.7 Sơ đồ phân tích lực trong kỳ hồi vị

ban đầu và trƣợt trên vành răng ngoài, lực tác dụng giữa chúng đƣợc chỉ ra trên hình 3.7. Theo định luật 3 Newton: '

el el

F  F

Với phản lực gồm hai thành phần: Fn1 là áp lực vng góc với bề mặt răng của thanh răng cóc dẫn và Ff1 là lực ma sát giữa răng của thanh răng cóc và vành răng ngồi, Ff2 là lực ma sát giữa thanh răng cóc dẫn với nền.

Ở đầu kỳ hồi vị, lực đàn hồi Fel thắng lực ma sát Ff1 và Ff2, trong đó:

Ff1 = fmFn1 = fm (Fel - Ff2)sin = fm [kp(i.p+ θ) – Ff2]sin (3. 16) Với i = 1, 2, 3, Ff1 nhận các giá trị lần lƣợt là 5,90; 10,83 và 15,75 (µN).

Lực ma sát Ff2 theo (3.7) có giá trị bằng 0,0026 (µN). Từ phƣơng trình (3.9), lực đàn hồi

Fel nhận các giá trị lần lƣợt là 31,08 ; 56,98 và 82,88 (µN). Dễ thấy điều kiện hồi vị ban đầu:

Fel > Ff1 + Ff2 (3. 17) đƣợc thỏa mãn.

Trên hình 3.7, Fs là lực đàn hồi lớn nhất của lò xo (chịu nén nhiều nhất khi răng của thanh dẫn đi qua đỉnh răng của vành răng ngồi) và đƣợc tính:

Fs = ks.h (3. 18)

Với ks = 2,37 µN.µm-1 là độ cứng của lị xo theo phƣơng y, h = 6 µm là chiều cao răng cóc.

Hình 3.7 Sơ đồ phân tích lực trong kỳ hồi vị O O y x Chiều hồi vị F’el– Ff2 Fel- Ff2 Fn1 Q Fs Ff1 α p=10m α h=6  m Ff2

60 Lực Q theo phƣơng y nén lò xo và làm cho hai răng cóc trƣợt trên nhau đƣợc tính:

' 1 2 2 1 . co s ( ). sin . co s ( ). sin 2 2 n el f el f Q  F   F F    F F  (3. 19)

Với α = 30° là góc nghiêng của răng cóc (hình 3.7). Điều kiện để thanh răng cóc dẫn có thể hồi vị về vị trí ban đầu là:

s F Q  (3. 20) Kết hợp các phƣơng trình (3.14) và (3.15) ta đƣợc: 2 1 .( . ) . sin 2 . 14.22 ( ) 2 p f s k i p F k h N            (3. 21)

Chỉ có giá trị i = 2 thỏa mãn điều kiện (3.21), điều này có nghĩa là mỗi bƣớc dẫn của cơ cấu kích hoạt đẩy vành răng đƣợc 2 bƣớc răng. Vậy, để đảm bảo vành răng có thể quay đƣợc, khi thay i = 2 và các giá trị đã biết vào (3.13) và (3.15), ta tính đƣợc giá trị điện áp dẫn nhỏ nhất Vmin = 76,45 (V) khi không xét đến ảnh hƣởng của hiệu ứng viền. Khi xét đến hiệu ứng viền Vmin = 71,48 (V).

Có thể thấy vì lý do thiết kế, có tồn tại khe hở giữa thanh răng cóc dẫn và vành răng cóc bên ngồi (θ  2 µm để thực hiện đƣợc q trình ăn mịn ion hoạt hóa sâu DRIE trong gia cơng MEMS) dẫn tới việc ăn khớp “hở”. Điều đó có thể dẫn tới hiện tƣợng trƣợt khi vi động cơ làm việc.

3.1.3 Đánh giá phƣơng án

+ Ưu điểm: Vi động cơ theo phƣơng án thiết kế kiểu 1 có các ƣu điểm nhƣ thời gian đáp ứng ngắn, điều khiển đơn giản và đặc biệt là công suất truyền lực lớn hơn so với các motor chế tạo bằng phƣơng pháp gia cơng bề mặt. Do các bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lƣợc là đối tƣợng đƣợc nghiên cứu và chế tạo tƣơng đối phổ biến trong MEMS, do đó loại vi động cơ này có thể đƣợc chế tạo dễ dàng bằng các công nghệ MEMS tiêu chuẩn sử dụng duy nhất một mặt nạ (mask).

Về mặt kết cấu, vi động cơ sử dụng cơ cấu răng cóc kết hợp với hệ thống chống đảo đơn giản để đảm bảo chuyển động quay một chiều của vành răng bên ngồi. Nhờ kết cấu phổ thơng, đơn giản, độ chính xác điều khiển đƣợc tăng lên so với nhiều loại vi động cơ khác ví dụ các động cơ chuyển động dạng sâu đo hay chuyển động bằng sóng âm.

61 - Nhược điểm: Nhƣợc điểm chủ yếu của thiết kế này là tồn tại khe hở giữa thanh răng cóc dẫn 7 với vành răng bên ngoài 5, cũng nhƣ khe hở  giữa cấu trúc liên kết với dầm của bộ ECA 2 và cấu trúc liên kết của thanh răng cóc dẫn 5 trong cơ cấu truyền chuyển động 4. Những khe hở này làm tăng thời gian trễ trong quá trình truyền chuyển động từ bộ vi kích hoạt/chấp hành ECA đến vành rotor bên ngoài.

62

3.2 Vi động cơ quay kiểu 2 3.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 3.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Về cơ bản cấu tạo của vi động cơ quay một chiều kiểu 2 tƣơng tự nhƣ động cơ kiểu 1 với bốn bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lƣợc liên kết với các cơ cấu truyền động, vành răng cóc và bốn cơ cấu chống đảo nhƣ trên hình 3.8. Tuy nhiên phần cơ cấu dẫn động đƣợc thiết kế thêm cơ cấu lẫy cài - lị xo. Từ vị trí ban đầu sau khi chế tạo (hình 3.9) phần thanh răng cóc dẫn sẽ đƣợc đẩy lên bởi đầu kim có đƣờng kính đủ nhỏ (cỡ 50μm) sang vị trí hoạt động (hình 3.10). Hai lẫy đƣợc đẩy lên vào hai gờ và cố định vị trí đó trong suốt q trình làm việc. Cơ cấu này có tác dụng làm cho thanh răng cóc dẫn ln tỳ lên vành răng cóc nhờ lị xo 9 ln bị nén, nhờ đó triệt tiêu khe hở dẫn động.