專利名稱：靜電激勵器的驅(qū)動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到驅(qū)動靜電激勵器的驅(qū)動裝置和方法。本發(fā)明具體涉及到使用合成交流(交流)信號的驅(qū)動裝置和方法。
背景技術(shù)：
靜電激勵器是可以選擇的，并且是選擇采用小功率，高速操作，低成本和小尺寸的激勵器的解決方案。這些裝置具有明顯的優(yōu)點所需功率更小的過熱裝置；使用小功率并具有小尺寸的過電磁裝置；或者是具有高成本并具有更小的運動量的壓電激勵器。
然而，迄今為止，市場上還沒有這樣的靜電激勵器。在由于存在介電隔離電極而招致具體問題時特別關(guān)注靜電激勵。
在靜電激勵器中產(chǎn)生的位移是兩個物體上分布的帶相反符號的電荷之間的靜電吸附力的結(jié)果，其中一個物體是可以移動的。在本發(fā)明中將這兩個物體稱為激勵板。激勵板被放置在相距預(yù)定的距離。如果在作為激勵板一部分的兩個導(dǎo)電電極之間施加一個電位差，就會產(chǎn)生電荷分布。如果在電極之間施加電位差，激勵器就處在ON狀態(tài)或模式下，兩個板相向運動。如果兩個電極是等電位(短路)，激勵器就處在OFF狀態(tài)。
直流(DC)電壓從理論上說能夠感應(yīng)激勵周期的ON狀態(tài)。然而，實際的問題限制了直流電壓對某些靜電激勵器的激勵作用。在實際的設(shè)備中，直流驅(qū)動具有記憶效應(yīng)，使激勵器的性能嚴(yán)重依賴于以往的激勵過程。直流驅(qū)動還會感應(yīng)凈摩擦(1)通過從電介質(zhì)/金屬電極界面上注入的電荷，(2)通過在電介質(zhì)/空氣界面上俘獲的電荷。
使用交流信號來感應(yīng)靜電激勵器的ON狀態(tài)也是可行的，并且能消除直流驅(qū)動的缺點。
正弦波交流驅(qū)動被發(fā)現(xiàn)具有一些有害的性質(zhì)。正弦波交流驅(qū)動不能產(chǎn)生許多應(yīng)用中需要的靜電壓力的穩(wěn)態(tài)電平。激勵器板與板的位移會跟隨著正弦波施加的電壓，在施加正弦波交流電壓時會產(chǎn)生有害的振動。為了克服這一缺點可以采用多相位/多電極的驅(qū)動方案。然而，這種方法會招致結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化和有限的力。方波交流驅(qū)動可以提供高而穩(wěn)定的靜電力。然而，它還會產(chǎn)生過早的凈摩擦，對性能有不利的影響，實際應(yīng)用中會造成許多設(shè)備不能達(dá)到預(yù)期的使用壽命。
有一組專利描述了采用精密微型閥門，傳感器和其他部件的流體控制，使用一個入口與引出口之間的主通道和入口與出口之間的伺服通道。由一個控制流量管控制伺服通道，用靜電移動流量管的薄片。授子Bonne等人的美國專利5.176,358公開了這樣一種流體調(diào)節(jié)裝置，而分案的美國專利5,323,999和5,441,597涉及到變更的實施例。
上述專利僅僅是簡單介紹了實際的靜電裝置，在激勵一個裝置以改變有關(guān)的至少一個電極的電壓時產(chǎn)生一個靜電力，使作為介電層一部分的至少一個薄片朝向或是離開一個孔移動。
關(guān)于上述可供參考的專利的進(jìn)一步信息和使用靜電力的微型閥門的另外一組專利有關(guān)系。參照了前述那些專利的未決美國專利申請在Bonne等人的美國專利5,082,242中得到了完善。這一專利描述了一種裝在一件硅片上的整體結(jié)構(gòu)的微型閥門，該裝置是一個在硅晶片的相對兩側(cè)具有入口和出口的流通閥。閥門在接觸到閥門座時關(guān)閉，而表面之間必須匹配以免閥門性能惡化。美國專利5,180,623和5,244,527這兩件專利是涉及到第一件專利的分案專利。這些專利籠統(tǒng)描述了由各類電壓源驅(qū)動的靜電閥門的操作。具體來看，如果在電極之間施加一個直流電壓，這種閥門可以說是一種具有全開和全閉位置的兩個位置的閥門。也可以通過施加與關(guān)閉閥門所需的電壓成正比的電壓來實現(xiàn)比例控制閥門的操作。最后，這些專利還描述了具有脈寬調(diào)制電壓信號的閥門的操作，用來調(diào)制通過閥門的氣流。
在某些靜電激勵器中，激勵板在正常操作周期中必須要精密接觸。這些激勵器有時被稱為接觸式靜電激勵器。為了避免在操作周期的接觸階段發(fā)生電路短路，導(dǎo)電電極由介電層彼此隔離。為了用具體的裝置獲得最高的效率，通常要在兩個導(dǎo)電電極之間形成大電場。靜電吸引的非線性性質(zhì)會造成突發(fā)動作，使激勵板以高達(dá)108g的加速度和超過103m/sec的速度相向運動。在發(fā)生碰撞之后，激勵板的自由面被大靜電場產(chǎn)生的壓力彼此排斥。這種操作模式往往會在激勵板之間產(chǎn)生很大的機(jī)械碰撞和強(qiáng)烈的相互作用力。某些這種力會一直持續(xù)到激勵板之間的電位差消失之后。在某些情況下，這些力會超過能夠使電極回到其原始位置的恢復(fù)力。在這種情況下，兩個電極仍然會暫時或永久地吸附，而激勵器也就不能正常工作了。有時將這種狀態(tài)稱為“靜摩擦”。
在靜電激勵器中產(chǎn)生靜摩擦的主要的力是表面互動力(固定搭接，Vander Waals力，氫接合)以及永久或暫時陷入電介質(zhì)內(nèi)的電荷產(chǎn)生的靜電力。為了減少表面互動力，可以采用兩種分案。第一，減少接觸面積，這需要更加精密的結(jié)構(gòu)并且提供一些有效的靜電力。第二是降低接觸層上的表面能量，基于這種原理的裝置還沒有成功的先例。
在一個激勵器的壽命中，大機(jī)械碰撞和大靜電壓力會逐漸增加激勵板之間的實際接觸面積，并且加強(qiáng)表面互動力。
如果能從技術(shù)上減少甚至完全避免這種積累作用，那一定是非常有益的。
如果能對靜電激勵器的驅(qū)動方法進(jìn)行改進(jìn)，使其可以用于任何激勵器及其具體部件的結(jié)構(gòu)，那將是技術(shù)上的另一個重大進(jìn)步。
從下文中可以看出其他優(yōu)點。
發(fā)明概述目前業(yè)已發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的上述和其他目的可以用以下的方法來實現(xiàn)。具體地說，本發(fā)明包括一個激勵器驅(qū)動器，它產(chǎn)生的合成交流信號有三個不同的段，被稱作段I或上升段，段II或額定段，以及段III或下降段。額定段作為實際產(chǎn)生力的段，而上升和下降段則作為零信號和交流信號的額定幅值之間的過渡段。這種驅(qū)動器能夠從整體上延長激勵器的壽命，因為它減少了電荷，并且減少了激勵器部件間的接觸點上的機(jī)械碰撞。在不同段中使用的信號可以是方波，正弦波，三角波或是混合信號。
該裝置被用在具有至少一對激勵板和電極的靜電激勵器中，用來為其產(chǎn)生電壓。一對中的至少一個可以相對于另外一個移動。激勵板所處的位置使其在通過電極施加電壓時能夠移動。驅(qū)動裝置為電極提供一個電壓，使至少一個激勵板移動。
本發(fā)明的驅(qū)動裝置用以下結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生一種合成交流信號。段II或是額定段中的信號是一種方波交流信號。這一信號能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的靜電力。這一信號的幅值和頻率是按照具體應(yīng)用的機(jī)械和電氣特性來選擇的。以下是上述信號的一個例子方波交流信號幅值的峰-峰間幅值是60V，而頻率是250Hz。在某些對壽命要求適中的應(yīng)用中(數(shù)百到數(shù)千次激勵周期)，信號的這一段可以是獨立的。
段I和III中的信號不一定要產(chǎn)生顯著的靜電力，但是要確保緩慢地增/減電信號的幅值。如果信號從零達(dá)到其最大值所需的時間至少比激勵器的機(jī)械響應(yīng)時間長10到100倍，這種增/減就被認(rèn)為是很慢了。這樣，激勵器的位移就能夠跟隨施加的電壓。滿足這些要求的信號有幅值調(diào)制的方波，正弦波或三角波信號。幅值調(diào)制可以有一定的時間函數(shù)限制，例如但是并非僅限于線性指數(shù)或正弦函數(shù)。交流信號在段I和III中的周期次數(shù)可以隨著具體應(yīng)用的響應(yīng)時間和功率需求而改變。最佳實施例是周期20次以上。
如果在合成信號的段I和/或III中使用正弦波或三角波信號，可以將這些段縮短到一個完整交流周期的四分之一。這樣能夠明顯地縮短裝置的響應(yīng)時間和功率消耗，同時保留減少機(jī)械碰撞和減少電荷的優(yōu)點。
優(yōu)選的電路產(chǎn)生的激勵周期有一個通過基本交流信號的多個獨立周期從零上升到理想的最終值的幅值，還有一個同樣通過基本交流信號的多個獨立周期從一個額定的最終值下降到零的幅值。
升/降段的具體結(jié)構(gòu)和交流信號的頻率可以在很大的數(shù)值范圍被修改，以適應(yīng)具體應(yīng)用的速度和功率需求。對交流信號的特定頻率和升/降段的次數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)是為了盡量減少上述激勵板之間的靜摩擦。
為了更加充分地理解本發(fā)明，以下要參照附圖予以描述，在附圖中
發(fā)明詳述本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的靜電激勵器，它的工作壽命與直流信號驅(qū)動的同樣的激勵器相比可達(dá)到數(shù)千倍，與采用規(guī)則的方波信號相比能達(dá)到20倍以上。
如
圖1所示，本發(fā)明的驅(qū)動信號的形狀是由三個不同段合成的信號由幅值線性增加的方波交流信號構(gòu)成的上升段；由恒定幅值的規(guī)則方波信號構(gòu)成的額定段；由幅值線性減少的方波交流信號構(gòu)成的下降段。信號的上升和下降段的時間要比交流信號的周期長得多。這樣就能減少電荷并且減少激勵器零件之間的接觸部位上的機(jī)械碰撞。
從圖1中可見，方波信號的上升段大約是50毫秒(ms)，它比信號的一個周期長得多。下降段也是大約50ms，與信號的周期相比也要長得多。
圖2表示代表線性幅值調(diào)制的近似曲線，此處表示信號在激勵周期的每個順序的ON狀態(tài)下的相位變化。圖中還清楚地表示了與這一信號周期相比的長上升和下降段。圖3是另一種實施例，在其中采用了正弦幅值調(diào)制，同樣表示了與信號周期相比的長上升和下降段。圖4表示按照本發(fā)明的具有線性幅值調(diào)制的一種組合的正弦/方波驅(qū)動電壓。圖5表示合成的正弦/方波驅(qū)動電壓的具體例子，信號的上升和下降段各自僅占一個完整的交流周期的四分之一。
驅(qū)動周期頻率和幅值以及合成信號的上升和下降段的時間可以按照本發(fā)明在具體設(shè)備中的應(yīng)用而在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。盡管不是為了限制變化的范圍，還是有這樣一個例子，方波頻率是250Hz，峰-峰間幅值是70V，而上升/下降時間分別是0.1秒。或者是這樣一個例子，方波頻率是1.6KHz，而上升/下降時間分別是0.02秒。在各種情況下，頻率，幅值和上升/下降時間的具體值是由本發(fā)明的具體應(yīng)用來確定的。
按照本發(fā)明及其產(chǎn)生的信號，上升/下降段的時間可以在驅(qū)動信號的一個周期的四分之一到交流信號周期的幾倍之間。上升/下降時間最好是至少達(dá)到二十倍長，這樣有助于在開始激勵電壓時減少機(jī)械碰撞，并且能夠在撤掉激勵電壓時更好地排空電荷。而這在本發(fā)明之前是不可能的。
可以用各種電路來產(chǎn)生本發(fā)明的信號，但是這種電路必須能夠以一種通過足夠數(shù)量的基本交流信號的獨立周期從零增加到所需的最終值的幅值來起動一個激勵周期。每個激勵周期的結(jié)束也必須要讓交流周期的幅值同樣經(jīng)過足夠數(shù)量的基本交流信號周期從額定值逐漸下降到零。
圖6表示按照本發(fā)明用來產(chǎn)生理想驅(qū)動信號的一種電路的具體實施例，但是本發(fā)明并非僅限于這一具體的電路。
由圖5的電路所產(chǎn)生的信號是250Hz的方波。方波的峰-峰間額定幅值是70V。上升時間和下降時間都是0.1秒。用來產(chǎn)生激勵器實際運動的調(diào)制頻率大約是1Hz。
如圖6所示，輸入端11的電壓經(jīng)過反相13到達(dá)時鐘發(fā)生器15和包絡(luò)線發(fā)生器17。來自包絡(luò)線發(fā)生器17的信號被放大19，并且在直流/交流變換器23中經(jīng)過來自時鐘發(fā)生器15的信號加工后進(jìn)入激勵器21。這種裝置被用來產(chǎn)生圖1-4所示的信號，并且按以下所述方式工作。
為了證明本發(fā)明的效果，預(yù)備了六個相同的接觸式靜電激勵器，各自是受到1Hz激勵頻率激勵的25個獨立小片的一個陣列。按以下方式驅(qū)動這六個裝置(1)有三個采用如圖1所示的本發(fā)明的驅(qū)動信號；(2)有三個采用規(guī)則的方波，它的上升和下降時間比激勵器的機(jī)械響應(yīng)時間短，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于AV驅(qū)動信號的周期。由本發(fā)明的信號驅(qū)動的裝置通過了8,000,000次ON/OFF周期沒有發(fā)生任何故障。由規(guī)則的方波驅(qū)動的對比裝置顯示出90％的片有非同步運動。最終，僅僅經(jīng)過400,000次周期之后就發(fā)現(xiàn)有60％的片存在靜摩擦。在經(jīng)過350,000次周期之后就會出現(xiàn)大量故障，在前350,000次周期中有30％的片損壞了，而在接著的50,000次周期中又損壞了30％。由直流電壓驅(qū)動同樣的裝置在經(jīng)過幾個激勵周期之后就會出現(xiàn)靜摩擦。這就充分證明本發(fā)明確實能夠減少機(jī)械碰撞和靜摩擦。
從上文的具體說明中可見，本發(fā)明完全適合在幾乎所有靜電激勵器中使用。特別是對接觸式的應(yīng)用具有優(yōu)越性，本發(fā)明可以用于閥門，泵，開關(guān)，快門，擺動電機(jī)及其他許多類似裝置的靜電激勵器。能夠大大提高這些裝置的工作性能并且延長使用時間，因為本發(fā)明能夠通過選擇最佳的驅(qū)動電壓來減少激勵板之間的機(jī)械碰撞以及減少靜摩擦。盡管上文所述的是本發(fā)明的特殊實施例，但是并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制，本發(fā)明的范圍是由權(quán)利要求書來限定的。
權(quán)利要求
1.一種靜電激勵器包括一對激勵板，它具有為其提供電壓的電極，并且上述一對中的至少一個能夠相對于另外一個運動，在通過附著在上述板上的電極施加電壓時可以移動上述板的位置；以及為上述電極提供電壓導(dǎo)致上述運動的驅(qū)動裝置，上述驅(qū)動裝置產(chǎn)生一個合成交流信號，其上升/下降階段至少是激勵器機(jī)械響應(yīng)時間的10到100倍。
2.按照權(quán)利要求1的裝置，其特征是上升/下降階段超過上述交流信號周期的二十倍。
3.按照權(quán)利要求1的裝置，其特征是上升/下降階段是上述交流信號的一個完整周期的四分之一。
4.按照權(quán)利要求1的裝置，其特征是僅有合成交流信號的額定階段被用來驅(qū)動激勵器。
5.按照權(quán)利要求1的裝置，其特征是上述交流信號是從方波，正弦波，三角波及其混合波形中選擇的一種。
6.按照權(quán)利要求1的裝置，其特征是上述驅(qū)動裝置是一個驅(qū)動電路，由上述電路產(chǎn)生的激勵周期有一個上升階段，信號幅值在此階段中通過基本交流信號的多個獨立周期從零增加到理想的最終值。
7.按照權(quán)利要求1的裝置，其特征是上述驅(qū)動裝置是一個驅(qū)動電路，由上述電路產(chǎn)生的激勵周期有一個下降階段，信號幅值在此階段中通過基本交流信號的多個獨立周期從一個額定的最終值下降到零。
8.按照權(quán)利要求1的裝置，其特征是上述驅(qū)動裝置是一個驅(qū)動電路，由上述電路產(chǎn)生的激勵周期有一個上升階段，信號幅值在此階段中通過基本交流信號的多個獨立周期從零增加到理想的最終值，還有一個下降階段信號幅值在此階段中通過基本交流信號的多個獨立周期從一個額定的最終值下降到零。
9.按照權(quán)利要求1的裝置，其特征是上述靜電激勵器是一種接觸式靜電激勵器。
10.在一種接觸式靜電激勵器中具有一對激勵板，它具有為其提供電壓的電極，并且上述板中的至少一個能夠相對于另外一個運動，在通過附著在上述板上的電極施加電壓時可以移動上述板的位置，并且還有一個為上述電極提供電壓導(dǎo)致上述運動的驅(qū)動裝置，其特征是用驅(qū)動裝置產(chǎn)生一個合成交流信號，其上升/下降階段至少是激勵器機(jī)械響應(yīng)時間的10到100倍。
11.按照權(quán)利要求10的裝置，其特征是上升/下降階段超過上述交流信號周期的二十倍。
12.按照權(quán)利要求10的裝置，其特征是上升/下降階段是上述交流信號的一個完整周期的四分之一。
13.按照權(quán)利要求10的裝置，其特征是僅有合成交流信號的額定階段被用來驅(qū)動激勵器。
14.按照權(quán)利要求10的裝置，其特征是上述交流信號是從方波，正弦波，三角波及其混合波形中選擇的一種。
15.按照權(quán)利要求10的裝置，其特征是上述驅(qū)動裝置是一個驅(qū)動電路，在上述電路產(chǎn)生的激勵周期中，有一個幅值通過基本交流信號的多個獨立周期從零增加到理想的最終值。
16.按照權(quán)利要求10的裝置，其特征是上述驅(qū)動裝置是一個驅(qū)動電路，在上述電路產(chǎn)生的激勵周期中，有一個幅值通過基本交流信號的多個獨立周期從一個額定的最終值下降到零。
17.按照權(quán)利要求10的裝置，其特征是上述驅(qū)動裝置是一個驅(qū)動電路，在上述電路產(chǎn)生的激勵周期中，有一個幅值通過基本交流信號的多個獨立周期從零增加到理想的最終值，還有一個幅值通過基本交流信號的多個獨立周期從一個額定的最終值下降到零。
18.驅(qū)動靜電激勵器的一種方法，激勵器具有一對激勵板，它具有為其提供電壓的電極，上述一對中的至少一個能夠相對于另外一個運動，在通過附著在上述板上的電極施加電壓時可以移動上述板的位置，其特征是包括以下步驟為上述電極提供一個電壓導(dǎo)致上述運動，用上述驅(qū)動裝置產(chǎn)生一個合成交流信號，其上升階段至少是激勵器機(jī)械響應(yīng)時間的10到100倍，而下降時間也是激勵器機(jī)械響應(yīng)時間的10到100倍。
19.按照權(quán)利要求18的方法，其特征是上述上升和下降時間超過上述交流信號周期的二十倍。
20.按照權(quán)利要求18的方法，其特征是上升/下降階段是上述交流信號的一個完整周期的四分之一。
21.按照權(quán)利要求18的方法，其特征是僅有合成交流信號的額定階段被用來驅(qū)動上述接觸式激勵器。
22.按照權(quán)利要求18的方法，其特征是上述交流信號是從方波，正弦波，三角波及其混合波形中選擇的一種。
23.按照權(quán)利要求18的方法，其特征是在上述信號產(chǎn)生的激勵周期中，有一個幅值通過基本交流信號的多個獨立周期從零增加到理想的最終值。
24.按照權(quán)利要求18的方法，其特征是在上述信號產(chǎn)生的激勵周期中，有一個幅值通過基本交流信號的多個獨立周期從一個額定的最終值下降到零。
25.按照權(quán)利要求18的方法，其特征是在上述信號產(chǎn)生的激勵周期中，有一個幅值通過基本交流信號的多個獨立周期從零增加到理想的最終值，還有一個幅值同樣通過基本交流信號的多個獨立周期從一個額定的最終值下降到零。
26.按照權(quán)利要求18的方法，其特征是還包括以下步驟，調(diào)節(jié)方波交流信號的頻率和幅值調(diào)制的上升及下降時間，以減少上述激勵板之間的靜摩擦。
全文摘要
一種靜電激勵器裝置及用來激勵該裝置的方法。該裝置包括一對激勵板,它具有為其提供電壓的電極,并且一對中的至少一個能夠相對于另外一個運動。在通過附著在板上的電極施加電壓時可以移動板的位置。一個驅(qū)動裝置為電極提供電壓,使至少一個板運動。驅(qū)動裝置產(chǎn)生一個合成交流信號,其上升/下降階段至少是激勵器機(jī)械響應(yīng)時間的10到100倍(最好是超過20倍)。最佳的交流信號是從方波,正弦波,三角波及其混合波形中選擇的。最佳電路所產(chǎn)生的上升/下降階段是交流信號的一個完整周期的四分之一,并且僅有合成交流信號的額定階段被用來驅(qū)動激勵器。
文檔編號H02N1/00GK1337087SQ98814381
公開日2002年2月20日 申請日期1998年11月6日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月6日
發(fā)明者C·卡布茲, E·卡布茲 申請人:霍尼韋爾有限公司