DE60117611T2

DE60117611T2 - Elektrostatischer bzw. pneumatischer aktuator für aktive oberflächen

Info

Publication number: DE60117611T2
Application number: DE60117611T
Authority: DE
Inventors: Cleopatra Edina CABUZ
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2000-11-03
Filing date: 2001-11-01
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2021-11-02
Also published as: WO2002037661A1; AU2002220066A1; DE60117611D1; ATE319219T1; CA2427822A1; EP1332547B1; EP1332547A1; US6358021B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die lokale und globale Steuerung von relativ großen Oberflächen. Genauer gesagt, betrifft die Erfindung die Verwendung von elektrostatischen Aktuatoren und pneumatischer Wirkung zum Steuern der Gestalt einer flexiblen Oberfläche. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Aufbau von geringem Gewicht, der sich zum Steuern des Profils einer Oberfläche in großflächigen Systemen eignet.
Bis heute wurde noch keine Aktivierung in zwei- oder dreidimensionalen Gruppierungen von Aktuatoren, insbesondere wo die Aktuatoren eine Oberflächengestalt über ein Quasi-Kontinuum verändern, entwickelt, obwohl eine lokale und globale Gestaltsteuerung von relativ großen Oberflächen in verschiedenen Technologien einen bedeutenden Vorteil bieten würde. Beispiele für Technologien, in denen ein großer Bedarf besteht, sind unter anderem die mikroadaptive Strömungssteuerung, die Flugsteuerung in unbemannten Kleinstflugzeugen, die Akustik und die Widerstandssteuerung.
Um die noch zu entwickelnde Steuerung von Oberflächen zu realisieren, ist ein Betätigungsprinzip, das die Betätigung von großen Oberflächen mit außerhalb der Ebene befindlichen Kräften ermöglicht, wünschenswert. Will man kleine Flugobjekte angemessen steuern, so sind einfache, leichte, mit geringem Energiebedarf arbeitende Aktuatoren unverzichtbar. Von verschiedenen Stellgliedvorrichtungen, die eine Oberfläche verändern, ist bekannt, dass sie Nachteile aufweisen, die ihre allgemeine Verwendung verhindern, und die mit Sicherheit ihre Verwendung in den oben beschriebenen Bedarfsfällen einschränken.
Eine elektromagnetische Betätigung erfordert schwere magnetische Materialien und relativ große Ströme, und der Aufbau solcher Vorrichtungen ist nicht kompakt genug, um für die Betätigung von großen Oberflächen geeignet zu sein. Für Fluganwendungen kommt dieses Verfahren aufgrund seines schlechten Leistungs-Gewichts-Verhältnisses überhaupt nicht in Frage.
Eine elektrothermisch angeregte Betätigung ist zwar baulich für Stellgliedgruppierungen geeignet, weist jedoch ebenfalls die Nachteile eines hohen Stromverbrauchs, einer niedrigen Reaktionsgeschwindigkeit und in vielen Fällen einer Abhängigkeit von den Umgebungstemperaturen auf. Gleichermaßen ist die piezoelektrische Betätigung zwar baulich für Stellgliedgruppierungen geeignet, verbraucht wenig Strom und ist hinreichend schnell oder sogar sehr schnell, weist jedoch nicht die erforderlichen Verlagerungen auf, die hier tatsächlich derart gering sind, dass sie für die oben angesprochenen Anwendungen nicht verwendbar sind. Es wurden zwar piezoelektrische Materialien mit verbesserter Leistung vorgeschlagen, die allerdings sehr teuer und auch unannehmbar schwer sind.
Bei einigen Systemen kann eine angemessene Steuerung durch die Verwendung pneumatischer Komponenten im Betätigungsvorgang erreicht werden. Bei solchen Systemen müssen die Membranen in ihrem Inneren ein Gas enthalten, was eine ausreichende Dicke zum Zurückhalten des Gases erforderlich macht, wodurch schwerere Filme entstehen. Es wäre von besonderem Vorteil, wenn eine Oberflächengestalt mittels einer Vorrichtung gesteuert werden könnte, die eine Gruppierung aus betätigten Oberflächen aufweist, die nicht pneumatisch, sondern mechanisch gesteuert werden, so dass dünnere und leichtere Außenflächen, wie zum Beispiel Membranen, verwendet werden könnten.
In einigen Fällen wurde festgestellt, dass die Verwendung der pneumatischen Komponente eines elektrostati schen/pneumatischen Aktuators relativ dicke Membranwände erfordert, was natürlich auch das Gewicht der Vorrichtung erhöht. Es wäre von besonderem Vorteil, wenn man eine Konstruktion bereitstellen könnte, welche die Notwendigkeit einer Membran, die in ihrem Inneren Gas enthält, ausmerzt.
Bei der Kombination in einer Gruppierung, die eine relativ große Oberfläche aufweist, ist es wünschenswert, dass diese Oberfläche möglichst glatt ist, um eine Verwendung für Reflektoren- und Antennenanwendungen zu ermöglichen. Eine mögliche Lösung dieser Aufgabe würde einen technischen Vorteil darstellen.
Es wäre von großem technischem Vorteil, wenn ein Aktuator von geringem Gewicht, geringem Stromverbrauch und hoher Leistung entwickelt werden könnte, der eine lokale und globale Gestaltsteuerung von relativ großen Oberflächen erlauben würde.
Es wäre ein weiterer großer technischer Fortschritt, wenn man Aktuatorgruppierungen konstruieren könnte, die den Bau von großen zwei- und dreidimensionalen Gruppierungen erlauben, die für ein breites Spektrum von Anwendungen in der Strömungs- und Schallfortpflanzungssteuerung geeignet sind.
Weitere Vorteile sind im Folgenden erörtert.
US-A-5452878 offenbart eine Miniaturstellgliedvorrichtung.
Dementsprechend betrifft die Erfindung eine Stellgliedvorrichtung zum Steuern der Gestalt einer flexiblen Oberfläche, die ein Quasi-Kontinuum an einer Mehrzahl von Stellen aufweist, aufweisend:
eine Mehrzahl einzelner Zellen, wobei diese Zellen jeweils in einer Gruppierung für einen Kontakt mit der flexiblen Oberfläche angeordnet sind, wobei die Zellen Folgendes aufweisen:
einen Zellenkörper, der einen oberen Filmabschnitt und einen unteren Filmabschnitt aufweist, wobei der Körper des Weiteren einen offenen Mittelabschnitt aufweist und der obere Filmabschnitt mit der flexiblen Oberfläche in Kontakt steht;
einen Pfosten, der in dem offenen Mittelabschnitt angeordnet und am oberen Filmabschnitt und am unteren Filmabschnitt befestigt ist, wobei der Pfosten eine vertikale Bewegungsachse definiert, wobei der obere und der untere Filmabschnitt erste und zweite Elektroden aufweisen, die jeweils an ihnen befestigt sind, wobei die ersten und zweiten Elektroden jeweils an der Fläche angeordnet sind, an welcher der erste und der zweite Filmabschnitt einander zugewandt sind;
eine mittig angeordnete Membran, die dritte und vierte Elektroden auf den Außenflächen der Membran aufweist, wobei die Membran einen offenen Mittelabschnitt aufweist, der den Pfosten umgibt;
eine Stromversorgung, die mit den ersten, zweiten, dritten und vierten Elektroden wirkverbunden ist, um eine selektive, zusammenwirkende elektrostatische Aktivierung zwischen den Elektroden zu verursachen, um den Pfosten entlang der vertikalen Achse zu bewegen, um zu bewirken, dass der oberen Filmabschnitt, jenen Abschnitt der flexiblen Oberfläche, in dem der obere Filmabschnitt in Kontakt steht, verschiebt;
wodurch sich Abschnitte der flexiblen Oberfläche entsprechend der Aktivierung jeder Zelle so bewegen, dass die Gestalt der flexiblen Oberfläche in einem Quasi-Kontinuum gesteuert wird.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Reihe elektrostatischer Stellgliedvorrichtungen auf, die sich hervorragend für den Bau von großen zwei- und dreidimensionalen Gruppierungen von Aktuatoren eignen, die zusammenwirken können, um die Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erzielen.
Die Stellgliedkonstruktion der vorliegenden Erfindung kann extrem einfach und mit geringsten Kosten und Schwierigkeiten in die Funktionsvorrichtung, für die sie vorgesehen ist, eingebettet werden. Wo eine bewegliche Oberfläche wie beispielsweise eine Außenhaut eines Objekts gewünscht ist, kann der Aktuator als die Haut hergestellt sein. Gleichermaßen wird der Aktuator zu den Wänden der Pumpenkammer, wenn eine Pumpe gewünscht ist. Es sind keine zusätzlichen Motoren, Magneten oder schwere Stromquellen erforderlich. Des Weiteren sind die Materialien, die für die elektrostatische Betätigung notwendig sind, Leiter für die Elektroden und Isolatoren zur Vermeidung von elektrischen Kurzschlüssen von elektrostatischen Aktuatoren im Berührungsmodus, und diese Materialien können in dünnen Schichten auf kostengünstigen Kunststoffträgermaterialien, die durch Strangpressen oder andere Verfahren in den gewünschten Formen hergestellt werden, aufgetragen sein. Die Kunststoffträgermaterialien sind auch in verschiedenen Standardanordnungen erhältlich.
Die Vorrichtung dieser Erfindung weist im weitesten Sinne eine steife, dünne Platte mit angemessen strukturierten Elektroden und eingebetteten Schaltungen sowie einer relativ flexiblen Abdeckung auf. In Kombination mit den Platten bildet die Abdeckung einen Hohlraum, der versiegelt werden kann. Durch Anlegen geeigneter Spannungen kann die Gestalt der flexiblen Abdeckung durch die kombinierte Wirkung elektrostatischer Betätigung, elastischer Eigenkraft und pneumatischer Einwirkung verändert werden. Das Herabziehen der Abdeckung in bestimmten Bereichen durch elektrostatische Anziehungskraft führt zum Verschieben einer Blase entlang der Oberfläche, gesteuert durch die Struktur der Elektroden und den Aufbau der Vorrichtung. Überdacht beziehungsweise in Erwägung gezogen werden sowohl offene als auch geschlossene Hohlräume, wie auch die Steuerung des Drucks des Fluids im Inneren des Hohlraums und die Größenordnung der elastischen Eigenkraft.
Natürlich kann das Fluid im Hohlraum ein Gas oder eine Flüssigkeit sein, was von der Endnutzung des Produkts, das die Erfindung enthält, abhängt. Für die meisten Fluganwendungen wird das Fluid ein Gas sein, während eine Flüssigkeit in anderen Fällen, wie zum Beispiel Unterwasser- oder Landbetrieb, in Frage kommt.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform weist die vorliegende Erfindung eine Mehrzahl einzelner Zellen auf, wobei jede Zelle dergestalt mit einer großen Oberfläche wirkverbunden ist, dass die einzelnen Zellen im Verbund die gewünschte Gestalt der großen Fläche bereitstellen.
Bei der Bevorzugtesten Ausführungsform dieser Erfindung ist eine Mehrzahl von Zellen bereitgestellt, die (1) eine Fläche, die eine zu steuernde Form, zum Beispiel eine Membran, aufweist, (2) eine darunter liegende Infrastruktur, welche die obere Fläche in einer Gruppierung von Pfosten, die in angemessenen Abständen angeordnet sind, stützt, und (3) einen Betätigungsmechanismus, der eine individuelle Steuerung der vertikalen Position jedes Stützpfostens bereitstellt, wodurch er die Steuerung der Neigung in jeder einer Gruppierung von Elementarzellen sicherstellt, aufweisen.
Für ein vollständigeres Verständnis der Erfindung wird in der Folge Bezug auf die Zeichnungen genommen, in denen:
1a, 1b, 1c und 1d schematische Abbildungen der elektrostatischen/pneumatischen Betätigung einer Ober fläche gemäß der vorliegenden Erfindung sind;
2a, 2b und 2c eine schematische Abbildung des Verhaltens einer Oberfläche, die durch die vorliegende Erfindung gesteuert ist, sind;
3 eine schematische Schnittansicht eines Abschnitts der Oberfläche, die in 2 gezeigt ist, ist;
4a, 4b und 4c schematische Schnittansichten einer zweidimensionalen Gruppierung, welche die elektrostatischen/pneumatischen Aktuatoren der vorliegenden Erfindung verwendet, sind;
5a und 5b schematische Draufsichten kreisförmiger beziehungsweise rechteckiger Gruppierungen gesteuerter Blasen sind;
6a, 6b und 6c schematische Seitenansichten von drei Zuständen der Drucksteuerung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind, die drei Betriebszustände abbilden;
7a eine Seitenansicht ist, die eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung abbildet, in der für die Aktivierung keine pneumatische Funktion erforderlich ist, 7b eine Vergrößerung der Fläche, die in 7a gezeigt ist, ist, und 7c eine Querschnittdarstellung entlang der Linie 7C-7C in 7b ist;
8a eine Seitenansicht ist, die eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung abbildet, in der für die Aktivierung keine pneumatische Funktion erforderlich ist, 8b eine Vergrößerung der Fläche, die in 8a gezeigt ist, ist, und 8c eine Querschnittdarstellung entlang der Linie 8C-8C in 8b ist;
9 eine Draufsicht der Vorrichtung, die in 7a–c gezeigt ist, ist; und
10 ein Querschnitt der Antriebselektrode für die Vorrichtung, die in 9 gezeigt ist, ist.
Die vorliegende Erfindung stellt einen verbesserten Aktuator zum Steuern der Gestalt aktiver Oberflächen bereit, indem sie eine Kombination elektrostatischer und pneumatischer Kräfte verwendet. Ein Fluid, entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas, ist in einem Hohlraum oder einer Kammer enthalten. Flüssige Fluids werden vorwiegend in Wasser- oder Landanwendungen verwendet, während Fluganwendungen normalerweise ein Gas als Fluid verwenden. Die Form der Kammer wird durch einen elektrostatischen Aktuator, der in der Weise durch eine Basis und eine Abdeckung gebildet ist, dass die Abdeckung und die Basis zusammen als der Aktuator wirken, wenn an die Elektroden, die in der Basis und der Abdeckung gebildet sind, Strom angelegt wird, gesteuert. Die Anziehung der Elektroden während der elektrostatischen Betätigung bewirkt eine Veränderung der Gestalt des Hohlraums oder der Kammer, wodurch Veränderungen der Gestalt der aktiven Oberfläche ausgelöst werden.
Wie in 1a gezeigt, weist ein Aktuator, im Allgemeinen mit 11 bezeichnet, eine mittig angeordnete Basis 13 und ein Paar von Abdeckungen 15a und 15b auf, wobei jede der Abdeckungen nach innen zur Basis 13 gewandt sind, um elektrostatische Aktuatorreaktionen mit der Basis 13 bereitzustellen, wenn Strom aus einer Energiequelle angelegt wird. Die Abdeckungen 15a und 15b bilden auch Kammern oder Hohlräume 17a und 17b, in denen eine bestimmte Menge an Gas eingeschlossen ist. In 1a ist keine Betätigung aktiv, und das Gas in den Hohlräumen 17a und 17b übt auf alle Flächen der Abdeckungen 15a und 15b einen gleichmäßigen Druck aus, wodurch es eine symmetrische Gestalt bildet. In 1b hat die Betätigung der Elektroden an der Basis 13 und den Abdeckungen 15a und 15b an der rechten Seite von 1b als Reaktion auf die Stromversorgung 19b bewirkt, dass sich die Elektroden in diesen Elementen elektrostatisch anziehen, wodurch sich der Raum zwischen den Elektroden geschlossen hat, wie es auch mit elektrostatischen Aktuatoren erreicht wird. Als Folge davon wird das Gas in den Hohlräumen 17a und 17b auf die rechte Seite der Vorrichtung gedrückt. Würden die Abdeckungen 15a und 15b zum Beispiel einen Abschnitt einer Oberfläche, die in einem Luftfahrzeug verwendet ist und über die Luft strömt, bilden, wäre dadurch eine Flugsteuerung auf irgendeine gewünschte Weise möglich.
In 1c ist nur ein Paar elektrostatischer Elektroden durch die Stromversorgung 19c betätigt worden, wodurch sich nur der Hohlraum 17a und somit die Abdeckung 15a als eine aktive Oberfläche verformen. Gleichermaßen ist in 15d nur der Hohlraum 17b durch die Stromversorgung 19d betätigt worden, und daher ist die Abdeckung 15b als aktive Oberfläche verformt. Natürlich kann der Flug auf viele verschiedene Arten gesteuert werden, indem sich Oberflächen verändern. Zum ersten Mal ist eine aktive Oberflächensteuerung für Flugoberflächen mit einem preisgünstigen, leichtgewichtigen, wirksamen System erzielt worden, wie es hierin dargelegt ist.
Die Stellgliedvorrichtung kann als eine Oberfläche in einem Luftfahrzeug verwendet werden. Die Abdeckungen 17 weisen einen leichtgewichtigen Metallrahmen und eine dünne Membran auf, die während der beabsichtigten zusammenwirkenden elektrostatischen Betätigung den aktiven Oberflächenzustand bildet.
2a, 2b und 2c zeigen die Wälzbewegung, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung erreicht wird, in der Elektroden elektrostatisch betätigt werden, um zu bewirken, dass eine Membran oder eine be wegte Elektrode von einer Elektrode in der Basis der Vorrichtung angezogen wird. Wenn dies erreicht wird, ist das Fluid nicht länger gleichmäßig im Hohlraum verteilt und mit den elastischen Kräften der Abdeckfolie im Gleichgewicht. Durch Anlegen einer Spannung zwischen der Abdeckung 25 und der Basis 23 in diesen 2a, 2b und 2c wird Fluid durch die wälzende Abdeckung weggedrückt, die sich in diesen Figuren wie abgebildet von rechts nach links bewegt. In diesem Fall kann sich die Abdeckung 25 durch ihre eigene Druckspannung durchbiegen, als wäre die Abdeckung zum Beispiel gewölbt.
3 zeigt einige der Einzelheiten des elektrostatischen Aktuatorabschnitts gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Eine Basis 33 ist aus einer spritzgegossenen Kunststofffolie, einem leichten Metallrahmen oder einem anderen Trägermaterial gebildet. Eine strukturierte Gruppierung von Elektroden 34 ist auf der Oberfläche der Basis 33 in Abhängigkeit der gewünschten Kräfte, die auf die aktive Oberfläche, die gesteuert wird, ausgeübt werden sollen, in Streifen, Flächen mit kreisförmiger oder rechteckigen Gestalt, oder in irgendeiner anderen gewünschten Form ausgebildet. Eine herkömmliche elektrostatische Aktuatorsteuerungselektronik 36 kann ebenfalls in der Basis 33 eingebettet sein, und ein Dielektrikum 38 kann auf der Oberseite der Gruppierung 34 angeordnet sein, wenn Aktuatoren im Berührungsmodus verwendet sind. Die Abdeckung 35, die aus einem metallisierten Polymer, zum Beispiel einem Polyester oder Polyimid, gebildet sein kann, ist an der Basis 33 angebracht, um den Hohlraum 37 zu definieren, der dann mit einem geeigneten Fluid gefüllt wird.
4a, 4b und 4c zeigen den Aufbau einer zweidimensionalen Gruppierung einer Mehrzahl elektrostatischer Aktuatoren, in der die Basis 43 mit verschiedenen Abschnitten der Abdeckungen 45a und 45b wie abgebildet in Wechselbeziehung steht. In dieser Anordnung strömt Fluid durch Öffnungen in der Basis 43, um des Weiteren eine Steuerung einer Anzahl aktiver Oberflächengestalten bereitzustellen. 5a und 5b zeigen zwei Arten (aus der praktisch unbeschränkten Auswahl) einer kreisförmigen Gruppierung 54a und einer rechtwinklig geformten Gruppierung 54b.
In allen hierin beschriebenen Vorrichtungen bewirkt elektrostatische Aktivierung eine Anziehung zwischen der Basiselektrode und der beweglichen Elektrode oder der Membran an der Abdeckung, wodurch über die pneumatische Reaktion des Fluids eine gesteuerte Einstellung der Gestalt der aktiven Oberfläche bereitgestellt ist. Der Druck in den Hohlräumen oder Kammern wirkt als außerhalb der Ebene befindliche Rückstellkraft, um die Auslenkung zu verstärken, sowie um das bekannte Phänomen der Haftreibung bei elektrostatischen Aktuatoren zu bekämpfen. Wird ein Paar von Aktuatoren verwendet, wie in 1a–1d gezeigt ist, kann die Kammer einer Tragfläche gesteuert werden. Zweidimensionale Gruppierungen von Aktuatoren, die hierin als Beispiele abgebildet sind, können für die aktive Oberflächensteuerung für akustische Zwecke oder für Widerstandssteuerung in anderen Materialien verwendet werden. Die Verwendung eines abgedichteten Hohlraums erlaubt die Verwendung eines sauberen und beständigen Fluids, was die Aufgabe der elektrostatischen Aktuatoren, die mit dem Fluid in Verbindung stehen, erleichtert.
6a, 6b und 6c zeigen den Betrieb eines Aktuators mit abgedichtetem Hohlraum, der darauf basiert, dass der Druck innerhalb des Hohlraums etwas höher ist, als der Druck außerhalb des Hohlraums. Natürlich könnten Temperaturunterschiede dieses Gleichgewicht beeinträchtigen, zum Beispiel wenn ein Gas als das Fluid innerhalb der Kammer oder des Hohlraums verwendet ist. Eine Lösung dieser Auswirkung der Temperatur auf das Gas innerhalb des Hohlraums ist die Verwendung eines Ballons 71 und eines Sperrventils 73. Der Ballon 71 dehnt sich aus, wenn der Außendruck höher ist als der Innendruck, wodurch sich das eingeschlossene Volumen verringert und der Druck erhöht, ohne dass Luft von außen in den abgeschlossenen Hohlraum eindringt. Diese Lösung beseitigt die Notwendigkeit von Filtern, und gewährleistet den ordnungsgemäßen Betrieb des elektrostatischen Aktuators, indem sie verhindert, dass Feuchtigkeit und Feststoffteilchen in den Hohlraum gelangen. Wenn der Innendruck höher ist als der Außendruck, entleert sich der Ballon 71, und etwas Gas kann, falls erforderlich, durch das Sperrventil 73 ausströmen.
Bei einer alternativen Anordnung ist der Hohlraum zur Atmosphäre hin geöffnet, zum Beispiel wenn das Sperrventil 73 weggelassen würde und der Ballon 71 direkt mit der äußeren Atmosphäre in Verbindung stünde. In dieser Ausführungsform wäre die Abdeckung, wie zum Beispiel Abdeckung 45 in 4a–4c gewölbt oder auf andere Weise nicht in einer Ebene angeordnet. Die Anwendung der elektrostatischen Kraft bewegt nach wie vor den Standort der Blase oder des Hohlraums, wodurch sich die gesamte Gestalt der Ummantelung, die durch die Abdeckung 45a–45c definiert ist, verändert. Um die Wirksamkeit dieses Konzepts zu demonstrieren, wurde eine Gruppierung aus doppelt gelagerten Trägern für Siliziummikroventilanwendungen gebaut. Der Betrieb der aktiven Oberflächensteuerung wurde auch auf großflächigeren Aktuatoren basierend auf spritzgegossenen Kunststoffträgermaterialien und Membranen aus Kunststoffmaterialien, wie zum Beispiel Polyimiden, erzielt.
Typische, aber nicht als Einschränkung auszulegende Polymerfolien, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind flexibel und nicht spröde, Eigenschaften, die in vielen Polymeren zu finden sind. Ein besonders geeignetes Polymer ist das Polyimid, das als KAPTON_ (eingetragenes Warenzeichen von E.I. du Pont de Nemours & Co., Wilmington, Delaware) verkauft wird. Andere umfassen zum Beispiel KALADEX_ (eingetragenes Warenzeichen von ICI Films, Wilmington, Delaware) und MYLAR_ (eingetragenes Warenzeichen von E.I. du Pont de Nemours & Co., Wilmington, Delaware), oder jegliches flexible, elastische Polymer, das verformt werden kann, wie hierin beschrieben. Die Herstellung der Folien kann auf der Technologie basieren, die für Tastatur- und flexible Schaltungen, die in großer Menge produziert werden, entwickelt worden ist, die bisher allerdings noch nicht für elektrostatische Aktuatoren produziert worden ist, wodurch der Vorgang hervorragend optimiert werden würde. Bevorzugte Folien bestehen aus Polymerfilmen, wie zum Beispiel KAPTON_ oder MYLAR_ (eingetragenes Warenzeichen von E.I. du Pont de Nemours & Co., Wilmington, Delaware), oder anderen Polyestern, die im Handel erhältlich sind.
Bevorzugte Elektroden sind Aluminiumelektroden, die direkt auf die Polymerfolien aufgetragen sind, mit einem oder mehreren dielektrischen Filmen, wie zum Beispiel Aluminiumoxid, oder anderen geeigneten organischen oder anorganischen Dielektrika. Es werden auch Überzugsschichten, wie zum Beispiel DLC-Schichten oder selbst angeordnete Einfachschichten in Erwägung gezogen, um Oberflächeneigenschaften zu steuern. Die Basisplatte kann aus spritzgegossenen Polymeren mit eingebetteten Elektroden und Elektronik für die lokale Steuerung hergestellt sein. Wie bereits erwähnt kann bei Fluganwendungen ein leichter Metallrahmen mit einer dünnen Membran verwendet werden.
Um die gewünschte dielektrische Festigkeit zu erreichen, wird ein porenfreies Dielektrikum gemeinsam mit speziellen Anordnungen verwendet, um die Elektrode an der Stelle der Pore lokal zu unterbrechen, um einen elektrischen Kurzschluss zu verhindern. Dieses Verfahren ist als Selbstheilungsverfahren bekannt. Qualitativ hochwertige Dielektrika auf den Kunststoffträgermaterialien können auf eine der folgenden Arten erlangt werden: (a) Transfer von LPCVD-Nitriden oder einem anderen hochwertigen Dielektrikum von Siliziumscheiben auf die Basisplatte durch Kontaktieren; (b) Verwendung von organischen Dielektrika, wie zum Beispiel Paralyen, Acrylaten oder Polyimiden; oder (c) Verwendung von anorganischen Dielektrika, die bei niedrigen Temperaturen durch Ionenstrahlzerstäubung oder Plasmabeschichtung aufgetragen werden, um die dielektrische Festigkeit zu erhöhen.
Die mechanische Konstruktion der Stellgliedvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist viele Formen auf. Es sind metallisierte Kapton-Membranen mit Dicken von 50 bis 75 Mikron gefertigt worden, die veranschaulichen, dass elektrostatische Betätigung gegen Drücke von einigen psi mühelos erreicht werden können, wenn ein Dielektrikum mit einer dielektrischen Festigkeit von mehr als 2 bis 3 MV/cm auf der gewünschten Fläche verfügbar ist. Es ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung die Anwendung einer Ummantelungssteuerung in unbemannten Kleinstflugzeugen ermöglicht, die mit einem sehr vorteilhaften Leistungs-Gewichts-Verhältnis zu einer vollständigen Lagesteuerung führt. Simulationen haben gezeigt, dass Lagesteuerung mit einer Änderung der Wölbung von 2 % bis 4 % erzielt werden kann, was eine Änderung der Auslenkung von ungefähr 0,6 bis 1,2 mm über einer Rippe von 3 cm bedeutet, was bedeutet, dass die Auslenkungen mühelos mit dem elektrostatisch/pneumatischen Aktuator dieser Erfindung gesteuert werden können.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 7a, 7b und 7c, und die dazugehörigen 8a, 8b und 8c, ist eine bevorzugte Ausführungsform abgebildet, in der ein leichtgewichtiger Aufbau verwendet ist, um das Profil einer Oberfläche in großflächigen Systemen, wie zum Beispiel reflektor-/antennenartigen Anwendungen wie jenen, die zur Verwendung im Weltraum vorgeschlagen worden sind, präzise zu steuern. Eine obere Fläche 171 weist einen ersten Film 173, einen zweiten Film 175 und einen dritten Film 177 auf, die mit sehr dünnen Elektroden 179 wirkverbunden sind. Ein Stützpfosten 181 kann angehoben oder abgesenkt werden, um die Bewegung der Oberfläche 171 zu veranschaulichen, wie durch die flachen und geneigten Stellungen gezeigt ist. In 7c ist die Oberfläche 171 flach, wodurch sie zum Beispiel die Fähigkeit aufweist, direkt einfallendes Licht zu reflektieren. In 8c ist die Oberfläche 171 geneigt, wodurch sie eine andere Reflektionsreaktion auf dasselbe einfallende Licht aufweist.
Wie im Fall dieser Ausführungsform ersichtlich ist, weist der Betätigungsvorgang keine pneumatische Komponente auf. Vielmehr verwendet der Aufbau einen mittig angeordneten Pfosten, der in der Draufsicht in 9 und in 10 im Schnitt entlang der Linie 10-10 in 9 vergrößert gezeigt ist. Da ein vierschichtiger Aufbau mit Elektroden 179 auf den Filmen 173, 175 und 177 vorhanden ist, ist es einfach, zwei, drei oder vier Schichten elektrostatisch dazu zu bringen, sich durch Anlegen eines Potentials zwischen irgendwelchen zwei benachbarten Elektroden von einer Position in die andere zu bewegen. Auf diese Weise bewegt sich der Pfosten vertikal von einer ersten Stellung ohne elektrostatische Kraft in eine zweite, dritte und vierte Stellung, wenn bestimmte oder alle Elektroden elektrostatisch betätigt worden sind. Somit erlaubt der Pfosten eine Steuerung der Neigung der Oberfläche, an der er angebracht ist. Obwohl 9 und 10 einen kreisförmigen Querschnitt abbilden, kann auch jede andere praktische mechanische Form verwendet werden, und derartige Abänderungen werden als Teil der vorliegenden Erfindung angesehen.
Diese Erfindung betrifft die Verwendung elektrostatischer Aktuatorgruppierungen, wie oben beschrieben, und jegliche derartige Gruppierungstechnologie, die derzeit existiert, um diese Kombination zu erreichen, wird als im Umfang dieser Erfindung enthalten angesehen. Das elektrostatische Aktuator-Wälzkontakt-Prinzip ist in US-Patentschrift 5,836,750 beschrieben.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung abgebildet und beschrieben worden sind, sollen diese die Erfindung nicht einschränken, außer wie es durch die folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Stellgliedvorrichtung zum Steuern der Gestalt einer flexiblen Oberfläche (171) mit einem Quasi-Kontinuum an mehreren Stellen, aufweisend: mehrere einzelne Zellen, wobei diese Zellen jeweils in einer Gruppierung für einen Kontakt mit der flexiblen Oberfläche angeordnet sind, wobei die Zellen Folgendes aufweisen: einen Zellenkörper mit einem oberen Filmabschnitt (173) und einem unteren Filmabschnitt (177), wobei der Körper des Weiteren einen offenen Mittelabschnitt (175) aufweist und der obere Filmabschnitt mit der flexiblen Oberfläche in Kontakt steht; einen Pfosten (181), der in dem offenen Mittelabschnitt angeordnet und an dem oberen Filmabschnitt und dem unteren Filmabschnitt befestigt ist, wobei der Pfosten eine vertikale Bewegungsachse definiert, wobei der obere und der untere Filmabschnitt erste und zweite Elektroden (179) aufweisen, die jeweils an ihnen befestigt sind, wobei die ersten und zweiten Elektroden an der Fläche angeordnet sind, an der der erste und der zweite Abschnitt einander zugewandt sind; eine mittig angeordnete Membran mit dritten und vierten Elektroden (179) auf den Außenflächen der Membran, wobei die Membran einen offenen Mittelabschnitt aufweist, der den Pfosten umgibt; eine Stromversorgung, die mit den ersten, zweiten, dritten und vierten Elektroden wirkverbunden ist, um eine selektive zusammenwirkende elektrostatische Aktivierung zwischen den Elektroden zu bewirken, um den Pfosten entlang der vertikalen Achse zu bewegen, um den oberen Filmabschnitt zu veranlassen, jenen Abschnitt der flexiblen Oberfläche zu verschieben, in dem der obere Filmabschnitt in Kontakt steht; wodurch sich Abschnitte der flexiblen Oberfläche entsprechend der Aktivierung jeder Zelle so bewegen, dass die Gestalt der flexiblen Oberfläche in einem Quasi-Kontinuum gesteuert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Zellenkörper einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich der Pfosten (181) vertikal aufwärts bewegt, um den Abschnitt der flexiblen Oberfläche (171), der mit dem oberen Filmabschnitt (173) in Kontakt steht, anzuheben, wenn ein elektrostatisches Potenzial zwischen den zweiten (179) und vierten (179) Elektroden angelegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich der Pfosten (181) vertikal abwärts bewegt, um den Abschnitt der flexiblen Oberfläche (171), der mit dem oberen Filmabschnitt (179) in Kontakt steht, abzusenken, wenn ein elektrostatisches Potenzial zwischen den ersten (179) und dritten (179) Elektroden angelegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mehreren Zellen individuelle Pfosten (181) mit mehreren Längen aufweisen, wodurch eine Betätigung benachbarter Zellen mehrere Veränderungen in der flexiblen Oberfläche bewirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zellen aus einem strukturierten Polyimid bestehen, in das die ersten, zweiten, dritten und vierten Elektroden (179) eingebettet sind.