ITMI20072119A1

ITMI20072119A1 - Attuatore micromeccanico

Info

Publication number: ITMI20072119A1
Application number: IT002119A
Authority: IT
Inventors: Veronique Krueger; Marco Lammer; Tjalf Pirk; Joachim Rudhard
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2007-11-06
Publication date: 2008-05-08
Also published as: US20080151342A1; DE102006052414A1; FR2908124A1; FR2908124B1; DE102006052414B4; JP2008118850A; US8791620B2

Description

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Stato della tecnica

L'invenzione si riferisce ad un attuatore micromeccanico con albero e con almeno un primo mezzo d 'azionamento.

Gli azionamenti elettrostatici ed i meccanismi di rilevamento capacitivi sono noti dalla micromeccanica, in particolare dai sensori micromeccanici. Sono per esempio noti dei sensori d'accelerazione, i quali vengono elaborati in modo capacitivo attraverso pettini di elettrodo. Inoltre sono noti anche i microspecchi. Per lo spostamento di questi microspecchi sono noti degli attuatori micromeccanici, i quali presentano un albero che viene messo in torsione per mezzo di un azionamento elettrostatico. Nel documento pubblicato tedesco DE 19728598 Al viene descrìtto un attuatore micromeccanico, il quale presenta un azionamento elettrostatico con elettrodi superficiali. Nel brevetto US 6891650 B2 è illustrato un attuatore micromeccanico con un azionamento elettrostatico con elettrodi a pettine .

Spesso a questi attuatori si pongono delle richieste contraddittorie. Da un lato si deve generare una forza possìbilmente elevata per spostare quasi staticamente gli elementi in modo finalizzato, e dall'altro lato si richiede un elevato spostamento angolare degli elementi stessi. Per la forza risulta tuttavia vantaggiosa una maggiore estensione degli elettrodi, mentre il massimo angolo di spostamento diventa sempre più pìccolo con il crescere della lunghezza.

Presentazione dell'invenzione

Vantaggi dell'invenzione

L'invenzione si riferisce ad un attuatore micromeccanìco con un albero e con almeno un primo mezzo d'azionamento. L'idea fondamentalmente dell’invenzione è che l'albero ed il primo mezzo d'azionamento sono collegati per mezzo di una prima articolazione. Il primo mezzo d'azionamento è collegato nel caso più semplice per mezzo di una prima articolazione, direttamente all'albero ad una distanza dall'asse di rotazione dell'albero stesso.

Risulta tuttavia vantaggioso il fatto di prevedere una prima leva, laddove la prima leva è collegata presso una sua estremità con l'albero e la prima leva è collegata presso la sua altra estremità, per mezzo della prima articolazione, con il primo mezzo d'azionamento. Vantaggiosamente si può quindi esercitare dal mezzo d'azionamento un momento torcente dì intensità desiderata sull’albero.

Una realizzazione vantaggiosa dell’attuatore mìcromeccanico secondo l'invenzione prevede un secondo mezzo d'azionamento e l'albero ed il secondo mezzo d'azionamento sono collegati per mezzo di una seconda articolazione. Risulta anche vantaggioso che il primo oppure anche il secondo mezzo d'azionamento siano collegati per mezzo di una terza articolazione con un ancoraggio. Una realizzazione particolarmente vantaggiosa prevede una seconda leva, laddove il primo mezzo d'azionamento oppure anche il secondo mezzo d'azionamento è collegato per mezzo della terza articolazione con un’estremità della seconda leva, laddove l'ancoraggio è collegato per mezzo di una quarta articolazione con l'altra estremità della seconda leva. Risulta particolarmente vantaggioso anche quando almeno il primo mezzo d'azionamento oppure anche il secondo mezzo d'azionamento è un mezzo d'azionamento elettrostatico con almeno un primo elettrodo ed un secondo elettrodo. Risulta vantaggioso anche il fatto che una o più delle articolazioni consenta anche una mobilità traslatoria del primo oppure anche del secondo mezzo d'azionamento rispetto all'albero. Risulta vantaggioso il fatto che l’attuatore sia disposto sulla superficie di un substrato e che l'ancoraggio sia collegato con il substrato.

La presente invenzione descrive un azionamento elettrostatico, il quale non soggiace alle suddette limitazioni dello stato della tecnica, né per quanto riguarda la lunghezza degli elettrodi, né per quanto riguarda l'angolo di spostamento degli elementi micromeccanici. Attraverso un montaggio flessibile degli elettrodi (sia con realizzazione superficiale, sia con realizzazione a pettine), si può stabilire la forza attraverso la superficie indipendentemente dall'angolo e l’angolo attraverso la lunghezza dei bracci dì leva sull'asse di rotazione indipendentemente dalla dimensione dell'elettrodo. Ne risultano del vantaggi come per esempio un serraggio parallelo delle coppie di elettrodi ed un pilotaggio più uniforme della forza attraverso la tensione applicata. Anche le dimensioni degli elettrodi perpendicolarmente all'asse di rotazione sono vantaggiosamente senza problemi, poiché non provocano una limitazione del massimo angolo di spostamento. Con l'attuatore micromeccanico secondo l'invenzione si possono generare delle grandi forze. In questo modo sono possibili altri campi d’applicazione.

Vantaggiosamente, l'angolo di spostamento massimo (angolo di rotazione) è impostabile attraverso la geometria dell'asse di rotazione. L'attuatore micromeccanìco secondo l'invenzione può essere realizzato anche più semplicemente ed economicamente. Attraverso il collegamento del mezzo d'azionamento con l'albero per mezzo di un'articolazione è per esempio possibile scegliere una disposizione esemplificata di elettrodi d'azionamento, poiché non si deve prevedere uno spazio per l'oscillazione degli elettrodi in seguito ad uno spostamento angolare degli elettrodi stessi. L'attuatore può essere quindi vantaggiosamente realizzato tramite micromeccanica superficiale con una minima profondità di lavorazione nel substrato. Ciò consente una lavorazione unilaterale del substrato. Ne consegue nuovamente un'esemplificazione dì processo, il che porta ad un risparmio dei costì e ad un migliore risultato.

Ulteriori realizzazioni vantaggiose dell'invenzione sono esposte nelle sottorivendicazioni.

Disegni

La fig. 1.1 illustra un attuatore micromeccanico su un microspecchio nella posizione di riposo allo stato della tecnica.

La fig. 1.2 illustra un attuatore micromeccanico su un microspecchio spostato allo stato della tecnica, La fig. 2,1 illustra una sezione trasversale dell 'attuatore micromeccanico con elettrodi a pettine in posizione di riposo allo stato della tecnica.

Le figg. 2.2 e 2.3 illustrano rispettivamente una sezione trasversale di un attuatore micromeccanico con elettrodi a pettine spostati a seconda della tensione applicata secondo lo stato della tecnica.

La fig. 3 illustra le condizioni geometriche su una sezione trasversale di una coppia di elettrodi di un attuatore micromeccanico spostato allo stato della tecnica.

Le figg. 4.1 a 4.8 illustrano differenti forme esecutive di attuatoti micromeccanici spostai nella posizione di riposo.

Esempi esecutivi

Alcuni esempi esecutivi dell'invenzione sono illustrati nelle figure e verranno descritti a seguito più dettagliatamente.

La fig. 1.1 illustra un attuatore micromeccanico su un microspecchio in posizione di riposo allo stato della tecnica. È illustrato un attuatore micromeccanico con un albero 10, il quale è collegato con il primo e il secondo mezzo d'azionamento 21 e 22. I mezzi d'azionamento 21 e 22 sono realizzati quali mezzi d'azionamento elettrostatici, i quali sono costituiti rispettivamente da un gruppo dì elettrodi mobili 61 e dì elettrodi fissi 62. Il primo ed il secondo elettrodo 61 e 62 formano rispettivamente una struttura di elettrodo a pettine. I primi elettrodi o elettrodi mobili 61 sono fissati sull'albero 10. I secondi elettrodi od elettrodi fissi 62 sono fissati sul substrato, il quale è disposto inferiormente alla struttura descritta, ma non illustrata. Ad un’estremità dell'albero 10 è disposto un microspecchio 15. In caso di rotazione o spostamento dell’albero 10 presso questa estremità in ragione di un determinato angolo viene spostato ossia ruotato anche il microspecchio 15 i ragione di questo angolo. L’albero 10 può essere fissato presso la sua altra estremità. La rotazione 10 è quindi eseguibile attraverso la torsione dell'albero 10. Nella fìg. 1.1, l'attuatore si trova in una posizione di riposo. Il microspecchio 15 non dovrebbe essere corrispondentemente spostato.

La fig. 1.2 illustra un attuatore micromeccanico su un microspecchìo spostato secondo lo stato della tecnica. Applicando una tensione U fra il primo ed il secondo elettrodo 61 e 62 dell'elemento ed un lato degli elettrodi fissi subentra una forza d'attrazione elettrostatica. Gli elettrodi 61 e 62 assoggettati alla tensione U si avvicinano reciprocamente. Di conseguenza, l'albero 10 viene ruotato in ragione di un angolo. Il microspecchio 15 fissato all'albero 10 viene anch'esso spostato.

Nelle figg. 2.2, 2.2 e 2.3 è illustrato l'attuatore micromeccanico ancora una volta in sezione trasversale allo stato della tecnica. La fig. 2.1 illustra una sezione trasversale attraverso l'attuatore micromeccanico allo stato della tecnica con elettrodi a pettine in un primo stato d’esercizio della posizione dì riposo. Fra il primo ed il secondo elettrodo 61 e 62 del primo o del secondo mezzo d'azionamento 21 o 22 non è presente alcuna tensione elettrica U. Le figg. 2.2 e 2.3 illustrano rispettivamente una sezione trasversale dell'attuatore micromeccanico allo stato della tecnica con elettrodi a pettine, diversamente spostati a seconda della tensione applicata. Nella fig. 2.2, nei disegno A in alto è presente una tensione, contrassegnata con ì simboli e -, fra il primo ed il secondo elettrodo 61 e 62 del primo mezzo d'azionamento 21. In seguito all'azione della forza elettrostatica dì attrazione F, i primi elettrodi a pettine 61 vengono tirati fra due elettrodi a pettine 62, e l'albero 10 ruota in una prima direzione in ragione di angolo di rotazione. Nella rappresentazione inferiore B è presente una tensione elettrica fra il primo ed il secondo elettrodo 61 e 62 del secondo mezzo d'azionamento 22. In seguito all'azione della forza elettrostatica di attrazione F, l'albero 10 ruota in una seconda direzione, la quale è opposta alla prima direzione, in ragione dì un angolo di rotazione. Nella fig. 2.3 è illustrato cosa accade quando l’albero 10 viene spostato oltre un determinato angolo di rotazione: La superficie dell'elettrodo sporgente inferiormente provoca una forza di ritiro FR, la quale è opposta alla forza F e limita quindi lo spostamento massimo possibile. Nel caso di due elettrodi superficiali sovrapposti, al posto degli elettrodi a pettine qui illustrati, lo spostamento viene limitato a priori dalla geometria. Quando l'elettrodo mobile 61 urta sull'elettrodo fisso 62, allora lo spostamento viene meccanicamente limitato. Una tale limitazione meccanica dello spostamento è data anche nel caso di elettrodi a pettine, quando la mobilità dell'elettrodo 61 urta sul substrato disposto inferiormente alla struttura.

La fig. 3 illustra le condizioni geometriche su una sezione trasversale dì una coppia di elettrodi di un attuatore micromeccanico secondo lo stato della tecnica allo stato spostato. Dalla fig. 3 risulta la dipendenza della lunghezza 1 dell'elettrodo mobile dall'angolo a, dall'angolo di rotazione o dall'angolo dello spostamento, e dallo spessore d come segue:

1 = d/tan a.

Con un desiderato angolo di a = 10° ed uno spessore degli elettrodi di d = 20 pm ne risulta quindi per esempio una lunghezza massima degli elettrodi dì approssimativamente 1 = 113 μπ\. La forza F massima raggiungibile può essere aumentata solo attraverso un prolungamento dell'asse di rotazione oppure anche un corrispondente collegamento in parallelo di numerosi elettrodi ossia mezzi d'azionamento, il che aumenta tuttavia la superficie di base necessaria della struttura sul substrato.

Le figg. 4.1 a 4,8 illustrano differenti forme esecutive di attuatorì micromeccanici secondo l'invenzione nella posizione di riposo e spostati.

Nella fig. 4.1 è illustrato un attuatore mìcromeccanìco secondo l’invenzione secondo una prima forma esecutiva nella posizione di riposo. L'attuatore micromeccanico presenta un substrato 100, sul quale è disposto un elettrodo fisso 62. Sopra il substrato 100 sono disposti un albero 10 ed un elettrodo mobile 61. L'elettrodo mobile 61 e l’elettrodo fisso 62 formano insieme un primo mezzo d'azionamento 21, mentre l'elettrodo mobile 61, quale parte del primo mezzo d'azionamento 21, è collegato con l’albero 10 per mezzo di una prima articolazione 31. L’articolazione può essere prevista per esempio quale molla flessibile. La prima articolazione 31 è collegata a tale scopo con una prima leva 41, la quale è collegata in modo fisso a sua volta con l'albero 10. In alternativa, la prima articolazione 31 può essere collegata anche direttamente con l'albero 10 ad una distanza dall'asse di rotazione dell'albero 10. L'elettrodo mobile 61 e l'elettrodo fisso 62 sono realizzati quali elettrodi a pettine. L'articolazione 31 è realizzata quale collegamento flessibile, almeno parzialmente conduttivo. Il collegamento impostato almeno parzialmente conduttivo garantisce un collegamento elettricamente conduttivo fra l'elettrodo mobile 61 e l'albero 10. In questo caso è illustrato un primo stato di funzionamento dell ' attuatore mìcromeccanico, vale a dire lo stato di riposo.

Nella fig. 4.2, 1'attuatore mìcromeccanico secondo l'invenzione è realizzato secondo una prima forma esecutiva allo stato spostato. Lo stato spostato rappresenta un secondo stato funzionale del1'attuatore mìcromeccanico. In questo stato, l’albero 10 è ruotato in una prima direzione di rotazione. In seguito ad una tensione elettrica applicata, come già sopra descritto con riferimento allo stato della tecnica, vengono tirati uno nell'altro in seguito ad una forza elettrostatica il primo ed il secondo elettrodo 61 e 62 realizzati quali elettrodi a pettine del primo mezzo d'azionamento 21. Attraverso l'articolazione 31 secondo l'invenzione è però possibile, a differenza dello stato della tecnica, ritirare l'elettrodo mobile 61, non solo ad un angolo differente da zero, ma parallelamente all'elettrodo fisso 61 ed al substrato 10 verso ossia all'interno dell'elettrodo fìsso.

Nelle figg. 4.3 e 4.4 è riprodotto un attuatore micromeccanico secondo l'invenzione secondo una seconda forma esecutiva allo stato spostato. Diversamente dal primo esempio esecutivo, si prevede in questo caso un ancoraggio 50, il quale è fissato sul substrato 100. Inoltre si prevede una seconda leva 42. Il primo mezzo d'azionamento 21 è collegato per mezzo di una terza articolazione 33 con un'estremità della seconda leva 42. L'ancoraggio 50 è collegato per mezzo di una quarta articolazione 34 con l'altra estremità della seconda leva 42.

Nelle figg. 4.5 e 4.6 è riprodotto un attuatore micromeccanico secondo l'invenzione secondo una terza forma esecutiva nella posizione di riposo ed allo stato spostato. A differenza dai precedenti esempi esecutivi, dì fronte al primo mezzo d'azionamento 21 sull’albero 10 si prevede un secondo mezzo d'azionamento 22 uguale, 11 quale serve per lo spostamento nel senso di rotazione opposto. Il secondo mezzo d'azionamento 22 è collegato per mezzo di una seconda articolazione 32 allo stesso modo come il primo mezzo d'azionamento 21 con l'albero 10. La rappresentazione della zona dell’attuatore con il secondo mezzo d’azionamento è solo parziale. La rappresentazione del primo mezzo d'azionamento 21 vale anche per il secondo mezzo d'azionamento 22. Come illustrato per il primo mezzo d'azionamento 21, il primo ed il secondo mezzo d'azionamento 21 e 22 sono collegati per mezzo di una terza articolazione 33 direttamente con un ancoraggio 50.

Il secondo mezzo d'azionamento 22 può però coadiuvare anche lo spostamento nella prima direzione di rotazione, in quanto i primi ed i secondi elettrodi del secondo mezzo d'azionamento vengono assoggettati a cariche uguali.

In un altro stato d'esercizio, anche al primo mezzo d'azionamento 21 ed al secondo mezzo d'azionamento 22 si può applicare allo stesso modo una tensione U per provocare uno spostamento traslatorio dell'albero 10, rispetto al substrato 100 senza rotazione. Lo spostamento traslatorio e quello rotatorio possono essere combinati fra loro anche in un altro stato funzionale.

Sono pensabili ulteriori forme esecutive dell’invenzione, in particolare anche altre combinazioni delle articolazioni secondo l'invenzione e della loro disposizione.

La forma e lunghezza delle leve descritte 41 oppure anche 42 possono essere adattate all'applicazione desiderata, come anche l'ancoraggio 50 al substrato 100. In particolare si possono in questo modo adattare il momento torcente e l'angolo di rotazione. E' per esempio pensabile anche di prevedere la terza articolazione 33 come una molla più lunga differentemente realizzata, la quale garantisce inoltre l’isolamento elettrico verso il substrato 50 oppure è fissata anche senza un proprio ancoraggio 50 direttamente al substrato 100. In alternativa, l’invenzione può essere impiegata anche per elettrodi superficiali al posto di elettrodi a pettine. In questo caso, il controelettrodo fìsso 62 è strutturato sul substrato 100 ed attraverso l’applicazione di una tensione elettrica U si riduce solo la distanza fra i due elettrodi. Lo spostamento massimo risulta dal contatto meccanico degli elettrodi 61 e 62. Inoltre una o più articolazioni 31, 32, 33, 34 secondo l'invenzione possono essere realizzate elastiche oppure flessibili in qualsivoglia modo, per cui risultano di lunghezza variabile e consentono quindi una mobilità traslatoria del primo od anche del secondo mezzo d'azionamento 21, 22, in particolare una mobilità traslatoria dell'elettrodo mobile 61 rispetto all'albero 10.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Attuatore micromeccanico con un albero (10) e con almeno un primo mezzo d'azionamento (21), caratterizzato dal fatto che l'albero (10) ed il primo mezzo d'azionamento (21) sono collegati per mezzo di una prima articolazione (31).
2. Attuatore micromeccanico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che si prevede una prima leva (41), - laddove la prima leva (41) è collegata presso una sua estremità con l'albero (10), - laddove la prima leva (41) è collegata presso la sua altra estremità per mezzo della prima articolazione (31) con il primo mezzo d'azionamento (21).
3. Attuatore micromeccanico secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che si prevede un secondo mezzo d'azionamento (22) e l'albero (10) ed il secondo mezzo d'azionamento (22) sono collegati per mezzo di una seconda articolazione (32).
4. Attuatore micromeccanico secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che il primo e/o il secondo mezzo d'azionamento (21, 22) sono collegati per mezzo di una terza articolazione (33) con un ancoraggio (50).
5. Attuatore micromeccanico secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che si prevede una seconda leva (42), - laddove il primo e/o il secondo mezzo d'azionamento (21, 22) è collegato per mezzo della terza articolazione (33) con un'estremità della seconda leva (42), - laddove l'ancoraggio (50) è collegato per mezzo di una quarta articolazione (34) con l’altra estremità della seconda leva (42),
6. Attuatore micromeccanico secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che almeno il primo e/o il secondo·mezzo d'azionamento {21, 22) è un mezzo d'azionamento elettrostatico con almeno un primo elettrodo (61) ed un secondo elettrodo (62).
7. Attuatore micromeccanico secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che l'articolazione (31, 32, 33, 34) consente anche una mobilità traslatoria del primo e/o del secondo mezzo d'azionamento (21, 22) rispetto all’albero (10).
8. Attuatore micromeccanico secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che 1<1>attuatore è disposto sulla superficie di un substrato (100) e l'ancoraggio (50) è collegato con il substrato (100) .