DE69824364T2

DE69824364T2 - Elektrostatischer Betätiger

Info

Publication number: DE69824364T2
Application number: DE69824364T
Authority: DE
Inventors: Carl P. Redwood City Taussig; Richard E. Palo Alto Elder
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1997-10-27
Filing date: 1998-10-27
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2018-10-28
Also published as: US6181050B1; EP0911952A3; DE69824364D1; EP0911952A2; EP0911952B1; JPH11215852A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrostatische Betätigungsglieder und im besonderen auf in Mikrobearbeitung hergestellte elektrostatische Betätigungsglieder und auf elektrostatische Mikromotoren mit einer großen innerhalb der Ebene vorliegenden Kraft und ohne eine außerhalb der Ebene vorliegende Kraft.
Mit dem Aufkommen von Mikrobearbeitungstechniken erwachte auch neues Interesse an elektrostatischen Betätigungsgliedern, die manchmal als „Mikromotoren" bezeichnet werden. Elektrostatische Betätigungsglieder erreichen hohe Energiedichten und können unter Verwendung unkomplizierter Herstellungstechniken hergestellt werden. Elektrostatische Betätigungsglieder wurden bisher verwendet, um optische Bauelemente zu positionieren, Schalter zu bedienen und kleine Zahnräder zu drehen. Für hochmoderne Datenspeicherbauelemente oder andere Anwendungen werden in Mikrobearbeitung hergestellte Betätigungsglieder benötigt, die einen großen Verfahrweg aufweisen, deren Positionierung mit hoher Präzision gesteuert werden kann, und die ansprechend auf eine niedrige Betätigungsspannung arbeiten. Diese Erfordernisse werden durch bekannte in Mikrobearbeitung hergestellte elektrostatische Betätigungsglieder nicht erfüllt.
Ein in Mikrobearbeitung hergestelltes elektrostatisches Betätigungsglied, das einige der obigen Anforderungen erfüllt, wurde von Trimmer und Gabriel in Design Considerations for a Practical Electrostatic Micro-Motor, SENSORS AND ACTUATORS, Vol. 11, Seiten 189–206 (1987) und in der US-Patentschrift Nr. 4,754,185 beschrieben. Diese Dokumente beschreiben ein elektrostatisches Betätigungsglied, bei dem ein geerdetes bewegliches Siliziumsubstrat oder ein „Rotor" (der manchmal als „Verschiebungsvorrichtung" bezeichnet wird) relativ zu einem feststehenden Siliziumsubstrat oder „Stator" bewegt wird. Der Stator weist mehrere Sätze von Elektroden auf seiner Oberfläche auf, von denen einer bei einer sich von Masse unterscheidenden Spannung gehalten wird, um den Rotor zu positionieren. Eine schrittweise Bewegung wird dadurch geliefert, daß die Abstände der Stator- und Rotorelektroden in einer Noniusbeziehung eingestellt werden. Da die Rotorelektroden alle dieselbe Spannung, d. h. Massepotential, aufweisen, vereinfacht dies die Herstellung des Bauelements beträchtlich.
Das von Trimmer und Gabriel beschriebene elektrostatische Betätigungsglied erfüllt jedoch nicht alle oben dargelegten Anforderungen. Beispielsweise ist eine Betätigungsspannung von etwa 100 V erforderlich, um in der Richtung, die parallel zu der Ebene der Rotoroberfläche ist, eine Kraft (eine „auf der Ebene vorliegende Kraft") in der Bandbreite von Kräften auszuüben, die erforderlich sind, um ein hochmodernes Speicherbauelement zu betreiben. Diese Betätigungsspannung liegt außerhalb der Bandbreite von Spannungen, die unter Verwendung integrierter CMOS-Schaltungen gesteuert werden können. Ferner wird die innerhalb der Ebene vorliegende Kraft durch eine zu der Ebene des Rotors senkrechte außerhalb der Ebene vorliegende Kraft begleitet. Die außerhalb der Ebene vorliegende Kraft zieht den Rotor zu dem Stator hin an und ist sogar zehnmal größer als die innerhalb der Ebene vorliegende Kraft.
Die starke außerhalb der Ebene vorliegende Anziehungskraft erlegt der Aufhängung, die verwendet wird, um die Entfernung zwischen dem Rotor und dem Stator aufrechtzuerhalten, beträchtliche Einschränkungen auf. Bei elektrostatischen Betätigungsgliedern einer herkömmlichen Größe können Abstandshalter, Lager und Schmierschichten verwendet werden, um den Rotor gegen die Anziehungskraft zu tragen. Bei Strukturen im Mikrobereich ist es jedoch schwieriger, eine effektive Möglichkeit zu liefern, die Entfernung zwischen dem Rotor und Stator ohne hohe Reibungskräfte, die den Betrieb beeinträchtigen, aufrechtzuerhalten.
Gefaltete Balkenbiegevorrichtungen werden sehr häufig bei in Mikrobearbeitung hergestellten Bauelementen verwendet, um den Rotor über dem Stator zu tragen. Hochmoderne Datenspeicheranwendungen erfordern Betätigungsglieder, die sich 25 μm lateral bewegen können, während sie die Entfernung zwischen Rotor und Stator bis zu einer Genauigkeit von 0,1 μm aufrechterhalten. Falls das Verhältnis der außerhalb der Ebene vorliegenden Kraft zu der innerhalb der Ebene vorliegenden Kraft annähernd 10 ist, wie bei dem von Trimmer und Gabriel beschriebenen elektrostatischen Betätigungsglied, so müßte eine 2 μm breite Strahlbiegeschwingung mindestens 100 μm hoch sein, um eine ausreichende außerhalb der Ebene vorliegende Steifheit aufzuweisen. Eine derartige Struktur ist unter Verwendung einer herkömmlichen Verarbeitung äußerst schwierig herzustellen.
Ein erster Lösungsansatz, die Auswirkungen der außerhalb der Ebene vorliegenden Anziehungskräfte bei in Mikrobearbeitung hergestellten Bauelementen abzumildern, besteht darin, zwei stationäre Elektrodenplatten auf gegenüberliegenden Seiten einer beweglichen Platte zu verwenden. Durch Auswählen der entsprechenden Elektrodenkonfiguration ist es möglich, die sich bewegende Platte bei einer relativ stabilen Position zwischen den beiden stationären Platten schweben zu lassen. Dieser Lösungsansatz erfordert jedoch während der Herstellung und/oder Montage eine präzise Prozeßsteuerung.
Ein zweiter bekannter Lösungsansatz, der auf in Mikrobearbeitung hergestellte Bauelemente angewandt werden kann, besteht darin, das Gewicht des beweglichen Substrats zu nutzen, um der Anziehungskraft entgegenzuwirken. Da dieser Lösungsansatz jedoch nicht funktioniert, wenn das elektrostatische Betätigungsglied geneigt ist, ist seine Brauchbarkeit beträchtlich eingeschränkt.
Bei beiden der oben erörterten Lösungsansätze werden die Rotorelektroden alle auf einer einzigen Spannung gehalten.
Es ist bekannt, daß elektrostatische Betätigungsglieder im Makrobereich drei oder mehr Spannungen aufweisen, die sowohl an dem Stator als auch an dem Rotor vorliegen. Ein Lösungsansatz unter Verwendung eines Dreiphasen-Oszillationsspannungsmusters ist in der US-Patentschrift Nr. 5,534,740 von Higuchi et al. beschrieben. Dieser Lösungsansatz kann eine sehr große innerhalb der Ebene vorliegende Kraft erzeugen. Jedoch wird die große innerhalb der Ebene vorliegende Kraft durch eine große außerhalb der Ebene vorliegende Kraft begleitet, die etwa viermal größer ist als die innerhalb der Ebene vorliegende Kraft. Oszillationsspannungen von ungefähr 200 Volt sind erforderlich, um eine innerhalb der Ebene vorliegende Kraft einer ausreichenden Höhe zu erzeugen, um die Reibung in den Aufhängungselementen zu überwinden. Deshalb skaliert dieser Lösungsansatz zweckmäßigerweise nicht zu einem in Mikrobearbeitung hergestellten Bauelement, aufgrund der großen außerhalb der Ebene vorliegenden Kraft und des Erfordernisses, drei Oszillationsspannungen mit den Rotorelektroden zu verbinden. Eine Herstellung von elektrischen Verbindungen mit einem beweglichen Rotor ist schwierig, insbesondere für einen in Mikrobearbeitung hergestellten Rotor, deshalb ist es wünschenswert, die Anzahl von Spannungen, die an den Rotorelektroden vorliegen, zu minimieren. Ferner sollte die Art und Weise, auf die die Spannungen mit der Zeit variieren, so einfach wie möglich gestaltet werden.
Manche herkömmlichen elektrostatischen Betätigungsglieder liefern eine präzise Positionssteuerung und eine große Verfahrweg-Bandbreite, können jedoch nicht einfach zur Verwendung bei in Mikrobearbeitung hergestellten elektrostatischen Betätigungsgliedern skaliert werden. Der Grund dafür ist, daß diese Betätigungsglieder mit Betätigungsspannungen operieren, die größer sind als diejenigen, die unter Verwendung integrierter CMOS-Schaltungen gesteuert werden können, eine außerhalb der Ebene vorliegende Kraft erzeugen, die relativ zu der innerhalb der Ebene vorliegenden Kraft zu groß ist, und erfordern, daß zu viele elektrische Verbindungen mit dem Rotor hergestellt werden.
Es besteht ein Bedarf an einem elektrostatischen Betätigungsglied und einer Möglichkeit, ein elektrostatisches Betätigungsglied zu steuern, das bzw. die ein präzises Positionieren liefert und das bzw. die unter Verwendung integrierter CMOS-Schaltungen gesteuert werden kann. Ferner besteht ein Bedarf an einem derartigen elektrostatischen Betätigungsglied, das unter Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken hergestellt werden kann, die ein ähnliches Verarbeiten verwenden wie dasjenige, das zum Herstellen integrierter Schaltungen eingesetzt wird.
In der US-Patentanmeldung 08/818,209, die am 14. März 1997 eingereicht wurde, den Titel „Electronic Actuator With Alternating Voltage Patterns" trägt, deren Erfinder Storrs Hoen and Carl Taussig sind (hiernach als „frühere Erfindung" bezeichnet) und die der gleichzeitig anhängigen europäischen Patentanmeldung 0865151 entspricht, ist ein in der Technik bisher unbekanntes elektrostatisches Betätigungsglied beschrieben, das diese Erfordernisse teilweise erfüllt. Elektroden, die auf gegenüberliegenden Elektrodenoberflächen sowohl des Rotors als auch des Stators angeordnet sind, sind mit einem Wechselspannungsmuster beaufschlagt. Das Betätigungsglied liefert eine beträchtlich geringere außerhalb der Ebene vorliegende Kraft für eine gegebene innerhalb der Ebene vorliegende Kraft. Das Betätigungsglied liefert eine innerhalb der Ebene vorliegende Kraft im Bereich von Kräften, die bei einem hochmodernen Speicherbauelement benötigt werden, wenn es mit Betätigungsspannungen betrieben wird, die in dem Bereich liegen, der unter Verwendung integrierter CMOS-Schaltungen gesteuert werden kann. Das Betätigungsglied kann unter Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken hergestellt werden, die eine ähnliche Verarbeitung verwenden wie diejenige, die zum Herstellen integrierter Schaltungen eingesetzt wird.
Das elektrostatische Betätigungsglied umfaßt einen Stator mit einem ersten linearen Array von Elektroden, das entlang einer gegenüberliegenden Oberfläche angeordnet ist, und einen Rotor mit einem zweiten Linienarray von Elektroden, das entlang einer gegenüberliegenden Oberfläche gegenüber der gegenüberliegenden Oberfläche des Stators angeordnet ist. Die gegenüberliegenden Oberflächen des Stators und des Rotors sind durch eine Entfernung d beabstandet. Der Rotor ist relativ zu dem Stator getragen, um es dem Rotor zu ermöglichen, sich in der innerhalb der Ebene vorliegenden Richtung parallel zu den gegenüberliegenden Oberflächen zu bewegen. Anfänglich werden die Elektroden sowohl auf dem Rotor als auch dem Stator mit einem Wechselspannungsmuster beaufschlagt. Beispielsweise wird an jede zweite Elektrode in jedem Array ein erster Spannungspegel angelegt, und an jede Elektrode, die zu den Elektroden auf dem ersten Spannungspegel benachbart ist, wird ein zweiter Spannungspegel, der sich von dem ersten Spannungspegel unterscheidet, angelegt. Durch Einbringen einer örtlichen Störung in das Wechselspannungsmuster an dem Stator kann der Rotor um eine präzise Entfernung in der innerhalb der Ebene vorliegenden Richtung bewegt werden.
Die Wechselspannungsmuster verringern nicht selbst die außerhalb der Ebene vorliegende Anziehungskraft auf einen Pegel, der mit der großen innerhalb der Ebene vorliegenden Kraft vergleichbar ist. Um die außerhalb der Ebene vorliegende Kraft für eine gegebene innerhalb der Ebene vorliegende Kraft zu verringern, muß das Verhältnis zwischen Abstand und Entfernung, p/d, das das Verhältnis zwischen dem Elektrodenabstand p des Rotors und der Entfernung d zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen des Rotors und des Stators ist, in einem optimalen Bereich liegen. Eine verwendbar geringe außerhalb der Ebene vorliegende Kraft ergibt sich, wenn das Abstand/Entfernung-Verhältnis geringer ist als acht. Die außerhalb der Ebene vorliegende Kraft wird für eine gegebene innerhalb der Ebene vorliegende Kraft minimiert, wenn das Abstand/Entfernung-Verhältnis geringer ist als etwa 2,25.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine innerhalb der Ebene vorliegende Bewegung durch ein getriebenes Schrittgeberarray von Elektroden, das auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Rotors angeordnet ist, und ein entsprechendes Schrittgeber-Treiberarray aus Elektroden, das auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Stators angeordnet ist, geliefert. Jedes getriebene Array weist eine gerade Anzahl n_r von Rotorelektroden auf, und jedes Treiberarray weist eine ungerade Anzahl n_s von Statorelektroden auf, so daß n_s = n_r ± 1. Das Verhältnis des Abstands der getriebenen Elektroden zu dem Abstand der Statorelektroden beträgt n_s/n_r.
Die Treiberelektroden können alternativ auf dem Rotor angeordnet sein, wobei die getriebenen Elektroden in diesem Fall auf dem Stator angeordnet sind. In diesem Fall weist jedes getriebene Array eine gerade Anzahl von Statorelektroden auf, und jedes Treiberarray weist eine ungerade Anzahl von Rotorelektroden auf, die sich bezüglich ihrer Anzahl von der Anzahl der Statorelektroden um Eins unterscheiden. Das Verhältnis des Abstands der getriebenen Elektroden zu dem Abstand der Statorelektroden ist gleich dem Verhältnis der Anzahl von Rotorelektroden zu der Anzahl von Statorelektroden.
Wie oben beschrieben wurde, herrscht an den Elektrodenarrays, die auf sowohl dem Stator als auch dem Rotor angeordnet sind, anfänglich ein Wechselspannungsmuster vor. Das Wechselspannungsmuster an dem Stator wechselt zwischen der ersten Spannung und der zweiten Spannung, wobei die erste Spannung an die erste Elektrode in dem Statorarray angelegt ist. Eine innerhalb der Ebene vorliegende Bewegung des Rotors wird durch ein lokales Stören des anfänglichen Wechselspannungsmusters induziert, indem die Spannung an der ersten Elektrode von der ersten Spannung zu der zweiten Spannung umgeschaltet wird. Eine weitere innerhalb der Ebene vorliegende Bewegung kann durch ein Umschalten der zweiten Stator-elektrode zu der ersten Spannung induziert werden, wobei die Spannung an der ersten Elektrode unverändert bei der zweiten Spannung bleibt.
Die soeben beschriebene Funktionsweise unterwirft den Rotor einer auf den Stator gerichteten Anziehungskraft. Im Gegensatz zu dem Fall, bei dem alle Rotorelektroden auf derselben Spannung gehalten werden, kann die Größe der außerhalb der Ebene vorliegenden Anziehungskraft jedoch um einen Faktor von ungefähr zehn auf einen Pegel reduziert werden, der ungefähr gleich der an den Rotor angelegten maximalen innerhalb der Ebene vorliegenden Kraft ist. Falls der Rotor durch Balkenbiegevorrichtungen aufgehängt ist, verringert diese Reduktion der außerhalb der Ebene vorliegenden Kraft um einen Faktor von zehn das Seitenverhältnis der Balkenbiegevorrichtungen auf eines, das ohne weiteres anhand herkömmlicher Techniken hergestellt werden kann.
Ein weiterer Vorteil des elektrostatischen Betätigungsgliedes gemäß dieser früheren Erfindung besteht darin, daß es eine große innerhalb der Ebene vorliegende Kraft für eine gegebene Betätigungsspannung liefert. Die innerhalb der Ebene vorliegende Kraft kann sogar ein Drittel der Anziehungskraft zwischen den beiden Platten eines äquivalent dimensionierten Parallelplattenkondensators betragen.
Das elektrostatische Betätigungsglied gemäß dieser früheren Erfindung weist insofern einen weiteren Vorteil auf, als die innerhalb der Ebene vorliegende Position des Rotors progressiv schrittweise bewegt werden kann, ohne das Wechselspannungsmuster, mit dem die Rotorelektroden beaufschlagt sind, zu ändern. Folglich ist die Schrittgebungsrate nicht durch die dynamischen elektrischen Charakteristika des Rotors beschränkt. Überdies muß zu jeglichem Zeitpunkt lediglich eine Statorelektrode in jedem Satz von Statorelektroden umgeschaltet werden, um die Rotorposition schrittweise zu bewegen. Dies bedeutet für die Statorspannungssteuerschaltungsanordnung ein Minimum an Einschränkungen in bezug auf die Zeit.
Das elektrostatische Betätigungsglied gemäß dieser früheren Erfindung kann verwendet werden, um Verschiebungen sowohl in der innerhalb der Ebene als auch in der außerhalb der Ebene vorliegenden Richtung zu liefern, d. h. in Richtungen, die parallel bzw. senkrecht zu den gegenüberliegenden Oberflächen des Stators und Rotors sind. Gegenüberliegende Elektroden, die mit einem Wechselspannungsmuster beaufschlagt sind, können ferner verwendet werden, um auf den Rotor eine außerhalb der Ebene vorliegende Kraft auszuüben. Eine derartige außerhalb der Ebene vorliegende Kraft kann verwendet werden, um die außerhalb der Ebene vorliegende Anziehungskraft, die durch die Elektroden, die die innerhalb der Ebene vorliegende Kraft erzeugen, auf den Rotor ausgeübt wird, auszugleichen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die außerhalb der Ebene vorliegende Kraft verwendet werden, um die Position des Rotors in der außerhalb der Ebene vorliegenden Richtung zu steuern.
Die außerhalb der Ebene vorliegende Kraft wird vorzugsweise durch ein Array von Schwebe-Treiberelektroden, das auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Stators angeordnet ist, und ein Array von getriebenen Schwebeelektroden, das auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Rotors angeordnet ist, geliefert. Die Arrays von Schwebe-Treiberelektroden und getriebenen Schwebeelektroden weisen einen gleichen Abstand auf. Die Wechselspannungsmuster werden so auferlegt, daß Schwebeelektroden in dem Zustand der höheren Spannung an dem Rotor mit den Schwebeelektroden in dem Zustand der höheren Spannung an dem Stator ausgerichtet sind. Bei dieser Anordnung wird der Rotor von dem Stator abgestoßen. Die außerhalb der Ebene vorliegende Kraft kann durch ein Variieren der Spannungen entweder auf dem Rotor oder Stator oder auf beiden gesteuert werden. Das Array von Schwebe-Treiberelektroden kann alternativ auf der gegenüberliegen den Oberfläche des Rotors angeordnet sein, und das Array von getriebenen Schwebeelektroden kann alternativ auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Stators angeordnet sein.
Elektrodenarrays, die vorwiegend eine innerhalb der Ebene vorliegende Kraft erzeugen („Schrittgeber-Elektrodenarrays"), und Elektrodenarrays, die eine außerhalb der Ebene vorliegende Kraft erzeugen („Schwebeelektrodenarrays"), können kombiniert werden, um eine zusätzliche Funktionalität zu liefern. Beispielsweise kann eine Anzahl ähnlicher Elektrodenarrays verwendet werden, um die durch ein einzelnes Elektrodenarray ausgeübte Kraft zu erhöhen. Ferner kann ein erstes Schrittgeberelektrodenarray, das senkrecht zu einem zweiten Schrittgeberelektrodenarray angeordnet ist, den Rotor in einer von zwei senkrechten innerhalb der Ebene vorliegenden Richtungen oder in beiden bewegen. Ein Schwebeelektrodenarray, das senkrecht zu einem Schrittgeberelektrodenarray angeordnet ist, kann verwendet werden, um die durch das Schrittgeberelektrodenarray erzeugte außerhalb der Ebene vorliegende Anziehungskraft auszugleichen. Schließlich können parallele Schrittgeberelektrodenarrays mit unterschiedlichen Abständen verwendet werden, um auf den Rotor eine innerhalb der Ebene vorliegende Kraft ohne eine zugeordnete außerhalb der Ebene vorliegende Kraft auszuüben.
Die durch ein Schrittgeberarray ausgeübte außerhalb der Ebene vorliegende Kraft kann reduziert werden, indem der Raum zwischen dem Rotor und dem Stator mit festen oder fluidförmigen Dielektrika gefüllt wird.
Eine Hälfte der Elektroden in dem Rotorarray kann durch eine leitfähige Ebene, die auf eine vorbestimmte Spannung, beispielsweise Massepotential, eingestellt ist, ersetzt werden. Diese leitfähige Ebene bildet „effektive" Elektroden zwischen benachbarten physischen Elektroden. Beispielsweise kann eine leitfähige Ebene gebildet werden und kann durch eine isolierende Schicht bedeckt sein, auf der ein lineares Array von elektrisch miteinander verbundenen physischen Elektroden angeordnet ist. Jede Region der leitfähigen Ebene zwischen benachbarten physischen Elektroden fungiert als effektive Elektrode. Das Wechselspannungsmuster wird hergestellt, indem die elektrisch miteinander verbundenen physischen Elektroden auf eine Spannung eingestellt werden, die sich von der der leitfähigen Ebene unterscheidet.
Die Treiberelektroden in dem Schrittgeberarray sind vorzugsweise mit demselben Paar von Spannungspegeln verbunden wie die entsprechenden getriebenen Elektroden, obwohl eine zusätzliche Positionierungsgenauigkeit geliefert werden kann, wenn die Elektrode, deren Spannung geändert wird, um das Wechselspannungsmuster zu stören, mit einer Spannung verbunden ist, die zwischen dem Paar von Spannungspegeln liegt.
Aufgrund der Umwandlungseffizienz der hohen Spannung in die innerhalb der Ebene vorliegende Kraft des elektrostatischen Betätigungsgliedes gemäß dieser früheren Erfindung kann das Paar von Spannungen, das an die Elektroden angelegt wird, um sie mit dem Wechselspannungsmuster zu beaufschlagen, ausgewählt sein, um eine Kompatibilität mit CMOS-Schaltungen zu liefern. Spannungspaare, die sich um weniger als 20 V unterscheiden, liefern eine schnelle Bewegung des Rotors über einen Bereich von 50 μm.
In der gesamten vorliegenden Offenbarung werden die Begriffe „Rotor" und „Verschiebungsvorrichtung" verwendet, um den beweglichen Teil des Betätigungsgliedes zu beschreiben, ungeachtet dessen, ob sich der bewegliche Teil tatsächlich bewegt, und ungeachtet dessen, ob er sich lateral bewegt oder dreht. Die unten beschriebenen Ausführungsbeispiele können sowohl bei sich drehenden als auch linearen Betätigungsgliedern direkt eingesetzt werden. Bei sich drehenden elektrostatischen Betätigungsgliedern sind die Elektroden der Schrittgeberarrays radial um das Drehzentrum angeord net, und die Elektroden der Schwebearrays sind konzentrisch mit dem Drehzentrum.
Arrays von Erfassungselektroden können zusätzlich oder alternativ auf den gegenüberliegenden Oberflächen sowohl des Rotors als auch des Stators angeordnet sein, um elektrische Signale zu erzeugen, die die Position des Rotors angeben. Entsprechende Erfassungsarrays auf dem Rotor und dem Stator weisen einen gleichen Abstand auf. An das Sensortreiberarray, das vorzugsweise auf dem Rotor angeordnet ist, wird ein Wechselspannungsmuster angelegt, das Spannungsmuster, das in dem getriebenen Sensorarray, das vorzugsweise auf dem Stator angeordnet ist, induziert ist, wird erfaßt, und die Position des Rotors wird aus dem Spannungsmuster ermittelt.
Wie oben erwähnt wurde, kann die getriebene Rolle des Rotors für die Schrittgeber- und Schwebeelektroden gegen die treibende Rolle des Stators ausgetauscht werden, und die treibende Rolle des Rotors kann für die Sensorelektroden gegen die getriebene Rolle des Stators ausgetauscht werden.
Wie oben erwähnt wurde, wird eine brauchbar geringe außerhalb der Ebene vorliegende Kraft erhalten, wenn das Abstand/Entfernung-Verhältnis, p/d, geringer ist als acht, und die außerhalb der Ebene vorliegende Kraft für eine gegebene innerhalb der Ebene vorliegende Kraft wird minimiert, wenn das Abstand/Entfernung-Verhältnis geringer ist als 2,25. Wenn das Abstand/Entfernung-Verhältnis geringer ist als 2,25, wird die innerhalb der Ebene vorliegende Kraft für eine gegebene Betätigungsspannung maximiert, und die außerhalb der Ebene vorliegende Anziehungskraft wird minimiert.
Da sich das Wechselspannungsmuster an dem Rotor nicht mit der Zeit ändern muß, arbeitet das elektrostatische Betätigungsglied gemäß dieser früheren Erfindung auch dann, wenn das Wechselspannungsmuster auf eine andere Weise auf der dem Rotor gegenüberliegenden Oberfläche hergestellt wird. Beispielsweise kann das Wechselspannungsmuster durch eine auf der gegenüberliegenden Oberfläche aufgebrachte elektrostatische Ladung, durch ein auf der gegenüberliegenden Oberfläche angeordnetes gepoltes Ferroelektrikum oder durch ein Verzerrungsfeld, das in einem auf der gegenüberliegenden Oberfläche angeordneten piezoelektrischen Material hergestellt ist, hergestellt werden. Um diese Alternativen zu beschreiben, kann die Beziehung zum Maximieren der innerhalb der Ebene vorliegenden Kraft bezüglich der Entfernung d in bezug auf die primäre räumliche Wellenlänge λ der Spannungsverteilungen auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Rotors und des Stators angegeben werden. Diese analytischere Beschreibung ist ferner für eine genaue Beschreibung des elektrostatischen Betätigungsgliedes notwendig, wenn das den Elektroden auferlegte Spannungsmuster nicht genau ein wechselndes Muster ist oder wenn Zwischenspannungspegel an manche der Elektroden angelegt werden.
Wenn der Betrieb des elektrostatischen Betätigungsgliedes anhand der primären räumlichen Wellenlänge beschrieben wird, kann die Beziehung zum Maximieren der innerhalb der Ebene vorliegenden Kraft bezüglich der Entfernung d als ein Erfordernis angegeben werden, daß das Verhältnis der primären räumlichen Wellenlänge λ zu der Entfernung d, d. h. das Verhältnis räumliche Wellenlänge/Entfernung, geringer sei als 4,5. Falls das Spannungsmuster strikt wechselnd ist und der Abstand der Elektroden gleichmäßig und gleich p ist, beträgt die primäre räumliche Wellenlänge einfach 2p, und die Einschränkung bezüglich λ ist identisch mit der Einschränkung bezüglich p. Falls das Spannungsmuster nicht strikt wechselnd ist, wie dies beispielsweise auftritt, wenn das Wechselspannungsmuster an dem Stator örtlich gestört wird, um die Position des Rotors zu ändern, so wird die primäre räumliche Wellenlänge λ durch ein Berechnen einer Fourier-Transformierten der Spannungsverteilung ermittelt.
Der Hauptvorteil des elektrostatischen Betätigungsgliedes gemäß dieser früheren Erfindung besteht darin, daß eine mit CMOS-Schaltungen kompatible Spannung eine innerhalb der Ebene vorliegende Kraft erzeugt, die ausreichend groß ist, um den Rotor relativ zu dem Stator über Entfernungen von mehreren Dutzend Mikrometern zu bewegen, und daß die als Nebeneffekt des Erzeugens der innerhalb der Ebene vorliegenden Kraft erzeugte außerhalb der Ebene vorliegende Kraft ausreichend gering ist, um zu ermöglichen, daß herkömmlich hergestellte gefaltete Balkenbiegevorrichtungen den Rotor tragen. Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß lediglich zwei Spannungen mit dem Rotor verbunden sein müssen, was ermöglicht, daß der Rotor mit einer minimalen Anzahl elektrischer Verbindungen hergestellt wird. Da die Spannungen an dem Rotor statisch sind, können diese elektrischen Verbindungen ferner eine relativ hohe Impedanz aufweisen. Vereinfachte elektrische Verbindungen verringern die Prozeßkomplexität und minimieren die Auswirkungen mechanischer Restbeanspruchungen, die sich aus der Verwendung ungleicher Materialien ergeben.
Obwohl die frühere Erfindung auf dem Gebiet eines langen Weges, einer hohen Kraft und einer zweidimensionalen in der Ebene liegenden Bewegung eines durch Biegevorrichtungen aufgehängten monolithischen Elementes Vorteile gegenüber dem Stand der Technik aufweist, arbeitet sie als Schrittmotor. Überdies besteht weiterhin ein Bedarf an einer erhöhten in der Ebene liegenden Steifheit für dasselbe maximale in der Ebene liegende Kraftniveau, an einer größeren Auflösung für eine gegebene minimale Größe eines lithographischen Merkmals und an einer Beseitigung von außerhalb der Ebene liegenden Kräften. Wie die frühere Erfindung sollte ein derartiges elektrostatisches Betätigungsglied und eine Art und Weise einer Steuerung eines derartigen elektrostatischen Betätigungsglieds eine präzise Positionierung liefern und unter Verwendung von integrierten CMOS-Schaltungen gesteuert werden. Ein derartiges elektrostatisches Betätigungsglied sollte unter Verwendung von Mikrobearbeitungs techniken hergestellt werden, die eine ähnliche Verarbeitung verwenden, wie sie zum Herstellen integrierter Schaltungen eingesetzt wird.
Die obigen Anforderungen werden durch ein elektrostatisches Betätigungsglied erfüllt, das eine Struktur aufweist, die anschließend ausführlicher beschrieben wird. Diese Erfindung weist, wie die frühere Erfindung der europäischen Patentanmeldung 0865151, ebenfalls die Vorteile eines langen Weges, einer hohen Kraft und einer zweidimensionalen in der Ebene liegenden Bewegung eines durch Biegevorrichtungen aufgehängten monolithischen Elementes auf. Sie unterscheidet sich von der früheren Erfindung darin, dass sie nicht als Schrittmotor arbeitet. Die vorliegende Erfindung ist in der offenen Schleife instabil und verwendet zum Arbeiten eine Rückkopplungssteuerung. Durch die Verwendung einer Rückkopplungssteuerung werden die folgenden Vorteile bezüglich der früheren Erfindung verwirklicht: erhöhte in der Ebene liegende Steifheit für dasselbe maximale in der Ebene liegende Kraftniveau, größere Auflösung für eine gegebene minimale Größe eines lithographischen Merkmals und Beseitigung von außerhalb der Ebene liegenden Kräften. Dieser letzte Vorteil ist besonders vom Standpunkt der Herstellung her betrachtet von Bedeutung. Die praktische Beseitigung von außerhalb der Ebene liegenden Kräften ermöglicht eine Mikroherstellung unter Verwendung einfacher additiver Prozesse.
Mechanisch ist die Vorrichtung ähnlich der oben unter Bezug auf die frühere Erfindung beschriebenen. Die Länge der Statorstreifen übertrifft die der zugewandten Verschiebungsvorrichtungsstreifen (bzw. Rotorstreifen), und sie sind so ausgerichtet, dass die Überlappung zwischen den einander zugewandten Streifen über die gesamte in der Ebene vorliegende parallele Verschiebung hinweg gleich der Länge des kürzeren Streifens bleibt. Somit wirkt sich eine Bewegung in der parallelen, in der Ebene vorliegenden Richtung nicht auf die Kapazität zwischen den einander zugewandten Strei fen aus, und folglich ändern sich die Kräfte in den zwei zu den Streifen senkrechten Richtungen nicht. Die Entkopplung der durch die zwei orthogonalen Gruppen von Streifen erzeugten Kräfte von der orthogonalen in der Ebene vorliegenden Verschiebung ermöglicht, dass ein einzelnes starres Element in zwei senkrechte Richtungen verschoben wird. Dies führt zu einem kompakteren Mikromotor mit einer höheren außerhalb der Ebene vorliegenden Steifheit und mehr Raum, der für eine Zugkraft erzeugende Merkmale zur Verfügung steht, im Vergleich zu Entwürfen, die ein Verschachteln oder Stapeln erfordern, um eine zweidimensionale Bewegung zu erzielen, z. B. zweidimensionale Kammantriebe.
Die Raumfrequenz und Amplitude der Statorpotenzialfunktionen sind dieselben wie ihre jeweiligen Gegenstücke der Verschiebungseinrichtung, jedoch kann die räumliche Phase der Potenzialverteilung elektrisch verschoben werden. Die räumliche Periode des Statorpotenzials geteilt durch den Abstand der Statorelektroden ergibt die Anzahl von elektrischen Statorphasen, n. Eine Modulation der Spannungen an den n elektrischen Statorphasen kann verwendet werden, um die räumliche Phase der Statorpotenzialverteilung zu verschieben.
Wenn die räumliche Phase der Statorpotenzialverteilung von 0°, bezogen auf die Verteilung der Verschiebungsvorrichtung, auf 180° verschoben wird, gelangt die in der Ebene liegenden Kraft zwischen der Verschiebungsvorrichtung und dem Stator durch zwei Gleichgewichtspositionen. Bei 0° befindet sich die in der Ebene liegende Kraft in einem instabilen Gleichgewichtszustand. An diesem Punkt erreicht die außerhalb der Ebene liegende Kraft ein positives Maximum (maximale außerhalb der Ebene liegende Abstoßung). Bei 180° liegt ein zweiter Gleichgewichtszustand vor. Die in der Ebene vorliegende Kraft ist an diesem Punkt stabil, und die außerhalb der Ebene vorliegende Kraft befindet sich auf einem negativen Maximum (maximale Anziehung).
Durch Hinzufügen einer gemeinsamen Vorspannungsspannung zu jeder der Statorelektroden, wenn sich die Verschiebungsvorrichtung und der Stator in der Position eines instabilen Gleichgewichts befinden, kann die Abstoßung auf Null verringert werden, während die in der Ebene liegende Kraft in dem instabilen Gleichgewicht bleibt. Alternativ dazu können diese Vorspannungsspannungen mit demselben Effekt an die Verschiebungsvorrichtungselektroden angelegt werden.
Ein Stabilisieren der in der Ebene liegenden Kraft in der Position des instabilen Gleichgewichts wird erzielt, indem die elektrische Phase der Statorpotenzialverteilung in einer Richtung verschoben wird, um eine in der Ebene liegende Kraft zu erzeugen, die einer Bewegung der Verschiebungsvorrichtungen weg von der Gleichgewichtsposition entgegengesetzt ist. Die Phase der Statorpotenzialverteilung kann um einen Betrag, der gleich dem Abstand der Statorelektroden ist, verschoben werden, indem einfach die Spannungen, die an die n elektrischen Statorphasen angelegt sind, mit einer Modulo-n-Verschiebung der Größe 1, vertauscht werden, d. h. indem die Spannung, die derzeit an die Phase „I – 1" angelegt ist, der Phase „I" zugewiesen wird (oder der Phase „I + 1", um in die andere Richtung zu verschieben).
Zwei gleichermaßen bevorzugte Techniken wurden zum Verändern der Phase um weniger als den Statorabstand demonstriert. Die erste Technik besteht darin, die Spannung jeder der n elektrischen Statorphasen zwischen ihrem derzeitigen Wert und dem Wert, der aktuell an die nachfolgende (oder vorausgehende) Elektrodenphase angelegt wird, linear zu variieren. Die zweite Technik besteht darin, zwischen der vorliegenden Elektrodenphasenspannung und der Spannung einer benachbarten Elektrodenphase mit einem zu der Phasenverschiebung proportionalen Arbeitszyklus ein Zeitmultiplexieren durchzuführen. Die Periode der Zeit für einen Multiplexzyklus ist so ausgewählt, dass sie weit kürzer ist als die mechanischen Zeitkonstanten des Mikromotors. Diese Verfahren werden als lineare Steuerung und Pulsbreitenmodu lationssteuerung bezeichnet und wurden experimentell demonstriert.
Positionsinformationen sind sehr wichtig für den Betrieb des Servo. Die Treiberelektroden der Verschiebungsvorrichtung und des Stators können als Positionssensoren für relative in der Ebene und außerhalb der Ebene liegende Verschiebungen der Verschiebungsvorrichtung und des Stators, gleichzeitig mit dem Betrieb des Motors, verwendet werden, wobei entweder eine Pulsbreitenmodulations- oder eine lineare Steuerung verwendet wird. Der Lösungsansatz besteht darin, die Gleichstromanregung, die den Verschiebungsvorrichtungselektroden bereitgestellt wird, mit einer Wechselstromanregung zu überlagern, und, indem diese Signale mit den Statorelektroden erfasst werden, die Phase-zu-Phase-Kapazität zu messen und somit auf die Verschiebung zu schließen. Die Technik zum Messen der in der Ebene liegenden Position weist folgende Charakteristika auf: sie stört nicht den gleichzeitigen Betrieb des Motors, ist immun gegenüber Vorspannungen, die durch Änderungen der Amplitude von Sensortreibersignalen erzeugt werden, sie liefert sowohl In-Phase- als auch Quadratursignale für eine vollständige Vier-Quadranten-Positionserfassung und wird von Änderungen des Zwischenraums zwischen der Verschiebungsvorrichtung und dem Stator nicht beeinflusst. Zusätzlich können dieselben Messungen auf unterschiedliche Weise verarbeitet werden, um eine Messung des Zwischenraums zwischen der Verschiebungsvorrichtung und dem Stator zu liefern, der unabhängig von der relativen in der Ebene liegenden Position der Verschiebungsvorrichtung und des Stators ist.
1 ist eine schematische Ansicht des grundlegenden Ausführungsbeispiels des elektrostatischen Betätigungsgliedes gemäß der Erfindung.
2 ist eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines in 1 gezeigten elektrostatischen Betätigungsglieds.
3 ist eine Schnittansicht entlang der in 2 gezeigten Linie 3-3.
4 ist eine Schnittansicht entlang der in 2 gezeigten Linie 4-4.
Ein grundlegendes Ausführungsbeispiel des elektrostatischen Betätigungsgliedes 10 gemäß der Erfindung ist schematisch in 1 gezeigt. Die Struktur dieses Betätigungsgliedes ist charakteristisch für die Ausführungsbeispiele, die nachfolgend beschrieben werden. Das elektrostatische Betätigungsglied umfaßt den Stator 12 und den Rotor 14. Der Stator umfaßt die ebene gegenüberliegende Oberfläche 13, entlang welcher das lineare Array 11 von Statorelektroden 20, 22, 24 und 26 angeordnet ist. Der Rotor umfaßt die ebene gegenüberliegende Oberfläche 15, die der gegenüberliegenden Oberfläche 13 des Stators gegenüberliegt. Entlang der gegenüberliegenden Oberfläche 15 ist das lineare Array 17 von Rotorelektroden 30, 32, 34 und 36 angeordnet. Die Statorelektroden und die Rotorelektroden sind jeweils länglich in einer Ebene, die zu der Zeichnungsebene senkrecht ist.
In der gesamten nachfolgenden Beschreibung werden die Begriffe „Betätigungsglied" und „Mikromotor" austauschbar verwendet. Desgleichen werden in der gesamten nachfolgenden Beschreibung auch die Begriffe „Rotor" und „Verschiebungsvorrichtung" austauschbar verwendet.
Eine geringe Zitterwechselspannung 62, V_ω1 sin ω₁ t, und eine Anregungsgleichspannung 64, Vrotor₁DC, werden kombiniert 66 und an Rotorelektroden 30 und 32 angelegt. Desgleichen werden eine geringe Zitterwechselspannung 72, V_ω1 sin ω₂ t, und eine Anregungsgleichspannung 74, Vrotor₂DC, kombiniert 76 und an Rotorelektroden 34 und 36 angelegt.
RC-Frequenzweichen 40, 42, 44 und 46 sind mit Statorelektroden 20, 22, 24 bzw. 26 gekoppelt. Die RC-Frequenzweichen 40, 42, 44 und 46 sind ferner durch jeweilige AM-Demodulatoren 50, 52, 54 und 56 mit einer Steuerung mit geschlossener Schleife 60 gekoppelt. Um die Rückkopplungsschleife zu schließen, ist die Geschlossene-Schleife-Steuerung 60 wiederum mit den RC-Frequenzweichen 40, 42, 44 und 46 gekoppelt.
Bei diesem Beispiel gibt es vier Statorphasen; d. h. Stator ϕA, Stator ϕB, Stator ϕC und Stator ϕD, die den Statorelektroden 20, 22, 24 bzw. 26 zugeordnet sind. Desgleichen gibt es zwei Rotorphasen; d. h. Rotor ϕA und Rotor ϕB. Man beachte jedoch, dass der Rotor ϕA den Rotorelektroden 30 und 32 zugeordnet ist, da die Rotorelektroden 30 und 32 zusammengekoppelt sind. Desgleichen ist der Rotor ϕB den Rotorelektroden 34 und 36 zugeordnet, da die Rotorelektroden 34 und 36 zusammengekoppelt sind.
Der Betrieb des elektrostatischen Betätigungsglieds der 1 wird am besten in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel der 2 bis 4 erläutert. 2 ist eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines in 1 gezeigten elektrostatischen Betätigungsglieds. 3 ist eine Schnittansicht entlang der in 2 gezeigten Linie 3-3. Desgleichen ist 4 ein Schnitt entlang der in 2 gezeigten Linie 4-4.
In 2 kann man sehen, dass der Rotor 214 des elektrostatischen Betätigungsglieds 210 durch Federn 213 parallel zu dem Stator 212 aufgehängt ist. Vier Rotorelektrodenarrays 217 sind auf der Oberfläche des Rotors 214 angeordnet, die der Oberfläche des Stators 212 zugewandt ist, die vier entsprechende Sätze von Statorelektrodenarrays aufweist. Man beachte, dass die Statorelektrodenarrays in 2 nicht gezeigt sind, sondern in 3 und 4 als Statorelektrodenarrays 211 gezeigt sind.
Für dieses Beispiel umfasst jedes der Rotorelektrodenarrays 217 acht einzelne Rotorelektrodenstreifen und arbeitet auf dieselbe Weise wie das Vier-Elektroden-Rotorarray 17 der 1. Die Rotorelektrodenarrays 217 der 2 sind derart ausgerichtet, dass jedes Array 217 orthogonal zu seinen nicht diagonalen Nachbarn ist.
Desgleichen umfasst jedes der in 3 und 4 gezeigten Statorelektrodenarrays 211 acht einzelne Statorelektrodenstreifen und arbeitet auf dieselbe Weise wie das Vier-Elektroden-Statorarray 12 der 1. Die Statorelektrodenarrays 211 sind derart ausgerichtet, dass jedes Array 211 orthogonal zu seinen nicht diagonalen Nachbarn ist.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel des elektrostatischen Betätigungsglieds wird durch eine Mikrobearbeitung unter Verwendung herkömmlicher Techniken zur IC-Herstellung gebildet. Beispielsweise können der Rotor und der Stator ein Halbleitersubstrat aufweisen, auf dem strukturierte dielektrische und leitfähige Schichten gebildet sind. Bei einem Ausführungsbeispiel wurde ein Einkristall-Siliziumsubstrat verwendet, dessen Oberflächen durch eine Schicht aus Siliziumnitrid geschützt waren. Eine Schicht aus Wolfram wurde auf die Siliziumdioxidschicht aufgebracht und wurde selektiv geätzt, um die Elektroden und Leiter, die die Elektroden verbinden, zu bilden. Die Verwendung von Techniken zur Herstellung von ICs, um in Mikrobearbeitung hergestellte elektrostatische Betätigungsglieder zu bilden, ist in der Technik bekannt. Alternativ dazu können die Substrate des Rotors und des Stators aus Materialien gebildet werden, die herkömmlicherweise verwendet werden, um gedruckte Schaltungsplatinen oder flexible Schaltungen zu bilden.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Federn 213, die verwendet werden, um den Rotor 214 parallel zu dem Stator 212 aufzuhängen. Jedoch kann der Rotor auf eine Anzahl unterschiedlicher Arten und Weisen über dem Stator getragen werden. Wie oben erörtert wurde, ist ein mechanischer Träger, der Biegevorrichtungen wie z. B. gefaltete Balkenbiegevorrichtungen verwendet, bevorzugt, da eine derartige Struktur den Träger ohne nennenswerte statische oder dynamische Reibung trägt. Die bei dem elektrostatischen Betätigungsglied gemäß der Erfindung erzielte vernachlässigbare außerhalb der Ebene liegende Kraft ermöglicht, dass gefaltete Balkenbiegevorrichtungen mit einem relativ kleinen Seitenverhältnis verwendet werden. Derartige gefaltete Balkenbiegevorrichtungen können unter Verwendung herkömmlicher Halbleiterherstellungstechniken relativ problemlos hergestellt werden.
Der Rotor kann auf andere Weise über dem Stator aufgehängt sein. Der Rotor kann durch eine Fluidschicht wie beispielsweise eine Luftschicht oder eine Schicht aus dielektrischer Flüssigkeit, durch Rollenlager oder einen anderen Rollenkontakt, durch Schiebekontakt, durch Schiebekontakt, bei dem ein Bauglied durch Ultraschall in Schwingungen versetzt wird, um die Reibung zu vermindern, und durch eine Van der Waals-Abstoßung zwischen Oberflächen, zwischen denen ein entsprechendes dielektrisches Fluid angeordnet ist, aufgehängt sein.
Nun kann man also sehen, dass diese Erfindung ein Verfahren für die Verschiebung von parallelen Oberflächen relativ zueinander in einer von zwei orthogonalen Richtungen innerhalb einer zu beiden Oberflächen parallelen Ebene liefert, ohne in der zu den Oberflächen senkrechten Richtung Kräfte zu erzeugen. Die Kräfte zum Betätigen der Oberflächen werden durch elektrostatische Felder erzeugt, die durch Strukturen von Elektroden auf den Seiten der einander zugewandten Oberflächen erzeugt werden. Die an die Elektroden angelegten Potenziale sind eine Funktion der Position der Strukturen in Bezug aufeinander. Diese selben Elektrodenstrukturen werden verwendet, um die relative Position der zwei Oberflächen über eine kapazitive Kopplung von übereinander liegenden Wechselstrompotenzialen zu erfassen.
Diese Erfindung weist, wie die frühere Erfindung der europäischen Patentanmeldung 0865151, ebenfalls die Vorteile eines langen Weges, einer hohen Kraft und einer zweidimensionalen in der Ebene liegenden Bewegung eines durch Biegevorrichtungen aufgehängten monolithischen Elementes auf. Sie unterscheidet sich von der früheren Erfindung darin, dass sie nicht als Schrittmotor arbeitet. Die vorliegende Erfindung ist in der offenen Schleife instabil und verwendet zum Arbeiten eine Rückkopplungssteuerung. Durch die Verwendung einer Rückkopplungssteuerung werden die folgenden Vorteile bezüglich der früheren Erfindung verwirklicht: erhöhte in der Ebene liegende Steifheit für dasselbe maximale in der Ebene liegende Kraftniveau, größere Auflösung für eine gegebene minimale Größe eines lithographischen Merkmals und Beseitigung von außerhalb der Ebene liegenden Kräften. Dieser letzte Vorteil ist besonders vom Standpunkt der Herstellung her betrachtet von Bedeutung. Frühere Entwürfe wiesen außerhalb der Ebene liegende Kräfte auf, die zumindest dieselbe Größe aufwiesen wie die in der Ebene liegenden Kräfte, wobei dies, kombiniert mit dem Wunsch, große in der Ebene liegende Verschiebungen aufzuweisen und dabei einen nahezu konstanten Zwischenraum beizubehalten, die Balken, die die Aufhängung umfassen, zwingt, ein großen Seitenverhältnis (Tiefe dividiert durch Breite) aufzuweisen. Diese Anforderung schränkt die möglichen Herstellungstechniken ein. Im Gegensatz dazu ermöglicht die praktische Beseitigung von außerhalb der Ebene liegenden Kräften eine Mikroherstellung unter Verwendung einfacher additiver Prozesse.
Mechanisch gesehen ist die Vorrichtung ähnlich wie derjenige, die oben in der Zusammenfassung und ausführlicher in der früheren europäischen Patentanmeldung 865151 beschrieben wurde. Sie besteht aus einem feststehenden dielektrischen Element mit einer planaren Oberfläche, auf der eine Struktur von Elektroden aufgebracht ist. Dieses Element wird als Stator bezeichnet. Ein zweites, ähnliches Element ist positioniert, dessen Elektrodenstruktur derjenigen des Stators in einer Ebene zugewandt ist, die zu der Ebene, die die Statorelektroden enthält, parallel ist, jedoch um einen Zwischenraum von derselben versetzt ist. Dieses Element wird als Verschiebungsvorrichtung bezeichnet (oder manchmal als Rotor bezeichnet). Die Verschiebungsvorrichtung ist mit einer Biegevorrichtungsaufhängung an dem Stator angebracht, die es ihr ermöglicht, in den zwei orthogonalen Richtungen innerhalb der parallelen Ebene verschoben zu werden.
Die Elektrodenstruktur auf der Verschiebungsvorrichtung besteht aus zwei orthogonalen Gruppen von parallelen leitfähigen Streifen einer feststehenden Breite, die bei einer konstanten Breite beabstandet sind. Jede Gruppe von Streifen kann zusammenhängend sein oder kann in viele Regionen unterteilt sind, die über die Oberfläche der Verschiebungsvorrichtung verteilt sind. Innerhalb jeder Gruppe ist eine periodische Sequenz von Spannungen an aufeinander folgende benachbarte Streifen angelegt. Dies führt zu zwei Regionen, bei denen die Raumpotenzialverteilung eine periodische Funktion des Verschiebungsvorrichtungsstreifenabstands in einer Richtung und einer Konstante in der anderen ist. Eine einfache Anordnung besteht darin, die Streifen abwechselnd mit Potenzialen zu verbinden, die sich um V Volt unterscheiden.
Die Statorelektroden sind ebenfalls in zwei Gruppen von orthogonalen Streifen unterteilt. Jede Gruppe ist auf dieselbe Weise wie die entsprechende Gruppe von Verschiebungsvorrichtungselektroden unterteilt und gegenüber der entsprechenden Region von parallelen Streifen an der Verschiebungsvorrichtung ausgerichtet. Die Streifenstruktur an dem Stator weist einen Abstand auf, der ein integraler Faktor des Abstands der denselben zugewandten Verschiebungsvorrichtungselektroden ist. Die Länge der Statorstreifen übertrifft die der zugewandten Verschiebungsvorrichtungsstreifen, und sie sind so ausgerichtet, dass die Überlappung zwischen den einander zugewandten Streifen über die gesamte in der Ebene vorliegende parallele Verschiebung hinweg gleich der Länge des kürzeren Streifens bleibt. Somit wirkt sich eine Bewegung in der parallelen, in der Ebene vorliegenden Richtung nicht auf die Kapazität zwischen den einander zugewandten Streifen aus; und folglich ändern sich die Kräfte in den zwei zu den Streifen senkrechten Richtungen nicht. Die Entkopplung der durch die zwei orthogonalen Gruppen von Streifen erzeugten Kräfte von der orthogonalen in der Ebene vorliegenden Verschiebung ermöglicht, dass ein einzelnes starres Element in zwei senkrechte Richtungen verschoben wird. Dies führt zu einem kompakteren Mikromotor mit einer höheren außerhalb der Ebene vorliegenden Steifheit und mehr Raum, der für eine Zugkraft erzeugende Merkmale zur Verfügung steht, im Vergleich zu Entwürfen, die ein Verschachteln oder Stapeln erfordern, um eine zweidimensionale Bewegung zu erzielen, z. B. zweidimensionale Kammantriebe.
Die Raumfrequenz und Amplitude der Statorpotenzialfunktionen sind dieselben wie ihre jeweiligen Gegenstücke der Verschiebungseinrichtung, jedoch kann die räumliche Phase der Potenzialverteilung elektrisch verschoben werden. Die räumliche Periode des Statorpotenzials geteilt durch den Abstand der Statorelektroden ergibt die Anzahl von elektrischen Statorphasen, n. Eine Modulation der Spannungen an den n elektrischen Statorphasen kann verwendet werden, um die räumliche Phase der Statorpotenzialverteilung zu verschieben.
Wenn die räumliche Phase der Statorpotenzialverteilung von 0°, bezogen auf die Verteilung der Verschiebungsvorrichtung, auf 180° verschoben wird, gelangt die in der Ebene liegenden Kraft zwischen der Verschiebungsvorrichtung und dem Stator durch zwei Gleichgewichtspositionen. Bei 0° befindet sich die in der Ebene liegende Kraft in einem instabilen Gleichgewichtszustand. An diesem Punkt erreicht die außerhalb der Ebene liegende Kraft ein positives Maximum (maximale außerhalb der Ebene liegende Abstoßung). Bei 180° liegt ein zweiter Gleichgewichtszustand vor. Die in der Ebene vorliegende Kraft ist an diesem Punkt stabil, und die außerhalb der Ebene vorliegende Kraft befindet sich auf einem negativen Maximum (maximale Anziehung).
Durch Hinzufügen einer gemeinsamen Vorspannungsspannung zu jeder der Statorelektroden, wenn sich die Verschiebungsvorrichtung und der Stator in der Position eines instabilen Gleichgewichts befinden, kann die Abstoßung auf Null verringert werden, während die in der Ebene liegende Kraft in dem instabilen Gleichgewicht bleibt. Man beachte, dass diese Vorspannungsspannungen alternativ dazu mit demselben Effekt an die Verschiebungsvorrichtungselektroden angelegt werden können.
Ein Stabilisieren der in der Ebene liegenden Kraft in der Position des instabilen Gleichgewichts wird erzielt, indem die elektrische Phase der Statorpotenzialverteilung in einer Richtung verschoben wird, um eine in der Ebene liegende Kraft zu erzeugen, die einer Bewegung der Verschiebungsvorrichtungen weg von der Gleichgewichtsposition entgegengesetzt ist. Die Phase der Statorpotenzialverteilung kann um einen Betrag, der gleich dem Abstand der Statorelektroden ist, verschoben werden, indem einfach die Spannungen, die an die n elektrischen Statorphasen angelegt sind, mit einer Modulo-n-Verschiebung der Größe 1, vertauscht werden, d. h. indem die Spannung, die derzeit an die Phase „I – 1" angelegt ist, der Phase „I" zugewiesen wird (oder der Phase „I + 1", um in die andere Richtung zu verschieben).
Zwei gleichermaßen bevorzugte Techniken wurden zum Verändern der Phase um weniger als den Statorabstand demonstriert. Die erste Technik besteht darin, die Spannung jeder der n elektrischen Statorphasen zwischen ihrem derzeitigen Wert und dem Wert, der aktuell an die nachfolgende (oder vorausgehende) Elektrodenphase angelegt wird, linear zu variieren. Die zweite Technik besteht darin, zwischen der vorliegenden Elektrodenphasenspannung und der Spannung ei ner benachbarten Elektrodenphase mit einem zu der Phasenverschiebung proportionalen Arbeitszyklus ein Zeitmultiplexieren durchzuführen. Die Periode der Zeit für einen Multiplexzyklus ist vorzugsweise so ausgewählt, dass sie weit kürzer ist als die mechanischen Zeitkonstanten des Mikromotors. Diese Techniken werden als lineare Steuerung und Pulsbreitenmodulationssteuerung bezeichnet und wurden experimentell demonstriert.
Positionsinformationen sind sehr wichtig für den Betrieb des Servo. Eine Technik wurde zum Verwenden der Treiberelektroden der Verschiebungsvorrichtung und des Stators als Positionssensoren für relative in der Ebene und außerhalb der Ebene liegende Verschiebungen der Verschiebungsvorrichtung und des Stators, gleichzeitig mit dem Betrieb des Motors, demonstriert, wobei entweder eine Pulsbreitenmodulations- oder eine lineare Steuerung verwendet wird. Der Lösungsansatz besteht darin, die Gleichstromanregung, die den Verschiebungsvorrichtungselektroden bereitgestellt wird, mit einer Wechselstromanregung zu überlagern, und, indem diese Signale mit den Statorelektroden erfasst werden, die Phase-zu-Phase-Kapazität zu messen und somit auf die Verschiebung zu schließen. Die Technik, die zum Messen der in der Ebene liegenden Position beschrieben wird, weist folgende Charakteristika auf: sie stört nicht den gleichzeitigen Betrieb des Motors, ist immun gegenüber Vorspannungen, die durch Änderungen der Amplitude von Sensortreibersignalen erzeugt werden, sie liefert sowohl Gleichphasen- als auch Quadratursignale für eine vollständige Vier-Quadranten-Positionserfassung und wird von Änderungen des Zwischenraums zwischen der Verschiebungsvorrichtung und dem Stator nicht beeinflusst. Zusätzlich können dieselben Messungen auf unterschiedliche Weise verarbeitet werden, um eine Messung des Zwischenraums zwischen der Verschiebungsvorrichtung und dem Stator zu liefern, der unabhängig von der relativen in der Ebene liegenden Position der Verschiebungsvorrichtung und des Stators ist.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 wird ein spezifisches Beispiel präsentiert, um die Erfindung zu demonstrieren. Das Beispiel veranschaulicht das Konzept mit einer Messung einer in der Ebene liegenden Richtung und eines Zwischenraums. Bei diesem Beispiel sind der mechanische Abstand und die Breite der Elektroden an der Verschiebungsvorrichtung 14 und dem Stator 12 dieselben. Die räumliche Periode der Potenzialverteilung entspricht dem Vierfachen des Abstands. Der Stator weist dann vier elektrische Phasen auf (Stator ϕA, ϕB, ϕC und ϕD). Man beachte, dass die Verschiebungsvorrichtung nicht 4-phasig sein muss. Bei diesem Beispiel sind aufeinander folgende Paare von Verschiebungsvorrichtungselektroden mit zwei Wechselspannungsquellen verbunden, wodurch lediglich zwei elektrische Verschiebungsvorrichtungsphasen (Rotor ϕA und ϕB) erforderlich sind, um eine Potenzialverteilung mit einer Periode zu erzeugen, die das Vierfache des Abstands beträgt.
Eine geringe Wechselspannung wird zu der Gleichstromanregung, die an jede der zwei Verschiebungsvorrichtungsphasen angelegt ist, hinzufügt. Die Frequenz dieser kleinen Zittersignale 62 und 72 ist für jede der Phasen unterschiedlich. Die Frequenz liegt vorzugsweise deutlich über jeglicher natürlichen Frequenz des Mikromotors und der Bandbreite des Servos. Diese Signale weisen aus zwei Gründen einen vernachlässigbaren Effekt auf die elektrostatischen Kräfte zwischen der Verschiebungsvorrichtung 14 und dem Stator 12 auf. Erstens kann die Amplitude der Zittersignale relativ zu der Gleichstromanregung sehr gering sein. Zweitens, da die Zitterfrequenz deutlich über die Bandbreite des Motors hinausgeht, fügt das Signal eine geringe Gleichstromvorspannungskraft, die zu dem Quadrat der Zitteramplitude proportional ist, hinzu. Falls die Zitteramplitude konstant ist, kann dieser Beitrag als Bestandteil der Gleichstromanregung der Verschiebungsvorrichtung angesehen werden.
Die vier Statorphasen weisen Spannungen auf, die auf der Basis der Voraussage des Steuerungsgesetzes der Raumphase der Statorpotenzialverteilung, die erforderlich ist, um ein Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, an dieselben angelegt sind. Die Zittersignale von den zwei Verschiebungsvorrichtungsphasen sind durch Kapazitäten, die von dem Zwischenraum und der in der Ebene liegenden Position abhängen, mit den vier Statorphasen gekoppelt. Indem jeder Statortreiber durch ein einfaches RC-Tiefpassnetzwerk (40, 42, 44 und 46) bei einer Grenzfrequenz, die deutlich über die Bandbreite des Servos hinausgeht, mit seiner jeweiligen Statorphase verbunden wird, können die erforderlichen Treiberspannungen an die Phasen angelegt werden, während die Zittersignale durch den Kondensator des Netzwerks erfasst werden können. Jede der vier Statorphasen empfängt Signale bei beiden Zitterfrequenzen. Die Amplituden dieser acht Signale können unabhängig voneinander durch einfache AM-Demodulatoren (50, 52, 54 und 56) zerlegt werden (d. h. bandpassfiltern, dann gleichrichten, dann tiefpassfiltern).
Diese Amplituden hängen von vier positionsabhängigen Kapazitäten ab: Statorphase A zu Rotorphase A, Statorphase A zu Rotorphase B, Statorphase B zu Rotorphase A und Statorphase B zu Rotorphase B, wobei die Bezeichnungen für die Phasen auf 1 bezogen sind. Die verbleibenden vier Kombinationen sind der Symmetrie nach gleich den vorangehenden Kapazitäten, z. B. Statorphase C zu Rotorphase B gleicht Statorphase A zu Rotorphase A. Die Verwendung zweier verschiedener Zitterfrequenzen ermöglicht eine Trennung der Beiträge von den zwei Kapazitäten bei jeder elektrischen Statorphase. Die Differenz der zwei Zitterfrequenzamplituden bei der Statorphase A minus die Differenz der zwei Zitterfrequenzamplituden bei der Statorphase C (in derselben Reihenfolge genommen) ergibt eine Quantität, die mit der in der Ebene liegenden Position der Verschiebungsvorrichtung/des Stators periodisch variiert und durch Null geht, wenn die Statorphase A zwischen den Verschiebungsvorrichtungsphasen A und B mittig angeordnet ist. Desgleichen führt die Differenz zwischen den Zitterfrequenzamplituden bei der Statorphase B minus die Differenz der Zitterfre quenzamplituden bei der Statorphase D zu einer räumlich periodischen Quantität, die durch Null geht, wenn die Statorphase B zwischen den zwei Verschiebungsvorrichtungsphasen ist. Diese zwei Quantitäten sind um 90 Raumgrade phasengetrennt und werden als E_i bzw. E_q bezeichnet.
Die Bedeutung, zwei Signale in einer Quadratur zu haben, wenn periodische Signale zum Positionserfassen verwendet werden, ist hinreichend bekannt. Wenn sie ordnungsgemäß kombiniert werden, können Quadratursignale verwendet werden, um über eine 360° betragende Bewegung hinweg ein unzweideutiges Positionssignal mit einer guten Linearität zu liefern.
Die Quantitäten E_i und E_q hängen ferner von dem Zwischenraum zwischen Verschiebungsvorrichtung und Stator ab. Sie sind ungefähr proportional zu dem reziproken Quadrat des Zwischenraums zwischen Verschiebungsvorrichtung und Stator. Diese Abhängigkeit von dem Zwischenraum kann beseitigt werden, indem E_i und E_q mit der Quadratwurzel der Summe der Quadrate von E_i und E_q normiert werden. Diese Normierung berechnet die vom Zwischenraum abhängige Amplitude von E_i und E_q bei jeglicher Verschiebungsposition ausgehend von ihren momentanen Werten. Dies gilt nicht nur streng für Sinusgrößen im Quadrat. Ein zweiter Vorteil dieser Normierung besteht darin, dass sie jegliche Abhängigkeit der Positionsfehlersignale von der Amplitude der Treiberzittersinusgrößen beseitigt, da ihre Amplitude den Normierungsfaktor ebenfalls skaliert. Wir haben erfolgreich Experimente durchgeführt, die die Unveränderlichkeit von auf diese Weise berechneten Positionsfehlersignalen bei/im Falle von Veränderungen des Zwischenraums zwischen Verschiebungsvorrichtung und Stator und Zittertreibersignalamplituden belegen.
Der Zwischenraum zwischen Verschiebungsvorrichtung und Stator kann ausgehend von denselben fundamentalen Messungen gemessen werden. Die Summe eines jeglichen Paares von er fassten Zittersignalamplituden, deren translatorische Abhängigkeit gegenphasig ist, liefert eine Zwischenraummessung, die unabhängig von der in der Ebene liegenden Position ist. Alle acht Messungen können zusammengefasst werden, um das Rauschen der Messung zu verringern. Da die Messung im Wesentlichen eine Zwischenraummessung eines Parallelplattenkondensators ist, weist sie eine Reziprokes-Quadrat-Abhängigkeit von dem Zwischenraum auf. Wenn das Signal nicht normiert ist, variiert es mit Veränderungen der Amplitude der Zittertreibersignale. Das Signal enthält dann auch einen auf Kopplungen zurückzuführenden Versatz, wobei die Kopplungen von der relativen Position der Verschiebungsvorrichtung und des Stators unabhängig sind.
Es ist wichtig zu beachten, dass, obwohl diese Quantität einfacher zu berechnen ist als die Wurzel der Summe der Quadrate von E_i und E_q, sie nicht als Normierungsfaktor für E_i und E_q geeignet ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass jede der erfassten Zitteramplituden teilweise auf Kopplungen zurückzuführen ist, die sich nicht mit dem Zwischenraum oder der translatorischen Position verändern. Diese stationären Kopplungen werden als Gleichtaktsignale entfernt, wenn die Differenzen bei der Berechnung von E_i und E_q genommen werden; und somit liegen sie in der Wurzel der Summe ihrer Quadrate nicht vor.
Obwohl diese Offenbarung veranschaulichende Ausführungsbeispiele der Erfindung ausführlich beschreibt, versteht es sich, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen präzisen Ausführungsbeispiele beschränkt ist und daß verschiedene Modifikationen innerhalb des durch die beigefügten Patentansprüche definierten Schutzbereichs der Erfindung praktiziert werden können.

Claims

Ein Verfahren zum Treiben eines elektrostatischen Betätigungsglieds (10), wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt: Bereitstellen eines ersten Bauglieds (14), das eine erste gegenüberliegende Oberfläche aufweist, wobei die erste gegenüberliegende Oberfläche ein Array von getriebenen Elektroden (30, 32, 34, 36) umfaßt; Bereitstellen eines zweiten Bauglieds (12), das eine zweite gegenüberliegende Oberfläche aufweist, wobei die zweite gegenüberliegende Oberfläche ein Array von Treiberelektroden (20, 22, 24, 26) umfaßt; und Einrichten eines im wesentlichen wechselnden Spannungsmusters auf dem Array von getriebenen Elektroden (30, 32, 34, 36); und Einrichten eines im wesentlichen wechselnden Spannungsmusters auf dem Array von Treiberelektroden (20, 22, 24, 26) und selektives Bewirken einer Schwankung des im wesentlichen wechselnden Spannungsmusters auf dem Array von Treiberelektroden, um das eine des ersten Bauglieds und des zweiten Bauglieds relativ zu dem anderen zu bewegen, wobei eine gemeinsame Vorspannungsspannung zu den Treiberelektroden hinzugefügt wird, wenn sich das erste und das zweite Bauglied in einer Position eines instabilen Gleichgewichts befinden, derart, daß eine Abstoßung im wesentlichen auf Null reduziert werden kann, während eine In-Ebene-Kraft in einem instabilen Gleichgewicht verbleibt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt der Stabilisierung der in einer Ebene liegenden Kraft in der Position des instabilen Gleichgewichts erzielt wird, indem eine elektrische Phase der Verteilung des Potentials der Treiberelektroden in eine Richtung verschoben wird, um eine in einer Ebene liegende Kraft zu erzeugen, die einer Bewegung des ersten Bauglieds weg von der Gleichgewichtsposition entgegenwirkt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem: die Phase der Verteilung des Potentials der Treiberelektroden um einen Betrag, der gleich dem Abstand der Treiberelektroden ist, verschoben wird, indem Spannungen, die an die elektrischen Phasen der Treiberelektroden angelegt sind, vertauscht werden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem: die Phase um weniger als den Abstand der Treiberelektroden geändert wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem die Phase durch eine lineare Steuerung geändert wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem die Phase durch eine Pulsbreitenmodulationssteuerung geändert wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem: das Array von getriebenen Elektroden ein erstes Array von getriebenen Elektroden ist; das Array von Treiberelektroden ein erstes Array von Treiberelektroden ist; die erste gegenüberliegende Oberfläche zusätzlich ein zweites Array von getriebenen Elektroden umfaßt, das parallel zu dem ersten Array von getriebenen Elektroden angeordnet ist; die zweite gegenüberliegende Oberfläche zusätzlich ein zweites Array von Treiberelektroden umfaßt, das parallel zu dem ersten Array von Treiberelektroden angeordnet ist; und die ersten Arrays von Elektroden und die zweiten Arrays von Elektroden zusammenwirken, um das eine des ersten Bauglieds und des zweiten Bauglieds relativ zu dem anderen zu bewegen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3, das folgenden Schritt umfaßt: Bereitstellen eines Trägers, der zwischen dem ersten Bauglied und dem zweiten Bauglied angeordnet ist, um das erste Bauglied und das zweite Bauglied benachbart zueinander zu tragen und um eine Bewegung eines des ersten Bauglieds und des zweiten Bauglieds relativ zu dem anderen zu ermöglichen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem das im wesentlichen wechselnde Spannungsmuster auf dem Array von getriebenen Elektroden eine Mehrphasen-Gleichstromanregung ist, wobei das Verfahren ferner folgende Schritte umfaßt: Hinzufügen eines ersten Wechselstrom-Zittersignals zu einer ersten Phase der Gleichstromanregung einer ersten getriebenen Elektrode; und Hinzufügen eines zweiten Wechselstrom-Zittersignals zu einer zweiten Phase der Gleichstromanregung einer zweiten getriebenen Elektrode.
Ein elektrostatisches Betätigungsglied (10) zum Bewerkstelligen des Verfahrens eines der obigen Ansprüche, das folgende Merkmale aufweist: ein erstes Bauglied (14), das eine erste gegenüberliegende Oberfläche aufweist, wobei die erste gegenüberliegende Oberfläche ein Array von getriebenen Elektroden (30, 32, 34, 36) umfaßt; ein zweites Bauglied (12), das eine zweite gegenüberliegende Oberfläche aufweist, wobei die zweite gegenüberliegende Oberfläche ein Array von Treiberelektroden (20, 22, 24, 26) umfaßt; und eine Einrichtung zum Einrichten eines im wesentlichen wechselnden Spannungsmusters auf dem Array von getriebenen Elektroden; und eine Einrichtung zum Einrichten eines im wesentlichen wechselnden Spannungsmusters auf dem Array von Treiberelektroden (20, 22, 24, 26) und zum selektiven Bewirken einer Schwankung des im wesentlichen wechselnden Spannungsmusters auf dem Array von Treiberelektroden, um das eine des ersten Bauglieds und des zweiten Bauglieds relativ zu dem anderen zu bewegen, wobei eine gemeinsame Vorspannungsspannung zu den Treiberelektroden hinzugefügt wird, wenn sich das erste und das zweite Bauglied in einer Position eines instabilen Gleichgewichts befinden, derart, daß eine Abstoßung im wesentlichen auf Null reduziert werden kann, während eine In-Ebene-Kraft in einem instabilen Gleichgewicht verbleibt.