WO1991011849A1 - Dielectric motor - Google Patents

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WO1991011849A1
WO1991011849A1 PCT/DE1991/000090 DE9100090W WO9111849A1 WO 1991011849 A1 WO1991011849 A1 WO 1991011849A1 DE 9100090 W DE9100090 W DE 9100090W WO 9111849 A1 WO9111849 A1 WO 9111849A1
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rotor
dielectric
rotation
motor according
motor
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PCT/DE1991/000090
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Inventor
Wolfgang Benecke
Bernd Wagner
Jan Gimsa
Günter FUHR
Rolf Hagedorn
Roland Glaser
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/002—Electrostatic motors
    • H02N1/004—Electrostatic motors in which a body is moved along a path due to interaction with an electric field travelling along the path

Definitions

  • the invention relates to a dielectric motor which is driven by means of electric fields, with a rotor which is surrounded by a plurality of electrodes.
  • Such motors are suitable for miniaturization and can be combined with microelectronic elements (system integration). They can be used as drives for miniaturized machines or pumps, as switching elements or for determining the position.
  • a step-by-step operation can thus serve to enable or block optical channels for information transmission.
  • a position determination can be achieved in that the rotor only rotates when the corresponding component assumes a certain position. Another area of application is the use in microsurgical instruments.
  • European patent EP-A-0 233 947 specifies a dielectric motor whose rotor has sector-like, radially arranged dielectrics.
  • the excitation is based on an electrostatic effect. Alternating fields are also always created under quasi-stationary conditions. Therefore, the rotors of these motors always rotate in the direction of the rotating field, so they are synchronous motors. The area of application of such motors is limited by this property.
  • the invention is based on the object of specifying a dielectric motor whose running characteristic can be varied continuously between that of a continuously running motor and that of a stepper motor.
  • the dielectric motor has a rotor that is not rotationally symmetrical.
  • the direction of rotation of the rotor can be changed solely by varying the frequency of the driving electrical rotating field, or the motor can be operated as a stepper motor.
  • the motor according to the invention can be used very flexibly.
  • the asymmetrical structure of the rotor is achieved in that it has regions which consist of different dielectric materials and which are arranged asymmetrically with respect to the axis of rotation.
  • the geometric shape of the rotor can be rotationally symmetrical, for example cylindrical.
  • the areas made of different dielectric materials can merge discontinuously or continuously into one another. A continuous transition can be generated, for example, by doping.
  • the asymmetrical structure of the rotor is achieved according to claim 3 in that the rotor has a geometric shape that is asymmetrical with respect to the axis of rotation.
  • the rotor can consist of a homogeneous dielectric material or have regions made of different dielectric material.
  • the driving electric fields rotate asynchronously to the rotational movement of the rotor.
  • the rotor and field of rotation can be the same or directed against each other.
  • the electric field can be
  • the electrical rotation fields are generated by applying suitable alternating voltages to the electrodes.
  • the effects achieved with the invention are amplified according to claim 5 in that the electric fields rotate with an alternating amplitude per revolution.
  • the rotation of the electric fields takes place according to claim 6 discontinuously, for example by applying phase-shifted rectangular voltages to the electrodes.
  • the dielectric motor according to the invention is particularly suitable for a strong miniaturization. According to claims 7 to 9, it is produced from a substrate using the manufacturing methods of micromechanics. Motors with an expansion of less than 100 .mu.m can thus be manufactured.
  • the substrate is, for example, silicon, possibly provided with thin insulation layers such as SiO 2 or Si ⁇ N. , or glass used.
  • the electrodes are structured using photo-lithographic methods and galvanically, e.g. B. molded with gold. This enables the electrode geometry to be defined with micrometer accuracy. Using depth lithography, electrode heights of several hundred micrometers can be achieved.
  • the rotor is also made from dielectric materials using micromechanical processes. Layers such as Si0 2 , Sl > N 4 or TiO "can be produced and structured up to thicknesses in the micrometer range. Thicker rotors can be made from photoresist using depth lithography.
  • the rotor is placed between three or more electrodes so that the axis of rotation lies on one of the short half axes of the ellipsoid. If the direction of the alternating electrical field generated within the electrode arrangement moves discontinuously, but so slowly that the rotor was able to orient itself before the field changed again, the rotor rotates discontinuously if the alternating field is switched on in the same direction.
  • the ellipsoidal rotor assumes a stable position, which only changes when the field vector moves in the direction of another pair of electrodes. If the direction of switching changes, the direction of rotation of the rotor also changes.
  • This operating mode of the motor is characterized in that the angular error of the rotor does not increase after any number of steps.
  • the same result can be achieved with dielectrically asymmetrical, but in the form of rotationally symmetrical rotors or corresponding combinations of both possibilities. The effect can be enhanced if the field vector changes its amplitude periodically per revolution.
  • the response time of the rotor in microminiaturized version is in the microsecond range.
  • the motor can be used either continuously, discontinuously or as a stepper motor.
  • the choice of The operating mode and the speed can be regulated sensitively via the field frequency.
  • the construction of the engine is particularly simple and therefore low-maintenance. It requires only low electrical power for operation, so that it can be integrated together with the electrical control on a semiconductor chip.
  • FIG. 1 shows a dielectric motor with an ellipsoidal rotor
  • FIG. 2 shows an electrically asymmetrically constructed rotor
  • FIG. 3 shows a graphical representation of the mean torque of an ellipsoidal rotor as a function of the angular frequency of the rotation field.
  • FIG. 1 shows a dielectric motor with six electrodes 1 to 6 and a rotor 7 designed as an ellipsoid.
  • the material has a dielectric constant that is different from that of the rotor 7. The transition between the areas with different dielectric material is continuous.
  • the rotor 7 is surrounded by an ambient medium 8.
  • the axis of rotation 9 lies on the short half-axis a of the shell-shaped rotor 7.
  • two opposite electrodes 1 and 4, 2 and 5 or 3 and 6 are driven with an unequal polarity or an alternating field.
  • the long semiaxis b is aligned in this direction or, depending on the properties of the rotor dielectrics 7 and the surrounding solution 8, aligned in another position, which is stable until the field vector changes its position with respect to the pair of electrodes. If a rotating field is generated by controlling the electrodes with phase-shifted voltages (eg sine voltages), the rotor also rotates continuously in a direction of rotation defined by the properties of the dielectrics.
  • phase-shifted voltages eg sine voltages
  • Liquids of low conductivity water, alcohols
  • gases or a vacuum can be used as the surrounding medium 8.
  • the field strengths required to operate the motor are around 5 kv / m. In miniaturized form of the motor, with a total diameter of 50 to 100 ⁇ m, 4 V are sufficient for the electrode control, whereby higher voltages can also be applied.
  • the torque or the rotational speed of the rotor increases with the square of the field strength.
  • the number of steps per revolution of the rotor can be varied via the number of electrodes and their control.
  • an electrical asymmetrical rotor 7 is shown.
  • Two unequal cylinder sections 7b made of a material with a first dielectric constant are arranged asymmetrically and rigidly connected to one another via a body 7a made of a material with a second dielectric constant.
  • the parts from the different dielectric materials form a cylindrical rotor.
  • the axis of rotation 9 of the rotor corresponds to the cylinder axis.
  • the shape and position, as well as the electrical properties of the dielectrics 7a, 7b and the surrounding medium 8 are decisive for the preferred positions of the rotor 7, in which it assumes a stable position.
  • the field control and the rest of the structure speak those of the first embodiment.
  • the average torque of an ellipsoidal rotor is shown graphically in FIG. 3 as a function of the angular frequency of the rotation field.
  • the mean torque ⁇ N> of the rotor is plotted in the vertical direction.
  • the average torque ⁇ N> is on the maximum average
  • Torque ⁇ Nmax> standardized.
  • the angular frequency f is plotted on a logarithmic scale.
  • the torque acting on the rotor can act in the direction of or against the direction of the rotating field.
  • the angular frequency of the field is many times higher than that of the rotor.
  • the rotor does not follow the field. In order to move the rotor from one position to the next, there is not a field jump, but the field runs a few hundred to a thousand times around the rotor. Accordingly, the step mode is also very asynchronous.
  • the rotational behavior of the rotor is strongly frequency-dependent and shows two maxima in the case given.
  • a rotor designed according to the second exemplary embodiment exhibits a similar rotational behavior.

Abstract

A dielectric motor has a rotor which moves with discontinuous angular frequency or stepwise. These operating modes are obtained because the dielectric rotor is electrically asymmetrical or has a non-rotationally symmetrical shape in combination with an external electric alternating field the direction of which can be varied by means of several electrodes. The electronic actuator is shaped so that the operation characteristic of the motor can be varied continuously between that of a continuously operating motor and that of a stepped motor. These motors can be miniaturized to a few micrometres in size and have start-up times in the micro- and millisecond range. These motors can be incorporated as micromechanical components in electronic devices and thus lend themselves to a wide range of application.

Description

Dielektrischer Motor Dielectric motor
B e s c h r e i b u n gDescription
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf einen dielektrischen Motor, der mittels elektrischer Felder angetrieben wird, mit einem Rotor, der von mehreren Elektroden umgeben ist.The invention relates to a dielectric motor which is driven by means of electric fields, with a rotor which is surrounded by a plurality of electrodes.
Solche Motoren eignen sich zur Miniaturisierung und können mit mikroelektronischen Elementen kombiniert werden (Systemintegration) . Sie können als Antriebe miniaturi¬ sierter Maschinen oder Pumpen, als Schaltelemente oder zur Lagebestimmung eingesetzt werden. So kann ein schrittwei¬ ser Betrieb zur Freigabe oder Sperrung optischer Kanäle zur Informationsübertragung dienen. Eine Lagebestimmung kann dadurch erreicht werden, daß der Rotor nur dann rot¬ iert, wenn das entsprechende Bauelement eine bestimmte Lage einnimmt. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist der Ein¬ satz in mikrochirurgischen Instrumenten.Such motors are suitable for miniaturization and can be combined with microelectronic elements (system integration). They can be used as drives for miniaturized machines or pumps, as switching elements or for determining the position. A step-by-step operation can thus serve to enable or block optical channels for information transmission. A position determination can be achieved in that the rotor only rotates when the corresponding component assumes a certain position. Another area of application is the use in microsurgical instruments.
Stand der TechnikState of the art
Kontinuierlich laufende Motoren, die über konstante elek¬ trische Felder angetrieben werden, sind in der Fachlitera¬ tur in ihrer Wirkungsweise beschrieben und in ihrem Rota¬ tionsverhalten berechnet worden (z.B. Secker, P. E. ; Scia- lom, I. N. : A Simple Liquid Immersed dielectric Motor, Journal of Applied Physics, 39, 1968, S. 2957 bis 2961). Bei diesen Motoren liegt die Anfangsdrehrichtung nicht fest, so daß für den Start zusätzliche Hilfseinrichtungen erforderlich sind. Miniaturisierte dielektrische Motoren mit unterschiedli¬ chem Aufbau sind in GEO 10, 1988, Seite 188 und in der amerikanischen Patentschrift US-PS 4 740 410 beschrieben worden. Bei diesen Motoren werden rotierende elektrische Felder eingesetzt, so daß Startvorrichtungen entfallen. In der europäischen Patentschrift EP-A-0 233 947 ist ein dielektrischer Motor angegeben, dessen Rotor sektorartige, radial angeordnete Dielektrika aufweist. Bei diesen be¬ schriebenen Motoren beruht die Anregung auf elektrostati¬ scher Wirkung. Auch alternierende Felder werden stets unter quasi stationären Bedingungen angelegt. Deshalb drehen sich die Rotoren dieser Motoren stets in Richtung des rotierenden Feldes, es handelt sich demnach um Syn¬ chronmotoren. Das Einsatzgebiet solcher Motoren ist durch diese Eigenschaft begrenzt.Continuously running motors that are driven by constant electric fields have been described in the technical literature in terms of their mode of operation and their rotational behavior has been calculated (eg Secker, PE; Scialom, IN: A Simple Liquid Immersed Dielectric Motor , Journal of Applied Physics, 39, 1968, pp. 2957 to 2961). The starting direction of rotation of these motors is not fixed, so that additional auxiliary devices are required for starting. Miniaturized dielectric motors with different structures have been described in GEO 10, 1988, page 188 and in US Pat. No. 4,740,410. Rotating electric fields are used in these motors, so that starting devices are not required. European patent EP-A-0 233 947 specifies a dielectric motor whose rotor has sector-like, radially arranged dielectrics. In these described motors, the excitation is based on an electrostatic effect. Alternating fields are also always created under quasi-stationary conditions. Therefore, the rotors of these motors always rotate in the direction of the rotating field, so they are synchronous motors. The area of application of such motors is limited by this property.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen dielek¬ trischen Motor anzugeben, dessen LaufCharakteristik stu¬ fenlos zwischen der eines kontinuierlich laufenden Motors und der eines Schrittmotors variierbar ist.The invention is based on the object of specifying a dielectric motor whose running characteristic can be varied continuously between that of a continuously running motor and that of a stepper motor.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen dielektri¬ schen Motor durch die kennzeichnenden Merkmale des An¬ spruchs 1 gelöst.This object is achieved in a generic dielectric motor by the characterizing features of claim 1.
Erfindungsgemäß weist der dielektrische Motor einen Rotor auf, der nicht rotationssymmetrisch aufgebaut ist. Durch den assymmetrischen Aufbau kann die Drehrichtung des Ro¬ tors allein durch Variation der Frequenz des antreibenden elektrischen Rotationsfeldes geändert oder der Motor als Schrittmotor betrieben werden. Dadurch ist der erfindungs¬ gemäße Motor sehr flexibel einsetzbar. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Er¬ findung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.According to the invention, the dielectric motor has a rotor that is not rotationally symmetrical. As a result of the asymmetrical design, the direction of rotation of the rotor can be changed solely by varying the frequency of the driving electrical rotating field, or the motor can be operated as a stepper motor. As a result, the motor according to the invention can be used very flexibly. Advantageous refinements and developments of the invention are characterized in the subclaims.
Nach Anspruch 2 wird der unsymmetrische Aufbau des Rotors dadurch erreicht, daß er Bereiche aufweist, die aus unter¬ schiedlichen dielektrischen Materialien bestehen und die bezüglich der Rotationsachse unsymmetrisch angeordnet sind. Die geometrische Form des Rotors kann dabei durchaus rotationssymmetrisch, beispielsweise zylinderförmig sein. Die Bereiche aus unterschiedlichen dielektrischen Materia¬ lien können diskontinuierlich oder kontinuierlich ineinan¬ der übergehen. Ein kontinuierlicher Übergang kann bei¬ spielsweise durch Dotierung erzeugt werden.According to claim 2, the asymmetrical structure of the rotor is achieved in that it has regions which consist of different dielectric materials and which are arranged asymmetrically with respect to the axis of rotation. The geometric shape of the rotor can be rotationally symmetrical, for example cylindrical. The areas made of different dielectric materials can merge discontinuously or continuously into one another. A continuous transition can be generated, for example, by doping.
Der unsymmetrische Aufbau des Rotors wird nach Anspruch 3 dadurch erreicht, daß der Rotor eine geometrische Form aufweist, die bezüglich der Rotationsachse unsymmetrisch ist. Dabei kann der Rotor aus einem homogenen dielektri¬ schen Material bestehen oder Bereiche aus verschiedenem dielektrischen Material aufweisen.The asymmetrical structure of the rotor is achieved according to claim 3 in that the rotor has a geometric shape that is asymmetrical with respect to the axis of rotation. The rotor can consist of a homogeneous dielectric material or have regions made of different dielectric material.
Nach Anspruch 4 rotieren die antreibenden elektrischen Felder stark asynchron zur Rotationsbewegung des Rotors. Dabei können Rotor- und Felddrehsinn gleich oder auch gegeneinander gerichtet sein. Das elektrische Feld kannAccording to claim 4, the driving electric fields rotate asynchronously to the rotational movement of the rotor. The rotor and field of rotation can be the same or directed against each other. The electric field can
7 mmiitt eeiinneerr uumm bbiiss :zu 10 mal höheren Geschwindigkeit umlau- fen als der Rotor.7 mm has to bite: Rotate at 10 times higher speed than the rotor.
Die elektrischen Rotationsfeider werden durch Anlegen geeigneter Wechselspannungen an die Elektroden erzeugt. Die mit der Erfindung erzielten Wirkungen werden gemäß Anspruch 5 dadurch verstärkt, daß die elektrischen Felder mit einer pro Umlauf wechselnden Amplitude rotieren. Die Rotation der elektrischen Felder erfolgt nach Anspruch 6 diskontinuierlich, beispielsweise durch Anlegen von pha¬ senverschobenen Rechteckspannungen an die Elektroden.The electrical rotation fields are generated by applying suitable alternating voltages to the electrodes. The effects achieved with the invention are amplified according to claim 5 in that the electric fields rotate with an alternating amplitude per revolution. The rotation of the electric fields takes place according to claim 6 discontinuously, for example by applying phase-shifted rectangular voltages to the electrodes.
Der erfindungsgemäße dielektrische Motor eignet sich be¬ sonders für eine starke Mini turisierung. Nach den Ansprü¬ chen 7 bis 9 wird er mit Hilfe der Fertigungsmethoden der Mikromechanik aus einem Substrat hergestellt. Motoren mit einer Ausdehnung von weniger als 100 um können damit ge¬ fertigt werden.The dielectric motor according to the invention is particularly suitable for a strong miniaturization. According to claims 7 to 9, it is produced from a substrate using the manufacturing methods of micromechanics. Motors with an expansion of less than 100 .mu.m can thus be manufactured.
Als Substrat wird beispielsweise Silizium, eventuell ver¬ sehen mit dünnen Isolationsschichten wie Si02 oder Si^N. , oder Glas verwendet. Die Elektroden werden mit photo¬ lithographischen Methoden strukturiert und galvanisch, z. B. mit Gold, abgeformt. Damit kann die Elektrodengeometrie mit Mikrometergenauigkeit definiert werden. Unter Verwen¬ dung der Tiefenlithographie können Elektrodenhöhen von mehreren hundert Mikrometern erreicht werden.The substrate is, for example, silicon, possibly provided with thin insulation layers such as SiO 2 or Si ^ N. , or glass used. The electrodes are structured using photo-lithographic methods and galvanically, e.g. B. molded with gold. This enables the electrode geometry to be defined with micrometer accuracy. Using depth lithography, electrode heights of several hundred micrometers can be achieved.
Der Rotor wird ebenfalls mit mikromechanischen Verfahren aus dielektrischen Materialien gefertigt. Schichten wie Si02, Sl > N 4 oder TiO„ können bis zu Dicken im Mikrometer¬ bereich hergestellt und strukturiert werden. Dickere Ro¬ toren können aus Photolack mit Tiefenlithographie gefer¬ tigt werden.The rotor is also made from dielectric materials using micromechanical processes. Layers such as Si0 2 , Sl > N 4 or TiO "can be produced and structured up to thicknesses in the micrometer range. Thicker rotors can be made from photoresist using depth lithography.
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 dem gleichen Ver¬ fahren 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, elek¬ trische Schaltkreise zur Ansteuerung und Regelung des Motors gemeinsam mit den- mechanischen Elementen auf einem gemeinsamen Substrat zu integrieren.With isotropic or anisotropic and selective etching processes, precise pits and channels are etched in the substrate, which are used to fix the rotor or to move the ambient solution of the motor up and down. A rotor axis connected to the substrate can also be produced with the same method. The system can be encapsulated with a second wafer, the. is bonded onto the substrate wafer can be achieved. The use of silicon as Substrate material has the particular possibility, elec tric ¬ circuits for driving and controlling the motor to integrate together with nevertheless mechanical elements on a common substrate.
Der Rotor wird so zwischen drei oder mehr Elektroden pla¬ ziert, daß die Rotationsachse auf einer der kurzen Halb¬ achsen des Ellipsoids liegt. Bewegt sich die Richtung des innerhalb der Elektrodenanordnung erzeugten elektrischen Wechselfeldes diskontinuierlich, jedoch so langsam, daß sich der Rotor vor einer erneuten Richtungsänderung des Feldes bereits orientieren konnte, so rotiert der Rotor diskontinuierlich, wenn das Wechselfeld im gleichen Rich¬ tungssinn weitergeschaltet wird.The rotor is placed between three or more electrodes so that the axis of rotation lies on one of the short half axes of the ellipsoid. If the direction of the alternating electrical field generated within the electrode arrangement moves discontinuously, but so slowly that the rotor was able to orient itself before the field changed again, the rotor rotates discontinuously if the alternating field is switched on in the same direction.
Werden gegenüberliegende Elektroden angesteuert, so nimmt der ellipsoide Rotor eine stabile Lage ein, die sich erst ändert, wenn der Feldvektor sich in Richtung eines anderen Elektrodenpaares bewegt. Wechselt dabei der Richtungssinn des Weiterschaltens, so wechselt auch der Drehsinn des Rotors. Diese Betriebsart des Motors ist dadurch charakte¬ risiert, daß sich der Winkelfehler des Rotors nach einer beliebigen Schrittanzahl nicht vergrößert. Dasselbe Ergeb¬ nis läßt sich mit dielektrisch assymmetrisch, jedoch in der Form rotationssymmetrisch aufgebauten Rotoren oder entsprechenden Kombinationen beider Möglichkeiten errei¬ chen. Der Effekt kann verstärkt werden, wenn der Feld¬ vektor pro Umlauf periodisch seine Amplitude ändert. Die Ansprechzeit des Rotors in mikrominiaturisierter Ausfürung liegt im Mikrosekundenbereich.If opposite electrodes are driven, the ellipsoidal rotor assumes a stable position, which only changes when the field vector moves in the direction of another pair of electrodes. If the direction of switching changes, the direction of rotation of the rotor also changes. This operating mode of the motor is characterized in that the angular error of the rotor does not increase after any number of steps. The same result can be achieved with dielectrically asymmetrical, but in the form of rotationally symmetrical rotors or corresponding combinations of both possibilities. The effect can be enhanced if the field vector changes its amplitude periodically per revolution. The response time of the rotor in microminiaturized version is in the microsecond range.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß der Motor wahlweise kontinuierlich, diskontinuierlich oder als Schrittmotor eingesetzt werden kann. Die Wahl der Betriebsart, sowie die Drehzahl ist empfindlich über die Feldfrequenz regelbar. Der Aufbau des Motors ist besonders einfach und deshalb wartungsarm. Er benötigt zum Betrieb nur geringe elektrische Leistungen, so daß er zusammen mit der elektrischen Steuerung auf einem Halbleiterchip inte¬ griert werden kann.The advantages of the invention are in particular that the motor can be used either continuously, discontinuously or as a stepper motor. The choice of The operating mode and the speed can be regulated sensitively via the field frequency. The construction of the engine is particularly simple and therefore low-maintenance. It requires only low electrical power for operation, so that it can be integrated together with the electrical control on a semiconductor chip.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeich¬ nungen dargestellt und werden nachfolgend näher beschrie¬ ben. Es zeigen:Two exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below. Show it:
Fig. 1 einen dielektrischen Motor mit ellipsoidem Rotor, Fig. 2 einen elektrisch unsymmetrisch aufgebauten Rotor, Fig. 3 eine graphische Darstellung des mittleren Dreh¬ moments eines ellepsoidförmigen Rotors als Funk¬ tion der Kreisfrequenz des Rotationsfeldes.1 shows a dielectric motor with an ellipsoidal rotor, FIG. 2 shows an electrically asymmetrically constructed rotor, FIG. 3 shows a graphical representation of the mean torque of an ellipsoidal rotor as a function of the angular frequency of the rotation field.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention
Die Figur 1 zeigt einen dielektrischen Motor mit sechs Elektroden 1 bis 6 und einem als Ellepsoid ausgebildeten Rotor 7. Innerhalb einer Oberflächenschicht, die durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet ist, weist das Material eine zum Kern des Rotors 7 unterschiedliche Die¬ lektrizitätskonstante auf. Der Übergang zwischen den Be¬ reichen mit unterschiedlichen dielektrischen Material ist kontinuierlich. Der Rotor 7 ist von einem Umgebungsmedium 8 umgeben. Die Rotationsachse 9 liegt auf der kurzen Halb¬ achse a des schalenförmig aufgebauten Rotors 7. Um einen schrittweisen Betrieb zu erreichen, werden zwei gegenüber¬ liegende Elektroden 1 und 4, 2 und 5 oder 3 und 6 mit ungleicher Polarität oder einem Wechselfeld angesteuert. Die lange Halbachse b richtet sich in diese Richtung aus oder wird, je nach Eigenschaften der Rotordielektrika 7 und der Umgebungslösung 8, in eine andere Lage ausgerich¬ tet, die stabil ist, bis der Feldvektor seine Position bezüglich des Elektrodenpaares ändert. Wird durch die Ansteuerung der Elektroden mit phasenverschobenen Spannun¬ gen (z. B. SinusSpannungen) ein rotierendes Feld erzeugt, so rotiert auch der Rotor kontinuierlich in eine, durch die Eigenschaften der Dielektrika festgelegte Drehrich¬ tung.FIG. 1 shows a dielectric motor with six electrodes 1 to 6 and a rotor 7 designed as an ellipsoid. Within a surface layer, which is identified by a broken line, the material has a dielectric constant that is different from that of the rotor 7. The transition between the areas with different dielectric material is continuous. The rotor 7 is surrounded by an ambient medium 8. The axis of rotation 9 lies on the short half-axis a of the shell-shaped rotor 7. In order to achieve step-by-step operation, two opposite electrodes 1 and 4, 2 and 5 or 3 and 6 are driven with an unequal polarity or an alternating field. The long semiaxis b is aligned in this direction or, depending on the properties of the rotor dielectrics 7 and the surrounding solution 8, aligned in another position, which is stable until the field vector changes its position with respect to the pair of electrodes. If a rotating field is generated by controlling the electrodes with phase-shifted voltages (eg sine voltages), the rotor also rotates continuously in a direction of rotation defined by the properties of the dielectrics.
Als Umgebungsmedium 8 kommen Flüssigkeiten geringer Leit¬ fähigkeit (Wasser, Alkohole) aber auch Gase oder ein Va¬ kuum in Frage. Die zum Betrieb des Motors notwendigen Feldstärken liegen bei etwa 5 kv/m. In miniaturisierter Form des Motors, mit einem Gesamtdurchmesser von 50 bis 100 um, genügen zur Elektrodenansteuerung 4 V, wobei auch höhere Spannungen angelegt werden können. Das Drehmoment bzw. die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors nimmt mit dem Quadrat der Feldstärke zu. Die Schrittzahl pro Umdrehung des Rotors kann über die Anzahl der Elektroden und über deren Ansteuerung variiert werden.Liquids of low conductivity (water, alcohols) but also gases or a vacuum can be used as the surrounding medium 8. The field strengths required to operate the motor are around 5 kv / m. In miniaturized form of the motor, with a total diameter of 50 to 100 µm, 4 V are sufficient for the electrode control, whereby higher voltages can also be applied. The torque or the rotational speed of the rotor increases with the square of the field strength. The number of steps per revolution of the rotor can be varied via the number of electrodes and their control.
In Figur 2 ist ein elektrische unsymmetrischer Rotor 7 dargestellt. Zwei ungleich große Zylinderabschnitte 7b aus einem Material mit einer ersten Dielektrizitätskonstante sind asymmetrisch angeordnet und über einen Körper 7a aus einem Material mit einer zweiten Dielektrizitätskonstan¬ ten, starr miteinander verbunden. Zusammengefügt bilden die Teile aus den unterschiedlichen dielektrischen Materi¬ alien einen zylinderförmigen Rotor. Die Drehachse 9 des Rotors entspricht der Zylinderachse. Die Form und Lage, sowie die elektrischen Eigenschaften der Dielektrika 7a, 7b und des Umgebungsmediums 8 sind ausschlaggebend für die Vorzugslagen des Rotors 7, in welchen er eine stabile Lage einnimmt. Die Feldansteuerung und der übrige Aufbau ent- sprechen denen des ersten Ausführungsbeispiels.In Figure 2, an electrical asymmetrical rotor 7 is shown. Two unequal cylinder sections 7b made of a material with a first dielectric constant are arranged asymmetrically and rigidly connected to one another via a body 7a made of a material with a second dielectric constant. Assembled, the parts from the different dielectric materials form a cylindrical rotor. The axis of rotation 9 of the rotor corresponds to the cylinder axis. The shape and position, as well as the electrical properties of the dielectrics 7a, 7b and the surrounding medium 8 are decisive for the preferred positions of the rotor 7, in which it assumes a stable position. The field control and the rest of the structure speak those of the first embodiment.
In Figur 3 ist das mittlere Drehmoment eines ellepsoidför- migen Rotors als Funktion der Kreisfrequenz des Rotations¬ feldes graphisch dargestellt. In vertikaler Richtung ist das mittlere Drehmoment <N> des Rotors aufgetragen. Das mittlere Drehmoment <N> ist auf das maximale mittlereThe average torque of an ellipsoidal rotor is shown graphically in FIG. 3 as a function of the angular frequency of the rotation field. The mean torque <N> of the rotor is plotted in the vertical direction. The average torque <N> is on the maximum average
Drehmoment <Nmax> normiert. In horizontaler Richtung ist die Kreisfrequenz f in logarithmischem Maßstab aufgetra¬ gen.Torque <Nmax> standardized. In the horizontal direction, the angular frequency f is plotted on a logarithmic scale.
Das auf den Rotor wirkende Drehmoment kann in Richtung oder gegen die Richtung des umlaufenden Feldes wirken. Die Kreisfrequenz des Feldes ist um ein Vielfaches höher als die des Rotors. Auch im Schrittbetrieb folgt der Rotor nicht dem Feld. Um den Rotor von einer Stellung in die nächste zu bringen erfolgt nicht ein Feldsprung, sondern das Feld läuft einige hundert bis tausend mal um den Ro¬ tor. Demnach erfolgt auch der Schrittbetrieb stark asyn¬ chron.The torque acting on the rotor can act in the direction of or against the direction of the rotating field. The angular frequency of the field is many times higher than that of the rotor. Even in step mode, the rotor does not follow the field. In order to move the rotor from one position to the next, there is not a field jump, but the field runs a few hundred to a thousand times around the rotor. Accordingly, the step mode is also very asynchronous.
Das Rotationsverhalten des Rotors ist stark frequenzabhän¬ gig und zeigt im angegebenen Fall zwei Maxima. Ein nach dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgestalteter Rotor zeigt ein ähnliches Rotationsverhalten. The rotational behavior of the rotor is strongly frequency-dependent and shows two maxima in the case given. A rotor designed according to the second exemplary embodiment exhibits a similar rotational behavior.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Dielektrischer Motor, der mittels elektrischer Felder angetrieben wird, mit einem Rotor aus dielektrischem Mate¬ rial, der von mehreren Elektroden umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (7) bezüglich seiner Rotationsachse (9) rotations-unsymmetrisch aufgebaut ist.1. Dielectric motor, which is driven by means of electric fields, with a rotor made of dielectric material, which is surrounded by several electrodes, characterized in that the rotor (7) is rotationally asymmetrical with respect to its axis of rotation (9).
2. Dielektrischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (7) Bereiche (7a,7b) aus unterschiedlichem dielektrischen Materialien aufweist, die bezüglich der Rotationsachse (9) rotations-unsymme^- trisch angeordnet sind.2. Dielectric motor according to claim 1, characterized in that the rotor (7) regions (7a, 7b) made of different dielectric materials, which are arranged with respect to the rotational axis (9) non-symmetrically ^ - tric.
3. Dielektrischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (7) eine geometri¬ sche Form aufweist, die bezüglich der Rotationsachse (9) rotations-unsymmetrisch aufgebaut ist.3. Dielectric motor according to claim 1, characterized in that the rotor (7) has a geometri¬ cal shape, which is rotationally asymmetrical with respect to the axis of rotation (9).
4. Dielektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation der antreibenden elektrischen Felder stark assynchron zur Rotation des Rotors (7) erfolgt.4. Dielectric motor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the rotation of the driving electrical fields takes place strongly asynchronously to the rotation of the rotor (7).
5. Dielektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Antrieb vorgesehenen elektrischen Felder mit pro Feldumlauf wechselnder Ampli¬ tude um die Rotationsachse (9) rotieren und durch Anlegen geeigneter Wechselspannungen an die Elektroden (1 bis 6) erzeugt werden. 5. Dielectric motor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the electric fields provided for driving with rotating per field rotation Ampli¬ tude about the axis of rotation (9) and generated by applying suitable AC voltages to the electrodes (1 to 6) become.
6. Dielektrischer Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Felder dis¬ kontinuierlich um die Rotationsachse (9) rotieren.6. Dielectric motor according to claim 5, characterized in that the electric fields rotate dis¬ continuously about the axis of rotation (9).
7. Dielektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Dielektrika Si02, Si3N., Tiθ2 oder Glas Verwendung finden und daß die Elektroden mit photolithographische Methoden strukturiert und gal¬ vanisch abgeformt sind.7. Dielectric motor according to one of claims 1 to 6, characterized in that Si0 2 , Si 3 N., Tiθ 2 or glass are used as dielectrics and that the electrodes are structured using photolithographic methods and galvanically shaped.
8. Dielektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Elemente mit einem elektrischen Schaltkreis zur Ansteuerung und Rege¬ lung des Motors auf einem gemeinsamen Substrat integriert sind.8. Dielectric motor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the mechanical elements with an electrical circuit for controlling and regulating the motor are integrated on a common substrate.
9. Dielektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat ein Halbleiter¬ einkristall verwendet wird. 9. Dielectric motor according to one of claims 1 to 8, characterized in that a semiconductor monocrystal is used as the substrate.
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