vi động cơ quay với rotor lắc có hoặc rotor, hoặc các cực của stator đƣợc bọc bởi lớp vật liệu cách điện có thể khắc phục vấn đề đó. Trên hình 1.11 là sơ đồ ngun lý hoạt động của một vi động cơ kiểu rotor lắc tiêu biểu [28]:
Hình 1.11 Nguyên lý hoạt động vi động cơ kiểu rotor lắc
15 Chuyển động quay của rotor đƣợc tạo ra bằng cách lần lƣợt kích hoạt điện áp giữa rotor và các cực 1, 2, 3 và 4 của stator. Các vi động cơ dạng này có các ƣu điểm nhƣ cƣờng độ điện trƣờng cao, ma sát nhỏ hơn so với các vi động cơ bƣớc tĩnh điện thông thƣờng. Jacobsen là một trong những tác giả đầu tiên công bố về các vi động cơ kiểu rotor lắc. Trong [29], Jacobsen trình bày về 5 phƣơng án vi động cơ đƣợc thiết kế với đƣờng kính rotor trong khoảng 0,11 mm, chiều dài 120 mm, điệp áp dẫn 100300 V và số vòng quay từ 300100000 vịng/phút. Nhƣ trên hình 1.11, với các cực của stator bố trí xung quanh rotor và các thành phần của động cơ chỉ hoạt động trên cùng mặt phẳng sau khi đƣợc gia công bằng phƣơng pháp vi cơ bề mặt, việc kết nối động cơ với các thiết bị bên ngồi trở nên rất khó khăn. Để khắc phục nhƣợc điểm đó, Furuhata trong [30] giới thiệu vi động cơ với rotor ở bên ngoài và stator cố định bên trong (hình 1.12).
Hình 1.12 Các phương án bố trí rotor và stator
Để tăng cơng suất truyền lực của các vi động cơ loại này, ngoài phƣơng án giảm khoảng cách giữa các bản cực, còn giải pháp tăng diện tính của các bản cực, hay nói một cách khác, là tăng kích thƣớc của rotor hoặc stator. Nếu khơng sử dụng các loại vật liệu nhƣ nhôm, đồng [28-30], thì một trong các giải pháp là gia công trên silic bằng công nghệ LIGA [31] để thu đƣợc cấu trúc có chiều sâu 5001000 m. Giải pháp khác là thiết kế các động cơ với hai stator [31-32], hoặc với rotor có dạng ren vít [33-34]*
(* đây là vi động cơ có rotor quay nhƣng để thực hiện các dịch chuyển tịnh tiến).
Sử dụng rotor có dạng hình nón [28], hoặc dạng đĩa quay ngoài mặt phẳng chứa stator cũng góp phần làm tăng mơmen xoắn do có phần chồng giữa rotor và stator lớn hơn, giảm ma sát, tăng khả năng tích hợp của các vi động cơ tĩnh điện kiểu rotor lắc [35-36].
16
Hình 1.13 Vi động cơ với rotor đĩa quay ngồi mặt phẳng chứa stator
Trên hình 1.13 là vi động cơ có rotor đƣờng kính 2 mm, hoạt động trong dải điện áp 2080 V, vận tốc tối đa 7800 vịng/phút và có cơng suất 1 W - tƣơng đƣơng công suất của động cơ đồng hồ đeo tay.
Vi động cơ sử dụng bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lược:
Theo Min-Hang Bao [4], vi động cơ sử dụng bộ vi kích hoạt/chấp hành ECA này là một trong những loại động cơ phù hợp với công nghệ MEMS nhất, kể cả về mặt chế tạo cũng nhƣ ứng dụng. Các vi động cơ loại này tiếp tục đƣợc chia thành hai nhóm: dẫn động trực tiếp và dẫn động gián tiếp.
Hình 1.14 Vi động cơ TRA
Trong nhóm đầu tiên tiêu biểu là các vi động cơ răng cóc xoắn (torsional racheting motor), đƣợc phát triển bởi phịng thí nghiệm quốc gia Sandia [37-39]. Động cơ này sử dụng bộ vi kích hoạt/chấp hành răng lƣợc, với các phần di động đƣợc gắn khung chính. Bốn dầm cơng
17 xơn có nhiệm vụ đỡ khung đồng thời là lò xo xoắn hồi vị. Cơ cấu răng cóc và lẫy chống đảo có nhiệm vụ đảm bảo chuyển động quay một chiều của vành răng với đƣờng kính 750 μm bên ngồi (hình 1.14)
Vi động cơ TRA đƣợc gia cơng bằng quy trình SUMMiT. Đây là quy trình phức tạp, với nhiều bƣớc sử dụng công nghệ vi cơ bề mặt. Dƣới điện áp dẫn 0140 V, lực tác động tƣơng ứng nằm trong dải 0120 N.
Ở nhóm thứ hai, năm 1995, Garcia và Sniegowski giới thiệu về vi động cơ [40], trong đó chuyển động tịnh tiến qua lại của các bộ ECA đƣợc biến đổi thành chuyển động quay của rotor nhờ cơ cấu xilanh kép (hình 1.15). Bằng cách điều khiển hoạt động của các bộ ECA, động cơ có thể đổi chiều quay. Đƣợc chế tạo bằng công nghệ vi cơ bề mặt, động cơ đạt đƣợc vận tốc lên đến 200.000 vòng/phút, và đã đƣợc ứng dụng để dẫn động hệ bánh răng, hệ màn chập [41-42]…
Hình 1.15 Vi động cơ tĩnh điện dạng xilanh kép
Cũng sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lƣợc, nhƣng động cơ do Sammoura thiết kế chuyển động theo nguyên lý sâu đo (inchworm) [43]. Tám bộ vi kích hoạt/dẫn động kiểu GCA (gap closing actuator) đƣợc bố trí bên ngồi đĩa rotor với đƣờng kính 200 m, trong đó 4 bộ GCA đóng vai trị kẹp và 4 bộ còn lại để đẩy rotor quay với mômen xoắn 2,4 nNm. Với nguyên lý làm việc khác, Abraham Lee sử dụng chuyển động tịnh tiến qua lại của các bộ ECA để thông qua cần tạo ra dao động và làm rotor quay với vận tốc có thể lên tới 60000 vịng/phút [44].
Một số loại vi động cơ tĩnh điện quay khác:
Năm 2002, Linderman giới thiệu vi động cơ sử dụng các bộ kích hoạt/chấp hành SDA ứng dụng để thiết kế các quạt quay kích cỡ micro [45]. Trên hình 1.16 là sơ đồ hoạt động của hệ thống. Bản cực di động sẽ bị hút xuống lớp nền và chuyển động khi đóng và ngắt điện
18 áp tác dụng giữa hai bản cực. Động cơ hoạt động với dải điện áp 30150 V và đạt đƣợc vận tốc 180 vịng/phút.
Hình 1.16 Vi động cơ SDA
Ngồi ra, cũng có các phƣơng án vi động cơ tĩnh điện khác đƣợc công bố nhƣ vi động cơ dạng điện hoa (micro corona motor) [46], vi động cơ bƣớc dạng chêm (wedge step motor) [47].
Nhìn chung, các vi động cơ tĩnh điện có ƣu điểm là có tính tƣơng tích cao, có thể sinh ra lực cũng nhƣ mơmen lớn. Đây là nhóm động cơ đƣợc nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất trong công nghệ MEMS.
1.4 Vi động cơ kiểu điện từ (Electromagnetic micro motor)
So với các loại hiệu ứng khác, hiệu ứng điện từ giúp các vi động cơ có thể tạo đƣợc chuyển động liên tục với các bƣớc nhỏ hơn (smoother motion). Tuy nhiên, ƣu điểm nổi trội nhất của các vi động cơ điện từ là khả năng tạo đƣợc chuyển động với hành trình lớn. Đây cũng là lý do đa số các vi động cơ đƣợc thiết kế dựa trên hiệu ứng này là các động cơ tịnh tiến.
1.4.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu điện từ
Các vi động cơ kiểu này đều có stator là đƣờng dẫn và con trƣợt hay thanh trƣợt chuyển động trên đƣờng dẫn đó. Trong [48], tác giả giới thiệu về động cơ tịnh tiến đồng bộ LSM (linear synchronous motor) với stator gồm các cuộn dây tạo thành lõi dẫn từ 3 pha. Khi kích từ cho stator, từ trƣờng sẽ tƣơng tác với nam châm vĩnh cửu trên con trƣợt và tạo ra chuyển động tịnh tiến của con trƣợt.
19
Hình 1.17 Vi động cơ LSM
Trên hình 1.17 là sơ đồ cấu tạo của hai loại vi động cơ LSM phân biệt nhau bởi cấu trúc lõi dẫn từ trên stator và nam châm vĩnh cửu trên rotor. Động cơ đƣợc thử nghiệm và có hành trình 60 mm với độ chính xác cao do có hệ thống điều khiển phản hồi.
Demmig, Gehrking và nhóm nghiên cứu trong [49] thực hiện mơ phỏng thiết lập đặc tính của các phƣơng án vi động cơ tịnh tiến điện từ, trong đó ngồi các vi động cơ LSM, cịn có các động cơ bƣớc kiểu từ trở LRM (reluctance stepping motor) và động cơ lai hybrid (hình 1.18).
Hình 1.18 Các loại vi động cơ tịnh tiến kiểu điện từ
Các tác giả nói trên cũng giới thiệu thiết kế động cơ bƣớc kiểu từ trở với stator dẫn bị động gồm 6 hệ con, mỗi hệ gồm hai hàng cực đƣợc bố thí theo các răng dọc theo phƣơng chuyển động. Qua đó hình thành động cơ bƣớc 6 pha, với mỗi bƣớc có độ lớn 16,7 m [50]. Trong [51-52], nhóm nghiên cứu cũng sử dụng nam châm vĩnh cửu tích hợp trên stator. Điểm khác biệt là cả cấu trúc động cơ có dạng ống với rotor trƣợt bên trong hệ thống. Vi động cơ này đƣợc sử dụng để dẫn động mobile robot kiểu sâu đo với kích thƣớc 7x10 mm .
20
1.4.2 Các vi động cơ quay kiểu điện từ
Các động cơ quay điện từ rất quen thuộc và phổ biến trong cuộc sống, tuy nhiên trong thế giới micro, khơng có nhiều cơng trình nghiên cứu về các vi động cơ kiều này đƣợc công bố. Một trong những vi động cơ điện từ đầu tiên [53] đƣợc thiết kế với các cuộn cảm điện đƣợc cuốn để tạo thành stator và dẫn động rotor với đƣờng kính 500 m và vận tốc tối đa 500 vịng/phút (hình 1.19). Với dịng có cƣờng độ 500 mA đƣợc cấp cho các cực của stator, động cơ có mơmen xoắn dự kiến là 1,2 Nm.
Hình 1.19 Vi động cơ quay kiểu điện từ
Hình 1.20 Vi động cơ điện từ với rotor lắc
Hiệu ứng điện từ cũng đƣợc ứng dụng để thiết kế các vi động cơ có rotor lắc (wobble motor). Trong [54] là vi động cơ với rotor lắc với biên dạng rotor và stator đƣợc tạo thành bởi các cung cong, với mục tiêu khắc phục hiện tƣợng trƣợt trong các vi động cơ loại này. Động cơ đƣợc chế tạo có đƣờng kính 10 mm, ứng với dịng 240 mA sẽ có mơmen xoắn đầu ra 350 Nm, và có tiềm năng ứng dụng trong micro robot nội soi (hình 1.20)
21 Nhóm nghiên cứu trong [55] giới thiệu vi động cơ với đĩa rotor đƣờng kính 2500 m lắc ngồi mặt phẳng chứa 12 cực stator với ứng dụng là con quay hồi chuyển.
1.5 Vi động cơ kiểu nhiệt điện (Electrothermal micro motor)
Một trong những hiệu ứng dẫn động đƣợc sử dụng phổ biến trong MEMS là hiệu ứng nhiệt điện (Electrothermal effect). Khác với các động cơ sử dụng hiệu ứng tĩnh điện và hiệu ứng điện từ phải hoạt động với điệp áp dẫn cao để đạt đƣợc chuyển vị và lực lớn, các vi động cơ nhiệt điện chỉ cần điện áp tƣơng đối nhỏ để thu đƣợc hiệu quả tƣơng tự. Mặc dù vẫn có các nhƣợc điểm nhƣ nhiệt sinh ra lớn, hiệu suất khơng cao, tốc độ đáp ứng thấp…, nhƣng nhìn chung, các vi động cơ kiểu nhiệt điện có tiềm năng lớn trong nghiên cứu và ứng dụng thực tế. Do đặc thù của dẫn động nhiệt, đa phần các vi động cơ nhiệt đều sử dụng nguyên lý chuyển động dạng sâu đo hoặc ma sát, với nhiệm vụ dẫn động do các bộ vi kích hoạt/chấp hành nhiệt dạng chữ V, chữ Z, dạng hot arm – cold arm, hoặc do các cấu trúc đàn hồi (compliant mechanism) ... đảm nhận.
1.5.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu nhiệt điện
Vi động cơ có thanh trượt chuyển động do ma sát: Trong các dạng bộ vi kích hoạt/chấp
hành nhiệt, có thể nói thơng dụng nhất là dạng chữ V (V-shape/chevron). Sử dụng ba bộ vi kích hoạt/chấp hành chữ V này, thanh trƣợt với chiều dài 750 m trong động cơ [56] có
thể di chuyển với vận tốc 250 m/s và tạo ra lực đẩy lớn hơn 14 N. Trên hình 1.21 lần
lƣợt là sơ đồ cấu trúc và ảnh SEM chụp vi động cơ. Nguyên lý làm việc của động cơ khá đơn giản, với bƣớc đầu tiên là cả 3 bộ vi kích hoạt/chấp hành VTA đều đƣợc cấp điện và đẩy thanh trƣợt tịnh tiến. Trong bƣớc tiếp theo, bộ VTA thứ 3 trở về vị trí ban đầu. Do ma sát giữa hai bộ VTA còn lại với thanh trƣợt lớn hơn ma sát giữa bộ VTA thứ 3 với thanh trƣợt, nên thanh trƣợt vẫn giữ ngun vị trí, khơng bị đẩy ngƣợc lại vị trí lúc trƣớc. Tiếp theo VTA2 và 3 lặp lại các bƣớc tƣơng tự.
Ali Khiat và nhóm nghiên cứu dùng nguyên lý dẫn động tƣơng tự nhƣng với các bộ vi kích hoạt/chấp hành nhiệt dạng thanh đơn giản có chiều dài 550 m với cổ đàn hồi [57]. Các bộ kích hoạt/chấp hành này đƣợc bố trí theo từng nhóm dọc theo thanh trƣợt. Cả hệ thống đƣợc chế tạo trên tấm silic kép với chiều dày lớp thiết bị và lớp nền lần lƣợt là 50 m và 350 m.
22
Hình 1.21 Vi động cơ tịnh tiến với các bộ vi kích hoạt/chấp hành chữ V
Vi động cơ tịnh tiến dạng sâu đo: Đây là cơ cấu truyền động đƣợc ứng dụng phổ biến
trong các vi động cơ kiểu nhiệt điện. Trong [58], các tác giả sử dụng hai cặp các bộ vi kích hoạt/chấp hành nhiệt dạng chữ V để kẹp và đẩy, qua đó đảm bảo chuyển động tịnh tiến một chiều của thanh trƣợt. Làm việc ở mức điện áp dẫn 12 V, rotor có vận tốc lên đến 1 mm/s, tạo đƣợc lực 6,7 mN và đạt đƣợc hành trình 2000 m (hình 1.22).
Hình 1.22 Vi động cơ dạng sâu đo với các bộ vi kích hoạt/chấp hành chữ V
Kolesar sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành dạng hai nhánh khác tiết diện “hot arm - cold arm”, thay cho các bộ vi kích hoạt dạng chữ V thơng thƣờng, để thiết kế vi động cơ tịnh tiến hai chiều [59-61]. Trên hình 1.23a là sơ đồ kết cấu của bộ kích hoạt/chấp hành dạng “hot arm - cold arm” với chiều dài nhánh “lạnh” 250 m. Vi động cơ trên hình 1.23b
(a)
(c) (b)
23 dùng hai nhóm gồm 8 bộ kích hoạt/chấp hành để dẫn động hai chiều thanh rotor. Hai nhóm gồm 3 bộ kích hoạt/chấp hành có tác dụng kẹp tạo nên tiếp xúc giữa răng của má kẹp và thanh rotor đề đảm bảo chuyển động của rotor. Các tác giả cũng đề xuất ứng dụng của vi động cơ trong bộ truyền thanh răng - bánh răng kích thƣớc micro.
Hình 1.23 Vi động cơ tịnh tiến với các bộ kích hoạt/chấp hành dạng “hot arm - cold arm”
Trong [62], để dẫn động của thanh trƣợt, các tác giả sử dụng cơ cấu khớp mềm (compliant