DE4003112C2 - Dielektrischer Motor mit einer oder mehreren Zentralelektroden - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Anwendungsgebiete der Erfindung sind z. B. die Mikroelektronik, in der miniaturisierte dielektrische Motoren als mikromechanische Antriebs-, Steuer-, Schalt- und Sensorsysteme Anwendung finden können. Sie können jedoch auch als Miniaturmotor auf Gebieten wie der Mikrochirurgie, Chemie und Gentechnik genutzt werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Dielektrische Motoren sind seit langem bekannt, wurden jedoch auf Grund gravierender Nachteile (sehr geringes Drehmoment, nicht festgelegter Drehsinn) praktisch nicht genutzt. Ihre theoretische Beschreibung geht auf Heinrich Hertz zurück /Hertz, Wied. Ann. 13 (1881) 266/.

Es handelt sich dabei um Motoren, deren Rotor aus einem Dielektrikum besteht und zwischen 2 oder mehreren Elektroden gelagert ist. Die Elektroden werden mit konstanten Spannungen angesteuert. Die Drehung der Rotoren erfolgt entweder nach mechanischem Andrehen oder über Hilfselektroden, die z. B. eine Strömung der Umgebungslösung des Rotors induzieren, über die der Rotor angedreht wird /QUINCKE, Wied. Ann. 59 (1896) 417; SECKER and SCIALOM, J. Appl. Physics 39 (1968) 277. Der Rotor ist in der Regel von einem gasförmigen oder flüssigen Medium umgeben oder befindet sich im Vakuum /QUINCKE, Wied. Ann. 59 (1896) 417/.

Der Nachteil dieser Motoren besteht, neben der nicht festgelegten Drehrichtung und den notwendigen Hilfsvorrichtungen beim Start, in der schwierigen Regelung der Rotationsgeschwindigkeit, da diese vom Quadrat der Feldstärke abhängt. In jüngster Zeit wurde die extreme Miniaturisierbarkeit dieses Motortyps als Vorteil erkannt und mikromechanische Bauteile in Chip­ form entwickelt /GEO 10 (1988) 188; US-Patent Nr. 4,740,410/, dabei kamen rotierende elek­ trische Felder, produziert über Mehrelektrodensysteme, zur Anwendung, so daß Startvorrichtun­ gen entfallen können.

Rotierende elektrische Felder werden seit 1982 zur Untersuchung von biologischen Objekten, wie Zellen, verwendet /ARNOLD und ZIMMERMANN, Z. Naturforsch. 37c (1982) 908/, sind jedoch auch bei herkömmlichen Motoren nach dem magnetischen Induktionsprinzip gebräuchlich.

Aus dem Artikel "A miniature multipole liquid-immersed dielektrik motor" in Brit. Journal of Applied Physics D, Vol. 3, H. 2, Seiten 216 bis 220 der Autoren P. E. Secker und M. R. Belmont ist ein dielektrischer Motor bekannt, bei dem ein dielektrischer zylindrischer Rotor in einer elektrisch leitenden Flüssigkeit rotiert, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Zur Optimierung der Lei­ stung dieses dielektrischen Motors, insbesondere des Ausgangsdrehmomentes, werden Maßnah­ men getroffen, die bewirken, daß die elektrischen Feldlinien des elektrischen Feldes nahezu tan­ gential zur Rotoroberfläche verlaufen und wenig in die Rotoroberfläche eindringen. Dazu wird erstens eine mehrpolige Elektrodenanordnung außerhalb des Rotors zur Erzeugung des elektri­ schen Feldes, siehe Fig. 2, verwendet und zweitens ein Rotor, der ganz oder zumindest seine äußere Hülle aus einem Material mit einer hohen dielektrischen Konstante besteht, eingesetzt.

Aus der EP 0 233 947 A1 ist ein Energiewandler von elektrischer in mechanische Energie und um­ gekehrt bekannt, bei dem ein Dielektrikum zwischen Elektrodenplatten angeordnet ist. Die Elek­ trodenplatten sind jeweils paarweise um das dazwischenliegende Dielektrikum angeordnet, wobei insgesamt mehrere solcher Elektrodenplattenpaare vorhanden sind. Das Dielektrikum hat eine be­ reichsweise hohe und niedrige Dielektrizitätskonstante. Eine an den Elektroden angelegte Wech­ selspannung erzeugt ein elektrisches Wanderfeld derart, daß das Dielektrikum in eine der beiden vorbestimmten Richtungen längs der Elektrodenplatten mitgenommen wird. Die räumliche Struk­ tur dieses Energiewandlers kann sowohl einen linearen Aufbau haben als auch eine runde Form, wie es von Motoren her bekannt ist. Bezüglich den zylindrischen Anordnungen ist vorgesehen, daß die Außenelektrode bzw. Innenelektrode direkt mit dem Dielektrikum verbunden ist und so­ mit mit diesem mitrotiert. Wenn die letztgenannte Elektrode mehrpolig ist, kann das Dielektrikum eine einheitliche Dielektrizitätskonstante aufweisen.

Aus der JP 62-296 781 (A) (Abstract) ist ein Motor bekannt, der einen vierteiligen aus einem Ferro­ dielektrikum bestehenden Zylinder aufweist, an dessen Innen- und Außenseite mehrpolige Elektro­ den angeordnet sind. Durch Anlegen eines elektrischen Drehfeldes wird der dielektrische Zylinder mitgenommen und somit in eine Rotation versetzt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist die kostengünstige Entwicklung eines verbesserten dielektrischen Minia­ turmotors, der erweiterte Anwendungsmöglichkeiten und ein höheres Drehmoment besitzt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Entwicklung eines dielektrischen Motors mit beeinfluß­ barer Rotationskennlinie und höherem Drehmoment, der über Rotationszustände verfügt, die ein­ fach und exakt zu regeln sind und der in miniaturisierter Form universell eingesetzt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem außerhalb und innerhalb des dielektrischen Rotors eine oder mehrere Elektroden angeordnet werden, relativ zu denen der Rotor sich bewe­ gen kann. Verwendet man beispielsweise einen hohlzylinderartigen dielektrischen Rotor, bei dem über innere und äußere Elektroden jeweils ein Drehfeld erzeugt wird, so kann das aus der Überla­ gerung resultierende Feld in Abhängigkeit vom Elektrodenabstand im Vergleich zu bekannten Varianten dielektrischer Motoren zu einer Vervielfachung des Drehmomentes genutzt werden.

Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit, entweder innerhalb oder außerhalb eine ringförmige Elektrode zu verwenden und entweder über die inneren Elektroden oder die äußeren Elektroden oder beide das Drehfeld einzuspeisen. Der dielektrische Aufbau und die Geometrie des Rotors in Verbindung mit der Elektrodenzahl, -anordnung und -ansteuerung entscheiden über kontonuierlichen oder diskontinuierlichen Lauf des Rotors.

Die Elektroden sind von einem Medium (Flüssigkeit, Gas, Vakuum) umgeben, daß erfindungsgemäß im Raum zwischen den inneren Elektroden und dem Rotor und den äußeren Elektroden und dem Rotor unterschiedlich sein kann, wodurch die Rotationscharakteristik des Motors verändert wird und sich eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten ergeben.

Als Dielektrika kommen die in der Mikroelektronik gebräuchlichen Halbleiter und Isolatoren in Frage.

Das Rotationsspektrum des Motors (Rotation als Funktion der Kreisfrequenz des elektrischen Feldes) ist einstellbar und kann den Erfordernissen angepaßt werden.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1 Fig. 1. Dielektrischer Motor mit Zentralelektrode in Draufsicht und Seitenansicht

Der Motor besteht aus vier äußeren Elektroden 2a, 2b, 2c und 2d zwischen denen sich ein dielektrischer Rotor 4 mit einer zentralen Bohrung 5' befindet, in der die innere Elektrode 1 feststehend angeordnet ist (Fig. 1). Der Rotor 4 ist von einem Medium 6 umgeben, das sich entweder auch im Raum 5' befindet oder zu diesem unterschiedlich ist. Das Medium 6 kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Die Elektrode 1 kann gleichzeitig als Führung des Rotors genutzt werden. Der Rotor 4 ist auf einem Substrat 8 (z. B. Glas) gelagert, die Elektroden sind über ein isolierendes Material 3 getrennt. Bei diskontinuierlicher Feldanregung (von Elektrode zu Elektrode springender Feldvektor) kann die innere Elektrode 1 auf ein frei wählbares Potential gelegt und damit das Drehmoment erhöht werden.

Beispiel 2 Fig. 2. Dielektrischer Motor mit mehreren inneren Elektroden und einer äußeren Ringelektrode in Draufsicht und Seitenansicht

Der Motor (Fig. 2) besteht aus einer äußeren Elektrode 2, einen dielektrischen Rotor 4, der die Form eines Hohlzylinders besitzt und vier inneren Elektroden 1a, 1b, 1c und 1d, die zueinander isoliert sind (Medium 9). Der Rotor kann sich um die Rotationsachse 7 bewegen. Ver Raum zwischem dem Rotor und der äußeren Elektrode 2 ist mit dem Medium 6 gefüllt, der Kaum zwischen den inneren Elektroden 1 und dem Rotor 4 mit dem Medium 5', wobei 5 und 6 in der Regel gleich sind. Die Lagerung erfolgt auf Glas 8. In diesem Fall wird der Motor über die inneren Elektroden 1 über ein kontinuierlich oder diskontinuierlich rotierendes. Feld angetrieben. Es handelt sich um die inverse Variante zu Ausführungsbeispiel 1 mit ähnlichen Vorteilen.

Beispiel 3 Fig. 3. Dielektrischer Motor mit mehreren äußeren und inneren Elektroden in Draufsicht und Seitenansicht

Der Motor besteht aus zwei Elektrodengruppen, den äußeren Elektroden 2a, 2b, 2c und 2d und den inneren Elektroden 1a, 1b, 1c und 1d (Fig. 3). Der dielektrische Rotor 4 kann sich um die Rotationsachse 7 auf einem Substrat 8 gelagert drehen. Es gibt wieder ein Umgebungsmedium 5 und 6. Der Rotor kann über zwei zueinander phasenverschobene Drehfelder gleicher Frequenz, die über die äußeren 2 und inneren Elektroden 1 erzeugt werden, in kontinuierliche Rotation versetzt werden. Das Drehmoment kann gegenüber den vorherigen Varianten noch erhöht werden.

Entsprechende Felder lassen sich erzeugen, indem z. B. die Elektroden 1a und 2b, 1b und 2a, 1c und 2d sowie 1d und 2c miteinander elektrisch verbunden werden und vier jeweils um 90°-phasenverschobene Sinusspannungen an die Elektrodenpaare angelegt werden.

Es ergeben sich eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten, von denen nur eine erwähnt werden soll.

Setzt man den dielektrischen Rotor 4 aus mehreren Sektore verschiedener Dielektrizitätskonstante und/oder elektrischer Leitfähigkeit zusammen, so kann über die Wahl der Ansteuerung der inneren und äußeren Elektroden ein Wechsel von kontinuierlichem Lauf des Rotors und Schrittbetrieb erzwungen werden. Gleichzeitig kann die Rotationscharakteristik des Rotors verändert werden.

Beispiel 4 Fig. 4 Dielektrischer Motor als Flüssigkeits- oder Gaspumpe mit kammartigen Elektroden in Draufsicht und Seitenansicht

Der Motor besteht aus einem Rotor 4 und acht kammartig in den Rotor 4 eingreifenden Elektroden 2a-2h (Fig. 4). Der dielektrische Rotor dreht um die Achse 7. Im Rotor 4 und den Elektroden 2 befinden sich Bohrungen B. Über ein rotierendes elektrisches Feld wird der Rotor in Drehung versetzt. Der Motor arbeitet nach dem Verdichterprinzip, so daß eine Strömung F der Umgebungslösung 6 (Flüssigkeit oder Gas) erzeugt wird und der Motor als Pumpe genutzt werden kann. Das Drehmoment kann über die zusätzliche Verwendung von Zentralelektroden erhöht werden.

Die dielektrischen Elemente des Motors werden mit Fertigungs­ methoden der Halbleitertechnik und der Mikromechanik herge­ stellt.

Als Substrat wird beispielsweise Silizium, evtl. versehen mit dünnen Isolationsschichten wie SiO₂ oder Si₃N₄, oder Glas ver­ wendet.

Die Elektroden werden mit photolithographischen Methoden struk­ turiert und galvanisch, z. B. mit Gold, abgeformt. Damit kann die Elektrodengeometrie mit Mikrometergenauigkeit definiert werden. Unter Verwendung der Tiefenlithographie können Elektrodenhöhen von mehreren hundert Mikrometer erreicht werden.

Der Rotor wird ebenfalls mit mikromechanischen Verfahren aus dielektrischen Materialien gefertigt. Schichten wie SiO₂, Si₃N₄ oder TiO₂ können bis zu Dicken im Mikrometerbereich hergestellt und strukturiert werden. Dickere Rotoren können aus Photolack mit Tiefenlithographie gefertigt werden.

Mit isotropen oder anisotropen und selektiven Ätzverfahren werden im Substrat präzise Gruben und Kanäle geätzt, die zur Fixierung des Rotors oder zum Heran- und Wegleiten der Umgebungslösung des Motors dienen. Mit den gleichen Verfahren kann auch eine mit dem Substrat verbundene Rotorachse hergestellt werden.

Eine Kapselung des Systems kann mit einem zweiten Wafer, der auf den Substratwafer aufgebondet wird, erreicht werden.

Die Verwendung von Silizium als Substratmaterial bietet die besondere Möglichkeit, elektrische Schaltkreise zur Ansteuerung und Regelung des Motors gemeinsam mit den mechanischen Elementen auf einen gemeinsamen Substrat (Wafer) zu integrieren.

Claims (11)

1. Dielektrischer Motor, bestehend aus äußeren Elektroden und einem dielektrischen Rotor, der in einem elektrisch leitenden Medium zwischen den Elektroden angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des hohlzylindrischen Rotors (4) eine oder mehrere innere Elektroden (1) zur Rotationsachse (7) symmetrisch oder asymmetrisch angeordnet sind.

2. Dielektrischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1), (2) an Gleichspannung gelegt werden.

3. Dielektrischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1), (2) an Wechselspannung gelegt werden.

4. Dielektrischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen den inneren Elektroden (1) und dem Rotor (4) befindliche Medium (5) und das zwischen den äußeren Elektroden (2) und dem Rotor (4) befindliche Medium (6) unter­ schiedlich sind.

5. Dielektrischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Rotor (4) Radialöffnungen befinden, die mit einem leitenden Material oder dem elektrischen Medium (6) oder (5) ausgefüllt sind.

6. Dielektrischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Elektroden (2) und/oder die inneren Elektroden (1) als geschlossener oder offe­ ner Ring aufgebaut sind.

7. Dielektrischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1) und/oder (2) senkrecht und/oder parallel zur Rotationsachse (7) kamm­ artig in der Profil des Rotors hineinragen.

8. Dielektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Dielektrika SiO₂, Si₃N₄, TiO₂ oder Glas Verwendung finden.

9. Dielektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden mit photolithographischen Methoden strukturiert und galvanisch abge­ formt sind.

10. Dielektrischer Motor nach einem der Ansprüch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Elemente mit einem elektrischen Schaltkreis zur Ansteuerung und Rege­ lung des Motors auf einem gemeinsamen Substrat integriert sind.

11. Dielektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat ein Halbleitereinkristall verwendet wird.