静电激励器的驱动方法技术

一种静电激励器装置及用来激励该装置的方法。该装置包括一对激励板，它具有为其提供电压的电极，并且一对中的至少一个能够相对于另外一个运动。在通过附着在板上的电极施加电压时可以移动板的位置。一个驱动装置为电极提供电压，使至少一个板运动。驱动装置产生一个合成交流信号，其上升／下降阶段至少是激励器机械响应时间的１０到１００倍（最好是超过２０倍）。最佳的交流信号是从方波，正弦波，三角波及其混合波形中选择的。最佳电路所产生的上升／下降阶段是交流信号的一个完整周期的四分之一，并且仅有合成交流信号的额定阶段被用来驱动激励器。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到驱动静电激励器的驱动装置和方法。本专利技术具体涉及到使用合成交流(交流)信号的驱动装置和方法。
技术介绍
静电激励器是可以选择的，并且是选择采用小功率，高速操作，低成本和小尺寸的激励器的解决方案。这些装置具有明显的优点所需功率更小的过热装置；使用小功率并具有小尺寸的过电磁装置；或者是具有高成本并具有更小的运动量的压电激励器。然而，迄今为止，市场上还没有这样的静电激励器。在由于存在介电隔离电极而招致具体问题时特别关注静电激励。在静电激励器中产生的位移是两个物体上分布的带相反符号的电荷之间的静电吸附力的结果，其中一个物体是可以移动的。在本专利技术中将这两个物体称为激励板。激励板被放置在相距预定的距离。如果在作为激励板一部分的两个导电电极之间施加一个电位差，就会产生电荷分布。如果在电极之间施加电位差，激励器就处在ON状态或模式下，两个板相向运动。如果两个电极是等电位(短路)，激励器就处在OFF状态。直流(DC)电压从理论上说能够感应激励周期的ON状态。然而，实际的问题限制了直流电压对某些静电激励器的激励作用。在实际的设备中，直流驱动具有记忆效应，使激励器的性能严重依赖于以往的激励过程。直流驱动还会感应净摩擦(1)通过从电介质/金属电极界面上注入的电荷，(2)通过在电介质/空气界面上俘获的电荷。使用交流信号来感应静电激励器的ON状态也是可行的，并且能消除直流驱动的缺点。正弦波交流驱动被发现具有一些有害的性质。正弦波交流驱动不能产生许多应用中需要的静电压力的稳态电平。激励器板与板的位移会跟随着正弦波施加的电压，在施加正弦波交流电压时会产生有害的振动。为了克服这一缺点可以采用多相位/多电极的驱动方案。然而，这种方法会招致结构的复杂化和有限的力。方波交流驱动可以提供高而稳定的静电力。然而，它还会产生过早的净摩擦，对性能有不利的影响，实际应用中会造成许多设备不能达到预期的使用寿命。有一组专利描述了采用精密微型阀门，传感器和其他部件的流体控制，使用一个入口与引出口之间的主通道和入口与出口之间的伺服通道。由一个控制流量管控制伺服通道，用静电移动流量管的薄片。授子Bonne等人的美国专利5.176,358公开了这样一种流体调节装置，而分案的美国专利5,323,999和5,441,597涉及到变更的实施例。上述专利仅仅是简单介绍了实际的静电装置，在激励一个装置以改变有关的至少一个电极的电压时产生一个静电力，使作为介电层一部分的至少一个薄片朝向或是离开一个孔移动。关于上述可供参考的专利的进一步信息和使用静电力的微型阀门的另外一组专利有关系。参照了前述那些专利的未决美国专利申请在Bonne等人的美国专利5,082,242中得到了完善。这一专利描述了一种装在一件硅片上的整体结构的微型阀门，该装置是一个在硅晶片的相对两侧具有入口和出口的流通阀。阀门在接触到阀门座时关闭，而表面之间必须匹配以免阀门性能恶化。美国专利5,180,623和5,244,527这两件专利是涉及到第一件专利的分案专利。这些专利笼统描述了由各类电压源驱动的静电阀门的操作。具体来看，如果在电极之间施加一个直流电压，这种阀门可以说是一种具有全开和全闭位置的两个位置的阀门。也可以通过施加与关闭阀门所需的电压成正比的电压来实现比例控制阀门的操作。最后，这些专利还描述了具有脉宽调制电压信号的阀门的操作，用来调制通过阀门的气流。在某些静电激励器中，激励板在正常操作周期中必须要精密接触。这些激励器有时被称为接触式静电激励器。为了避免在操作周期的接触阶段发生电路短路，导电电极由介电层彼此隔离。为了用具体的装置获得最高的效率，通常要在两个导电电极之间形成大电场。静电吸引的非线性性质会造成突发动作，使激励板以高达108g的加速度和超过103m/sec的速度相向运动。在发生碰撞之后，激励板的自由面被大静电场产生的压力彼此排斥。这种操作模式往往会在激励板之间产生很大的机械碰撞和强烈的相互作用力。某些这种力会一直持续到激励板之间的电位差消失之后。在某些情况下，这些力会超过能够使电极回到其原始位置的恢复力。在这种情况下，两个电极仍然会暂时或永久地吸附，而激励器也就不能正常工作了。有时将这种状态称为“静摩擦”。在静电激励器中产生静摩擦的主要的力是表面互动力(固定搭接，Vander Waals力，氢接合)以及永久或暂时陷入电介质内的电荷产生的静电力。为了减少表面互动力，可以采用两种分案。第一，减少接触面积，这需要更加精密的结构并且提供一些有效的静电力。第二是降低接触层上的表面能量，基于这种原理的装置还没有成功的先例。在一个激励器的寿命中，大机械碰撞和大静电压力会逐渐增加激励板之间的实际接触面积，并且加强表面互动力。如果能从技术上减少甚至完全避免这种积累作用，那一定是非常有益的。如果能对进行改进，使其可以用于任何激励器及其具体部件的结构，那将是技术上的另一个重大进步。从下文中可以看出其他优点。专利技术概述目前业已发现本专利技术的上述和其他目的可以用以下的方法来实现。具体地说，本专利技术包括一个激励器驱动器，它产生的合成交流信号有三个不同的段，被称作段I或上升段，段II或额定段，以及段III或下降段。额定段作为实际产生力的段，而上升和下降段则作为零信号和交流信号的额定幅值之间的过渡段。这种驱动器能够从整体上延长激励器的寿命，因为它减少了电荷，并且减少了激励器部件间的接触点上的机械碰撞。在不同段中使用的信号可以是方波，正弦波，三角波或是混合信号。该装置被用在具有至少一对激励板和电极的静电激励器中，用来为其产生电压。一对中的至少一个可以相对于另外一个移动。激励板所处的位置使其在通过电极施加电压时能够移动。驱动装置为电极提供一个电压，使至少一个激励板移动。本专利技术的驱动装置用以下结构来产生一种合成交流信号。段II或是额定段中的信号是一种方波交流信号。这一信号能够产生稳定的静电力。这一信号的幅值和频率是按照具体应用的机械和电气特性来选择的。以下是上述信号的一个例子方波交流信号幅值的峰-峰间幅值是60V，而频率是250Hz。在某些对寿命要求适中的应用中(数百到数千次激励周期)，信号的这一段可以是独立的。段I和III中的信号不一定要产生显著的静电力，但是要确保缓慢地增/减电信号的幅值。如果信号从零达到其最大值所需的时间至少比激励器的机械响应时间长10到100倍，这种增/减就被认为是很慢了。这样，激励器的位移就能够跟随施加的电压。满足这些要求的信号有幅值调制的方波，正弦波或三角波信号。幅值调制可以有一定的时间函数限制，例如但是并非仅限于线性指数或正弦函数。交流信号在段I和III中的周期次数可以随着具体应用的响应时间和功率需求而改变。最佳实施例是周期20次以上。如果在合成信号的段I和/或III中使用正弦波或三角波信号，可以将这些段缩短到一个完整交流周期的四分之一。这样能够明显地缩短装置的响应时间和功率消耗，同时保留减少机械碰撞和减少电荷的优点。优选的电路产生的激励周期有一个通过基本交流信号的多个独立周期从零上升到理想的最终值的幅值，还有一个同样通过基本交流信号的多个独立周期从一个额定的最终值下降到零的幅值。升/降段的具体结构和交流信号的频率可以在很大的数值范围被修改，以适应具体应用的速度和功率需求。对交流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种静电激励器包括： 一对激励板，它具有为其提供电压的电极，并且上述一对中的至少一个能够相对于另外一个运动，在通过附着在上述板上的电极施加电压时可以移动上述板的位置；以及 为上述电极提供电压导致上述运动的驱动装置，上述驱动装置产生一个合成交流信号，其上升／下降阶段至少是激励器机械响应时间的１０到１００倍。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：C卡布兹，E卡布兹，
申请(专利权)人：霍尼韦尔有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]