摘要：使用同步輻射光和X 射線掩模板的L IGA 技術(shù)能夠制造大深寬比的三維微結(jié)構(gòu)。詳細(xì)討論了基于該技術(shù)的微行星齒輪減速器的設(shè)計和制造，包括微行星齒輪減速器的設(shè)計、微齒輪X 射線掩模板的CAD 技術(shù)、X 射線深層光刻、微齒輪的微電鑄和微復(fù)制，以及微行星齒輪減速器的微裝配。目前已經(jīng)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(nèi)齒輪、旋轉(zhuǎn)內(nèi)齒輪，其齒數(shù)分別為15、11、36、39。用這些微齒輪裝配成了一臺模數(shù)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(yīng)用在直徑為2 mm 的電磁型微馬達(dá)上。
關(guān)鍵詞：3K- 2 型微行星齒輪減速器；微齒輪；L IGA；電磁型微馬達(dá)
微行星齒輪減速器可以降低微馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，提高微馬達(dá)的輸出力矩，是微機電系統(tǒng)的重要組成部件。1994 年日本東芝技術(shù)研究所使用微細(xì)電火花技術(shù)(EDM ) 制造出了模數(shù)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(xué)用EDM 技術(shù)研制出了模數(shù)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(shù)能夠制造大深寬比的三維微結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)側(cè)壁陡峭，表面平整[ 3 ]。利用LIGA 技術(shù)的特點，我們又研制出模數(shù)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(shè)計
圖1 是微行星齒輪減速器結(jié)構(gòu)示意圖，a、g、b、e 分別是太陽輪、行星輪、固定內(nèi)齒輪、旋轉(zhuǎn)內(nèi)齒輪。太陽輪是輸入輪，旋轉(zhuǎn)內(nèi)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(nèi)齒輪和行星輪之間的理論中心距abg，旋轉(zhuǎn)內(nèi)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(shè)定微齒輪的變位系數(shù)是正值，旋轉(zhuǎn)內(nèi)齒輪的變位系數(shù)x e =0。因為旋轉(zhuǎn)內(nèi)齒輪的齒數(shù)最多，旋轉(zhuǎn)內(nèi)齒輪的變位系數(shù)取為0 可有效降低微減速器的尺寸�；谝陨显O(shè)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(jù)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(shù)。表1 是模數(shù)為0.03 mm 的微行星齒輪減速器的計算參數(shù)。
表1 模數(shù)為0.03mm的微行星齒輪減速器的計算參數(shù)
 2 X射線掩模板的CAD技術(shù)及加工
在用L IGA 技術(shù)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(xù)曝光而形成的。因此，用LIGA 技術(shù)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(shù)參數(shù)而定) ，分割要包容所有的區(qū)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(shù)個長方形圖形，并在坐標(biāo)系中以五參數(shù)(M 、N 、Q、a、b)表示，其中M 、N 為長方形中心坐標(biāo)，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(nèi)齒輪、旋轉(zhuǎn)內(nèi)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(zhuǎn)化成曝光機可識別的加工數(shù)據(jù)文件輸出。圖2 是太陽輪、外輪齒分割圖，圖3 是內(nèi)齒輪、內(nèi)輪齒分割圖。
圖2 太陽輪、外輪齒分割圖
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