DD293013A5 - ELECTROSTATIC MICROACTOR - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Mikroaktor auf Basis eines Mehrantriebssystems mit paralleler Grundstruktur zur Realisierung elektrostatischer, anziehender und abstoszender Kraefte und Bewegungen um einige Mikrometer zwischen 2 flachen Koerpern, einem Stator und einem Anker, die parallel zueinander angeordnet sind. Der Stator und der Anker besitzen Elektroden, und der Anker ist gegenueber dem Stator nur hoechstens um wenige Mikrometer tangential zur Elektrodenflaeche beweglich. Die Anwendung bezieht sich besonders auf die Konstruktion von mikromechanischen Aktoren, die in der Geraetetechnik Anwendung finden. Erfindungsgemaesz werden auf dem Stator 1 und dem Anker 2 kammfoermig ineinander greifende Statorelektroden 3 und Ankerelektroden 4 isoliert angeordnet, die benachbarten Statorelektroden 3 und Ankerelektroden 4 sind alternierend gepolt, und gleichzeitig besitzen die genau gegenueberliegenden Statorelektroden 3 und Ankerelektroden 4 gleiche Polung. Damit wird eine abstoszende elektrostatische Kraft erzeugt, und durch Umpolung koennen mit der gleichen Anordnung elektrostatische Zugkraefte erzeugt werden. Mit dem erfindungsgemaeszen elektrostatischen Mikroaktor koennen Leistungsdichte, Praezision und Zuverlaessigkeit gegenueber bekannten Mikroaktoren erhoeht werden. Qualitativ neue Eigenschaften sind die elastische, differenzierte Formaenderung des Ankers waehrend der Bewegung, Gestaltung von Aktorarrays mit aktiver Rueckstellkraft und hohe Flexibilitaet. Fig. 1{elektrostatisch; Aktor; Antrieb; Roboter, parallel; Mikrosystemtechnik; Positionierung; Formaenderung; Mikromechanik; Geraetetechnik; Mikroprozessor; Dynamik; Planartechnik}The invention relates to an electrostatic microactuator based on a multi-drive system with a parallel basic structure for the realization of electrostatic, attractive and repulsive forces and movements of a few micrometers between two flat bodies, a stator and an armature, which are arranged parallel to each other. The stator and the armature have electrodes, and the armature is compared to the stator only a few microns at the most tangential to the Elektrodenflaeche movable. The application pertains especially to the construction of micromechanical actuators, which are used in device technology. According to the invention, stator electrodes 3 and armature electrodes 4 are arranged in a comb-like manner on stator 1 and armature 2, the adjacent stator electrodes 3 and armature electrodes 4 are alternately poled, and at the same time the stator electrodes 3 and armature electrodes 4 lying exactly opposite one another have the same polarity. Thus, a repulsive electrostatic force is generated, and by reversal can be generated with the same arrangement electrostatic traction forces. With the electrostatic microactuator according to the invention, power density, precision and reliability over known microactuators can be increased. Qualitatively new features are the elastic, differentiated shape change of the anchor during the movement, design of actuator arrays with active restoring force and high flexibility. Fig. 1 {electrostatic; actuator; Drive; Robot, parallel; Microsystems Technology; Positioning; Shape change; Micromechanics; Devices technology; Microprocessor; Dynamics; Planartechnik}

Description

Hierzu 4 Seiten ZeichnungenFor this 4 pages drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Aktor auf Basis eines Mehrantriebssystems mit paralleler Grundstruktur zur Realisierung elektrostatischer Anzugs- und Abstoßungskräfte zwischen 2 flachen Körpern, einem Stator und einem Anker, die angenähert parallel und im Abstand einiger Mikrometer voneinander angeordnet sind. Der Anker ist gegenüber dem Läufer tangential höchstens um wenige Mikrometer beweglich.The invention relates to an electrostatic actuator based on a multi-drive system with a parallel basic structure for implementing electrostatic tightening and repulsive forces between 2 flat bodies, a stator and an armature, which are arranged approximately parallel and at a distance of a few microns from each other. The anchor is tangentially movable relative to the rotor at most by a few micrometers.

Im Fall eines in Normalenrichtung beweglichen Ankers, beispielsweise eines drehbar gelagerten Ankers, finden elektrostatische Abstoßungskräfte im zeitlichen Wechsel mit elektrostatischen Anzugskräften vorteilhaft Anwendung dadurch, daß bekannte Rückstellkräfte, beispielsweise Federwirkung, konstruktiv nicht vorgesehen werden brauchen. Mögliche Anwendungen sind Torsionsmotoren (Scanner), Folientastaturen, Schalterarrays und Relayarrays.In the case of a normally movable armature, such as a rotatably mounted armature find electrostatic repulsive forces in temporal change with electrostatic attraction forces advantageous application in that known restoring forces, such as spring action, need not be provided structurally. Possible applications include torsion motors (scanners), membrane keypads, switch arrays and relay arrays.

Im Fall eines elastischen Ankers, beispielsweise einer Folie oder einer einkristallinen Si-Scheibe, und einer parallelen Anordnung elektrostatischer Aktoren kann eine gesteuerte oder geregelte elastische Formänderung des Ankers vorgenommen werden. Anwendungsmögiichkeiten sind ein Tintenstrahldrucker, ein deformierbarer Spiegel für aktive Optik, ein Lichtmodulator, ein Wellenmotor, geregelte Formänderung eines Wafers im Repeater, Formstabilisierung und definierte, elastische Formänderung in der Ultrapräzisionsbearbeitung.In the case of an elastic anchor, for example a film or a monocrystalline Si wafer, and a parallel arrangement of electrostatic actuators, a controlled or controlled elastic deformation of the armature can be made. Applications include an ink jet printer, a deformable mirror for active optics, a light modulator, a wave motor, controlled shape change of a wafer in the repeater, shape stabilization, and defined elastic strain in ultraprecision machining.

-2- 293 013 Charakteristik des bekannten Standes der Technik-2- 293 013 Characteristic of the known state of the art

Es wurde bereits ein elektrostatischer Antrieb mit integrierter Führung auf Basis eines Mehrantriebssystems mit paralleler Grundstruktur für die zeitlich parallele, voneinander unabhängige Führung mehrerer Objekte mit glatter, strukturierter Grundfläche bei gleichzeitiger, individueller Formänderung der Objekte während der Bewegung vorgeschlagen. Die Erfindung beinhaltet, daß die Elektroden auf Stator und Anker ein flächenhaftes Muster bilden, die Elektroden getaktet mit einem Sensor-Wandlerelement oder mit einer programmgesteuerten Spannungsquelle verbunden sind, die Elektroden in Abhängigkeit von ihrer Position zueinander mit Signalen zur Führung einer Bewegungskoordinate beaufschlagt werden, die Elektroden in Funktionsgruppen angeordnet sind und mindestens 2 Elektrodengruppen hinsichtlich der Hauptabmessungen ihrer Elektroden senkrecht zueinander angeordnet sind. Mit dieser Lösung wird die Objektführung im Raum nach dem elektrostatischen Prinzip gezeigt.An electrostatic drive with an integrated guide based on a multi-drive system with a parallel basic structure has already been proposed for the temporally parallel, independent guidance of several objects with a smooth, structured base surface while at the same time changing the objects individually during the movement. The invention includes that the electrodes form a planar pattern on the stator and armature, the electrodes are clocked connected to a sensor transducer element or with a program-controlled voltage source, the electrodes are acted upon depending on their position to each other with signals for guiding a motion coordinate, the Electrodes are arranged in functional groups and at least 2 electrode groups are arranged perpendicular to each other with respect to the main dimensions of their electrodes. With this solution, the object guidance in the room is shown according to the electrostatic principle.

Für die praktische Realisierung der zur Verwirklichung dieser Erfindung notwendigen Abstoßungskräfte ist die Gestaltung der Elektroden und ihre Ansteuerung nicht näher angegeben. Insbesondere für viele Anwendungen, bei denen die Beweglichkeit des Ankers in Normalenrichtung ausreicht, erweist sich die allgemein vorgeschlagene Anordnung als zu aufwendig. Bekannt ist ein Mikromoter aus der Literatur /Petersen, K. E.: Silicon torsional scanning mirror (IBM J. Res. Develop., 24 [1980] 5, Sept., S.631-637)/, bestehend aus einer an 2 Torsionsbändern aufgehängten Drehplatte, im einfachsten Fall einer Spiegelfläche, die durch die Wirkung des elektrostatischen Feldes zwischen Elektroden der Drehplatte und Elektroden einer im Abstand a dazu angeordneten Statorplatte verdreht wird. Das an den Torsionsbändern entstehende rücktreibende Moment stellt einen Gleichgewichtszustand zu elektrostatischen Anzugskräften her, die durch die angelegte Spannung entstehen und eine definierte Auslenkung der Drehplatte erzeugen. Dieses Prinzip wird z. B. dazu benutzt, einen an der Plattenoberfläche reflektierten Lichtstrahl um einen von der Steuerspannung abhängigen Winkel auszulenken.For the practical realization of the repulsion forces necessary for the realization of this invention, the design of the electrodes and their control is not specified. In particular, for many applications in which the mobility of the armature in the normal direction is sufficient, the generally proposed arrangement proves to be too expensive. Known is a micromoter from the literature / Petersen, KE: Silicon torsional scanning mirror (IBM J. Res. Develop., 24 [1980] 5, Sept., p.631-637) /, consisting of a suspended on 2 torsion strips rotary plate In the simplest case, a mirror surface which is rotated by the action of the electrostatic field between electrodes of the rotary plate and electrodes of a stator plate arranged at a distance a thereto. The restoring moment created at the torsion straps establishes a state of equilibrium with electrostatic pull forces created by the applied stress and producing a defined deflection of the rotating plate. This principle is z. B. used to deflect a light beam reflected at the disk surface by an angle dependent on the control voltage.

Diese Anordnung hat die Nachteile, daß hohe Spannungen erforderlich sind, und bei Erreichen eines Grenzwinkels ße zwischen den Elektrodenflächen die Torsionsfeder durch hohe Querkräfte belastet wird und sich die Genauigkeit verschlechtert und die Funktion instabil ist. Die Nutzung abstoßender elektrostatischer Kräfte dadurch, daß gegenüberliegende Elektroden gleichnamig gepolt werden, bewirkt nur eine geringe Verbesserung.This arrangement has the disadvantages that high voltages are required, and upon reaching a critical angle ße between the electrode surfaces, the torsion spring is loaded by high lateral forces and the accuracy deteriorates and the function is unstable. The use of repulsive electrostatic forces by the fact that opposing electrodes are poled the same name, only a small improvement.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Die Erfindung verfolgt das Ziel, einen elektrostatischen Mikroaktor zu finden, bei dem mit geringen elektrischen Spannungen große abstoßende Kräfte zwischen 2 flachen Körpern, die angenähert parallel und im Abstand einiger Mikrometer voneinander angeordnet sind, erzeugt werden können. Die Lösung soll durch eine einfache mit der Planartechnik zu realisierende Elektrodenanordnung und eine einfache Ansteuereinrichtung erfolgen. Der elektrostatische Mikroaktor zur Realisierung abstoßender und anziehender Kräfte ist so zu gestalten, daß Anker ohne mechanische Rückstellkraft bewegt werden können und eine Vielzahl parallel angeordneter Elemente unabhängig voneinander Hubbewegungen ausführen können, so daß eine geregelte elastische Formänderung des Ankers erfolgen kann.The invention aims to find an electrostatic microactuator in which low repulsive forces can be generated between 2 flat bodies, which are approximately parallel and at a distance of a few microns from each other, with low electrical voltages. The solution is to be done by a simple to be realized with the planar technology electrode assembly and a simple control device. The electrostatic microactuator for the realization of repulsive and attractive forces is to be designed so that armature can be moved without mechanical restoring force and a plurality of parallel elements independently can perform strokes, so that a controlled elastic deformation of the armature can be done.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrostatischen Aktor zu schaffen, der Anzugs- und Abstoßungskräfte zwischen zwei flachen Körpern, einem Stator und einem Anker, die angenähert parallel und im Abstand einiger Mikrometer voneinander angeordnet sind, realisiert. Durch eine geeignete Elektrodenanordnung und Ansteuerung ist eine technisch einfach zu verwirklichende, hochauflösende Kraftwirkung zwischen Stator und Anker, die tangential zueinander höchstens um wenige Mikrometer beweglich sind, zu erzielen. Damit soll ohne Verwendung einer mechanischen Rückstellkraft die Hubbewegung des Ankers hochgenau im Submikrometerbereich gesteuert oder geregelt werden können. Weiterhin soll mit einer Vielzahl angeordneter elektrostatischer Mikroaktoren eine programmgesteuerte elastische Formänderung bzw. Formstabilisierung erzielt werden.The invention has for its object to provide an electrostatic actuator, the tightening and repulsive forces between two flat bodies, a stator and an armature, which are arranged approximately parallel and at a distance of a few microns from each other realized. By a suitable electrode arrangement and control is a technically easy to achieve, high-resolution force effect between the stator and armature tangentially to each other at most by a few microns are movable to achieve. This is intended to control or regulate the lifting movement of the armature with high precision in the sub-micron range without the use of a mechanical restoring force. Furthermore, a program-controlled elastic deformation or shape stabilization is to be achieved with a plurality of arranged electrostatic microactuators.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen elektrostatischen Mikroaktor auf Basis eines Mehrantriebssystems mit paralleler Grundstruktur zur Realisierung elektrostatischer Anzugs- und Abstoßungskräfte zwischen zwei flachen Körpern, einem Stator und einem Anker, die angenähert parallel und im Abstand einiger Mikrometer voneinander angeordnet sind, auf ihren flachen Seiten Elektroden besitzen und bei denen der Anker bezüglich des Stators tangential zu den flachen Seiten höchstens um wenige Mikrometer beweglich ist, dadurch gelöst, daß auf dem Stator und dem Anker kammförmig ineinandergreifende Statorelektroden und Ankerelektroden angeordnet sind. Werden der eine Kamm der Statorelektrode und der in den ersteren eingreifende andere Kamm der Statorelektrode alternierend gepolt durch Anschluß an eine Spannungsquelle, werden der Kamm der Ankerelektrode und der in den ersteren eingreifende andere Kamm der Ankerelektrode ebenfalls alternierend gepolt und befinden sich die gleichnamig gepolten Elektroden dabei genau gegenüber, so tritt eine abstoßende Kraft in Normalenrichtung bezüglich der Elektrodenflächen auf. Die Elektroden können beispielsweise auf ein ebenes Glas-, Keramik-, Folien- oder Siliziumsubstrat mit Hilfe der Planartechnik aufgebracht werden. Zur Vermeidung eines Spannungsüberschlages sind die Elektroden isoliert angeordnet. Die Statorelektroden und die Ankerelektroden müssen deckungsgleiche Form besitzen, die größten Kräfte werden erreicht bei Ausführung kleiner Kammzahnbreite und kleiner Abständezwischen den Kammzähnen. Die Kammzahnbreite und der Abstand zwischen den Kammzähnen sollen eine Größe von nur einigen Mikrometern betragen. Während der Aktion des Mikroaktors darf die seitliche Verschiebung zwischen den gleichartigen Elektrodenmustern nicht mehr als 25% der Kammzahnbreite betragen.According to the invention, the object is achieved by an electrostatic microactuator based on a multi-drive system having a parallel basic structure for implementing electrostatic tightening and repulsive forces between two flat bodies, a stator and an armature, which are arranged approximately parallel and at a distance of a few micrometers from each other, electrodes on their flat sides and in which the armature with respect to the stator tangential to the flat sides at most by a few microns is movable, achieved in that comb-shaped intermeshing stator and armature electrodes are arranged on the stator and the armature. When the one comb of the stator electrode and the other comb of the stator electrode engaging in the former are alternately poled by connection to a voltage source, the comb of the armature electrode and the other comb of the armature electrode engaging in the former are also poled alternately and the poles of the same name are present just opposite, so occurs a repulsive force in the normal direction with respect to the electrode surfaces. The electrodes can for example be applied to a flat glass, ceramic, foil or silicon substrate by means of the planar technology. To avoid a voltage flashover, the electrodes are arranged in isolation. The stator electrodes and the armature electrodes must have congruent shape, the largest forces are achieved in performing small comb tooth width and small distances between the comb teeth. The comb tooth width and the distance between the comb teeth should be a size of only a few microns. During the action of the microactuator, the lateral displacement between the similar electrode patterns must not exceed 25% of the comb tooth width.

Ein Merkmal der Erfindung ist es, daß im Falle eines drehbar gelagerten Ankers, beispielsweise eines Scanners, die Kammzahnbreite und/oder die Abständezwischen den Kammzähnen der Statorelektroden und der Ankerelektroden mit zunehmendem Abstand von der Drehachse zunehmen. Unter Anwendung des bekannten Zusammenhanges der Zugkraft vom Abstand der Elektroden und des Zusammenhanges der Abstoßungskraft vom Abstand der Elektroden entsprechend der TheorieA feature of the invention is that, in the case of a rotatably mounted armature, such as a scanner, the comb tooth width and / or the distances between the comb teeth of the stator electrodes and the armature electrodes increase with increasing distance from the axis of rotation. Using the known relationship of the tensile force to the distance of the electrodes and the relationship of the repulsive force from the distance of the electrodes according to the theory

elektrostatischer Felder läßt sich durch die vorgeschlagene Differenzierung der Kammform eine über den Anker gleichmäßige Kraftverteilung erzielen, wodurch elastische Formänderungen vermindert werden.electrostatic fields can be achieved by the proposed differentiation of the comb shape over the anchor uniform force distribution, whereby elastic shape changes are reduced.

Durch die Möglichkeit der Realisierung eines Kräftepaares am drehbaren Anker wird die Drehlagerung, beispielsweise eine Torsionsfeder aus Silizium, wesentlich weniger durch Querkräfte beansprucht, wodurch die Genauigkeit der Drehwinkelregelung erhöht, der Drehwinkel mit geringerer Spannung realisiert und die Dynamik erhöht werden kann. Nach der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, daß im Falle eines drehbar gelagerten biegesteifen Ankers die Statorelektroden und Ankerelektroden senkrecht zur Drehachse angeordnet sind. Damit kann eine erhöhte Genauigkeit erreicht werden, da eine Verringerung der Kräfte quer zur Längsachse der Drehlagerung erfolgt. Die bei Abweichungen von der exakt gegenüberliegenden Anordnung der Ankerelektroden und Statorelektroden auftretenden Kräfte in Richtung der Drehachse können besser aufgenommen werden.The possibility of realizing a pair of forces on the rotatable armature, the pivot bearing, for example, a torsion spring made of silicon, much less stressed by lateral forces, whereby the accuracy of the rotation angle control increases realized, the rotation angle with lower voltage and the dynamics can be increased. According to the invention it is further provided that in the case of a rotatably mounted rigid armature, the stator and armature electrodes are arranged perpendicular to the axis of rotation. Thus, an increased accuracy can be achieved, since a reduction of the forces takes place transversely to the longitudinal axis of the pivot bearing. The forces occurring in the direction of the axis of rotation when deviations from the exactly opposite arrangement of the armature electrodes and stator electrodes can be better absorbed.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist es, daß im Falle eines elastischen Ankers und/oder Stators die Statorelektroden und Ankerelektroden gruppenweise parallel angeordnet und unabhängig voneinander angesteuert werden. Ein Steuergrößengeber wird zur Bereitstellung von Hochspannungsphasen verwendet. Die Verbindung zu den Statorelektroden und den Ankerelektroden erfolgt durch eine vom Steuergrößengeber getaktete Schalteinheit in zwei Varianten. Zum Zweck der Erzeugung einer anziehenden Kraft zwischen Stator und Anker werden die beiden ineinandergreifenden Statorelektroden und die beiden ineinandergreifenden Ankerelektroden jeweils miteinander verbunden, und Stator und Anker sind ungleichnamig gepolt. Zur Erzeugung abstoßender Kraft sind die gegenüber angeordneten Statorelektroden und Ankerelektroden durch Schalter miteinander verbunden, und benachbarte Statorelektroden bzw. Ankerelektroden sind ungleichnamig gepolt. Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, daß die Statorelektroden und dieAnkerelektrodenaufden zugewandten Seiten des Stators und des Ankers angeordnet sind, wodurch ein Abstand von einigen Mikrometern durch Montage von Anker und Stator erreichbar ist. Bei geringer Leitfähigkeit einer Flüssigkeit oder eines Gases kann der Fluidraum zwischen Stator und Anker angeordnet werden. Ansonsten ist der Fluidraum auf der gegenüberliegenden Seite des Ankers mit einer Höhe von einigen Mikrometern anzuordnen.Another feature of the invention is that in the case of an elastic armature and / or stator, the stator and armature electrodes are arranged in groups in parallel and controlled independently. A control sizer is used to provide high voltage phases. The connection to the stator electrodes and the armature electrodes is effected by a switching unit clocked by the control variable generator in two variants. For the purpose of generating an attractive force between stator and armature, the two intermeshing stator electrodes and the two intermeshing armature electrodes are connected to each other, and stator and armature are poled ungleichnamig. To generate repulsive force, the stator electrodes and armature electrodes arranged opposite to one another are connected to one another by switches, and adjacent stator electrodes or armature electrodes are poled in the opposite direction. According to the invention it is further provided that the stator electrodes and the Ankerelektroden are arranged on the facing sides of the stator and the armature, whereby a distance of a few micrometers can be achieved by mounting the armature and stator. With low conductivity of a liquid or a gas, the fluid space between stator and armature can be arranged. Otherwise, the fluid space on the opposite side of the armature is to be arranged with a height of a few micrometers.

Die Bewegung des Fluids erfolgt durch Formänderung des Ankers infolge phasenverschobener Ansteuerung der gruppenweise angeordneten Statorelektroden und Ankerelektroden und gesteuerten Wechsels zwischen Anzug und Abstoßung durch die Schalteinheit. Beispielsweise kann so ein Tintentropfen zwischen Maxima einer Sinuswelle eingeschlossen und mit hoher Geschwindigkeit transportiert werden.The movement of the fluid takes place by changing the shape of the armature due to phase-shifted control of the group-wise arranged stator electrodes and armature electrodes and controlled change between suit and repulsion by the switching unit. For example, such an ink drop can be trapped between maxima of a sine wave and transported at high speed.

Nach der Erfindung ist vorgesehen, daß mindestens der Anker aus einem Einkristall, beispielsweise aus Silizium, gefertigt ist, um hohe Elastizität und Dauerbeanspruchung sowie technologische Beherrschbarkeit zu erreichen. Darüber hinaus kann Folie vorteilhaft als Ankermaterial verwendet werden.According to the invention it is provided that at least the armature is made of a single crystal, for example of silicon, in order to achieve high elasticity and continuous stress as well as technological controllability. In addition, film can be advantageously used as an anchor material.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, bei einer flächenhaften, gruppenweisen Anordnung von Statorelektroden und Ankerelektroden die Leitungszuführung in einer ersten Leiterbahnschicht vorzusehen und auf dem Stator und Anker zusätzlich isoliert vom Erregerkreis Arbeitselektroden für einen Arbeitskreis gegenüberliegend anzuordnen. Die Arbeitselektroden sind mit einer zweiten Leiterbahnschicht verbunden, um die Leiterbahnen des Schaltkontaktes zwischen Stator und Anker nach außen zu führen und ein Relaisarray oder Sensorarray zu realisieren. Mit Hilfe von Verbindungselementen wird eine tangentiale Beweglichkeit zwischen Stator und Anker vermieden. Die Montage des Ankers muß staubfrei und in tangentialer Richtung auf einige Mikrometer genau erfolgen.An advantageous embodiment of the invention is to provide for a planar, group-wise arrangement of stator and armature electrodes, the line feed in a first conductor layer and on the stator and armature additionally isolated from the excitation circuit to arrange working electrodes for a working group opposite. The working electrodes are connected to a second interconnect layer to guide the interconnects of the switching contact between the stator and armature to the outside and to realize a relay array or sensor array. By means of connecting elements a tangential mobility between stator and armature is avoided. The installation of the armature must be dust-free and accurate to a few micrometers in the tangential direction.

Im Falle der Verwendung als Sensorarray können die Statorelektroden und Ankerelektroden zur Realisierung solch einer Kraft zwischen Stator und Anker verwendet werden, daß der Abstand zwischen Stator und Anker für die Sensorfunktion optimal ist. Die Arbeitselektroden sind mit dem Sensor-Wandlerelement zu verbinden.In the case of use as a sensor array, the stator electrodes and armature electrodes can be used to realize such a force between stator and armature that the distance between stator and armature for the sensor function is optimal. The working electrodes are to be connected to the sensor transducer element.

Im Falle der Verwendung als Schaltarray wird mit Hilfe der Arbeitselektroden die Schaltfunktion realisiert. Die Statorelektroden und Ankerelektroden werden zur Erzeugung der Rückstellkraft verwendet.In the case of use as a switching array, the switching function is realized with the aid of the working electrodes. The stator electrodes and armature electrodes are used to generate the restoring force.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. In den einzelnen Zeichnungen zeigenThe invention will be explained in more detail with reference to drawings. In the individual drawings show

Fig. 1: die kammförmige Anordnung der Statorelektroden und der Ankerelektroden sowie ihre Polung zur Erzielung anziehender und abstoßender KräfteFig. 1: the comb-shaped arrangement of the stator and the armature electrodes and their polarity to achieve attractive and repulsive forces

Fig. 2: einen elektrostatischen Mikroaktor als Torsionsmotor Fig. 3: eine Biegebalkenanordnung zur gesteuerten elastischen Formänderung Fig. 4: eine Steuereinheit für einen elektrostatischen Mikroaktor zur Realisierung einer fortlaufenden elastischen Welle Fig. 5: einen elektrostatischen Mikroaktor als Mikropumpe Fig. 6: einen elektrostatischen Mikroaktor mit zusätzlichen Arbeitselektroden zur Gestaltung eines Relaisarrays.2: an electrostatic microactor as a torsion motor FIG. 3: a bending beam arrangement for controlled elastic deformation FIG. 4: a control unit for an electrostatic microactuator for realizing a continuous elastic shaft FIG. 5: an electrostatic microactuator as a micropump FIG Microactuator with additional working electrodes for designing a relay array.

Fig. 1 zeigt die kammförmige Elektrodenanordnung auf den parallel zueinander angeordneten flachen Körpern, dem Stator 1 und Anker 2, eines erfindungsgemäßen elektrostatischen Mikroaktors. Zum Zweck der Abstoßung sind die gegenüberliegenden Statorelektroden 3 und Ankerelektroden 4 gleichnamig gepolt, zum Zweck der Anziehung ungleichnamig gepolt. Die Isolation der Elektroden ist nicht dargestellt.1 shows the comb-shaped electrode arrangement on the mutually parallel flat bodies, the stator 1 and armature 2, of an electrostatic microactuator according to the invention. For the purpose of repulsion, the opposing stator electrodes 3 and armature electrodes 4 are poled the same name, polarized unlike for the purpose of attraction. The insulation of the electrodes is not shown.

In Fig. 2 wird ein elektrostatischer Mikroaktor als Torsionsmotor dargestellt. Gezeigt werden die Statorelektroden 3 und die Ankerelektroden 4, die auf dem Stator 1 und dem drehbar gelagerten Anker 2 gegenüberliegend angeordnet sind, sowie die erforderliche Polung der Elektroden zur Erzielung eines positiven oder negativen Drehwinkels ß.In Fig. 2, an electrostatic microactuator is shown as a torsion motor. Shown are the stator electrodes 3 and the armature electrodes 4, which are arranged on the stator 1 and the rotatably mounted armature 2 opposite, and the required polarity of the electrodes to achieve a positive or negative rotation angle ß.

Die Fig. 3 zeigt eine Biegebalkenanordnung eines Stators 1 und eines Ankers 2, mit der beispielsweise eine Düsenform gesteuert werden kann. Die elastische Formänderung wird im Sinne eines Mehrantriebssystems mit paralleler Grundstruktur differenziert durch Zug- und Druckkräfte gestaltet, indem mehrere Steuergrößengeber 5, hier nicht dargestellt, Spannungen Ui i, Ui₂, U₂i, U₂₂, υ«, U₁₄, U₂₃, U₂4 bereitstellen.Fig. 3 shows a bending beam arrangement of a stator 1 and an armature 2, with the example, a nozzle shape can be controlled. The elastic deformation is differentiated in the sense of a multi-drive system with a parallel basic structure by tensile and compressive forces by several control size generator 5, not shown here, voltages Ui i, Ui ₂ , U ₂ i, U ₂₂ , υ «, U ₁₄ , U ₂₃ To provide U ₂ 4.

In Fig. 4 wird eine Steuereinheit für einen elektrostatischen Mikroaktor mit 3 unabhängig angesteuerten Statorelektroden 3 und Ankerelektroden 4 dargestellt. Ein bekannter Steuergrößengeber 5 wird derart mit Schaltereinheiten 6.1,6.2,6.3 verbunden,FIG. 4 shows a control unit for an electrostatic microactuator with 3 independently controlled stator electrodes 3 and armature electrodes 4. A known control variable generator 5 is thus connected to switch units 6.1.6.2.6.3,

daß eine Umschaltung zwischen Abstoßung und Anzug (siehe Detail 6.1) erfolgen kann. Mit der Anordnung kann beispielsweise eine wandernde Sinuswelle erzeugt werden.that a switch between repulsion and suit (see detail 6.1) can be done. With the arrangement, for example, a wandering sine wave can be generated.

Die Fig. 5 stellt 2 Varianten zur technischen Ausführung eines elektrostatischen Mikroaktors als Mikropumpe dar. Die Statorelektroden 3 und die Ankerelektroden 4 sind auf den zugewandten Seiten von Stator 1 und Anker 2 angeordnet. Bei Variante a befindet sich der Fluidraum 5 zwischen Stator 1 und Anker 2, bei Variante b außerhalb. Das Pumpen erfolgt durch Bewegung und Formänderung des Ankers 2. Weiterhin sind ein Vorratsraum 6 sowie Ein- und Auslaßöffnungen gezeigt. In der Fig.6 wird ein elektrostatischer Mikroaktor mit zusätzlichen Arbeitselektroden 7 zwischen Stator 1 und Anker 2 gezeigt. Während die Statorelektroden 3 und Ankerelektroden 4 mit dem Erregerkreis verbunden sind, stehen die Arbeitselektroden mit einem Arbeitsstromkreis in Verbindung. Durch die elastische Formänderung des Stators 1 und/oder Ankers 2 wird der Arbeitsstromkreis geschlossen bzw. durch abstoßende Kräfte unterbrochen. Die Verbindungsstücke 8 verhindern eine tangentiale Verschiebung zwischen Anker 1 und Stator 2, um zu sichern, daß die Statorelektroden 3 und die Ankerelektroden exakt gegenüber angeordnet sind.FIG. 5 illustrates two variants for the technical design of an electrostatic microactuator as a micropump. The stator electrodes 3 and the armature electrodes 4 are arranged on the facing sides of the stator 1 and the armature 2. In variant a, the fluid space 5 is located between stator 1 and armature 2, in variant b outside. The pumping takes place by movement and change in shape of the armature 2. Furthermore, a storage space 6 and inlet and outlet openings are shown. FIG. 6 shows an electrostatic microactuator with additional working electrodes 7 between stator 1 and armature 2. While the stator electrodes 3 and armature electrodes 4 are connected to the field circuit, the working electrodes are in communication with a working circuit. Due to the elastic deformation of the stator 1 and / or armature 2 of the working circuit is closed or interrupted by repulsive forces. The connecting pieces 8 prevent a tangential displacement between armature 1 and stator 2, to ensure that the stator electrodes 3 and the armature electrodes are arranged exactly opposite.

Claims (7)

1. Elektrostatischer Mikroaktor auf Basis eines Mehrantriebssystems mit paralleler Grundstruktur zur Realisierung elektrostatischer, anziehender und abstoßender Kräfte und Bewegungen um einige Mikrometer zwischen 2 flachen Körpern, einem Stator und einem Anker, die angenähert parallel und im Abstand einiger Mikrometer voneinander angeordnet sind, auf ihren flachen Seiten Elektroden besitzen und bei denen der Anker bezüglich des Stators tangential zu den flachen Seiten höchstens um wenige Mikrometer beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Stator (1) und dem Anker (2) kammförmig ineinandergreifende Statorelektroden (3) und Ankerelektroden (4) angeordnet sind, die Statorelektroden (3) gleichartige Form besitzen wie die Ankerelektroden (4), die Kammzahnbreite und die Abstände zwischen den Kammzähnen nur einige Mikrometer beträgt, die Statorelektroden (3) und die Ankerelektroden (4) genau gegenüberliegen, die benachbarten Statorelektroden (3) und Ankerelektroden (4) mindestens zeitweise alternierend gepolt sind und gleichzeitig die gegenüber angeordneten Statorelektroden (3) und Ankerelektroden (4) gleiche Polung besitzen.1. Electrostatic microactor based on a multi-drive system with parallel basic structure for the realization of electrostatic, attractive and repulsive forces and movements on a few microns between 2 flat bodies, a stator and an armature, which are approximately parallel and spaced a few microns from each other, on their flat Have side electrodes and in which the armature with respect to the stator is tangential to the flat sides at most by a few microns movable, characterized in that on the stator (1) and the armature (2) comb-shaped intermeshing stator electrodes (3) and armature electrodes (4) are arranged, the stator electrodes (3) have the same shape as the armature electrodes (4), the comb tooth width and the distances between the comb teeth only a few microns, the stator electrodes (3) and the armature electrodes (4) are exactly opposite, the adjacent stator electrodes (3 ) and armature electrodes (4) m At least temporarily alternately poled and at the same time have the opposite polarity arranged stator electrodes (3) and armature electrodes (4). 2. Elektrostatischer Mikroaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker drehbar gelagert ist und die Kammzahnbreite und/oder die Abstände zwischen den Kammzähnen der Statorelektroden (3) und Ankerelektroden (4) mitzunehmendem Abstand von der Drehachse zunehmen.2. Electrostatic microactuator according to claim 1, characterized in that the armature is rotatably mounted and increase the comb tooth width and / or the distances between the comb teeth of the stator electrodes (3) and armature electrodes (4) mitzunehmendem distance from the axis of rotation. 3. Elektrostatischer Mikroaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker biegesteif und drehbar gelagert ist und die Statorelektroden (3) und Ankerelektroden (4) senkrecht zur Drehachse angeordnet sind.3. Electrostatic microactuator according to claim 1, characterized in that the armature is mounted rigidly and rotatably and the stator electrodes (3) and armature electrodes (4) are arranged perpendicular to the axis of rotation. 4. Elektrostatischer Mikroaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) und/ oder der Anker (2) elastisch sind, die Statorelektroden (3) und Ankerelektroden (4) gruppenweise, unabhängig voneinander mit einem Steuergrößengeber (5) verbunden sind, zwischen den beiden ineinandergreifenden Statorelektroden (3) und Ankerelektroden (4) je ein Schalter und zwischen den gegenüber angeordneten Statorelektroden (3) und Ankerelektroden (4) je ein Schalter vorgesehen ist und die Schalter in einer mit dem Steuergrößengeberverbundenen Schalteinheit (6) angeordnet sind.4. Electrostatic microactuator according to claim 1, characterized in that the stator (1) and / or the armature (2) are elastic, the stator electrodes (3) and armature electrodes (4) in groups, independently of each other with a control size generator (5) are connected , between the two interdigitated stator electrodes (3) and armature electrodes (4) depending on a switch and between the opposing stator electrodes (3) and armature electrodes (4) each a switch is provided and the switches are arranged in a connected to the Steuergrößengeber switching unit (6) , 5. Elektrostatischer Mikroaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorelektroden (3) und die Ankerelektroden (4) auf den zugewandten Seiten des Stators (1) und des Ankers (2) angeordnet sind und der Anker (2) an einen Fluidraum mit einer Höhe von einigen Mikrometern angrenzt.5. An electrostatic microactuator according to claim 4, characterized in that the stator electrodes (3) and the armature electrodes (4) on the facing sides of the stator (1) and the armature (2) are arranged and the armature (2) to a fluid space with adjoins a height of a few microns. 6. Elektrostatischer Mikroaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Anker (2) aus einem Einkristall besteht oder der Anker (2) aus einer Folie besteht.6. Electrostatic microactuator according to claim 1, characterized in that at least the armature (2) consists of a single crystal or the armature (2) consists of a film. 7. Elektrostatischer Mikroaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorelektroden (3) und die Ankerelektroden (4) mit einer ersten Leiterbahnschicht verbunden sind und der Stator (1) und der Anker (2) isoliert davon gegenüberliegend angeordnete Arbeitselektroden (7) besitzen, die mit einer zweiten Leiterbahnschicht verbunden sind.7. An electrostatic microactuator according to claim 4, characterized in that the stator electrodes (3) and the armature electrodes (4) are connected to a first interconnect layer and the stator (1) and the armature (2) isolated therefrom opposite arranged working electrodes (7) which are connected to a second interconnect layer.