WO1997009774A1 - Elektrostatischer antrieb - Google Patents

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WO1997009774A1
WO1997009774A1 PCT/EP1996/003915 EP9603915W WO9709774A1 WO 1997009774 A1 WO1997009774 A1 WO 1997009774A1 EP 9603915 W EP9603915 W EP 9603915W WO 9709774 A1 WO9709774 A1 WO 9709774A1
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WO
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actuator
field
drive according
drive
rotor
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Application number
PCT/EP1996/003915
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans Opower
Jürgen GRAUL
Original Assignee
Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V. filed Critical Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V.
Priority to JP9510871A priority Critical patent/JP2986923B2/ja
Publication of WO1997009774A1 publication Critical patent/WO1997009774A1/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N13/00—Clutches or holding devices using electrostatic attraction, e.g. using Johnson-Rahbek effect
    • 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 an electrostatic drive, in particular an electrostatic micro-drive, comprising an immovable element forming a stator and an element forming an actuator movable relative to the stator, one of which has at least two electrodes for producing an electric drive field which is formed between them, and that another has a material arranged in the electrical drive field and interacting electrostatically with the drive field, and further comprising a control circuit which varies the electrical field over time so that the actuator moves in a desired direction of movement.
  • the invention is therefore based on the object of improving an electrostatic drive of the generic type in such a way that the greatest possible torque can be achieved with a given electric field strength.
  • an electrostatic drive of the type described in the introduction in that the material which interacts electrostatically with the drive field comprises at least one essentially unchangeable domain with a ferroelectric material which is essentially unchangeably polarized in a single direction.
  • An essentially unchangeable domain and an essentially unchangeable polarization are understood to mean that the size and position of the domain or the size and orientation of the polarization essentially does not change with respect to the shape of the body comprising the ferroelectric material.
  • the advantage of the solution according to the invention is thus to be seen in the fact that a much higher torque can be achieved by the ferroelectric material which is polarized invariably during operation of the drive than by the electrical hysteresis, since the ferroelectric material has a significantly greater dipole moment than can be reached by the electrical hysteresis and this dipole moment also maintains its direction regardless of the direction of the drive field. It is particularly advantageous if the ferroelectric domain with the ferroelectric material polarized in one direction is arranged on a dielectric carrier material, since a dielectric carrier material does not hinder the electrostatic interaction of the drive field with the ferroelectric domain.
  • a particularly expedient embodiment provides that the ferroelectric domain represents a partial area of a dielectric material.
  • the ferroelectric polarization is generated within the dielectric material.
  • an advantageous exemplary embodiment provides that the domain is polarized transversely to an actuator center plane running parallel to the direction of movement.
  • the drive field is oriented such that it itself also runs transversely to the actuator center plane, preferably approximately parallel to the polarization direction of the domain.
  • the element comprising the ferroelectric material has domains successively polarized in opposite directions in the direction of movement.
  • This solution has the great advantage that the successive opposite polarization of the domains offers the possibility of creating the most efficient electrostatic drive possible.
  • the domain is polarized parallel to an actuator center plane running parallel to the direction of movement. In this case it is possible, for example, to form the domain using a single layer of this material.
  • the element comprising the ferroelectric material In order to obtain even greater torques and a more efficient drive, it is also possible with the above-mentioned solution for the element comprising the ferroelectric material to have a plurality of layers which are arranged one above the other and parallel to the actuator center plane and comprise differently oriented domains. With this solution, it is particularly advantageous to achieve the highest possible torque with the most compact possible in a domain polarization parallel to the actuator center plane.
  • the actuator in principle, in the exemplary embodiments of the electrostatic drive according to the invention described so far, it is possible either to provide the actuator with the ferroelectric material or the stator.
  • a particularly advantageous solution provides that the actuator has the ferroelectric material comprising the domain, since this eliminates the need to feed electrical current into the moving system.
  • the stator is thus preferably also designed such that it has the electrodes for generating the drive field.
  • This solution can be designed, for example, in such a way that the electrodes generate an electrical drive field running transversely to the central actuator plane and that the domain is also polarized transversely to the central actuator plane.
  • the electrodes it is possible to design the electrodes so that they generate an electric field running parallel to the central actuator plane and that the domain is also polarized parallel to the central actuator plane.
  • a support structure of the actuator is expediently formed from an electrically non-conductive material in order not to disturb the drive field.
  • the actuator has an extension in a first direction running parallel to an actuator center plane which is a multiple of the extension in a third direction running perpendicular to the actuator center plane.
  • This solution in particular creates the possibility of advantageously stabilizing the actuator, for example of a rotation, on account of its shape.
  • the extension in the first direction is at least twice the extension in the third direction, so that the extension in the first direction gives a large moment of inertia in the central plane of the actuator. It is particularly advantageous if the extension in the first direction is at least approximately five times the extension in the third direction, so that in this case the actuator is designed as a flat body which extends at least in the first direction.
  • a particularly advantageous geometrical shape of the actuator provides that it has an extension in a second direction which runs transversely to the first, but parallel to the central plane of the actuator, which is a multiple of the extension in the third direction.
  • the actuator has an extension in the second direction which is in the order of magnitude of the extension in the first direction, so that a geometric shape is specified with which a high, in particular during a rotational movement Position of the actuator stabilizing moment of inertia is specified.
  • the actuator has an approximately circular disk-shaped cross section.
  • a further advantageous embodiment provides that the actuator is approximately circular in cross-section, since the central recess in the circular ring results in an insignificant reduction in the moment of inertia, but on the other hand creates the possibility within the circular ring Arrange electrodes.
  • an advantageous solution provides that the electrodes generate a drive field that is radial with respect to an axis of rotation and that the domains are polarized perpendicular to the axis of rotation. This solution consistently exploits the advantage of the arrangement of the inner electrodes in the inner recess given by the annular shape of the actuator for the formation of the drive field.
  • a particularly expedient solution provides that the actuator can be rotated about an axis of rotation.
  • the actuator so that it is a rotor rotating in one direction of rotation.
  • a particularly advantageous embodiment of a solution according to the invention provides that the actuator is mounted in the stator without contact.
  • An advantageous exemplary embodiment provides for the actuator to be arranged in a gas with a pressure below the ambient pressure, preferably below 1 millibar.
  • a solution is particularly advantageous in which the actuator is arranged essentially in a vacuum, this meaning a pressure of less than 0.1 millibars, preferably less than 0.01 millibars.
  • a particularly advantageous solution provides that the actuator is mounted in a contact-free manner transversely to its direction of movement due to electrostatic interaction.
  • the actuator is centered about the axis of rotation by electrostatic interaction and stabilized in the direction of the axis of rotation.
  • electrostatic contact-free positioning of the actuator can be achieved in a wide variety of ways. For example, it would be possible to make parts of the actuator electrically conductive and to stabilize the actuator via capacitive electrostatic interaction.
  • This contact-free mounting of the actuator is preferably carried out in that one of the elements has holding electrodes for generating an electrical holding field and the other element has a material arranged in the holding field and interacting electrostatically with the holding field.
  • this material which interacts electrostatically with the holding field is a dielectric material.
  • the holding field is preferably designed so that it is an inhomogeneous electric field.
  • the holding field is preferably designed as an inhomogeneous field in the desired direction of force.
  • the actuator is mounted in a contact-free manner by a plurality of inhomogeneous holding fields effective in different directions.
  • the contact-free mounting can be designed to be particularly stable if a plurality of inhomogeneous holding fields acting in opposite directions are provided.
  • the holding field is also the possibility of designing the holding field as a field that is inhomogeneous in several desired directions of force.
  • One possibility would be to design the holding field as an inhomogeneous field symmetrical to a plane of symmetry, so that a stabilizing effect of the holding field can be achieved in two opposite directions.
  • the holding field is even more advantageous to design the holding field as an inhomogeneous electric field in three directions, which, for example, creates the possibility of stabilizing the dielectric material against movement in two opposite directions and additionally in a third direction to stabilize across the above directions.
  • a particularly advantageous solution provides for the holding field to be designed as a field which is inhomogeneous in the radial direction with respect to the axis of rotation, so that a centering effect relative to the axis of rotation can be obtained by multiple rotationally symmetrical arrangement of such a holding field about the axis of rotation.
  • the material which interacts electrostatically with the holding field is a ferroelectric material which is polarized invariably in one direction, so that it is suitable by means of dipole interaction with the holding field, the desired holding force in the desired direction, for example stabilizing moment.
  • this part of the holding field it is not necessary to design this part of the holding field as an inhomogeneous field.
  • the use of an inhomogeneous holding field together with a ferroelectric material can offer the advantage that different forces act depending on the positioning of the ferroelectric material in the inhomogeneous field.
  • the holding field can in principle be arranged completely separately from the drive field. However, it is also conceivable to superimpose the holding field either partially or entirely on the drive field.
  • the position of the actuator can be detected via a change in capacitance for position control of the control.
  • either the stator or the actuator is provided with electrodes, while the actuator or the stator changes their capacitance when the electrodes are in a different position.
  • This capacitance can be changed either in that the actuator or stator has a second capacitance have, which changes that of the electrodes or have a dielectric material whose position relative to the electrodes also changes their capacitance.
  • a particularly advantageous variant which enables a simple measurement of the relative position by means of a capacitance measurement, provides that the electrodes form an inhomogeneous field and that the actuator or the stator in the inhomogeneous field move relative to this and thus the capacitance of the inhomogeneous field change generating electrodes.
  • this position detection is carried out by optical measurement.
  • An advantageous exemplary embodiment provides that the measurement is carried out by the reflection of a light beam on a surface of the actuator, the intensity of the reflected light being dependent on the distance between the stator and the actuator and indicating a measure of this distance.
  • the actuator preferably has a size of less than approximately 5 mm, preferably less than approximately 0.5 mm.
  • FIG. 1 shows a cross section through a first exemplary embodiment of a micromotor according to the invention
  • FIG. 2 shows an enlarged illustration of the section according to FIG. 1 without rotor
  • Fig. 3 is a section along line 3-3 in Fig. 2;
  • FIG. 4 shows a plan view of the rotor of the first exemplary embodiment in the direction of a rotation axis
  • FIG. 5 shows a section along a rotor center plane through the rotor of the first embodiment together with holding electrodes according to line 5-5 in FIG. 6;
  • FIG. 6 shows a section through the rotor of the first exemplary embodiment with holding electrodes along line 6-6 in FIG. 5;
  • Fig. 7 is a plan view similar to FIG. 4 on a
  • Fig. 8 shows a section similar to FIG. 6 through the second
  • FIG. 9 shows a section through a third embodiment of a micromotor according to the invention with a rotor and electrodes for the drive field along line 9-9 in FIG. 10;
  • FIG. 10 shows a section along line 10-10 in FIG. 9 through the rotor and the electrodes for the drive field
  • FIG. 11 shows a section similar to FIG. 10, showing the rotor and the holding electrodes and the holding fields generated by these in the third exemplary embodiment
  • FIG. 12 shows a section similar to FIG. 9 through a fourth embodiment of a micromotor according to the invention.
  • FIG. 13 shows a section through the rotor according to the fourth exemplary embodiment along line 13-13 in FIG. 12; 14 shows a schematic illustration of the monitoring of a centering of the rotor of the third exemplary embodiment relative to the axis of rotation;
  • a first exemplary embodiment of an electrostatic micromotor shown in FIG. 1 comprises a stator, designated as a whole by 10, which is formed by two plates 12 and 14, which rest on one another in the region of a parting plane 16 and form a common stator interior 18, in which a as Whole with 20 designated disc-like rotor is arranged.
  • the rotor 20 is arranged between pairs of electrodes 22, each pair of electrodes 22 comprising two electrodes 24 and 26 lying opposite one another, between which a drive field A is formed.
  • three electrode pairs 22 are provided, for example, represented in FIG. 3 by the lower electrodes 26a, 26b and 26c, which are all arranged in the form of circular ring segments around a stationary rotor axis 28, the circular ring segments yourself about one Extend angular range of, for example, 60 °, so that there is also an angular distance of 60 ° between each pair of electrodes 22 and the pair of electrodes 22 closest in the circumferential direction of the annulus.
  • the electrodes 24, 26 of the circular ring segments forming electrode pairs 22 are delimited by an inner circular line 30 and an outer circular line 32, both of which run concentrically to the rotor axis 28.
  • a rotor body of the rotor 20, as shown in FIGS. 1 and 4, is designed as an annular disk which is delimited by an upper rotor surface 38 running parallel to a rotor center plane 36 and a lower rotor surface 40 likewise running parallel to this an inner cylinder surface 42 and an outer cylinder surface 44, both of which are arranged concentrically to an axis of rotation 29 and thereby made of a ferroelectric material which has successive domains 46, 48, each of which has a different polarization P1, P2 parallel to the rotor axis 28 and axis of rotation 29 exhibit.
  • the successive domains 46 and 48 are arranged adjacent to one another and separated from one another by a domain wall 50, and the domains 46 and 48 also extend between the cylinder surfaces 42 and 44 and in the circumferential direction about the axis of rotation 29 over the same angular distance, so that successive domain walls 50 are arranged at equal angular distances from one another.
  • the domain walls 50 are arranged at the same angular distance from one another over which the electrode pairs 22 extend. so that domains 46 and 48 also necessarily extend over the same angular distance as electrodes 24, 26 of electrode pairs 26.
  • the rotor 20 has a total of three domains 46 with the polarization P1 and a total of three domains 48 between the domains 46 with the polarization P2.
  • the rotor 20 has the tendency to align itself with its ferroelectric domains 46 such that they stand with the polarization P 1 between the electrode pairs 22. If, however, the drive field AI is reversed, the rotor 20 has the tendency to stand with its ferroelectric domains 48 with the polarization P2 between the electrode pairs 22.
  • the control circuit 60 is preferably formed by individual electronic assemblies 62 and 64, the assemblies 62 for example comprising the actual control and the assemblies 64 comprising the output stages thereof, through which the electrode pairs 22 are then fed.
  • the control circuit 60 is preferably designed as a hybrid or integrated circuit arranged on the plates 12 and 14. 5 and 6, the rotor 20 is mounted in a contactless manner, the centering of the rotor 20 with its axis of rotation 29 relative to the rotor axis 28 and the positioning of the rotor 20 along the rotor axis 28, as in FIG. 5 and 6, holding electrode pairs 72 are provided with inner holding electrodes 74 and outer holding electrodes 76, which have curved surfaces 78 and 80 facing one another, so that a holding field H is formed between these surfaces 78 and 80, the field lines of which are on the one hand in the radial direction extend to the rotor axis 28 and additionally run convexly symmetrically to a plane of symmetry 82.
  • the holding field H generated by each pair of electrodes 72 is inhomogeneous in the radial direction with respect to the rotor axis 28 and thus on the one hand has the tendency to apply a force in the radial direction to the rotor axis 28 in the ring section lying therein and on the other hand has the tendency to to position this section of the rotor 20 symmetrically with respect to the plane of symmetry 82 of the respective electrode pair 72 running perpendicular to the rotor axis 28, so that the rotor center plane 36 coincides with the plane of symmetry 82 of the electrode pairs 72.
  • the electrode pairs 72 are designed such that they extend over the same angular range around the rotor axis 28 as the electrode pairs 22, the electrode pairs 72 can be arranged, for example, in the free spaces between the electrode pairs 22 in the interior 18. If, for example, three such electrode pairs 72a, 72b and 72c are provided in three-fold symmetry about the rotor axis 28, sufficient stabilization of the rotor 20 relative to the rotor axis 28 and thus to the housing 10 can be achieved.
  • the interaction of the holding field H with the material of the rotor 20 is largely independent of the polarization P1, P2 of the domains 46 and 48 of the rotor 20, since the field lines of the holding field H run essentially perpendicular to them, so that the polarization of the ferroelectric domains 46, 48 has no significant effect.
  • the only effect on the positioning of the rotor 20 by means of the holding fields H is the dielectric polarizability of the material of the rotor 20 in the direction of the field lines of the holding fields H.
  • the radii of the cylinder surfaces 42 and 44 are preferably identical to the radii of the inner and outer circular lines 30 and 32 delimiting the electrodes 24, 26 or approximately the same as these, so that the domains 46 and 48 can be fully penetrated by the drive field A. .
  • the rotor body is not designed as a circular ring, but rather as a circular disk concentric with the axis of rotation 29, the domains 46 and 48 likewise being between a geometric inner cylinder surface 142 and a geometric outer cylinder surface 144 and have the same angular extent as in the first embodiment (FIG. 7).
  • the material of the rotor 20 can, for example, have the polarization of one of the domains 46 or 48 in a core region 143 located within the inner cylinder surface 142.
  • the rotor body extends beyond the geometric cylindrical surface 144 with an outer ring region 145, in which the upper and lower rotor surfaces 39, 41 taper conically with increasing distance from the rotor axis 28, preferably symmetrically to the rotor center plane 36 .
  • a ferroelectric polarization is preferably also provided in the ring region 145, for example a polarization corresponding to the domains 46, as shown in FIG. 7.
  • the drive fields A are generated in the same way as in the first exemplary embodiment by electrode pairs 22.
  • the core region 143 lies between a central pair of electrodes 119 and the ring region 145 between a pair 147 of ring electrodes, which in turn are inclined symmetrically to a plane of symmetry 182 perpendicular to the rotor axis 28 and parallel to the rotor surfaces 39 and 41, so that a inhomogeneous holding field H 'arises, whose field line density increases with increasing distance from the rotor axis 28 increases.
  • the pair of electrodes 119 likewise forms a holding field H ′′ which, owing to the ferroelectric polarization in the core region 143, is able to position the rotor 120 in the direction of the rotor axis 28 (FIG. 8).
  • the holding field H ' also serves to position the rotor 120 in the direction of the rotor axis 28, but at the same time also for centering the rotor 120, since, owing to the inhomogeneous course of the holding field H' symmetrical to the plane of symmetry 182 and to the rotor axis 28, this includes, among other things, a radially to the rotor axis 28 and force directed away from this acts on the ring region 145.
  • the rotor 220 has a circular disk-shaped rotor body which is only delimited by the outer cylinder surface 244.
  • This rotor body is formed from ferroelectric material with a single domain 246, the direction of polarization P3 of which runs parallel to the rotor center plane 36 and thus also parallel to the rotor surfaces 238 and 240.
  • the electrode pairs 222 are each arranged on opposite sides of the rotor 220, specifically facing the cylinder surface 244, the individual electrodes 224 and 226 having electrode surfaces running approximately parallel to the rotor axis 28.
  • the surfaces of the electrodes 224 and 226 are planes running parallel to one another (FIG. 10).
  • two pairs of electrodes 222a and 222b, which are rotated by 90 ° to one another, are preferably provided, so that, for example, when a drive field A2 is generated by the pair of electrodes 222a, the polarization P3 of the domain 246 extends parallel to the drive field A2 judges.
  • the rotor 220 rotates so that the polarization P3 is parallel to this field A3, etc., so that the generation of drive fields A2, A3 between the pairs of electrodes 222a or A3 222b the rotor 220 can be set in rotation.
  • the positioning of the rotor 220 of the third exemplary embodiment in the longitudinal direction of the rotor axis 28 is carried out by pairs of electrodes 272, the electrodes of which are arranged facing the rotor surfaces 238 or 240 and produce inhomogeneous holding fields H * in directions parallel to the rotor axis 28 which are essentially perpendicular to the Polarization P3 act on the material of the rotor 220 and thus act on the rotor 220 in the direction of the greater field line density in this direction due to the dielectric polarizability of this material (FIG. 11).
  • electrode pairs 272a acting in a direction parallel to the rotor axis 28 and in a direction parallel thereto and electrode pairs 272b acting in the opposite direction are provided, so that holding forces HKa and HKb acting in opposite directions in the direction of the rotor axis 28 act on the rotor 220 Position the rotor 220 in a defined manner within the interior 18 of the stator 10.
  • the electrodes of the electrode pairs 272a and 272b can either be arranged mirror-symmetrically to the rotor axis 28 as individual electrodes or concentric to the rotor axis 28 as ring electrodes.
  • a fourth exemplary embodiment of a rotor 320 according to the invention shown in FIG. 12, the rotor body is again, in the same way as in the first exemplary embodiment, of circular design, but the entire rotor body, however, only represents the only ferroelectric domain 346, in the same way as in the case of FIG third embodiment. Furthermore, the polarization P3 of the ferroelectric material is also aligned parallel to the rotor center plane 36.
  • the electrode pairs 322a, 322b and 322c face the inner cylinder surface 342 of the rotor 320 with their inner electrodes 326 and the outer cylinder surface 344 with their outer electrodes 324, so that a drive field A running in the radial direction to the rotor axis 28 can be generated by each of the electrode pairs 322 is.
  • the electrode pairs 322 are preferably arranged such that they likewise extend over an equally large angular range in the circumferential direction of the rotor 320, the angular distances between the individual electrode pairs 322 being of the same size, so that their arrangement is in the form of a threefold symmetry with the rotor axis 28 takes place.
  • the rotor 320 comprises two layers of ferroelectric material, which represent differently polarized domains 346, 348, the Polarization directions P3 and P4 of these domains 346, 348 are approximately perpendicular to one another, but essentially parallel to the rotor center plane 36.
  • the rotor 320 tends to align itself with this polarization P3 or P4 parallel to this drive field A4 and is therefore due to a corresponding time offset in the generation of the drive fields A4 between successive electrode pairs 322 can be rotated.
  • the positioning of the rotor 320 in the direction of the rotor axis 328 takes place, for example, in an analogous manner to that described in connection with the third exemplary embodiment in FIG. 11.
  • the position of the rotor can be detected, for example, by measuring the capacitance in the homogeneous holding field H, H 'or H *, so that the size of the capacitances formed by the electrode pairs 72, 147, 272a, b depends on the position of the rotor 20, 120 , 220 or 320 of dielectric or ferroelectric material is changed relative to the inhomogeneous holding field H, H 'or H *.
  • a control 66 measuring the capacitance can thus control the holding fields H, H 'or H * and thus also the position of the rotor.
  • the centering of the rotor axis 28 is preferably measured relative to a stator-fixed axis of rotation 27 by measuring the position of the outer cylinder surface 244, preferably optically (FIG. 14).
  • a measuring light beam 402 which runs in the radial direction to the housing-fixed rotor axis 28, is directed and reflected by the outer cylinder surface 244 by means of a light-guiding fiber 400, a distance measurement between the area of the cylinder surface 244 hit by the beam 402 and one end 404 of the light guide 400 is possible.
  • the evaluation of this distance measurement gives a measure of the position of the rotor 220 in the direction transverse to the rotor axis 28 fixed to the stator.
  • a measurement of the position of the rotor 220 in the direction along the rotor axis 28 can be carried out in an analogous manner, the beam 412 being reflected back, for example, from the rotor surface 240 into the light guide 410.
  • a light beam 422 is also directed onto the lower rotor surface 240, for example, via an optical fiber 420 this and a wall surface 424 of the stator 10 facing this back and forth reflects and thereby spreads in a direction 426 parallel to the surface 424 of the stator 10 and to the lower rotor surface 240, up to a second light guide 428, which reflects the back and forth reflected beam 422 finally receives.
  • the intensity of the beam 422 received by the light guide 428 is sensitive to the distance of the lower rotor surface 240 from the surface 424 of the stator and thus ultimately to the position of the rotor 220 relative to the stator 10, so that the intensity received by the light guide 428 Radiation 422 represents a measure of the distance between the lower rotor surface 240 and the surface 424 of the stator.
  • the materials used to produce the ferroelectric domains are preferably those ferroelectric materials which do not change the structure of the domain at normal temperature, even due to high electrical fields.
  • Such materials are, for example, single crystals of lithium niobate, potassium niobate, lithium tantalate and potassium titanyl phosphate.
  • the manufacture of spatially fixed ferroelectric domains is based on a monocrystalline structure of the materials which already have a polarization in one direction. For this reason, when the ferroelectric material is polarized in one direction, the body can be produced simply from the monocrystalline structure. Domain polarity reversal is required for alternating polarizations.
  • the methods used for this are the methods known from nonlinear optics for quasi-phase matching, such as applying an electric field at high temperature or bombarding with electron beams, such as in the Journal of Lightwave Technology, Vol. 11, No. 8, page 1360 (1993), or the diffusion of components, as for example in Appl. Optics, Vol. 32, No. 12, page 2049 (1993).
  • Both insulators and electrical conductors can be used for the stator and the materials carrying the stator. It is particularly expedient to use semiconductor materials as mechanical support materials for the stator, since these open up the possibility of also integrating the control circuit on these semiconductor materials.
  • semiconductor material with a large band gap such as SiC
  • semiconductor materials from group III nitrides such as AlN, GaN, since these also withstand high electrical field strengths of more than 10 V / cm and the control circuit at least with the Output stages should be able to switch voltages of several 100V.

Abstract

Um einen elektrostatischen Antrieb, insbesondere elektrostatischer Mikroantrieb, umfassend ein einen Stator bildendes nichtbewegbares Element und ein einen relativ zum Stator bewegbaren Aktor bildendes Element, von denen eines mindestens zwei Elektroden zur Erzeugung eines sich zwischen diesen ausbildenden elektrischen Antriebsfeldes aufweist und das andere ein in dem elektrischen Antriebsfeld angeordnetes und mit dem Antriebsfeld elektrostatisch wechselwirkendes Material aufweist, und ferner umfassend eine Steuerschaltung, welche das elektrische Feld zeitlich so variiert, daß sich der Aktor in eine gewünschte Bewegungsrichtung bewegt, derart zu verbessern, daß sich bei gegebener elektrischer Feldstärke ein möglichst großes Drehmoment erreichen läßt, wird vorgeschlagen, daß das mit dem Antriebsfeld elektrostatisch wechselwirkende Material mindestens eine im wesentlichen unveränderliche ferroelektrische Domäne mit einem in einer einzigen Richtung im wesentlichen unveränderlich polarisierten ferroelektrischen Material umfaßt.

Description

Elektrostatischer Antrieb
Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Antrieb, ins¬ besondere einen elektrostatischen Mikroantrieb, umfassend ein einen Stator bildendes nichtbewegbares Element und ein einen relativ zum Stator bewegbaren Aktor bildendes Element, von denen eines mindestens zwei Elektroden zur Erzeugung eines sich zwischen diesen ausbildenden elektrischen Antriebsfeldes aufweist und das andere ein in dem elektrischen Antriebsfeld angeordnetes und mit dem Antriebsfeld elektrostatisch wechselwirkendes Material aufweist, und ferner umfassend eine Steuerschaltung, welche das elektrische Feld zeitlich so variiert, daß sich der Aktor in eine gewünschte Bewegungs¬ richtung bewegt.
Derartige elektrostatische Antriebe sind aus dem Artikel von Bollee "Electrostatic Motors", in Philips Technical Review, Vol. 30, 1969, Seite 178 bis 194 beschrieben.
Bei den im Zusammenhang mit Fig. 3 und 4 dieses Artikels beschriebenen elektrostatischen Antrieben erfolgt eine Wech¬ selwirkung zwischen dem Antriebsfeld und dem mit diesem wechselwirkenden Material über die dielektrische Polarisier- barkeit dieses Materials.
Dadurch ist das erhältliche Drehmoment äußerst gering. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elek¬ trostatischen Antrieb der gattungsgemäßen Art derart zu ver¬ bessern, daß sich bei gegebener elektrischer Feldstärke ein möglichst großes Drehmoment erreichen läßt.
Diese Aufgabe wird bei einem elektrostatischen Antrieb der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das mit dem Antriebsfeld elektrostatisch wechselwirkende Material mindestens eine im wesentlichen unveränderliche Domäne mit einem in einer einzigen Richtung im wesentlichen unveränderlich polarisierten ferroelektrischen Material um¬ faßt.
Unter einer im wesentlichen unveränderlichen Domäne und einer im wesentlichen unveränderlichen Polarisation ist dabei zu verstehen, daß die Größe und Lage der Domäne bzw. die Größe und Ausrichtung der Polarisation zu der Form des das ferro¬ elektrische Material umfassenden Körpers im wesentlichen nicht verändert.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist somit darin zu sehen, daß durch das während des Betriebs des Antriebs unver¬ änderlich polarisierte ferroelektrische Material ein weit höheres Drehmoment erreichbar ist, als durch die elektrische Hysterese, da durch das ferroelektrische Material ein wesent¬ lich größeres Dipolmoment als durch die elektrische Hysterese erreichbar ist und außerdem dieses Dipolmoment seine Richtung unabhängig von der Richtung des Antriebsfelds beibehält. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die ferroelektrische Domäne mit dem in einer einzigen Richtung polarisierten ferroelektrischen Material auf einem dielektrischen Träger¬ material angeordnet ist, da ein dielektrisches Trägermaterial die elektrostatische Wechselwirkung des Antriebsfelds mit der ferroelektrischen Domäne nicht behindert.
Ein besonders zweckmäßiges Ausführungsbeispiel sieht vor, daß die ferroelektrische Domäne einen Teilbereich eines dielek¬ trischen Materials darstellt. In diesem Fall wird die ferro¬ elektrische Polarisierung innerhalb des dielektrischen Mate¬ rials erzeugt.
Hinsichtlich der Polarisationsrichtung in der ferroelektri¬ schen Domäne wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So sieht ein vorteilhaftes Ausfuhrungsbeispiel vor, daß die Domäne quer zu einer parallel zur Bewegungsrichtung ver¬ laufenden Aktormittelebene polarisiert ist, in diesem Fall ist dann das Antriebsfeld so ausgerichtet, daß es selbst ebenfalls quer zur Aktormittelebene, vorzugsweise ungefähr parallel zur Polarisationsrichtung der Domäne verläuft.
Bei diesem Ausführungsbeispiel hat es sich ferner als zweck¬ mäßig erwiesen, wenn das das ferroelektrische Material um¬ fassende Element in der Bewegungsrichtung aufeinanderfolgend in entgegengesetzten Richtungen polarisierte Domänen auf¬ weist. Diese Lösung hat den großen Vorteil, daß die aufein¬ anderfolgende entgegengesetzte Polarisierung der Domänen die Möglichkeit bietet einen möglichst effizienten elektrosta¬ tischen Antrieb zu schaffen. Alternativ dazu ist bei einem anderen vorteilhaften Aus¬ führungsbeispiel vorgesehen, daß die Domäne parallel zu einer parallel zur Bewegungsrichtung verlaufenden Aktormittelebene polarisiert ist. In diesem Fall ist es beispielsweise mög¬ lich, die Domäne durch eine einzige Schicht dieses Materials auszubilden.
Um noch größere Drehmomente und einen effizienteren Antrieb zu erhalten ist es ferner bei der vorstehend genannten Lösung möglich, daß das das ferroelektrische Material umfassende Element mehrere parallel zur Aktormittelebene übereinander- liegend angeordnete und unterschiedlich ausgerichtete Domänen umfassende Schichten aufweist. Mit dieser Lösung ist in besonders vorteilhafterweise bei einer Domänenpolarisation parallel zur Aktormittelebene ein möglichst hohes Drehmoment bei möglichst kompakter Bauweise zu erreichen.
Rein prinzipiell ist es bei den bislang beschriebenen Aus¬ führungsbeispielen des erfindungsgemäßen elektrostatischen Antriebs möglich, entweder den Aktor mit dem ferroelek¬ trischen Material zu versehen oder den Stator. Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht jedoch vor, daß der Aktor das die Domäne umfassende ferroelektrische Material aufweist, da damit die Notwendigkeit entfällt, in das sich bewegende System elektrischen Strom einzuspeisen.
Damit ist ebenfalls vorzugsweise der Stator so ausgebildet, daß dieser die Elektroden für die Erzeugung des Antriebsfelds aufweist. Diese Lösung läßt sich beispielsweise so ausbilden, daß die Elektroden ein quer zur Aktormittelebene verlaufendes elek¬ trisches Antriebsfeld erzeugen und daß die Domäne ebenfalls quer zur Aktormittelebene polarisiert ist.
Alternativ dazu ist es möglich, die Elektroden so auszu¬ bilden, daß diese ein parallel zur Aktormittelebene ver¬ laufendes elektrisches Feld erzeugen und daß die Domäne eben¬ falls parallel zur Aktormittelebene polarisiert ist.
Zweckmäßigerweise ist dabei eine Stützstruktur des Aktors aus einem elektrisch nicht leitenden Material ausgebildet, um das Antriebsfeld nicht zu stören.
Bei all diesen Ausführungsbeispielen wurde nicht definiert, wie der Aktor seinerseits ausgebildet, insbesondere ein Aktorkörper desselben gestaltet sein soll.
So hat es sich für die Erzeugung eines möglichst großen Drehmoments als vorteilhaft erwiesen, wenn der Aktor in einer ersten, parallel zu einer Aktormittelebene verlaufenden Rich¬ tung eine Erstreckung aufweist, welche ein vielfaches der Erstreckung in einer dritten, senkrecht zur Aktormittelebene verlaufenden Richtung beträgt. Diese Lösung schafft insbe¬ sondere die Möglichkeit, den Aktor beispielsweise einer Rota¬ tion aufgrund seiner Form vorteilhaft zu stabilisieren.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Erstreckung in der ersten Richtung mindestens das zweifache der Erstreckung in der dritten Richtung beträgt, so daß durch die Erstreckung in der ersten Richtung ein großes in der Aktormittelebene wirk¬ sames Trägheitsmoment gegeben ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Erstreckung in der ersten Richtung mindestens ungefähr das fünffache der Erstreckung in der dritten Richtung beträgt, so daß in diesem Fall der Aktor als flacher, sich zumindest in der ersten Richtung erstreckender Körper ausgebildet ist.
Eine besonders vorteilhafte geometrische Form des Aktors sieht vor, daß dieser in einer zweiten, quer zur ersten, aber parallel zur Aktormittelebene verlaufenden Richtung eine Erstreckung aufweist, welche ein vielfaches der Erstreckung in der dritten Richtung beträgt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Aktor in der zweiten Richtung eine Erstreckung aufweist, welche in der Größen¬ ordnung der Erstreckung in der ersten Richtung liegt, so daß eine geometrische Form vorgegeben ist, mit welcher insbe¬ sondere bei einer Rotationsbewegung ein hohes, die Lage des Aktor stabilisierendes Trägheitsmoment vorgegeben ist.
Hinsichtlich einer geeigneten Form des Aktors ist vorgesehen, daß der Aktor im Querschnitt ungefähr kreisscheibenförmig ausgebildet ist.
Alternativ dazu sieht ein weiteres vorteilhaftes Ausführungs¬ beispiel vor, daß der Aktor ungefähr im Querschnitt ungefähr kreisringförmig ausgebildet ist, da durch die zentrale Aus¬ nehmung im Kreisring eine unwesentliche Reduzierung des Träg¬ heitsmoments erfolgt, andererseits aber die Möglichkeit geschaffen wird, innerhalb des Kreisrings Elektroden anzu¬ ordnen. Insbesondere bei einem im Querschnitt kreisringförmig ausge¬ bildeten Aktors sieht eine vorteilhafte Lösung vor, daß die Elektroden ein bezüglich einer Drehachse radiales Antriebs¬ feld erzeugen und daß die Domänen senkrecht zur Drehachse polarisiert sind. Diese Lösung nutzt den durch die kreisring¬ förmige Form des Aktors gegebenen Vorteil der Anordnung der inneren Elektroden in der inneren Ausnehmung für die Aus¬ bildung des Antriebsfelds konsequent aus.
Hinsichtlich der möglichen Bewegungen des Aktors wurden im Zusammenhang mit den bisherigen Ausführungen zu den einzelnen Ausführungsbeispielen keine näheren Angaben gemacht. So wäre es beispielsweise möglich, daß der Aktor sich in Form eines Linearmotors längs einer Geraden bewegt.
Eine besonders zweckmäßige Lösung sieht vor, daß der Aktor um eine Drehachse drehbar ist.
Besonders zweckmäßig ist es, den Aktor so auszubilden, daß dieser ein in einer Umlaufrichtung rotierender Rotor ist.
Rein prinzipiell wäre es denkbar, bei den erfindungsgemäßen Lösungen den Aktor in der üblichen Weise mittels mechanischen Lagern reibungsbehaftet zu lagern. Diese Lösung hat jedoch insbesondere bei Mikromotoren den Nachteil, daß ein erheb¬ licher Teil des Drehmoments für die Überwindung der Reibung aufgewandt werden muß. Aus diesem Grund sieht ein besonders vorteilhaftes Aus¬ führungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lösung vor, daß der Aktor im Stator beruhrungsfrei gelagert ist.
Hinsichtlich der berührungsfreien Lagerung des Aktors im Stator sind unterschiedliche Lösungen denkbar. Beispielsweise wäre es denkbar, den Aktor im Stator "schwimmend" zu lagern, wozu die ständige Zufuhr eines gasförmigen oder flüssigen Mediums erforderlich wäre.
Weit vorteilhafter ist es daher, insbesondere da eine der¬ artige "schwimmende" Lagerung im Mikrobereich Probleme bereitet, den Aktor durch elektrostatische Wechselwirkung berührungsfrei zu lagern.
Ein vorteilhaftes Ausfuhrungsbeispiel sieht vor, den Aktor in einem Gas mit einem Druck unterhalb des Umgebungsdrucks, vor¬ zugsweise unterhalb von 1 Millibar anzuordnen. Besonders vor¬ teilhaft ist eine Lösung, bei welcher der Aktor im wesent¬ lichen im Vakuum angeordnet ist, wobei dies einen Druck von weniger als 0,1 Millibar, vorzugsweise kleiner 0,01 Millibar bedeutet.
Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht dabei vor, daß der Aktor durch elektrostatische Wechselwirkung quer zu seiner Bewegungsrichtung berührungsfrei gelagert ist.
Insbesondere bei einem sich um eine Drehachse drehenden Aktor ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß der Aktor durch elek¬ trostatische Wechselwirkung um die Drehachse zentriert und in Richtung der Drehachse stabilisiert ist. Eine derartige elektrostatische berührungsfreie Positionie¬ rung des Aktors läßt sich auf unterschiedlichste Art und Weise erreichen. Beispielsweise wäre es möglich, Teile des Aktors elektrisch leitend auszubilden und eine Stabilisierung des Aktors über kapazitive elektrostatische Wechselwirkung zu erhalten.
Diese berührungsfreie Lagerung des Aktors erfolgt vorzugs¬ weise dadurch, daß eines der Elemente Halteelektroden zur Erzeugung eines elektrischen Haltefeldes und das andere Element ein in dem Haltefeld angeordnetes und mit dem Halte¬ feld elektrostatisch wechselwirkendes Material aufweist.
Dieses elektrostatisch mit dem Haltefeld wechselwirkende Material ist im einfachsten Fall ein dielektrisches Material.
Bei einem derartigen dielektrischen Material ist eine Kraft dadurch erhältlich, daß das dielektrische Material das Bestreben hat, in einem inhomogenen Haltefeld sich in Richtung des Feldbereichs größerer Feldliniendichte zu bewegen. Aus diesem Grund ist vorzugsweise das Haltefeld so ausgebildet, daß dieses ein inhomogenes elektrisches Feld ist.
Vorzugsweise ist dabei das Haltefeld als in der gewünschten Kraftrichtung inhomogenes Feld ausgebildet. Um eine stabile berührungsfreie Lagerung zu erhalten, ist vorzugsweise vorgesehen, daß der Aktor durch mehrere in unterschiedliche Richtungen wirksame inhomogene Haltefelder berührungsfrei gelagert ist.
Besonders stabil läßt sich die berührungsfreie Lagerung dann ausbilden, wenn mehrere in entgegengesetzten Richtungen wirkende inhomogene Haltefelder vorgesehen sind.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, das Haltefeld als ein gleichzeitig in mehreren gewünschten Kraftrichtungen inhomo¬ genes Feld auszubilden. Eine Möglichkeit wäre die, das Halte¬ feld als zu einer Symmetrieebene symmetrisches inhomogenes Feld auszubilden, so daß eine in zwei entgegengesetzte Rich¬ tungen stabilisierende Wirkung des Haltefeldes erreichbar ist.
Noch vorteilhafter ist es, das Haltefeld als in drei Rich¬ tungen inhomogenes elektrisches Feld auszubilden, wodurch beispielsweise die Möglichkeit geschaffen ist, das dielek¬ trische Material gegen eine Bewegung in zwei entgegengesetzt zueinander gerichtete Richtungen zu stabilisieren und zusätz¬ lich noch in einer dritten Richtung, quer zu den vorstehend genannten Richtungen, zu stabilisieren.
Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, daß das Halte¬ feld als in radialer Richtung zur Drehachse inhomogenes Feld ausgebildet ist, so daß durch mehrfache rotationssymmetrische Anordnung eines derartigen Haltefeldes um die Drehachse eine zentrierende Wirkung relativ zur Drehachse erhältlich ist. Ergänzend hierzu ist bei einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen, daß das mit dem Haltefeld elektrostatisch wechselwirkende Material ein in einer Richtung unveränderlich polarisiertes ferroelektrisches Material ist, so daß dieses durch Dipolwechselwirkung mit dem Haltefeld geeignet ist, die erwünschte Haltekraft in der gewünschten Richtung, beispiels¬ weise ein stabilisierendes Moment, zu erzeugen.
In diesem Fall ist es nicht erforderlich, diesen Teil des Haltefelds als inhomogenes Feld auszubilden. Andererseits kann die Verwendung eines inhomogenen Haltefeldes gemeinsam mit einem ferroelektrischen Material den Vorteil bieten, daß je nach Positionierung des ferroelektrischen Material im inhomogenen Feld unterschiedliche Kräfte wirken.
Das Haltefeld kann prinzipiell völlig getrennt vom Antriebs¬ feld angeordnet sein. Es ist aber auch denkbar, das Haltefeld entweder teilweise oder auch ganz dem Antriebsfeld zu über¬ lagern.
Um bei einer berührungsfreien Lagerung des Aktors im Stator die Position des Aktors relativ zum Stator zu überwachen und je nach Art der elektrostatischen Wechselwirkung zu steuern, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Position des Aktors über eine Kapazitätsveränderung für eine Positionsregelung der Steuerung erfaßbar ist.
Beispielsweise ist hierbei entweder der Stator oder der Aktor mit Elektroden versehen, während der Aktor oder der Stator bei unterschiedlicher Position zu den Elektroden deren Kapa¬ zität verändert. Diese Kapazität ist entweder dadurch ver¬ änderbar, daß der Aktor oder Stator eine zweite Kapazität aufweisen, die die der Elektroden verändert oder ein dielek¬ trisches Material aufweisen, dessen Position relativ den Elektroden ebenfalls deren Kapazität verändert.
Eine besonders vorteilhafte Variante, die eine einfache Messung der Relativposition mittels einer Kapazitätsmessung ermöglicht, sieht vor, daß die Elektroden ein inhomogenes Feld bilden und daß sich der Aktor oder der Stator in dem inhomogenen Feld relativ zu diesem bewegen und somit die Kapazität der das inhomogene Feld erzeugenden Elektroden verändern.
Alternativ zur kapazitiven Erfassung der Position des Aktors relativ zum Stator sieht ein anderes Ausführungsbeispiel vor, daß diese Positionserfassung durch optische Messung erfolgt.
So sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß die Messung durch die Reflexion eines Lichtstrahls an einer Ober¬ fläche des Aktors erfolgt, wobei die Intensität des reflek¬ tierten Lichts von dem Abstand zwischen Stator und Aktor abhängig ist und ein Maß für diesen Abstand angibt.
Eine besonders vorteilhafte und sehr empfindliche Messung eines Abstandes zwischen Aktor und Stator läßt sich dadurch erreichen, daß das zur Messung verwendete Licht mehrfach zwischen Stator und Aktor hin- und herreflektiert wird und nach dieser Mehrfachreflexion detektiert wird, wobei die Intensität am Ort, an dem eine Detektion erfolgt, abhängig von dem Abstand der reflektierenden Flächen und somit dem Abstand zwischen Aktor und Stator ist. Vorzugsweise hat bei einem erfindungsgemäßen Mikroantrieb der Aktor eine Größe von weniger als ungefähr 5 mm, vorzugsweise weniger als ungefähr 0,5 mm.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Dar¬ stellung einiger Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Aus¬ führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikromotors;
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Schnitts gemäß Fig. 1 ohne Rotor;
Fig. 3 einen Schnitt längs Linie 3-3 in Fig. 2;
Fig. 4 eine Draufsicht auf den Rotor des ersten Aus¬ führungsbeispiels in Richtung einer Rota¬ tionsachse;
Fig. 5 einen Schnitt längs einer Rotormittelebene durch den Rotor des ersten Ausführungsbei¬ spiels zusammen mit Halteelektroden gemäß Linie 5-5 in Fig. 6;
Fig. 6 einen Schnitt durch den Rotor des ersten Aus¬ führungsbeispiels mit Halteelektroden längs Linie 6-6 in Fig. 5; Fig. 7 eine Draufsicht ähnlich Fig. 4 auf einen
Rotor gemäß eines zweiten Ausführungsbei¬ spiels;
Fig. 8 einen Schnitt ähnlich Fig. 6 durch das zweite
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikromotors mit Rotor und Elektroden für das Antriebsfeld;
Fig. 9 einen Schnitt durch ein drittes Ausführungs¬ beispiel eines erfindungsgemäßen Mikromotors mit Rotor und Elektroden für das Antriebsfeld längs Linie 9-9 in Fig. 10;
Fig. 10 einen Schnitt längs Linie 10-10 in Fig. 9 durch den Rotor und die Elektroden für das Antriebsfeld;
Fig. 11 einen Schnitt ähnlich Fig. 10 mit Darstellung des Rotors und der Halteelektroden sowie der von diesen erzeugten Haltefelder beim dritten Ausführungsbeispiel;
Fig. 12 einen Schnitt ähnlich Fig. 9 durch ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungs¬ gemäßen Mikromotors;
Fig. 13 einen Schnitt durch den Rotor gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel längs Linie 13-13 in Fig. 12; Fig. 14 eine schematische Darstellung der Überwachung einer Zentrierung des Rotors des dritten Aus¬ führungsbeispiels relativ zur Rotationsachse;
Fig. 15 eine schematische Darstellung einer Über¬ wachung einer axialen Positionierung des Rotors des dritten Ausführungsbeispiels längs der Rotorachse und
Fig. 16 eine Variante der optischen Überwachung der
Position des Rotors längs der Rotorachse beim dritten Ausführungsbeispiel.
Ein in Fig. 1 dargestelltes erstes Ausführungsbeispiels eines elektrostatischen Mikromotors, umfaßt einen als Ganzes mit 10 bezeichneten Stator, welcher durch zwei Platten 12 und 14 gebildet ist, die im Bereich einer Trennebene 16 aufeinander aufliegen und einen gemeinsamen Statorinnenraum 18 bilden, in welchem ein als Ganzes mit 20 bezeichneter scheibenähnlicher Rotor angeordnet ist. Der Rotor 20 ist dabei zwischen Elek¬ trodenpaaren 22 angeordnet, wobei jedes Elektrodenpaar 22 zwei einander gegenüberliegende Elektroden 24 und 26 umfaßt, zwischen denen sich ein Antriebsfeld A ausbildet.
Wie in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt, sind beispielsweise drei Elektrodenpaare 22 vorgesehen, repräsentiert in Fig. 3 durch die unteren Elektroden 26a, 26b und 26c, die alle in Form von Kreisringsegmenten um eine stationäre Rotorachse 28 angeordnet sind, wobei die Kreisringsegmente sich über einen Winkelbereich von beispielsweise 60° erstrecken, so daß zwischen jedem Elektrodenpaar 22 und dem jeweils in Umfangs¬ richtung des Kreisrings nächstliegenden Elektrodenpaar 22 ebenfalls ein Winkelabstand von 60° verbleibt.
Die Elektroden 24, 26 der Elektrodenpaare 22 bildenden Kreis¬ ringsegmente sind dabei begrenzt durch eine innere Kreislinie 30 und eine äußere Kreislinie 32, die beide konzentrisch zur Rotorachse 28 verlaufen.
Ein Rotorkörper des Rotors 20 ist, wie in Fig. 1 und 4 dar¬ gestellt, als Kreisringscheibe ausgebildet, welche begrenzt ist, durch eine parallel zu einer Rotormittelebene 36 ver¬ laufende obere Rotorfläche 38 und eine ebenfalls zu dieser parallel verlaufende untere Rotorfläche 40 sowie eine innere Zylinderfläche 42 und eine äußere Zylinderfläche 44, die beide konzentrisch zu einer Rotationsachse 29 angeordnet sind und dabei aus einem ferroelektrischen Material hergestellt, das aufeinanderfolgende Domänen 46, 48 aufweist, die jeweils eine unterschiedliche Polarisation Pl, P2 parallel zur Rotorachse 28 und Rotationsachse 29 aufweisen. Dabei sind die aufeinanderfolgenden Domänen 46 und 48 aneinander angrenzend angeordnet und durch eine Domänenwand 50 jeweils voneinander getrennt und außerdem erstrecken sich die Domänen 46 und 48 zwischen den Zylinderflächen 42 und 44 und in Umfangsrichtung um die Rotationsachse 29 jeweils über die gleiche Winkel¬ distanz, so daß aufeinanderfolgende Domänenwände 50 in gleichen Winkelabständen voneinander angeordnet sind. Beim Rotor 20 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiels sind die Domänenwände 50 im selben Winkelabstand voneinander ange¬ ordnet, über welchen sich die Elektrodenpaare 22 erstrecken, so daß damit auch zwangsläufig die Domänen 46 und 48 sich über denselben Winkelabstand erstrecken, wie die Elektroden 24, 26 der Elektrodenpaare 26.
Daraus folgt, daß der Rotor 20 insgesamt drei Domänen 46 mit der Polarisation Pl und insgesamt drei zwischen den Domänen 46 liegenden Domänen 48 mit der Polarisation P2 aufweist.
Wird nun, wie in Fig. 2 dargestellt, zwischen allen Elek¬ trodenpaaren 22 das Antriebsfeld AI erzeugt, so hat der Rotor 20 die Tendenz, sich mit seinen ferroelektrischen Domänen 46 so auszurichten, daß diese mit der Polarisation Pl zwischen den Elektrodenpaaren 22 stehen. Wird dagegen das Antriebsfeld AI umgekehrt, so hat der Rotor 20 die Tendenz, mit seinen ferroelektrischen Domänen 48 mit der Polarisation P2 zwischen den Elektrodenpaaren 22 zu stehen.
Um den Rotor 20 rotieren in einer Drehrichtung 21 zu lassen, ist es somit erforderlich, mit einer Steuerschaltung 60 das Antriebsfeld A periodisch zu invertieren.
Vorzugsweise ist dabei die Steuerschaltung 60 durch einzelne Elektronikbaugruppen 62 und 64 gebildet, wobei die Baugruppen 62 beispielsweise die eigentliche Steuerung und die Bau¬ gruppen 64 die Ausgangsstufen derselben umfassen, durch welche dann die Elektrodenpaare 22 gespeist werden.
Vorzugsweise ist die Steuerschaltung 60 als auf den Platten 12 und 14 angeordnete Hybrid- oder integrierte Schaltung aus¬ gebildet. Die Lagerung des Rotors 20 erfolgt, wie in Fig. 5 und 6 dar¬ gestellt, berührungslos, wobei zur Zentrierung des Rotors 20 mit seiner Rotationsachse 29 relativ zur Rotorachse 28 und zur Positionierung des Rotors 20 längs der Rotorachse 28, wie in Fig. 5 und 6 dargestellt, Halteelektrodenpaare 72 mit inneren Halteelektroden 74 und äußeren Halteelektroden 76 vorgesehen sind, die einander zugewandte gewölbte Oberflächen 78 bzw. 80 aufweisen, so daß sich zwischen diesen Oberflächen 78 und 80 ein Haltefeld H ausbildet, dessen Feldlinien einer¬ seits in radialer Richtung zur Rotorachse 28 erstrecken und zusätzlich symmetrisch zu einer Symmetrieebene 82 konvex gewölbt verlaufen. Damit ist das von jedem Elektrodenpaar 72 erzeugte Haltefeld H in radialer Richtung zur Rotorachse 28 inhomogen und hat somit einerseits die Tendenz den in diesem liegenden Ringabschnitt des Rotors 20 mit einer Kraft in radialer Richtung auf die Rotorachse 28 zu gerichtet zu beaufschlagen und andererseits die Tendenz, diesen Abschnitt des Rotors 20 symmetrisch zur senkrecht zur Rotorachse 28 verlaufenden Symmetrieebene 82 des jeweiligen Elektrodenpaars 72 zu positionieren, so daß die Rotormittelebene 36 mit der Symmetrieebene 82 der Elektrodenpaare 72 zusammenfällt.
Sind dabei die Elektrodenpaare 72 so ausgebildet, daß sie sich über den selben Winkelbereich um die Rotorachse 28 erstrecken, wie die Elektrodenpaare 22, so können die Elek¬ trodenpaare 72 beispielsweise in den freien Zwischenräumen zwischen den Elektrodenpaaren 22 im Innenraum 18 angeordnet werden. Bei Vorsehen beispielsweise dreier derartiger Elek¬ trodenpaare 72a, 72b und 72c in dreizähliger Symmetrie um die Rotorachse 28 läßt sich eine ausreichende Stabilisierung des Rotors 20 relativ zur Rotorachse 28 und somit zum Gehäuse 10 erreichen. Die Wechselwirkung des Haltefeldes H mit dem Material des Rotors 20 ist dabei weitgehend unabhängig von der Polarisa¬ tion Pl, P2 der Domänen 46 und 48 des Rotors 20, da die Feld¬ linien des Haltefeldes H im wesentlichen senkrecht zu diesen verlaufen, so daß sich die Polarisation der ferroelektrischen Domänen 46, 48 nicht nennenswert auswirkt. Auswirkung für die Positionierung des Rotors 20 mittels der Haltefelder H hat im wesentlichen lediglich die dielektrische Polarisierbarkeit des Materials des Rotors 20 in Richtung der Feldlinien der Haltefelder H.
Aufgrund der Inhomogenität der Haltefelder H in Richtung radial zur Rotorachse 28 besteht gleichzeitig die Möglich¬ keit, die Kapazität jedes Elektrodenpaares 72 für eine Messung des jeweils zwischen dem entsprechenden Elektroden¬ paar 72 liegenden Abschnitts des Rotors 20 heranzuziehen und über eine Spannungsversorgung für jedes der Elektrodenpaare 72 eine zur Rotorachse 28 konzentrische Bewegung des Rotors 20 zu steuern. Dagegen erfolgt eine Zentrierung relativ zur Symmetrieebene 82 der Elektroden 74 und 76 des Elektroden¬ paars 72 selbsttätig aufgrund der symmetrischen Ausbildung des Haltefeldes H zu dieser Symmetrieebene 82.
Vorzugsweise sind die Radien der Zylinderflächen 42 und 44 identisch mit den Radien der die Elektroden 24, 26 begrenzen¬ den inneren und äußeren Kreislinien 30 und 32 oder ungefähr gleich groß wie diese, so daß die Domänen 46 und 48 voll von dem Antriebsfeld A durchsetzbar sind.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotors 120, ist der Rotorkörper nicht als Kreisring, sondern als zur Rotationsachse 29 konzentrische Kreisscheibe ausge¬ bildet, wobei die Domänen 46 und 48 ebenfalls zwischen einer geometrischen inneren Zylinderfläche 142 und einer geometrischen äußeren Zylinderfläche 144 liegen und dieselbe Winkelerstreckung wie beim ersten Ausführungsbeispiel auf¬ weisen (Fig. 7).
In einem innerhalb der inneren Zylinderfläche 142 liegenden Kernbereich 143 kann das Material des Rotors 20 beispiels¬ weise die Polarisation einer der Domänen 46 oder 48 auf¬ weisen.
Darüber hinaus erstreckt sich der Rotorkörper über die geo¬ metrische Zylinderfläche 144 hinaus mit einem äußeren Ring¬ bereich 145, in welchem die obere und die untere Rotorfläche 39, 41 mit zunehmendem Abstand von der Rotorachse 28 konisch aufeinanderzu laufen und zwar vorzugsweise symmetrisch zur Rotormittelebene 36.
Vorzugsweise ist auch im Ringbereich 145 eine ferroelek¬ trische Polarisierung vorgesehen, beispielsweise eine Polari¬ sierung entsprechend der Domänen 46, wie in Fig. 7 darge¬ stellt.
Die Antriebsfelder A werden in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel durch Elektrodenpaare 22 erzeugt. Gleich¬ zeitig liegt der Kernbereich 143 zwischen einem zentralen Elektrodenpaar 119 und der Ringbereich 145 zwischen einem Paar 147 von Ringelektroden, die ihrerseits symmetrisch zu einer senkrecht zur Rotorachse 28 stehenden Symmetrieebene 182 und parallel zu den Rotorflächen 39 und 41 ausgerichtet geneigt verlaufen, so daß ein inhomogenes Haltefeld H' ent¬ steht, dessen Feldliniendichte mit zunehmendem Abstand von der Rotorachse 28 zunimmt. Ferner bildet das Elektrodenpaar 119 ebenfalls ein Haltefeld H", welches aufgrund der ferro¬ elektrischen Polarisierung im Kernbereich 143 in der Lage ist, den Rotor 120 in Richtung der Rotorachse 28 zu positio¬ nieren (Fig. 8 ) .
Auch das Haltefeld H' dient zur Positionierung des Rotors 120 in Richtung der Rotorachse 28, gleichzeitig aber auch zur Zentrierung des Rotors 120, da aufgrund des zur Symmetrie¬ ebene 182 und zur Rotorachse 28 symmetrischen inhomogenen Verlaufs des Haltefeldes H' dieses unter anderem mit einer radial zur Rotorachse 28 und von dieser weg gerichteten Kraft auf den Ringbereich 145 wirkt.
Bei einem dritten Ausfuhrungsbeispiel, dargestellt in Fig. 9, weist der Rotor 220 einen kreisscheibenförmigen Rotorkörper auf, welcher lediglich durch die äußere Zylinderfläche 244 begrenzt ist. Dieser Rotorkörper ist aus ferroelektrischem Material mit einer einzigen Domäne 246 ausgebildet, deren Polarisationsrichtung P3 parallel zu der Rotormittelebene 36 und somit auch parallel zu den Rotorflächen 238 und 240 ver¬ läuft.
Bei einem derartigen Rotor 220 sind die Elektrodenpaare 222 jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des Rotors 220, und zwar der Zylinderfläche 244 zugewandt, angeordnet, wobei die einzelnen Elektroden 224 und 226 ungefähr parallel zur Rotor¬ achse 28 verlaufende Elektrodenflächen aufweisen. Im ein¬ fachsten Fall sind die Oberflächen der Elektroden 224 und 226 parallel zueinander verlaufende Ebenen (Fig. 10). Vorzugsweise sind bei einem derartigen Rotor 220 zwei um 90° gedreht zueinander angeordnete Elektrodenpaare 222a und 222b vorgesehen, so daß beispielsweise bei Erzeugung eines An¬ triebsfelds A2 durch das Elektrodenpaar 222a sich die Polari¬ sation P3 der Domäne 246 parallel zu dem Antriebsfeld A2 aus¬ richtet. Wird nachfolgend ein entsprechendes Antriebsfeld 13 zwischen dem Elektrodenpaar 222b erzeugt, so dreht sich der Rotors 220 so, daß die Polarisation P3 parallel zu diesem Feld A3 steht usw. , so daß durch zeitlich versetzte Erzeugung von Antriebsfeldern A2, A3 zwischen den Elektrodenpaaren 222a bzw. 222b der Rotor 220 in Rotation versetzbar ist.
Die Positionierung des Rotors 220 des dritten Ausführungsbei¬ spiels in Längsrichtung der Rotorachse 28 erfolgt durch Elek¬ trodenpaare 272, deren Elektroden den Rotorflächen 238 oder 240 zugewandt angeordnet sind und in Richtungen parallel zur Rotorachse 28 inhomogene Haltefelder H* erzeugen, welche im wesentlichen senkrecht zur Polarisation P3 auf das Material des Rotors 220 wirken und somit aufgrund der dielektrischen Polarisierbarkeit dieses Materials in dieser Richtung den Rotor 220 in Richtung der größeren Feldliniendichte beauf¬ schlagen (Fig. 11).
Aus diesem Grund sind symmetrisch zur Rotorachse 28 und in einer Richtung parallel zu dieser wirkende Elektrodenpaare 272a sowie in entgegengesetzter Richtung wirkende Elektroden¬ paare 272b vorgesehen, so daß auf den Rotor 220 in Richtung der Rotorachse 28 entgegensetzt wirkende Haltekräfte HKa und HKb wirken, die in Summe den Rotor 220 innerhalb des Innen¬ raums 18 des Stators 10 definiert positionieren. Die Elektroden der Elektrodenpaare 272a und 272b können ent¬ weder als Einzelelektroden spiegelsymmetrisch zur Rotorachse 28 angeordnet sein oder als Ringelektroden konzentrisch zu dieser.
Bei einem vierten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotors 320, dargestellt in Fig. 12, ist der Rotorkörper wieder, genau wie beim ersten Ausführungsbeispiel, kreisring¬ förmig ausgebildet, der gesamte Rotorkörper stellt jedoch aber nur die einzige ferroelektrische Domäne 346 dar, in gleicher Weise wie beim dritten Ausführungsbeispiel. Ferner ist die Polarisation P3 des ferroelektrischen Materials eben¬ falls parallel zur Rotormittelebene 36 ausgerichtet.
Die Elektrodenpaare 322a, 322b und 322c sind mit ihren inneren Elektroden 326 der inneren Zylinderfläche 342 des Rotors 320 zugewandt und mit ihren äußeren Elektroden 324 der äußeren Zylinderfläche 344, so daß ein in radialer Richtung zur Rotorachse 28 verlaufendes Antriebsfeld A durch jedes der Elektrodenpaare 322 erzeugbar ist.
Vorzugsweise sind die Elektrodenpaare 322 so angeordnet, daß sie sich ebenfalls wieder über einen gleich großen Winkel¬ bereich in Umfangsrichtung des Rotors 320 erstrecken, wobei die Winkelabstände zwischen den einzelnen Elektrodenpaaren 322 gleich groß sind, so daß deren Anordnung in Form einer dreizähligen Symmetrie zur Rotorachse 28 erfolgt.
Wie in Fig. 13 dargestellt, umfaßt der Rotor 320 zwei Schichten aus ferroelektrischem Material, welche unterschied¬ lich polarisierte Domänen 346, 348 darstellen, wobei die Polarisationsrichtungen P3 bzw. P4 dieser Domänen 346, 348 ungefähr senkrecht zueinander, jedoch im wesentlichen parallel zur Rotormittelebene 36 verlaufen.
Je nach dem, welches der Elektrodenpaare ein Antriebsfeld A4 erzeugt, hat der Rotor 320 das Bestreben, sich mit seiner Polarisation P3 oder P4 parallel zu diesem Antriebsfeld A4 auszurichten und ist daher durch entsprechenden zeitlichen Versatz bei der Erzeugung der Antriebsfelder A4 zwischen auf¬ einanderfolgenden Elektrodenpaaren 322 in Drehung versetzbar.
Die Positionierung des Rotors 320 in Richtung der Rotorachse 328 erfolgt dabei beispielsweise in analoger Art und Weise wie im Zusammenhang mit dem dritten Ausführungsbeispiel in Fig. 11 beschrieben.
Bei allen bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen, wurden noch keine näheren Angaben über die Erfassung der Position des Rotors gemacht.
Eine Erfassung der Position des Rotors ist beispielsweise durch eine Kapazitätsmessung im homogenen Haltefeld H, H' oder H* möglich, daß die Größe der der durch die Elektroden¬ paare 72, 147, 272a, b gebildeten Kapazitäten je nach Lage des Rotors 20, 120, 220 oder 320 aus dielektrischem oder ferroelektrischem Material relativ zum inhomogenen Haltefeld H, H' oder H* geändert wird. Somit kann eine die Kapazität messende Regelung 66 die Haltefelder H, H' oder H* und damit auch die Position des Rotors regeln. Eine weitere Möglichkeit einer Erfassung der Position des Rotors soll anhand des dritten Rotors 220 erläutert werden, wobei in analoger Art und Weise auch bei den Rotoren gemäß den übrigen Ausführungsbeispielen eine derartige Messung mög¬ lich ist. Vorzugsweise erfolgt eine Messung der Zentrierung der Rotorachse 28 relativ zu einer statorfesten Drehachse 27 durch Messung der Position der äußeren Zylinderfläche 244 vorzugsweise auf optischem Wege (Fig. 14).
Hierzu wird mittels einer lichtleitenden Faser 400 ein Me߬ lichtstrahl 402, welcher in radialer Richtung zur gehäuse¬ festen Rotorachse 28 verläuft, auf die äußere Zylinderfläche 244 gerichtet und von dieser reflektiert, wobei beispiels¬ weise über eine Intensitätsmessung des reflektierten Strahls eine Abstandsmessung zwischen dem von dem Strahl 402 getrof¬ fenen Bereich der Zylinderfläche 244 und einem Ende 404 des Lichtleiters 400 möglich ist.
Die Auswertung dieser Abstandsmessung ergibt beim rotierenden Rotor 220 ein Maß für die Position des Rotors 220 in Richtung quer zur statorfesten Rotorachse 28.
Darüber hinaus ist, wie in Fig. 15 dargestellt, eine in analoger Weise eine Messung der Position des Rotors 220 in Richtung längs der Rotorachse 28 durchführbar, wobei der Strahl 412 beispielsweise von der Rotoroberfläche 240 in den Lichtleiter 410 zurückreflektiert wird.
Bei einer alternativen Messung, dargestellt in Fig. 16, wird über einen Lichtleiter 420 ein Lichtstrahl 422 beispielsweise ebenfalls auf die untere Rotorfläche 240 gerichtet, zwischen dieser und einer dieser zugewandten Wandfläche 424 des Stators 10 hin- und herreflektiert und breitet sich dabei in einer Richtung 426 parallel zur Oberfläche 424 des Stators 10 und zur unteren Rotorfläche 240 aus, bis zu einem zweiten Lichtleiter 428, welcher den hin- und herreflektierten Strahl 422 schließlich empfängt.
Die Intensität des vom Lichtleiter 428 empfangenen Strahls 422 hängt dabei vom Abstand der unteren Rotorfläche 240 von der Fläche 424 des Stators und somit letztlich von der Posi¬ tion des Rotors 220 relativ zum Stator 10 empfindlich ab, so daß die vom Lichtleiter 428 empfangene Intensität der Strah¬ lung 422 ein Maß für den Abstand zwischen der unteren Rotor¬ fläche 240 und der Fläche 424 des Stators darstellt.
Als Materialien zur Herstellung der ferroelektrischen Domänen werden vorzugsweise solche ferroelektrischen Materialien ver¬ wendet, die bei Normaltemperatur auch durch hohe elektrische Felder die Domänenstruktur nicht verändern. Derartige Mate¬ rialien sind beispielsweise Einkristalle aus Lithiumniobat, Kaliumniobat, Lithiumtantalat und Kaliumtitanylphosphat.
Die Herstellung raumfester ferroelektrischer Domänen geht von einer einkristallinen Struktur der Materialien aus, die bereits in einer Richtung eine Polarisation aufweisen. Aus diesem Grund ist bei Polarisation des ferroelektrischen Materials in einer Richtung der Körper einfach aus der ein¬ kristallinen Struktur herzustellen. Bei alternierenden Polarisationen ist eine Domänenumpolung erforderlich. Die dafür verwendeten Methoden sind die aus der nichtlinearen Optik zur Quasiphasenanpassung bekannten Methoden, wie Anlegen eines elektrischen Feldes bei hoher Temperatur oder Beschüß mit Elektronenstrahlen, wie zum Bei¬ spiel in dem Journal of Lightwave Technology, Vol. 11, Nr. 8, Seite 1360 (1993) veröffentlicht, oder die Eindiffusion von Komponenten, wie zum Beispiel in Appl. Optics, Vol. 32, Nr. 12, Seite 2049 (1993) veröffentlicht.
Für den Stator und die den Stator tragenden Materialien können sowohl Isolatoren als auch elektrische Leiter Ver¬ wendung finden. Besonders zweckmäßig ist es, als mechanische Stützwerkstoffe für den Stator Halbleitermaterialien zu ver¬ wenden, da diese die Möglichkeit eröffnen, auch die Steuer¬ schaltung auf diese Halbleitermaterialien zu integrieren.
Bevorzugt wird dabei Halbleitermaterial mit großem Bandab¬ stand, wie SiC und Halbleitermaterialien aus der Gruppe III- Nitride, wie AlN, GaN, da diese auch hohen elektrischen Feld¬ stärken von mehr als 10 V/cm standhalten und die Steuer¬ schaltung zumindest mit den Ausgangsstufen Spannungen von mehreren 100V schalten können sollte.
Als Fertigungsmethoden für den Stator und den Aktor sind alle aus der Mikrostrukturtechnik oder Mikroelektronik bekannten Fertigungsmethoden einzusetzen. Beispiele derartiger Ferti¬ gungsmethoden sind in der Zeitschrift "Sensors and Actors 14, Seite 269 (1988)" oder dem "J. Micromach. Microeng. 1, Seite 73 (1991)" beschrieben.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
Elektrostatischer Antrieb, insbesondere elektrosta¬ tischer Mikroantrieb, umfassend ein einen Stator bildendes nichtbewegbares Element und ein einen relativ zum Stator bewegbaren Aktor bildendes Element, von denen eines mindestens zwei Elektroden zur Erzeugung eines sich zwischen diesen ausbildenden elektrischen Antriebsfeldes aufweist und das andere ein in dem elek¬ trischen Antriebsfeld angeordnetes und mit dem Antriebsfeld elektrostatisch wechselwirkendes Material aufweist, und ferner umfassend eine Steuerschaltung, welche das elektrische Feld zeitlich so variiert, daß sich der Aktor in eine gewünschte Bewegungsrichtung bewegt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das mit dem Antriebsfeld (A) elektrostatisch wechselwirkende Material mindestens eine im wesent¬ lichen unveränderlichen ferroelektrischen Domäne (46, 48, 246, 346) mit einem in einer einzigen Richtung (Pl, P2, P3 ) im wesentlichen unveränderlich polarisierten ferroelektrischen Material umfaßt.
Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ferroelektrische Domäne (46, 48, 246, 346) mit dem in einer einzigen Richtung polarisierten ferroelek¬ trischen Material auf einem dielektrischen Trägerma¬ terial angeordnet ist Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ferroelektrische Domäne (46, 48, 246, 346) einen Teilbereich eines dielektrischen Materials dar¬ stellt
Antrieb nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Domäne (46, 48) quer zu einer parallel zur Bewegungsrichtung verlaufenden Aktormittelebene (36) polarisiert ist.
Antrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das das ferroelektrische Material umfassende Element (20, 120) in der Bewegungsrichtung aufeinanderfolgend in entgegengesetzte Richtungen polarisierte ferroelek¬ trische Domänen (46, 48) aufweist.
Antrieb nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Domäne (246, 346, 348) parallel zu einer parallel zur Bewegungsrichtung ver¬ laufenden Aktormittelebene (36) polarisiert ist.
Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das das ferroelektrische Material umfassende Element (320) mehrere parallel zur Aktormittelebene (36) über- einanderliegend angeordnete und unterschiedlich ausge¬ richtete Domänen (346, 348) umfassende Schichten auf¬ weist.
8. Antrieb nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (20, 120, 220, 320) das die Domäne (46, 48, 246, 346, 348) umfassende ferroelektrische Material aufweist und daß der Stator (10) die Elektroden (22, 222, 322) für die Erzeugung des Antriebsfelds (A) aufweist.
9. Antrieb nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (20, 120, 220, 320) in einer ersten, parallel zu einer Aktormittel¬ ebene (36) verlaufenden Richtung eine Erstreckung auf¬ weist, welche ein Vielfaches der Erstreckung in einer dritten, senkrecht zur Aktormittelebene (36) verlaufen¬ den Richtung beträgt.
10. Antrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (20, 120, 220, 320) in einer zweiten, quer zur ersten aber parallel zur Aktormittelebene (36) ver¬ laufenden Richtung eine Erstreckung aufweist, welche ein Vielfaches der Erstreckung in der dritten Richtung beträgt.
11. Antrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (20, 120, 220, 320) in der zweiten Richtung eine Erstreckung aufweist, welche in der Größenordnung der Erstreckung in der ersten Richtung liegt.
12. Antrieb nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (20, 120, 220, 320) um eine Drehachse (28) relativ zum Stator (10) drehbar ist.
13. Antrieb nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (20, 120, 220, 320) im Stator (10) berührungsfrei gelagert ist.
14. Antrieb nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (20, 120, 220, 320) durch elektrostatische Wechselwirkung quer zu seiner Bewegungsrichtung gelagert ist.
15. Antrieb nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Aktor (20, 120, 220, 320) durch elektrostatische Wechselwirkung um die Drehachse (28) zentriert und in Richtung der Drehachse (28) stabili¬ siert ist.
16. Antrieb nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Elemente (10) Halteelek¬ troden (72, 119, 147, 272) zur Erzeugung eines elektri¬ schen Haltefeldes (H, H', H", H* ) und das andere Ele¬ ment (20, 120, 220, 320) ein in dem Haltefeld (H, H', H", H*) angeordnetes und mit dem Haltefeld (H, H', H", H* ) elektrostatisch wechselwirkendes Material aufweist.
17. Antrieb nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das mit Haltefeld (H, H* ) wechselwirkende Material ein sich im wesentlichen dielektrisch verhaltendes Material ist.
18. Antrieb nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Haltefeld (H, H', H*) als inhomogenes elektrisches Feld ausgebildet ist.
19. Antrieb nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Haltefeld (H, H', H*) als in der gewünschten Kraft¬ richtung inhomogenes Feld ausgebildet ist.
20. Antrieb nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor durch mehrere, unterschiedlich gerichtete inhomogene Felder (H, H', H* ) berührungsfrei gelagert ist.
21. Antrieb nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere in entgegengesetzten Richtungen wirkende inhomogene Haltefelder (H, H', H*) vorgesehen sind.
22. Antrieb nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Haltefeld (H, H' ) als zu einer Symmetrieebene (82, 182) symmetrisches inhomogenes Feld ausgebildet ist.
23. Antrieb nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Haltefeld (H, H') als in radia¬ ler Richtung zur Drehachse (28) inhomogenes Feld ausge¬ bildet ist.
24. Antrieb nach einem der Ansprüche 13 bis 23 dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Haltefeld (H1, H" ) wechselwirkende Material sich im wesentlichen ferro- elektrisch verhält.
25. Antrieb nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Haltefeldes (H") ein homogenes Feld ist.
26. Antrieb nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des Aktors (20, 120, 220, 320) relativ zum Stator (10) über eine Kapazitätsveränderung für eine Positionsregelung (66) erfaßbar ist.
27. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des Aktors (20, 120, 220, 320) relativ zum Stator (10) durch optische Messung erfaßbar ist.
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