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Dokumentenidentifikation DE69523316T2 20.06.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0771476
Titel LINEARBEWEGUNGSMINIATURANTRIEB
Anmelder Micro Medical Devices, Inc., Wakeman, Ohio, US
Erfinder POLLA, L., Dennis, Brooklyn Park, US;
PEICHEL, J., David, Roseville, US;
ERDMAN, G., Arthur, New Brighton, US;
COSTIN, A., John, Vermilion, US
Vertreter Henkel, Feiler & Hänzel, 81675 München
DE-Aktenzeichen 69523316
Vertragsstaaten AT, CH, DE, ES, FR, GB, IE, LI, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 14.07.1995
EP-Aktenzeichen 959271818
WO-Anmeldetag 14.07.1995
PCT-Aktenzeichen PCT/US95/08879
WO-Veröffentlichungsnummer 0009602950
WO-Veröffentlichungsdatum 01.02.1996
EP-Offenlegungsdatum 07.05.1997
EP date of grant 17.10.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.06.2002
IPC-Hauptklasse H01L 41/08
IPC-Nebenklasse H01L 41/09   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf einen verbesserten linearen Miniatur-Schrittschaltaktuator. Insbesondere definiert die vorliegende Erfindung einen miniaturisierbaren Linearmotor, der ein dehnbares bzw. erweiterbares Element verwendet, das an ein feststehendes Element geklemmt ist, wobei das dehnbare Element sich relativ zum feststehenden Element bewegt.

Hintergrund und Abriß der Erfindung

Medizinische Anwendungen verwenden oft chirurgische Instrumente, die in die Hand eines Arztes passen müssen. Wenn es betätigt wird, muß das Instrument eine konstante Bewegung und eine geringe Gegenschlag- bzw. Rückprallreaktion aufweisen. Ein Linear-Aktuator erzeugt beim Anlaufen kein Drehmoment, und ein sehr kleines Gerät, welches eine erhebliche Kraft liefert, um in vielerlei Haltungen und Positionen die Arbeit auszuführen und eine sehr genaue Steuerungermöglicht, würde im Stand der Technik eine gute Aufnahme finden.

Eine spezifische Art von Linear-Aktuator nutzt die Formveränderung von piezoelektrischen Materialien, die sich ergibt, wenn an ihnen eine Spannung angelegt wird, um eine Linearbewegung zu erzeugen. Ein Aktuator vom "Doppelklemmtyp" ("double clamping" type actuator) funktioniert durch Festklemmen eines ersten Endes des piezoelektrischen Materials, Strecken bzw. Dehnen der Gesamtlänge des Materials, Festklemmen des anderen Endes des piezoelektrischen Materials und Loslassen des ersten Endes des Materials, und dann Reduzieren der Größe des piezoelektrischen Materials. Jede Wiederholung des oben beschriebenen Vorgangs veranlaßt einen Bewegungszyklus.

Der piezoelektrische InchwormsTM-Linearaktuator, hergestellt von Burleigh Corp. of Fishers New York, ist ein Beispiel eines doppelt klemmenden Aktuators. Das InchwormsTM- Gerät umfaßt drei piezoelektrische Elemente, von denen zwei mechanisch und orthogonal eine Achse festhalten, die sich axial durch den Motor erstreckt. Selbst das kleinste dieser. Geräte ist jedoch für viele Mikrogerätanwendungen zu groß im Durchmesser (etwa 0,5 Inch) (1 Inch = 2,54 cm) Ein anderer Linear-Aktuator, der nur eine einzige Art von Klemmodus verwendet, ist durch Judy, Polla and Robins in "A Linear Piezoelectric Stepper Motor With Sub-micrometer StepSize and Centimeter Travel Range", IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, und Frequency Control, Nol. 37, No. 5, September 1990 ("Judy et al. ") offenbart. Das darin beschriebene piezoelektrische Element mißt 25,4 mm · 12,7 mm · 1,6 mm, während die Gesamtgröße des Schrittschaltelements größer als 150 mmx 60 mm · 100 mm ist. Das Arbeitsprinzip der Vorrichtung basiert auf der Expansion und Kontraktion eines piezoelektrischen Elements, das auf einer gleitenden Struktur angebracht ist, und der Verwendung von Messingplatten für die relativ zueinander gleitenden Elemente, mit einer dazwischengelegenen Teflon®- Isolierschicht von 63,5 Mikron, um die elektrostatische Verklammerung bzw. Klemme zu bilden. Dia Gestaltung von Judy et al. war folglich groß dimensioniert, schwierig zu montieren und unterschied sich in den Leistungscharakteristika stark je nach seiner physikalischen Orientierung - der Richtung, in der es gehalten wurde. Das Gerät von Judy et al. verwendete Komponenten, die aus sperriger piezoelektrischer Keramik, Metall und nichtleitenden Isolatoren gefertigt war, welche es erschwerten, die. Gesamtgröße des Geräts zu reduzieren. Messing- Gleitelektroden klemmen eine Teflon-Isolierschicht zwischen den Platten elektrostatisch fest. Die Teflonschicht hat eine Dicke von etwa 63,5 um. Das System von Judy arbeitete durch Festklemmen des piezoelektrischen Elements während seiner Dehnung, so daß es sich relativ zur Basis nicht bewegen konnte und folglich die Last nach vorne verschob. Während der Kontraktion wurde die Klemuiktaft aufgehoben, so daß sich das piezoelektrische Element relativ zur Basis bewegte.

Zwei Arten von doppelt klemmenden Linearmotoren sind im US-Patent Nr. 4 736 131 im Namen von Fujimoto und im US- Patent 4 709 183 im Namen von Lang offenbart. In dem '131- Patent klemmen zwei piezoelektrische Elemente an Seitenwänden senkrecht zur Bewegungsachse durch ewegungsverstärkende Hebel fest. Das '183-Patent beruht auch auf dem piezoelektrischen Material, um ein mechanisches Festklemmen an der Seitenwand zu erzielen, um eine doppelt klemmende Linearbewegung zu implementieren. Das Festklemmen an der Seitenwand erfordert einen hohen Grad an Präzision bei der Herstellung, eine orthogonale Maschinenbearbeitung und hohe Kosten.

Linearmotoren, die auf Vibrationserscheinungen beruhen, verwenden mehrere unterschiedliche Strategien, wie z. B. die Verwendung von piezoelektrischen Elementen, um Vibrationen auf sich bewegende Elemente zu übertragen. Diese Art von Geräten ist unwirksam, indem sie eine erhebliche Energie bei der Erzeugung einer Bewegung außerhalb der Achse oder orthogonal zu der beabsichtigten Arbeitsstrecke aufbringen. Lineare, kreisförmige oder elliptische Bewegung wird wiederholt durch Reibung auf die beweglichen Elemente übertragen. Es sind mehrere Aritriebsmethoden angewandt worden, einschließlich Vibrationserscheinungen axialer Art, torsionaler Art und der Wellenausbreitungsart.

Beispielsweise beschreiben die US-Patente Nr. 5 036 245 und 5 134 334 im Namen von Onishi ein Gerät, bei dem piezoelektrische Elemente die Schenkel einer "C"-förmigen Struktur so in Vibration versetzen, daß sich die Struktur längs einer zu den Schenkeln senkrechten Schiene fortbewegt.

Yamaguchi's US-Patent Nr. 5 140 215 überträgt eine elliptische Bewegung, indem ein Element, eine Longitudinalvibration in der Längenrichtung anregt, während ein weiteres Element eine Biegevibration in der Dickenrichtung anregt. Alle diese vorbekannten Geräte sind für die Art der Miniaturisierung, die gemäß der vorliegenden Erfindung genutzt wird, ungeeignet.

Viele der oben umrissenen Probleme werden durch den Miniatur-Linearbewegungs-Aktuator gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst. Der Linearbewegungs-Aktuator sorgt für eine präzise, steuerbare Linearbewegung in einem stark miniaturisierten Gerät.

Die vorliegende Erfindung stellt einen Linear-Aktuator gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines elektronischen Linearmotors gemäß Anspruch 19 bereit.

Es ist ein Linearbewegungs-Aktuator zum Ausführen einer schrittweisen, bidirektionalen Linearbewegung offenbart. Der Linearbewegungs-Akturator umfaßt: eine Spannungsversorgung, erste und zweite Wafer-Elemente, die ihre betreffenden ersten und zweiten Wafer-Oberflächen in verschiebbarem, aneinander anlegbarem Eingriff aufweisen, ein Klemmsystem zum selektiven Halten der ersten und zweiten Wafer-Oberflächen in einer Relativposition sowie ein dehnbares bzw. erweiterbares Element, das funktionsmäßig mit dem ersten Wafer-Element gekoppelt ist, um eine Bewegung des ersten Wafers relativ zum zweiten Wafer auszuführen, sowie ein elektronisches Steuersystem, das mit der Spannungsversorgung, dem Klemmittel und dem erweiterbaren Element zum Steuern verschiedener Charakteristika der Bewegung elektrisch verbunden ist. Das elektronische Steuersystem steuert die Amplitude, Frequenz und Wellenform eines Spannungsausgangs zum Klemmsystem und dem erweiterbaren Element, wodurch dieses dehnbare bzw. erweiterbare Element eine kontrollierte, selektive, bidirektionale Linearbewegung des ersten Wafers relativ zum zweiten Wafer ausführt.

Vorzugsweise wird die Halbleitertechnologie mit formveränderbaren Materialien, wie z. B. piezoelektrischen Materialien, kombiniert, um einen miniaturisierten Linear- Aktuator bereitzustellen. Ein elektrostatisch klemmender bzw. verklammernder Halbleiter-Wafer und ein Basis-Halbleiter- Wafer, die beide polierte Oberflächen aufweisen, sind in verschiebbarem, anliegbarem Eingriff angeordnet. Drahtleitungen liefern selektiv eine elektrostatische Klemmkraft zwischen den Wafern. Ein selektiv dehnbares piezoelektrisches Element ist feststehend an einem ersten Ende des klemmenden bzw. verklammernden Wafers gehaltert. Das zweite Ende des piezoelektrischen Elements ist mit einer Trägheitsmasse gekoppelt. Eine Betätigungsspannung wird selektiv an das piezoelektrische Element angelegt, während eine Klemmspannung über den Wafern angelegt wird, was den Klemm-Wafer relativ zum Basis-Wafer in Position hält. Die Betätigungsspannung wird dann schnell verändert und das piezoelektrische Element ändert seine Größe in Reaktion auf die sich verändernde Spannung schnell. Die Trägheitsmasse widersteht anfänglich der schnelle Bewegung des piezoelektrischen Elements, überwindet dabei die Klemmkraft und bewegt den Klemm-Wafer relativ zum Basis-Wafer.

In einer alternativen Technik kann die Polarität der Klemmspannung zu dem Zeitpunkt schnell umgeschaltet werden, zu dem sich die Spannung am piezoelektrischen Element schnell verändert. Dies hilft, einen Ladungsaufbau zu vermeiden und vermeidet eine Komprimierung der Isolierschicht. Der Zyklus wird wiederholt, um eine präzise, schrittweise Linearbewegung auszuführen. Die Bewegung des Linearaktuators kann auch leicht umgekehrt werden.

Die Spannung am elektrostatischen Klemmelement und dem dehnbaren Element wird kontrolliert, um geeignete Frequenzen, Amplituden und Wellenformen zu liefern. Die Frequenzen sind verstellbar, wobei vorzugsweise die Frequenz der Spannungswellenfotm, die an der elektrostatischen Klemme anliegt, um einen bestimmten Faktor geringer ist als die Spannungsfrequenz, die am dehnbaren Element anliegt. Die Spannungsamplitude ist verstellbar, um für eine Steuerung der Aktuator-Ausgangskraft zu sorgen. Die Wellenform der an der Klemme anliegenden Spannung und der am dehnbaren Element anliegenden Spannung ist steuerbar, um die Aktuator- Ausgangskraft zu steuern. Eine zusätzliche Steuerung der Phasenwinkeldifferenz liefert eine Steuerung der Phasenwinkeldifferenz zwischen der Klemmspannungs-Wellenform und der Spannungs-Wellenform des dehnbaren Elements.

Es ist eine doppelt klemmende Ausführungsform des Aktuators vorgesehen, der eine Halbleitertechnologie anwendet, um einen doppelt klemmenden Linearaktuator bereitzustellen, der ungeachtet der räumlichen Orientierung des Aktuators nutzbare Kräfteniveaus und wiederholbare Inkremente bzw. Funktionsschritte aufweist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Diese und andere Aspekte der Erfindung werden nun im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:

Fig. 1 eine vergrößerte, fragmentarische Schnittansicht eines Miniatur-Lineärbewegungs-Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung, der innerhalb eines tragenden Gehäuses dargestellt ist,

Figur JA eine Schnittansicht der Schichten, welche die sich bewegenden Teile der ersten Ausführungsform bilden,

Fig. 2 eine fragmentarische Ansicht eines gleitenden. bzw. verschiebbaren elektrischen Kontaktdrahts,

Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 von Fig. 1,

Fig. 4 eine fragmentarische, detaillierte Ansicht zur Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, welche eine Doppelklemmung verwendet,

Fig. 5 ein vereinfachtes Diagramm, das die Steuerkonsole und die elektrische Verbindung zu den Elementen des Miniatur-Linearbewegungs-Aktuators gemäß der Vorliegenden Erfindung darstellt,

Fig. 6 ein Blockdiagramm des Steuersystems des Linear- Aktuators,

Fig. 7 ein elektronisches Schaltungsschema eines beispielhaften Steuerschaltkreises, der gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird,

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Ausgangskraft eines beispielhaften Aktuators als Funktion der Klemmspannung und der Spannung des dehnbaren Elements,

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Geschwindigkeit des Linearaktuators als Funktion der Klemmspannung und der Ausgangsgeschwindigkeit,

Fig. 10 ein Zeitdiagramm für die erste Ausführungsform,

Fig. 11 ein Zeitdiagramm für die zweite Ausführungsform,

Fig. 12 eine graphische Darstellung der Geschwindigkeit der Ausführungsform des Aktuators mit einfacher Klemmung als Funktion der Klemmspannung für · vetschiedene Ladegrößen,

Fig. 13 eine graphische Darstellung der durch die Ausführungsform des Aktuators mit einzelner Klemme als Funktion der Klemmspannung für verschiedene Klemmfrequenzen erzeugt wird,

Fig. 14 eine graphische Darstellung der durch die Ausführungsform des Aktuators mit einzelner Klemme als Funktion der Spannung des dehnbaren Elements für verschiedene Klemmspannurigen erzeugten Kraft wobei die Phase zwischen der Klemmspannung und der Spannung des dehnbaren Elements wie in Fig. 8 dargestellt ist,

Fig. 15 eine graphische Darstellung der Geschwindigkeit der Ausführungsform des Aktuators mit Einzelklemmung als Funktion der externen Last für verschiedene Klemmspannungen,

Fig. 16 eine graphische Darstellung einer Schätzung der Gleitelementsgeschwindigkeit der Ausführungsform des Aktuators mit Einzelklemmung als Funktion der Ladekraft für verschiedene Gleitelementgewichte,

Fig. 17 eine graphische Darstellung der durch die Ausführungsform des Aktuators mit Einzelklemmung als Funktion der Gleitelementmasse erzeugt wird, und

Fig. 18 eine graphische Darstellung der Kraft, die durch die Ausführungsform des Aktuators mit Einzelklemmung als Funktion der Variation der Phasensteuerung des dehnbaren Elements und der Klemmen-Wellenformen erzeugt wird.

Beschreibung der bevorzugten. Ausführungsformen Im folgenden wird eine zur Zeit bevorzugte Ausführungsfotm im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Miniatur-Linear-Aktuator gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Struktur der ersten Ausführungsform weist eine Basis und ein Gleitelement auf, die kontinuierlich aneinander geklemmt werden, und wobei eine Bewegung durch selektives Überwinden der Klemmkraft ausgeführt wird. Der Aktuator bzw. das Stellglied ist aus einer am Gehäuse C angebrachten Basis 22 und einem Gleitstück 24 gebildet, welches sich relativ zur Basis bewegt, um einer Masselast 26 eine Kraft zu vermitteln. Die Energie für den Betrieb wird über mehrere Drähte 40, 76, 78 und 80 geliefert, die als ein Steuerdrahtblock 28 bereitgestellt werden. Diese Drähte sind so konfiguriert, daß eine Trennung der Drähte beibehalten wird; wenn sich das Gleitelement bewegt, um elektrische Kurzschlüsse zwischen den Drähten zu verhindern. Abschnitte dieser Drähte können isoliert sein, um etwaige unbeabsichtigte Kurzschlüsse zu verhindern. Eine bevorzugtere Technik besteht darin, starre Drähte zu verwenden, wie sie hier beschrieben werden.

Das Gehäuse für die Vorrichtung ist in Fig. 1 allgemein mit dem Bezugszeichen C dargestellt, und bezieht sich auf einen Teil der Vorrichtung, welche feststehend und unbeweglich bleibt. Das Gehäuse ist vorzugsweise zylindrisch und umfaßt einen in dem Zylinder festgehaltenen Stecker 32. Die Basis 22 weist ein Halterungselement 30 und eine Wafer- Basis 34 auf, die am Halterungselement 30 durch Epoxyharz o. dgl. befestigt ist. Eine detaillierte Zeichnung der den Aktuator bildenden Schichten findet sich in Fig. 1A. Das Halterungselement 30 ist mit dem Stecker an einem ersten Ende 31 verbunden, und an seinem anderen Ende an diesem auskragend angebracht. Diese Verbindung des Halterungseleluentes 30 mit dem Stecker 32 verhindert eine Bewegung der Basis in eine Richtung parallel zur Axialrichtung des zylindrischen Gehäuses. Eine obere Oberfläche des Halterüngselements 30 ist so poliert, daß sie eine Oberflächenunebenheit von weniger als 1 um/5 mm linearer Länge hat, und weist darauf eine Isolierschicht 36 auf, um zwischen dem Halterungselement 30 und der darüberliegenden Wafer-Basis 34 zu isolieren. Die Isolierschicht 36 ist vorzugsweise aus einem natürlich vorkommenden Oxid.

Die Wafer-Basis 34 ist vorzugsweise aus Silizium mit einer oberen polierten Oberfläche 38 gebildet. Die Oberfläche 38 ist von einer Isolierschicht 39 bedeckt, die eine Schicht aus natürlich vorkommenden bzw. nativem Oxid, vorzugsWeise aus SiO&sub2; ist. Eine weitere Schicht von Siliziumnitrid, Si&sub3;N&sub4;, Schicht 41, ist bevorzugt, jedoch nicht notwendigerweise über der Schicht 39 aus nativem Oxid aufgebracht. Die Si&sub3;N&sub4;- Schicht hilft, die native Oxidschicht 39 zu stabilisieren und die Schicht auch physikalisch zu verstärken.

Die sich ergebenden Isolierschichten 39, 41 sind sehr glatt, da sie auf der hochpolierten Oberfläche 38 ausgebildet sind.

Jede im Halbleiterbereich bekannte Technik kann verwendet werden, um die SiO&sub2;/Si&sub3;N&sub4;-Schichten über der Wafer- Basis 34 auszubilden. Die bevorzugteste Technik besteht darin, die Oberfläche des Siliziumelements in Gegenwart von Sauerstöffzu erhitzen, um die native Oxidschicht darauf auszubilden. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, daß die Verbindungsstärke zwischen dem Silizium und der Isolierung sehr hoch ist. Weniger bevorzugte Techniken umfassen Sputtern und chemisches Aufdampfen des Oxids.

Die Wafer-Bäsis 34 nimmt ein Potential durch einen Draht 40 auf, der elektrisch mit dieser verbunden ist.

Das Gleitelement 24 umfaßt einen Klemm-Wafer 46 und ein dehnbares Element 48. Der Klemm-Wafer 46 ist ebenfalls vorzugsweise aus Silizium mit einer unteren polierten Oberfläche 44 ausgebildet. In einer alternativen Ausführungsform dieser Erfindung sind die Isolierschichten 39, 41 auf der polierten Oberfläche 44 des Klemm-Wafers 46 statt auf der Wafer-Basis 38 ausgebildet.

Eine Isolierschicht 52 ist an der gegenüberliegenden Oberfläche des Klemm-Wafers 46 gegenüber der polierten Schicht 44 ausgebildet. Das dehnbare bzw. erweiterbare Element 48 ist an der Isolierschicht 52 befestigt. Ein Abschnitt 409 des dehnbaren Elements 48 ist in bezug auf die darunterliegenden Halterungselemente auskragend (cantilevered). Das dehnbare Element 48 ist aus einem Material gebildet, das seine Größe in Reaktion auf die Anwendung eines Stimulus auf dieses verändert. Noch bevorzugter ist es, daß sich das dehnbare Element 48, basierend auf einem daran angelegten elektrischen Feld dehnt und/oder kontrahiert. Das Material, das üblicherweise bevorzugt ist, ist ein piezoelektrisches Material wie z. B. PZT. Ein weiteres bevorzugtes Material ist das als LTZ-2M bekannte PZT-Material, erhältlich von Transducer Products in Connecticut. Andere Materialien könnten ebenfalls verwendet werden, einschließlich einem Formgedächtnismaterial wie Nitinol, einem elektrostriktiven Material wie PLZT oder einem magneto-restriktiven Element, das seine Dimensionen in Reaktion auf ein geeignetes Magnetfeld verändert. Es kann jedes Material verwendet werden, solange es eine Zunahme und Abnahme der Größe des dehnbaren Elements 48 gestattet, das eine relativ schnelle Reaktion auf die Anwendung eines Stimulierfeldes zeigt.

Das dehnbare Element 48 ist durch ein Epoxy-Klebemittel an der Isolierschicht 52 festgeklebt, welche über dem Klemm- Wafer 46 liegt. Elektrische Leitungsdrähte 54 und 56 stellen ein elektrisches Potential über dem dehnbaren Element 48 bereit, um seine Dehnung und Kontraktion zu steuern.

Eine Masselast 26 stellt schematisch die Vorrichtung dar, welche die Ausgangskraft aufnimmt, die durch die Bewegung des Gleitelements relativ zur Waferbasis erzeugt wird. Die Masselast 26 umfaßt eine Arbeits- Schnittstellenstange 64, die mit der Vorrichtung verbunden ist, welche die Nutzlast aufnehmen soll. Das dehnbare Element 48 ist vorzugsweise durch ein isolierendes Bond-Klebemittel 60 wie Epoxyharz befestigt. Die Bewegung der · Gleitelementanordnung 24 wird dadurch in eine Linearbewegung der Masselast 26 übersetzt. Die Masselast 26 ist vorzugsweise von einer Form, um die inneren Oberflächen des zylindrischen Gehäuses C zu berühren und dadurch eine Abdichtung innerhalb des Gehäuses aufrechtzuerhalten. Die Dichtung der Arbeitsbasis 66 dichtet zwischen der Masselast 26 und dem Gehäuse C ab, um ein Entweichen von Flüssigkeit in den Motor zu verhindern. Die Dichtung 66 kann ein ringförmiger Kegelstumpf oder eine "O"-Ringdichtung sein.

Um eine sensitivere Steuerung der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen, kann ein Sensor 300 in Kontakt mit der Masselast angeordnet werden. Der Sensor 300 könnte ein Kraftsensor, ein Beschleunigungsniesser o. dgl. sein. Der Sensor kann drahtlos oder verdrahtet sein und wird verwendet, um eine Rückkoppelung zu liefern, wie sie hier beschrieben ist.

An der distalen Spitze auftretende Kräftepegel werden direkt zum dehnbaren Element 48 und der Grenzfläche zwischen dem gleitenden bzw. verschiebbaren Wafer 46 und dem Basis- Wafer 34 zurück übermittelt. Ein Controller 120a kann jegliche Lastveränderungen an der Arbeitsschnittstelle 64 von einem Werkstück durch Überwachen der Spannung, des Stroms und von Phasenwinkeländerungen abfühlen. Der Controller 120a kann so programmiert werden, daß er auf diese Änderungen durch einen Rückkoppelungsmechanismus automatisch reagiert, um eine oder mehrere Einstellungen anzupassen bzw. zu verstellen, um die Gleitelement-Wellenformsteuerung, die Spannungsamplitude, die Frequenzsteuerung 132, die Wellenformsteuerung 134 des dehnbaren Elements, die Spannungssteuerung 136 des dehnbaren Elements, die Frequenzsteuerung 138 des dehnbaren Elements sowie die Phasensteuerung 126 wie beschrieben anzupassen bzw. zu verstellen. Damit kann eine spezifische Kräfteverschiebungsbeziehung innerhalb der energetischen und mechanischen Grenzen des Systems aufrechterhalten werden. Es ist auch vorgesehen, daß andere Sensoren dem System hinzugefügt werden können, um zur Rückkoppelungssteuerung der vorliegenden Erfindung beizutragen.

Im Betrieb arbeitet die Vorrichtung so, daß sie folgende Bewegung erzeugt. Es ist anzumerken, daß die hier gegebene Erläuterung zwar eine Erläuterung einer Vorwärtsbewegung des Motors ist, daß die Arbeitsweise in entgegengesetztem Sinn jedoch eine umgekehrte Bewegung des Motors erzeugt.

Ein erster Arbeitsschritt liefert eine Klemmkraft durch Anlegen einer elektrischen Kraft zwischen dem Klemm-Wafer 46 und der Wafer-Basis 34. Diese Klemmkraft wird, wie hier erläutert wurde, sorgfältig gesteuert, so daß sie die Position des Klemmelements relativ zur Waferbasis unter den meisten Umständen mit einer geringfügigen Dehnung des dehnbaren Elements 48 hält. Die Kraft ist nicht so stark, daß sie eine Trennung zwischen dem Klemm-Wafer 46 und der Wafer- Basis verhindert, wenn eine ausreichende Trägheitskraft, die von der Kontraktion des dehnbaren Elements 48 mit maximaler Geschwindigkeit herrührt, auf sie einwirkt. Die Klemmkraft ist wichtig, da sie ausreichen muß, um die Verbindung zwischen den Wafern zu halten, während sie die Masselast nach vorne drückt.

Die Klemmkraft ist einer der wichtigsten Bestandteile dieses Motors. Es ist aus der Physik bekannt, daß eine elektrostatische Klemmkraft wie folgt ausgedrückt wird: ... (1)

wobei s die Dielektrizitätskonstante des Isoliermaterials ist, A der Oberflächenbereich des Wafers ist, V die zwischen den beiden Wafern anliegende Spannung ist, und x die Trennung bzw. der Abstand zwischen den beiden Wafern ist. Der Abstand zwischen den Wafern ist selbstverständlich die Dicke der Isolierschicht 39, 41: Die Gleichung (1) zeigt daher, daß die Klemmkraft umgekehrt proportional zum Quadrat der Dicke bzw. Stärke der Isolierschicht ist, welche die Basis vom Gleitelement trennt. Wenn diese Stärke zunimmt, muß der Bereich bzw. die Fläche der Klemmschichten proportional als das Quadrat dieser Dicke zunehmen. Daraus ist ersichtlich, daß eine dickere Isolierschicht zwischen der Wafer-Basis und dem Gleitelement erfordert, daß die Waferbasis und das Gleitelement eine viel größere Fläche aufweisen müssen, um eine vergleichbare Kraft zu liefern.

Die Gestaltung von Judy et al. verwendete eine Teflonhülle zwischen den Schichten. Diese Teflonhülle war etwa 63,5 um dick. Um eine ausreichende Klemmkraft zwischen der Basis und dem Gleitelement zu erhalten, müssen daher die Oberflächenbereiche dieser zwei Elemente im Vergleich zur vorliegenden Erfindung relativ groß sein.

Demgegenüber lehrt die vorliegende Erfindung die Verwendung von Halbleitermaterialien, welche die Verwendung sehr dünner Isolierschichten, z. B. einer Stärke von 50 A - 2 um gestatten. Silizium und andere derartige Materialien können unter Verwendung herkömmlicher Halbleiter- Miniaturisiertechniken sehr genau bearbeitet werden. Diese Bearbeitung ermöglicht sehr dünne Isolierschichten mit einem hohen Grad an Glätte. Während die Isolierschichten bis zu 50 11 dünn sein können, beträgt die bevorzugte Dicke für die Isolierschicht 42 gemäß der vorliegenden Erfindung 1 = um. Dies ist beinahe um zwei Größenordnungen dünner als die Isolierschicht von Judy et al. und ermöglicht daher, daß die sich daraus ergebende Struktur bei ähnlicher Klemmkraft um vier Größenordnungen kleiner ist (da die Distanz kein quadratischer Ausdruck ist, die Fläche aber schon).

Diese reduzierte Größe bei gleicher Klemmkraft ermöglicht eine verstärkte Miniaturisierung.

Es wird wieder auf die Arbeitsweise eingegangen, wobei, wenn das Gleitelement an der Basis mit einer geeigneten Klemmkraftgröße festgeklemmt ist, das dehnbare bzw. erweiterbare Element 48 langsam in der Länge zunimmt, z. B. allmählich über 1 ms. Diese Zunahme der Länge drückt die Masselast 26 in der Richtung der Längenzunahme. Diese langsame Zunahme überwindet die Klemmkraft zwischen dem Gleitelement und der Basis nicht. Das Gesamtergebnis ist, daß die Masselast um einen Betrag nach vorne gedrückt wird, der proportional zum Betrag der möglichen Dehnung des dehnbaren Elements ist.

An diesem Punkt wird die am dehnbaren Element angelegte Spannung schnell reduziert, z. B. in 200-500 ns, um zu bewirken, daß das dehnbare Element in der geringstmöglichen Zeit in der Größe abnimmt. Eine Trägheitskraft von der schnellen Kontraktion erzeugt eine ausreichende Kraft zwischen dem Gleitelement und der Wafer-Basis, um die Klemmkraft zu überwinden, und bewirkt, daß sich das Gleitelement von der Wafer-Basis abhebt. Dies überwindet die Klemmkraft und bewegt das Gleitelement an der Wafer-Basis nach vorne. Die Größe der Klemmkraft wird hier noch im Detail erläutert, es ist jedoch ersichtlich, daß die Klemmkraft ausreichend hoch angesetzt werden muß, so daß, wenn das dehnbare Element in der Länge langsam zunimmt, die Klemmkraft ausreicht, um dieser Kraft zu widerstehen und die Position des Gleitelements relativ zum Wafer beizubehalten. Die Klemmkraft ist jedoch nicht genügend hoch, daß sie der Trägheit widersteht, die entsteht, wenn das dehnbare Element mit maximaler Geschwindigkeit in der Größe abnimmt. Dieses hohe Trägheitsmoment überwindet die Trägheitskraft und bewirkt, daß sich das Gleitelement 24 relativ zur Waferbasis 34 gegen die durch das Festklemmen erzeugte Kraft bewegt. Dies schließt den Arbeitszyklus ab, und der nächste Zyklus wird daraufhin initiiert, um die Masselast 26 weiter vorwärtszubewegen.

Wie aus der obigen Ausführung ersichtlich ist, ermöglicht die vorliegende Erfindung daher durch Verwendung von Halbleiter-Wafer-Materialien und Halbleitertechnologie, daß die Klemm-Wafer näher beabstandet sind, als es im Stand der Technik möglich war. Dies erhöht die Ausgangskraft und Geschwindigkeit für eine ähnlich dimensionierte Vorrichtung und ermöglicht, daß die Vorrichtung wesentlich kleiner ist. Tatsächlich könnte die Vorrichtung bzw. das Gerät der vorliegenden Erfindung bei ähnlichen Kräfteeigenschaften um 63² = 3969 mal kleiner sein als das Gerät von Judy et al.. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der unterschiedlichen Betriebsart, die gemäß der vorliegenden Erfindung angewandt wird. Judy et al. Haben beschrieben, daß während jedes Zyklus, die elektrostatische Klemmung während der Zeit, wenn das Gleitelement relativ zur Wafer-Basis bewegt werden sollte, abgeschaltet wurde. Die Auswirkungen der Schwerkraft können jedoch während der Zeit, wenn die Klemme abgeschaltet ist, die Position des Gleitelements relativ zur Basis beeinflussen. Dies bedeutet, daß die Vorrichtung je nach der Position, in der sie gehalten wurde, anders arbeiten würde.

Demgegenüber behalten die Techniken der vorliegenden Erfindung die Klemmkraft zu jeder Zeit bei. Die vorliegende Erfindung schaltet die Klemme nicht ab, sondern stellt stattdessen die Klemmkraft auf einen angemessenen Wert ein, der konstant gehalten werden kann. In einer ersten Betriebsart dieser ersten Ausführungsform der Erfindung wird die Klemmspannung auf einem konstanten Wert gehalten. In einer zweiten Betriebsart dieser Ausführungsform, die hier näher beschrieben ist, variiert die Klemmspannung zyklisch. Diese zyklische Variation beseitigt eine angesammelte Aufladung im Substrat:

Jedes Halbleitermaterial sowie viele Metalle könnten für die Klemm-Wafer verwendet werden. Kristallines Silizium ist jedoch das bevorzugte Material, das leicht verfügbar, widerstandsfähig und leicht in der Lage ist, eine Isolierschicht aus nativem SiO&sub2; darauf zu bilden, und das auch leicht mit herkömmlichen Halbleitertechniken bearbeitbar ist. Amorphes oder polykristallines Silizium kann auch verwendet werden. Germanium und Galliumarsenid sind ebenfalls gute Materialien, sind jedoch zerbrechlicher. Sie sind verwendbar, jedoch weniger bevorzugt. Ebenfalls verwendbar, jedoch noch weniger bevorzugt sind Siliziumcarbid, Galliumnitrid und Galliumphosphit. Metalle können ebenfalls verwendet werden, z. B. Aluminium, aber sein natives Oxid ist nicht zuverlässig. Eine Dünnschicht aus rostfreiem Stahl kann verwendet werden, aber die Dünnschicht aus Oxid müßte darauf gesputtert werden. Dies bildet eine körnigere Oberfläche. Kupfer, Messing und Gold können ebenfalls verwendet werden. Das bevorzugte Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung umfaßt daher die Gewinnung eines Silizium-Wafers, das Polieren der Oberfläche, um eine flache Oberfläche zu erhalten, das Züchten des Oxids durch Erhitzen der Oberfläche in Gegenwart von Sauerstoff, und dann das Ausbilden der Si&sub3;N&sub4;-Schicht auf dem SiO&sub2; durch eine herkömmliche chemische Aufdampftechnik.

Fig. 2 zeigt ein detailliertes Verdrahtungsdiagramm jedes der Drähte 76, 78, 80 und ihrer zugehörigen Zylinder 70, 72, 74. Jeder der Drähte 76, 78 und 80 ist aus einer starren Stange gebildet, die an einem Ende durch den Steuerdrahtblock 28 geführt ist und eine feststehende Länge aufweist. Jeder Draht, z. B. 76, ist von einer solchen Länge, daß er bei allen möglichen Gleitelementpositionen innerhalb seines zugeordneten Zylinders 70 verbleibt. Jeder der Zylinder ist über einen Leitungsdraht, z. B. 50, mit seiner Verbinduügsstelle verbunden. Jeder der Drähte 76, 78, 80 vom Steuerdrahtblock 28 ist geringfügig kleiner im Außendurchmesser als der Innendurchmesser des Zylinders, weist jedoch darin eine Schleife bzw. Knickstelle 120 auf, an dem/der sie mit der Innenseite des Zylinders in Kontakt stehen. Daher sind die Drähte 76, 78, 80 mit der Innenseite ihrer zugeordneten Zylinder 70, 72, 74 in Kontakt und bilden eine Gleitverbindung, wenn sich die dehnbaren Elemente relativ zuzeinander bewegen. Die Drähte gleiten währenddessen relativ zum Zylinder. Der Zylinder selbst bewegt sich jedoch nicht, und die Verbindung 50 bewegt sich nicht.

Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 in Fig. 1 zur Darstellung der Positionen der Zylinder 70, 72 und 74 und ihrer Verbindungen mit den Schichten. Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ein Linearaktuator ist, der eine herkömmlichere Doppelklemmtechnik verwendet. Die Ausführungsform der Fig. 4 zeigt nur einen Abschnitt der Gesamtvorrichtung, wobei dieser Abschnitt derjenige Teil ist, der sich vom Abschnitt der Fig. 1 unterscheidet.

Die Fig. 4 weist ein ähnliches Halterungselement 30 und eine Wafer-Basis 34 mit einer darauf befindlichen Isolierschicht 44 auf.

Das Gleitelement 84 der Ausführungsform der Fig. 4 unterscheidet sich vollkommen vom Gleitelement der ersten Ausführungsform. Das Gleitelement 84 weist zwei getrennte Teile auf, mit einem proximalen Gleitelement 86 und einem distalen Gleitelement 88. Jedes der Gleitelementteile umfaßt jeweils einen daran befestigten Leitungsdraht 90, 96. Jedes der Gleitelemente weist auch eine untere polierte Oberfläche auf. Das proximale Gleitelement 86 weist die polierte Oberfläche 92 und das distale Gleitelement die polierte Oberfläche 98 auf. Jede dieser polierten Oberflächen liegt an der Isolierschicht 39 an der Wafer-Basis an, wobei es sich versteht, daß der Isolator ähnlich dem Isolator der Fig. 1, 1A und alternativ an der Bodenfläche des Gleitelements ausgebildet sein kann.

Die Arbeitsweise des Systems der Fig. 4 ist etwas unterschiedlich zu der Arbeitsweise des Einzelklemmenmotors der Fig. 1. Die Fig. 4 verwendet eine Doppelklemmtechnik, wodurch verschiedene Gleitelementabschnitte wiederholt festgeklemmt werden, worauf eine Dehnung oder Kontraktion des dehnbaren Elements 48 folgt, um sie vorwärtszubewegen. Die Vorrichtung kann in der Richtung nach rechts in Fig. 4 auf folgende Weise bewegt werden. Zunächst wird das proximale Gleitelement 86 festgeklemmt, wobei sich das dehnbare Element 4.8 in seiner maximalen kontrahierten Position befindet. Das distale Gleitelement 84 wird zu diesem Zeitpunkt nicht festgeklemmt. Das dehnbare Element 48 wird dann auf seinen maximalen Dehnungszustand gedehnt, wodurch es die Masselast 26 nach rechts in Fig. 4 drückt. Zu diesem Zeitpunkt wird das distale Gleitelement 88 festgeklemmt und das proximale Gleitelement 86 freigegeben. Das dehnbare Element 60 wird dann auf seine kontrahierte Länge zurückgeführt, um das proximale Gleitelement nach rechts in Fig. 4 zu ziehen. Zu diesem Zeitpunkt wird das proximale Gleitelement 86 wieder festgeklemmt und der Zyklus beginnt von vorne.

Die Ausführungsform der Fig. 4 ist infolge der Halbleitermaterialien, die verwendet werden, stark miniaturisierbar.

Die Bewegungen beider Ausführungsformen der Erfindung werden durch verschiedene Parameter gesteuert, einschließlich der Spannung zum Festklemmen, der Spannung über dem dehnbaren piezoelektrischen Elemente, der Frequenz der wiederholt angelegten Spannung und der Spannungs-Wellenform, d. h., der Änderung der Spannung in bezug auf die Zeit.

Fig. 5 zeigt die Energiesteuerkonsole 120a, welche die Funktion dieser Eingabeparameter steuert. Die Energiesteuerkonsole 120a steuert alle Spannungen, Frequenzen und Phasen der verschiedenen Elemente.

Die Größe bzw. der Umfang der Klemmspannung wird angepaßt, um die Funktion des Aktuators gemäß gewünschter Eigenschaften zu steuern. Wie oben erklärt wurde, ist die Kraft zwischen der Basis und dem Gleitelement proportional zu der für das Klemmen aufgebrachten Spannungsgröße. Folglich stellt die Klemmspannung den grundlegenden Kraftpegel ein, der das Gleitelement und die Basis zusammenhält. Wenn sich das dehnbare Element dehnt und gegen die Masselast drückt, bewegt sich diese Masselast nur dann vorwärts, wenn die durch das Drücken gegen die Last erzeugte Kraft die Klemmspannung zwischen dem Gleitelement und der Basis nicht überwindet. Daher muß die Klemmspannung unter Berücksichtigung der Last eingestellt werden; eine zu kleine Klemmspannung erzeugt keine ausreichende Kraft, um eine spezifische Last anzutreiben bzw. vorwärtszubewegen.

Andererseits muß die Klemmspannung durch die Trägheit des dehnbaren Elements, das sich schnell zusammenzieht, überwunden werden. Eine zu hohe Klemmspannung verhindert, daß das dehnbare Element ausreichend zurückschnappt und verkürzt daher die Schrittlänge.

Wie oben beschrieben wurde, wird das dehnbare Element wiederholt gedehnt und kontrahiert. Die Frequenz dieser Dehnung und Kontraktion basiert auf physikalischen Eigenschaften des Systems. Das dehnbare Element braucht beispielsweise eine bestimmte Zeit, um sich zu dehnen und zu kontrahieren. In der oben beschriebenen Ausführungsform erfolgt die Dehnung relativ langsam, z. B. 1 ms. Die Kontraktion erfolgt mit der größtmöglichen Geschwindigkeit des Materials, dies braucht jedoch auch einen bestimmten finiten Zeitbetrag, z. B. 250 ns. Die Frequenz des wiederholten Vorgangs kann nicht schneller sein als die Zeit, die für diese Materialien zur Expansion und Kontraktion physikalisch notwendig ist.

Es ist durch die Erfinder auch ermittelt worden, daß die Phase zwischen der Spannungs-Wellenform des dehnbaren Elements und der Spannungs-Wellenform des Klemmelements den Umfang bzw. die Größe der Kraft beeinflußt, die der Vorrichtung geliefert werden kann. Eine experimentelle Aufzeichnung dieser Information ist in Fig. 18 dargestellt. Es ist zu erkennen, daß für gewöhnlich die Phase ca. 0 betragen sollte, einige kleine Anpassungen können jedoch bestimmte Eigenschaften verbessern.

Fig. 5 zeigt die Steuerkonsole mit einer Gleitelement- Steuereinheit 122, einer Steuereinheit 124 des dehnbaren Elements und einer Steuereinheit 126 einer relativen Phase. Die Gleitelement-Basissteuereinheit 122 umfaßt drehbare Potentiometerknöpfe, die schematisch als Wellenformsteuerung 128, Amplitudensteuerung 130 und Frequenzsteuerung 132 dargestellt sind. Diese Potentiometer entsprechen denen der hier beschriebenen Fig. 7, und es versteht sich, daß die Steuerschaltung 120a mehr Knöpfe als die dargestellten aufweisen kann.

Die Gleitelement-Wellenformsteuerung 128 steuert im allgemeinen die Form der Gleitelement-Wellenform. Die Spannungsamplitudensteuerung 130 steuert dem Spannungsbetrag zwischen dem Wafer 46 und der Wafer-Basis 34, um den Betrag der elektrostatischen Anziehung zu verhindern. Wegen der Eigenschaften der Materialien kann eine lineare Veränderung in der Spannungsamplitude nicht-lineare Auswirkungen verursachen. Der Spannungsamplituden-Steuerknopf kann z. B. logarithmisch gewichtet werden, um diese Effekte zu kompensieren. Die Frequenzsteuerung 132 steuert die Wiederholungsrate, mit der die Wellenformen erzeugt werden. Für die bevorzugte Ausführungsart wird diese Frequenz zwischen etwa 10 Hz und 1000 Hz gehalten.

Desgleichen umfaßt die Steuereinheit 124 des dehnbaren Elements, eine Wellenformsteuerung 134 des dehnbaren Elements, welche die Eigenschaften der an dem dehnbaren Element anliegenden Wellenform steuert. Für die erste Ausführungsform sollte diese Wellenform eine langsam ansteigende, aber schnell fallende Wellenform sein. Für die zweite Ausführungsform könnte die Wellenform beliebige gewünschte Eigenschaften aufweisen. Die Amplitudensteuerung 136 der verstellbaren Spannung steuert die Amplitude der zum Festklemmen benutzten Spannungen. Die Steuerung der verstellbaren Frequenz 138 ändert die Frequenz dieser Spannung.

Die Phasensteuereinheit 126 steuert das Timing zwischen der Klemmspannung und der Dehnungsspannung. Die bevorzugten Timing-Eigenschaften werden hier beschrieben.

Ein Blockdiagramm der Schaltung innerhalb der Steuerkonsole von Fig. 5 ist in Fig. 6 gezeigt. Der Frequenzgenerator 204 erzeugt die Frequenzen, die benutzt werden, um den Linear-Aktuator anzutreiben. Diese Frequenzen sind über einen bestimmten Bereich einstellbar. Die Ausgabe bzw. der Ausgang des Frequenzgenerators 204 wird durch eine Phasensteuereinheit 206 empfangen, welche zwei Ausgaben erzeugt, die in der Phase durch eine auswählbare Zeitspanne getrennt sind. Eine der Ausgaben treibt den Piezo- Wellenformgenerator 218 an, und die andere Ausgabe wird geteilt, um den Klemmen-Wellenformgeherator 216 anzutreiben.

Es ist anzumerken, daß die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zwar eine Klemmen-Wellenform liefert, es wird jedoch auch in Betracht gezogen, ist aber weniger bevorzugt, den Motor unter Verwendung einer konstanten Klemmenspannung anzutreiben. Die Richtungssteuerung 212 steuert die Richtung, in der der Motor läuft, und ist mit dem Piezo-Wellengenerator 218 sowie dem Klemmspannungsbetätiger 214 verbunden, welcher den Klemm-Wellenformgenerator 216 betätigt.

Die Klemmspannungsvorrichtung 210 erzeugt die Klemmspannung, die dazu verwendet wird, das Gleitelement an der Bäsis festzuklemmen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Ausgang des Kräftesensors 300 verwendet, um sich auf diesen Spannungswert zu beziehen, um einen gewünschten Kräftebetrag zu erzeugen. Wie oben erläutert wurde, expandiert oder kontrahiert das dehnbare Element 48 so, wie es durch die Steuerkonsole 120 gesteuert wird. Drei getrennte, steuerbare Parameter, nämlich die Wellenformsteuerung 134 des dehnbaren Elements, die Spannungssteuerung 136 und die Frequenzsteuerung 138 beeinflussen die Dehnung und Kontraktion des dehnbaren Elements 48. Die Spannungssteuerung 136 steuert im allgemeinen die Längenänderungsgröße des dehnbaren Elements 48. Die Frequenzsteuerung 138 steuert die periodische Bewegung des dehnbaren Elements 48. Die Wellenformsteuerung des dehnbaren Elements steuert im allgemeinen die Trägheitseigenschaften des dehnbaren Elements 48 und ihrer daran befestigten Masselast 26.

Eine spezifische Ausführungsform einer elektrischen Steuerschaltung zum Bereitstellen einer Steuerung über die oben für die erste Ausführungsform erläuterten Parameter ist in Fig. 7 als Steuerschaltung 200 dargestellt. Die in Fig. 7 dargestellte Schaltung kann gänzlich oder teilweise in einem der Silizium-Wafer hergestellt sein, die in dem Linearaktuator der vorliegenden Erfindung unter Verwendung herkömmlicher Halbleitertechniken getragen werden, vorzugsweise in der Basis 30 im Bereich 500.

Die Gleichstromversorgung 202 umfaßt eine Hochspannungs- Gleichstromquelle 220 zum Anregen und Dehnen des piezoelektrischen Elements, und eine Niederspannungsquelle 222 zum Antreiben der Logikschaltung, z. B. mit 12 V: Die Spannungsquelle 220 kann durch die Bedienungskraft und/oder durch Rückkopplung vom Sensor 300 variiert werden, um die optimale Leistung vom Linearaktuator zu erzielen. Der Ausgabewert von der Spannungsquelle 220 kann zwischen 15 und IOOO V liegen, wobei die bevorzugte Spannung etwa 500 V beträgt.

Der Frequenzgenerator 204 in Fig. 7 erzeugt eine Frequenz, die zur Erzeugung der Wafer-Antriebs-Wellenformen verwendet wird. Die Frequenzgeneratorschaltung 204 umfaßt einen internen Frequenzoszillator 224 und einen externen Eingabeport 226. Der interne Oszillator 224 benutzt einen Funktionsverstärkungsoszillator, um eine Frequenz, basierend auf der Größe des Rückkopplungswiderstands, im Funktionsverstärker 236 zu erzeugen. Ein Frequenz- Auswahlschalter 230 schaltet steuerbar die Rückkoppelungswiderstände 232, um ein RC-Netzwerk zwischen diesen Rückkoppelungswiderständen 232 und dem Kondensator 234 zu bilden. Das System oszilliert mit einer Frequenz, die von der RC-Zeitkonstanten abhängt, und erzeugt damit eine Frequenz auf der Basis der Position des Schalters 230.

Vorspannungswiderstände 238, 240 und 242 liefern eine Vorspannung an den umkehrenden Eingang des Funktionsverstärkers.

Die Frequenzerzeugungsschaltung 224 könnte alternativ ein variabler Teiler sein, der mit dem Ausgang eines Kristalls verbunden ist, oder könnte eine integrierte Schaltung mit programmierbarem Frequenzteiler sein.

In dieser Ausführungsform kann auch eine externe Frequenz durch den Terminal 226 hinzugefügt werden. Der Funktionsverstärker 244 vergleicht die Eingangsfrequenz mit einer Gleichstrom-Vorbelastung von dem verstellbaren Widerstand 246, um seine Amplitude an die Eigenschaften des Systems anzupassen.

Die Frequenzen von dem externen Eingang 226 und von dem internen Frequenzoszillator 224 werden zwei Kontakten des Schalters 228 eingegeben. Die Ausgabe des Schalters 228 wird, der Phäsenverschiebungs-Steuereinheit 206 übermittelt.

Die Phasenverschiebungs-Steuereinheit 206 liefert zwei Ausgangsfrequenzen, die so gewählt sind, daß die Phasennacheilung zwischen diesen Ausgangsfrequenzen eine gewünschte Eigenschaft zwischen 0 und etwa 0,1 us aufweist. Die Phasensteuerschaltung 250 und die Phasensteuerschaltung 252 haben jeweils separat verstellbare Verzögerungseigenschaften. Die Schaltung 250 umfaßt einen feststehenden Widerstand 254 und einen variablen Widerstand 256 sowie einen Kondensator 258. Die Kombination dieser Widerstände und Kondensatoren bildet eine RC-Schaltung, welche den Anstieg der Wellenform verzögert. Die RC-Zeitkonstante ergibt sich aus dem Variieren des Werts des Widerstands 256. Dies verzögert den Durchgang der Wellenform und damit Veränderungen in dessen Phasenwinkel. Desgleichen verzögert eine Verstellung bzw. Anpassung des Widerstands 266 den Durchgang der Wellenform zum Ausgang.

Ein Schalter 276 kontrolliert bzw. legt fest, ob die Phasenverschiebung benutzt wird oder nicht. In einer ersten Position verbindet der Schalter 276 die Eingänge der Phasenverschiebungseinheit direkt mit den Ausgängen, wodurch er jegliche Phasenverschiebung verhindert. In der zweiten Position sind die Phasenverschiebungen steuerbar:

Der Signalausgang von Schaltung 250 ist, entweder phasenverschoben oder direkt verbunden, mit einem Frequenzteiler 208 gekoppelt. Der Teiler 208 ist einfach eine Kippschaltung vom D-Typ, wobei sein Q-Ausgang nicht mit seinem D-Eingang verbunden ist, uni dadurch die Eingangsfrequenz durch 2 zu teilen. Der Ausgang ist durch einen variablen Widerstand gekoppelt. Die Ausgangsspannung wird dem Klemmen-Wellenformgenerator 216 geliefert. Natürlich könnte dies auch ein programmierbarer, durch N teilender Zähler oder irgendein anderer im Stand der Technik bekannter Teiler sein.

Die Spannung für das elektrostatische Festklemmen der Basis am Gleitelement wird durch den Klemmspannungsgenerator 284 erzeugt. Das Element 284 umfaßt einen Spannungsteiler 290, 292, 294, die mit dem invertiereden Eingang eines Funktionsverstärkets 288 verbunden ist. Der Ausgang des Funktionsverstärkers 288 treibt das Gatter eines Leistungs- MOSFET 286 an, der einen geerdeten Drain und eine mit dem Ausgang mit einem Vorspannungswiderstand 285 verbundene Source aufweist. Die Source ist auch direkt durch eine Rückkoppelungsschleife mit dem Sensor 300 und einem Widerstand 302 auf den nicht-invertierenden Eingang des Funktionsverstärkers gerichtet. Es ist anzumerken, daß der Funktionsverstärker 288 als Vergleichsschaltung verbunden ist, und der Ausgang desselben den Spannungsabfall am MOSFET 286 bestimmt.

Die Source des MOSFET 286 ist mit einem Filterkondensator 298 verbunden, dessen Ausgang die Spannung an der Ausgangsklemme 296 erzeugt. Diese Ausgangsspannung 296 wird zur Klemmspannung.

Das Element 212 ist eine Motorrichtungssteuerung. Durch Betätigen eines der beiden Schalter kann der Motor selektiv in der Richtung umgekehrt werden. Die Schalter betreiben selektiv den Klemmspannungs-Aktivator 214, der Vergleichsverstärker 308 und 310 umfaßt. Jede Vergleichsschaltung 308, 310 hat ihren negativen Eingang mit einer variablen Spannung vom Spannungsteiler 312 verbunden. Je nach den Positionen der Schalter 304 und 306 sind Ausgangsspannungen von den Verstärkern 208, 310 mit, den Umkehreingängen des Funktionsverstärkers 316, 318 innerhalb des Klemm-Wellenformgenerators 216 verbunden. Die positiven Eingänge dieser Funktionsverstärker empfangen die Ausgangsspannung von einer Teilerschaltung durch zwei (divide by two circuit) 208. Jede der Verstärkerschaltungen in dem Klemm-Wellenformgenerator weist eine ähnliche Konstruktion auf. Der Funktionsverstärker 316 hat einen Ausgang, der die Basis des MOSFET 320 antreibt, welcher als Folgeregelglied (follower) konfiguriert ist. Die Source dieses Transistors 320 ist durch einen variablen Widerstand mit dem Gatter eines weiteren MOSFET 322 verbunden, der ebenfalls als Folgeregelglied konfiguriert ist. Die Source des als Folgeregelglied konfigurierten MOSFET 322 hat eine Ausgangsklemme 346.

Desgleichen erzeugt die Schaltung mit einem Funktionsverstärker (op-amp) 318 eine Ausgangsspannung an der Klemme 348. Die Ausgangsklemmen 346 und 348 sind jeweils mit dem Gleitelement 346 bzw. der Wafer-Basis 334 verbunden. Es ist anzumerken, daß durch Verändern der Positionen der Schalter 306, 308 die Spannung zwischen diesen Werten ebenfalls verändert wird, um dadurch die Funktionsrichtung des Motors zu ändern.

Der andere Ausgang der Phasensteuereinheit vom variablen Widerstand 178 ist mit dem Eingang des Wellenformgenerators 218 des piezoelektrischen Elements gekoppelt. Dieses Steuerelement der zweiten Phase ist mit den invertierenden Eingängen der Funktionsverstärker 352, 354 verbunden. Die nicht-invertierenden Eingänge dieser beiden Funktionsverstätker empfangen betreffende Signale von den Schaltern 304, 306. Die Funktionsverstärker, die als Vergleichsschaltungen konfiguriert sind, steuern elektrisch die Gatter der MOSFETS 364, 366. Diese MOSFETS sind als Folgeregelglieder bzw. Nachlaufsteuerelemente verbunden, wobei die Source jedes MOSFET durch einen variablen Widerstand 372, 374 und einen Erdungswiderstand 380, 382 mit einem Leistungs-MOSFET 376 verbünden ist, der ebenfalls als Folgeregelglied verbunden ist. Dies Source der MOSFETS 376 und 378 erzeugen Spannungen, die mit den Ausgangsklemmen 388, 392 gekoppelt sind. Diese Klemmen sind mit den elektrischen Leitungen 54, 56 verbunden, und steuern dadurch die Dehnung und Kontraktion des dehnbaren Elements 48.

Im Betrieb erzeugt die Schaltung von Fig. 7 Spannungswellenformen für die elektrostatischen Klemme(n) und das dehnbare Element. Wenn der Schalter 304 geschlossen wird, werden die betreffenden Verstärker 352 und 308 angeschaltet, wodurch sie eine spezifische Spannung an die Verstärker 316 und 318 anlegen. Diese Spannungen werden an die Funktionsverstärker 316, 318 im Klemm-Wellenformgenerator 216 angelegt. Die anderen Eingänge der Funktionsverstärker werden durch den Ausgang des Teilers durch 2, 208 angetrieben. Dies ergibt eine sich kontinuierlich umkehrende Spannung über den Ausgangsklemmen 346, 348 bei halber Antriebsfrequenz des dehnbaren Elements. Die tatsächliche Form der Spannungskurve hängt von der RC-Zeitkonstante ab, die durch Verwendung der variablen Widerstände 328, 330 gesteuert wird. Das Schließen des Schalters 306 schaltet die Spannungstreiber im entgegengesetzten Sinn an.

Die Schalter 304 und 306 steuern auch den Betrieb des Piezoelement-Wellenformgenerators 218. Wenn beide Schalter 304 und 306 geöffnet sind, befindet sich der Wellenformgenerator 218 im Leerlauf. Das Schließen der Schalter 304 liefert dem positiven Eingang des Funktionsverstärkers 352 auch eine Niederpegelspannung, wodurch dieser angeschaltet wird und gestattet, die von der Phasensteuerung 206 empfangene Ausgangsspannung durchzulassen. Alternativ schaltet der Schalter 306 den Verstärker 354 an, wodurch er es ihm ermöglicht, mit der gleichen Spannung zu arbeiten. Es ist ersichtlich, daß die Gesamtwirkung des Schließens der Schalter 304, 306 darin besteht, die Bewegungsrichtung des Linearaktuators zu steuern. Nur durch Schließen des Schalters 304 wird die Wellenformerzeugungsschaltung, die den MOSFET 376 mit Energie versorgt, initiiert. Durch Schließen des Schalters 306 wird die Wellenform über den Klemmen 388 und 392 invertiert.

Wie oben beschrieben wurde, wird die Geschwindigkeit des Aktuators durch Verändern des Frequenz-Ausgangssignals vom Frequenzgenerator 204 gesteuert. Für irgendeine gegebene Eingangsleistung muß jedoch ein Kompromiß zwischen der schnellen Ausgabe und der Nutzlast gefunden werden. Die Spannung des dehnbaren Elements steuert die Leistung am direktesten. Die Klemmspannung steuert den Kompromiß zwischen Geschwindigkeit und Kraft. Eine niedrige Klemmspannung ermöglicht eine höhere Geschwindigkeit, aber eine geringere Kraft. Da die Klemmspannung niedriger ist, kann die Klemmkraft zwischen dem Gleitstück und der Basis nur für eine geringere Kraftgröße aufrechterhalten werden. Da die Klemmkraft jedoch relativ niedrig ist, ermöglicht es der Trägheits-Rückprallvorgang dem Gleitstück, sich ein wenig weiter vorwärtszubewegen.

Die Beziehung zwischen Geschwindigkeit und der Kraft ist komplizierter und weniger linear. Die Eigenschaften sind leichter zu modellieren, was durch die Erfinder getan wurde und was in bezug auf die folgende bevorzugte Ausführungsform erläutert wird.

Der Linearaktuator der vorliegenden Erfindung verwendet ein piezoelektrisches Element, das vorzugsweise 38,1 mm lang ist. Die bevorzugte Breite des Piezoelements ist 6,35 mm. Dies liefert einen bevorzugten Klemmflächenbereich von 234 qmm. Die bevorzugte Dicke bzw. Stärke beträgt 0,8 mm. Im allgemeinen kann jedoch der Aktuator zwischen 1 und 250 mm in der Länge, zwischen 0,1 und 50 mm in der Breite und 0,01 bis 5 mm in der Dicke sein.

Das bevorzugte Piezoelement weist eine Masse von 1,4 g auf, obwohl es auch zwischen 0,01 und 450 g wiegen kann. Die bevorzugte Gleitelementmasse beträgt 30 g, obwohl es vorstellbar ist, die Gleitelementmasse zwischen 1 g und 10 kg zu gestalten.

Die Isolierschicht 39 ist vorzugsweise aus SiO&sub2; und Si&sub3;N&sub4; gemäß Fig. 1A gebildet. Vorzugsweise hat die SiO&sub2;-Schicht eine Stärke von etwa 0,75 um und die Si&sub3;N&sub4;-Schicht etwa 0,15 um. Beide Schichten können bis zu 2 bis 3 um dick oder bis zu 50 Å dünn sein.

Der Silizium-Klemm-Wafer hat vorzugsweise eine Dicke von 0,036 mm, allgemeiner jedoch zwischen 0,01 und 1 mm. Das System funktioniert gemäß den folgenden bevorzugten Parametern:

Aus der obigen Aufstellung geht hervor, daß die Leistungseigenschaften des Linearaktuators von den physikalischen Eigenschaften des Systems abhängen. Die Fig. 8 und 9 zeigen allgemeine Leistungs-Mantelkurven für einen Linearaktuator, wobei selbstverständlich die Absolutwerte der Kurven von den tatsächlichen Lasten und Trägheitsmassen abhängen können, die in den KTemmflächenbereichen gewählt wurden. Der Punkt besteht in den Fig. 8 und 9 darin, daß für jeden Massebereich und jede Klemmfläche ein unterschiedlicher Kurvensatz die Leistungs-Mantelkurven definiert, und daß Werte auf diesen Kurven ausgewählt werden können, um verschiedene Eigenschaften zu optimieren.

Durch Spezifizieren verschiedener Werte für irgendeine gegebene Anwendung wird für gewöhnlich die größte Trägheitsmasse und der größte Klemmflächenbereich ausgewählt.

Fig. 8 zeigt die Ausgangskraft, die ihren Optimalwert am Punkt 146 erreicht. Eine Zunahme in der Klemmspannung erzeugt anfänglich eine höhere Ausgangskraft, da es bewirkt, daß der Gleitelement-Wafer fester an Ort und Stelle gehalten wird, wenn sich das dehnbare Element dehnt. Eine zu große Klemmspannung verringert jedoch die Ausgangskraft, da sie verhindert, daß sich das dehnbare Element vorwärtsbewegt, wenn die Spannung des dehnbaren Elements freigegeben wird. Der Klemmflächenbereich und die Spannung stehen in bezug zueinander, und wenn die Klemmfläche vergrößert wird, nimmt die Spannung, die zur Erzeugung des gleichen Betrags an Klemmkraft nötig ist, ab.

Fig. 9 zeigt eine ähnliche Beziehung zwischen der Kraft und der Klemmspannung. Eine Spitzengeschwindigkeit kann durch Anpassen der Klemmspannung gewählt werden. Wenn die Klemmspannung jedoch zu hoch wird, beginnt die Geschwindigkeit wegen der größeren Schwierigkeit, die Klemmkraft zur Vorwärtsbewegung zu überwinden, zu fallen. Die Ausgangskraft erhöht sich auch mit stärkerer Spannung.

Die Schrittlänge ist eine Funktion des Elastizitätslimits des dehnbaren Materials und der am dehnbaren Material anliegenden Spannung.

Wie aus den Zeichnungen der Fig. 8 hervorgeht, kann die optimale Kraft und Geschwindigkeit separat eingestellt werden, und die Werte erfordern eine Einstellung auf verschiedene Werte, um verschiedene Ergebnisse zu erzielen.

Fig. 10 zeigt einen typischen Satz Wellenformen, der durch die Steuerkonsole 120 zur Steuerung des Aktuators der bevorzugten Ausführung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt wird. Für die Zwecke dieses Zeitdiagramms wird davon ausgegangen, daß das dehnbare Element 48 so orientiert ist, daß es, wenn die Spannung an der elektrischen Leitung 54 positiv ist, sich in der Länge dehnt.

Die Spannung 148 stellt die an die Wafer-Basis angelegte Spannung dar, und die Spannung 150 stellt die Spannung am Gleitelement dar. Der Spannungsunterschied zwischen den Spannungen 148 und 150 stellt die Klemmspannung dar. Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird die Klemmspannung einfach zu jeder Zeit auf einem konstanten Wert gehalten. Dies ergibt zufriedenstellende Resultate, ist jedoch weniger bevorzugt als die hier beschriebene Technik.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung fanden heraus, daß, wenn eine konstante Klemmspannung jederzeit aufrechterhalten wurde, dies einen Ladungsaufbau über den Elementen und auch eine erhöhte Anziehungskraft zwischen den Wafern bewirkte, was zu einer Abnahme der Trenndistanz zwischen dem Gleitelement 24 und der Basis 22 führte. Gemäß der bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung wird die Spannung über dem Gleitelement und der Basis für eine relativ kurze Zeit, z. B. 1 bis 4 ms aufrechterhalten. Am Ende dieser 1 bis 4 ms Zeit wird die Spannung über dem Gleitelement/der Basis in der Polarität umgekehrt. Dies erzeugt einen Augenblick, während den die Spannung über dem Gleitelement und der Basis sich Null nähert. Zu diesem Zeitpunkt trennen sich das Gleitelement und die Basis leicht voneinander, worauf eine verstärkte Anziehung folgt. Diese verstärkte Anziehung jedoch weist Schicht- Ladungseigenschaften im entgegengesetzten Sinn auf, so daß ein Ladungsaufbau vermieden wird.

Es wird nun auf das Zeitdiagramm eingegangen, zunächst auf Punkt 170, wobei das Zeitdiagramm zeigt, daß die Spannung zwischen dem Gleitelement und der Basis negativ ist: Das heißt, die Spannung am Gleitelement ist geringer als die Spannung an der Basis. Zum Zeitpunkt 170 wird die Spannung über den elektrischen Leitungen umgekehrt. Dies lockert momentan die elektrostatische Klemmkraft zwischen dem Klemm- Wafer 46 und der Wafer-Basis 34, zieht jedoch im wesentlichen unmittelbar danach die Klemmkraft wieder an. Zu diesem Zeitpunkt fällt die Spannung 154, welche die Spannung ist, die die Dehnung des elektrostatischen Elements steuert, so schnell wie möglich auf Null. Dies bewirkt eine schnelle Kontraktion des dehnbaren Elements innerhalb Hundertstel von Nanosekunden. Wie oben beschrieben wurde, bewirkt die schnelle Kontraktion, daß das Gleitelement die Klemmkraft überwindet und sich geringfügig nach vorne bewegt.

Zum Zeitpunkt 172 beginnt ein langsamer Anstieg der Spannung 154. Dies bewirkt eine langsame Zunahme in der Länge des dehnbaren Elements 48. Diese langsame Zunahme drückt eher die Masse läst nach vorne als es die Klemmkraft überwindet. Wenn das dehnbare Element 48 vollständig gedehnt ist, fällt zum Zeitpunkt 174 die Spannung über dem Element 48 wieder auf Null, wodurch der vorausgehende Schritt wiederholt wird und eine weitere Vorwärtsbewegung bewirkt.

Durch Wiederholen dieser Schritte weist das System eine kontinuierlich-intermittierende Vorwärtsbewegung auf. Eine Rückwärtsbewegung wird entgegengesetzt zur Vorwärtsbewegung gemäß der Negativrichtungslinie 155 zum Zeitpunkt 176 ausgeführt, etc.

Die Wellenformen für die zweite Ausführungsform unterscheiden sich geringfügig und sind in Fig. 11 dargestellt. Der Beginn eines Zyklus kann zum Zeitpunkt 180 angenommen werden, wenn das Spannungspotential an der Kurve 166, welche das Potential an der das proximale Gleitelement 86 antreibenden elektrischen Leitung 90 darstellt, auf Null fällt. Gleichzeitig nimmt die Spannung an der Leitung 168, die mit dem distalen Gleitelement 84 verbunden ist, zu. Dies ermöglicht es dem proximalen Gleitelement 86, relativ zur Wafer-Basis frei zu gleiten, klemmt aber das distale Gleitelement 84 relativ zur Wafer-Bäsis fest.

Zu diesem Zeitpunkt wird die Spannung 154, welche das dehnbare Element 48 antreibt, reduziert, so daß sich das dehnbare Element in der Größe zusammenzieht. Da das distale Gleitelement festgeklemmt worden ist, bewegt sich das proximale Gleitelement 86 in Fig. 4 nach rechts. Nach voller Kontraktion zum Zeitpunkt 182 werden die Spannungen umgekehrt, wobei das distale Gleitelement freigegeben wird und das proximale Gleitelement festgeklemmt wird. Die Spannung über dem dehnbaren Element 48 nimmt dann zu, was bewirkt, daß sich das distale Gleitelement in Fig. 4 nach rechts bewegt. Selbstverständlich wird eine Bewegung in entgegengesetzter Richtung mit genau entgegengesetzten Schritten ausgeführt.

Die Fig. 12 bis 18 zeigen die Beziehungen zwischen der Klemmspannung, der Spannung des dehnbaren Elements, der Spannungsamplitude, der Wellenform, der Frequenz, der Phasenwinkeldifferenz und der Klemmkraft. Die fig. 12 bis 18 zeigen tatsächliche Werte für spezifische Prototypen, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wurden.

Fig. 12 zeigt die Geschwindigkeit eines Elements, die als Funktion der elektrostatischen Klemmspannung für -verschiedene externe Lasten aufgezeichnet ist. Für jede Gestaltung gibt es einen Optimalbereich, wobei eine zu geringe oder zu hohe Klemmspannung minderwertige Resultate liefert. Falls die Klemmspannung zu gering ist, z. B. weniger als 50 Volt gemäß Fig. 13, ist überhaupt keine Bewegung möglich.

Fig. 13 zeigt die Ausgangskraft, die als Funktion der elektrostatischen Klemmkraft für verschiedene Klemmzyklusfrequenzen aufgezeichnet ist. Die Zunahme der Klemmspannung erzeugt eine Ausgangskraft, die ansteigt, bis sie in die Waagerechte übergeht. Niedrigere Frequenzen weisen eine geringere Gesamtwirkung auf als die getesteten höchsten Frequenzen. Die Steuerfrequenzen der Spannungseingaben zum dehnbaren Element und zum Klemm-Wafer steuern allgemein die Wiederholungsrate der Aktuatorschritte.

Fig. 14 zeigt eine graphische Darstellung der am dehnbaren Element anliegenden Spannung gegenüber der für verschiedene Klemmspannüngen erzeugten Kraft. Wie zu erkennen ist, sind für die verschiedenen Klemmspannungen verschiedene Dehnungsspannungen für das piezoelektrische Element möglich.

Fig. 15 zeigt eine Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und der Masse der externen Last für verschiedene Klemmspannungen.

Fig. 16 zeigt eine dreidimensionale Darstellung der Geschwindigkeit, der Belastung und der Kraft der Last.

Fig. 17 zeigt die Kraft als Funktion der Gleitelement- Mässedaten, und stellt dar, daß die Ausgangskraft linear über mindestens einen bestimmten Bereich mit der Gleitelement- Masse zunimmt.

Fig. 18 zeigt eine graphische Darstellung der Kraft gegenüber der Phase der PZT-Klemmen.

Fig. 8, 9 und 12 bis 18 zeigen den breiten Bereich von Betriebseigenschaften, die mittels mathematischer und experimenteller Modellgebung steuerbar sind, welche eine anwendungspezifischen Gestaltungsablauf erzeugen. Die tatsächliche Verwendung eines Linear-Aktuators, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, ergibt eine erforderliche Gesamtverschieburig, eine minimale Schrittgröße, eine maximale Geschwindigkeit, eine volumetrische Größeneinschränkung und eine maximale Kraft. Die Gestaltungsabläufe umfassen eine Prädiktion, ob ein solcher Satz von Einschränkungen erfüllt werden kann, und leiten dann die Gestaltung eines kompletten Linearaktuators gemäß der vorliegenden Erfindung für diese Aufgabe.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Fähigkeit, Bewegung entweder durch Verschiebung, Kraft oder eine Kombination von beiden zu steuern. Herkömmliche Linearmotoren können nur durch spezifische Verschiebungen angetrieben werden, da eine hohe mechanische Impedanz zwischen dem Motor und dem Werkstück besteht, d. h. die durch das Werkstück am distalen Ende des Linearmotors erzeugte Last. Beispielsweise werden im Fall eines Rotationsmotors, der über eine Rotations-Linear-Kopplung, wie z. B. ein e Schnecke und ein Schneckengetriebe, angetrieben wird, selbst mittlere Kräftepegel am distalen Ende wegen des mechanischen Vorteils der hohen Übersetzung nicht zum Motor zurück übertragen. Dieser Zustand macht eine Kraftsteuerung ohne zusätzliche, am distalen Ende an der Werkstück-Grenzfläche hinzugefügte Sensoren unmöglich.

Die vorliegende Erfindung verwendet vorzugsweise einen Sensor 300, der die Kraft oder die Verschiebung abfühlt und ein dies anzeigendes Signal rückkoppelt. Alternativ kann jedoch ein Controller 120a jegliche Lastveränderungen an der Werkstück-Grenzfläche 64 von einem Werkstück durch eine Überwachung von Spannung, Strom- und Phasenwinkeländerungen direkt abfühlen. Der Controller 120a kann so programmiert werden, daß er auf diese Änderungen durch Rückkoppelungsmechanismen automatisch reagiert, um eine oder mehrere der folgenden Einstellungen anzupassen bzw. zu verstellen: die Gleitelement-Wellenformsteuerung 128, die Spannungsamplitudensteuerung 130, die Steuerung der verstellbaren Frequenz 132, die Steuerung der Frequenz des dehnbaren Elements 138 und die Phasensteuerung 126. Damit kann eine spezifische Kraft-/Verschiebungs-Beziehung innerhalb der energetischen und mechanischen Grenzen des Systems aufrechterhalten werden.

Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist für kleine Präzisionsschritte im Bereich von 10 bis 30 Nanometern über den gesamten Verschiebungsbereich der Vorrichtung geeignet, der zwischen 3,3 cm und 12 cm liegen kann. Die tatsächliche theoretische Verschiebung ist nur durch die Länge der Wafer-Basis begrenzt. Gemäß einer anderen bevorzugten Modifikation der vorliegenden Erfindung jedoch ist das Gleitelemerrt 24 mit dem Gehäuse C durch eine Feder verbunden, welche die Bewegungslänge des Gleitelements relativ zur Basis begrenzt. Diese Feder kann das Gleitelement vorzugsweise zu einer spezifischen Position vorbelasten, wodurch die Feder, wenn die Klemmkraft zwischen dem Gleitelement und der Bäsis aufgehoben wird, die Kombination zu einer Null-Position zurückdrängt.

Die bevorzugte Vorrichtung paßt in eine 3/8 Inch-Röhre. (1 Inch = ) 2,54 cm), erzeugt dabei aber noch 1,2 Foot-Pounds- Kraft über seinen Arbeitsbereich.

Vorstehend sind zwar nur einige Ausführungsformen im Detail beschrieben worden, dem Durchschnittsfachmann ist es jedoch sicherlich verständlich, daß viele Modifikationen in der, bevorzugten Ausführungsform möglich sind, ohne von deren Lehren abzuweichen.

Beispielsweise können mechanische Äquivalente für die elektrostatischen Klemmen verwendet werden. Mechanische Vorbelastungsverfahren zum Erhöhen der Reibung an der Grenzfläche zwischen dem Gleitelement-Wafer und dem Basis- Wafer hätten den Vorteil, die gleiche Leistung bereitzustellen, wie sie mit einem kontinuierlichen elektrostatischen Klemmen erzielt wird. Außerdem könnte der Ersatz durch mechanische Vorbelastungsverfahren die zusätzliche elektronische Steuerung, die durch elektrostatische Klemmen erforderlich, eliminieren. Alle diese Modifikationen sind im Schützumfang der folgenden Ansprüche enthalten.


Anspruch[de]

1. Linear-Aktuator mit:

ersten und zweiten Wafer-Elementen (34, 46), die erste und zweite Wafer-Oberflächen (38, 44) in verschiebbarem, aneinander anliegbarem Eingriff aufweisen,

einer elektrisch isolierenden Dünnschicht (39) aus natürlich vorkommendem Oxid, die auf einer der ersten und zweiten Wafer-Oberflächen (38, 44) und zwischen den ersten und zweiten Wafer-Elementen (34, 46) ausgebildet ist,

Mitteln (120a) zum selektiven elektrostatischen Verklammern der ersten Wafer-Oberfläche (38) relativ zu der zweiten Wafer-Oberfläche (44), und

einem Trägheits-Erzeugungsmittel (48), das funktionsmäßig mit dem zweiten Wafer-Element (46) gekoppelt ist, um das zweite Wafer-Element (46) relativ zum ersten Wafer-Element (34) zu bewegen,

wobei das Trägheits-Erzeugungsmittel ein Formveränderungsmittel (48) mit einer Längsachse aufweist, das so konfiguriert ist, daß es die Form längs einer Bewegungsachse des Aktuators merklich verändert.

2. Linear-Aktuator nach Anspruch 1, wobei die Isolierschicht (39) zwischen 5 nm (50 Ängström) und 2 um (Micron) dick ist.

3. Linear-Aktuator nach Anspruch 1, wobei die Isolierschicht (39) eine auf der ersten Wafer-Oberfläche (38) gebildete Dünnschicht ist.

4. Linear-Aktuator nach Anspruch 1, wobei die Isolierschicht (39) eine auf der zweiten Wafer-Oberfläche (44) gebildete Dünnschicht ist.

5. Linear-Aktuator nach Anspruch 1, wobei das erste Wafer- Element (34) aus Silizium und die elektrisch isolierende Dünnschicht natürlich vorkommenden Oxids aus SiO&sub2; gebildet ist.

6. Linear-Aktuator nach Anspruch 1, wobei das erste Wafer- Element (34) ein Material aufweist, das aus der aus folgenden Materialien bestehenden Materialgruppe ausgewählt ist: kristallines Silizium, amorphes Silizium, polykristallines Silizium, Germanium, Galliumarsenid, Siliziumcarbid, Galliumnitrid, Galliumphosphid, Aluminium, rostfreier Stahl, Kupfer, Messing und Gold.

7. Linear-Aktuator nach Anspruch 1, wobei das zweite Wafer- Element (46) ein Material aufweist, das aus der aus folgenden.

Materialien bestehenden Materialgruppe ausgewählt ist: kristallines Silizium; amorphes Silizium, polykristallines Silizium, Germanium, Galliumarsenid, Siliziumcarbid, Galliumnitrid, Galliumphosphid, Aluminium, rostfreier Stahl, Kupfer, Messing und Gold.

8. Linear-Aktuator nach Anspruch 1, wobei das Formveränderungsmittel (48) ein Material aufweist, das aus der aus folgenden Materialien bestehenden Materialgruppe ausgewählt ist: einem piezoelektrischen Material, einem Formgedächtnismaterial, einem elektrostriktiven Material und einem magnetostriktiven Material.

9. Linear-Aktuator nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Wafer-Oberflächen (38, 44) eine Oberflächen-Unebenheit von etwa 1 um (Micron) Oberflächenhöhe pro 5 Millimeter linearer Länge aufweisen.

10. Linear-Aktuator nach Anspruch 1, wobei das zweite Wafer- Element (46) einen Teil eines Gleitelements (24) bildet, dessen erste Oberfläche an der Isolierschicht (39) anliegt, das Gleitelement das Formveränderungsmittel aufweist, welches ein dehnbares Element (48) ist, das durch Anwenden eines Stimulus auf dieses selektiv in der Größe verändert werden kann und eine Last-Schnittstelle (60) aufweist, welche mit einer Last (26, 64) verbindet.

11. Linear-Aktuator nach Anspruch 10, wobei das elektrostatische Verklammerungsmittel (120a) umfaßt:

eine erste Energiequelle (122), die so angeschlossen ist, daß sie das Gleitelement mit einer ersten Kraft an eine das erste Wafer-Element (34) aufweisende Basis (22) festklemmt,

eine zweite Energiequelle (124), die so angeschlossen ist, daß sie dem dehnbaren Element (48) den Stimulus liefert, um das dehnbare Element zu dehnen,

wobei die ersten und zweiten Energiequellen (122, 124) Energie einer solchen Größe erzeugen, daß eine erste Stimuliergröße die erste Kraft zwischen dem Gleitelement (24) und der Basis (22) nicht übersteigt, daß jedoch eine zweite, zu der ersten Stimuliergröße unterschiedliche Stimuliergröße die erste Kraft zwischen dem Gleitelement und der Basis überwindet.

12. Linear-Aktuator nach Anspruch 1, wobei das Formveränderungsmittel ein dehnbares Element (48) aufweist und wobei das elektrostatische Verklammerungsmittel (120a) ein Mittel zum Liefern eines Stimulus an das dehnbare Element aufweist, einschließlich einem ersten Stimulus, das eine langsame Größenänderung des dehnbaren Elements, und eines zweiten Stimulus, eine schnelle Größenänderung des dehnbaren Elements zu induzieren vermag.

13. Linear-Aktuator nach Anspruch 10, wobei das Gleitelement einen einteiligen Klemm-Wafer (46) aufweist, und wobei der Klemm-Wafer während der Dehnung des dehnbaren Elements an die Basis geklemmt wird.

14. Linear-Aktuator nach Anspruch 10, ferner mit mehreren mit dem Gleitelement (24) verbundenen Anschlussdrähten (40,76, 78, 80), wobei jeder der Anschlussdrähte einen starren Drahtabschnitt (76, 78, 80), ein Hohlelement (72, 74), innerhalb dem der starre Drahtabschnitt verschiebbar aufgenommen ist, sowie einen das Hohlelement mit dem Gleitelement verbindenene Verbindungsabschnitt (50) aufweist.

15. Linear-Aktuator nach Anspruch 14, wobei die starren Drähte (76, 78, 80) und das Hohlelement zylindrisch sind.

16. Linear-Aktuator nach Anspruch 1, wobei das elektrostatische Verklammerungsmittel (120a) eine Spannungsquelle ist.

17. Linear-Aktuator nach Anspruch 16, wobei die Spannungsquelle eine Wechselspannung erzeugt, die zwischen der Erzeugung eines positiven und negativen Potentials zwischen den ersten und zweiten Wafer-Elementen alterniert.

18. Linear-Aktuator nach Anspruch 16, ferner mit einem Sensor (300) zum Abtasten einer Ausgangs-Arbeitslast der Vorrichtung und zum Rückkoppeln der Größe, um die Spannungsquelle zu steuern.

19. Verfahren zum Betreiben eines elektronischen Linear- Motors mit folgenden Schritten:

Ausbilden einer Basis (22) mit einem eine erste Wafer- Oberfläche (38) aufweisenden ersten Wafer-Element (34), Ausbilden eines Gleitelements (24) mit einem eine mit der ersten Wafer-Oberfläche in Gleitkontakt befindliche zweite Wafer-Oberfläche (44) aufweisenden zweiten Wafer- Element (46), und eines Formveränderungsmittels (48), das eine Längsachse aufweist und so konfiguriert ist, daß es die Form längs einer Bewegungsachse des Aktuators merklich ,ändert, wenn eine Spannung daran angelegt wird, Ausbilden einer elektrisch isolierenden Dünnschicht (39) aus natürlich vorkommendem Oxid auf einer der ersten und zweiten Wafer-Oberflächen (38, 44) und zwischen den ersten und zweiten Wafer-Elementen (34, 46),

Erzeugen einer ersten Spannung, welche das Gleitelement (24) elektrostatisch an die Basis (22) klemmt, und

Erzeugen einer zweiten Spannung, welche das Formveränderungsmittel (48) dehnt und das Formveränderungsmittel derart zusammenzieht, daß das Gleitelement gegen eine durch das elektrostatische Verklammern erzeugte Kraft relativ zur Basis bewegt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Schritt des elektrostatischen Verklammerns den Schritt des periodischen Umkehrens einer Spannung zwischen dem Gleitelement (24) und der Basis (22) umfaßt.

21. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die zweite Spannung drart erzeugt wird, daß sie eine geringfügige Änderung der Größe des Formveränderungsmittels (48) induziert, der eine rasche Änderung der Größe des Formveränderungsmittels folgt.

22. Verfahren nach Anspruch 19, ferner mit dem Schritt des Ausbildens der Isolierschicht auf eine Dicke zwischen 5 nm (50 Ängström) und 2 um (Micron).

23. Verfahren nach Anspruch 19, ferner mit dem Schritt des Ausbildens der Isolierschicht (39) auf der ersten Wafer- Oberfläche (38).

24. Verfahren nach Anspruch 19, ferner mit dem Schritt des Ausbildens der Isolierschicht (39) auf der zweiten Wafer- Oberfläche (44).

25. Verfahren nach Anspruch 19, ferner mit den Schritten des Bildens der ersten oder zweiten Wafer-Elemente (34, 46) aus Silizium und des Bildens der Isolierschicht (39) aus Siliziumdioxid.







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