专利名称：包括致动器的静电马达的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及一种静电马达，所述静电马达特別地被包括在计 时器中以便驱动其移动.更特別地，本发明涉及一种包括静电致动器
的静电马达，所述静电致动器例如为交叉指型梳状(interdigited comb)致动器.
背景技术：
在现有技术中，特别是在WO专利No. 2004/081695中，已公知地 披露了一种在硅片中制成的微型马达，所述专利在此作为参考被引用. 在该文献中，该马达是通过对硅层进行蚀刻而制成的。该马达包括带 齿的驱动轮和致动指部，所述致动指部与所述轮的齿协同作用而导致 其旋转.每个致动指部在移动过程中被紧固到活动(mobile)梳上， 所述活动梳相对于固定梳而作为电压V的函数进行移动.
这种类型的交叉指型梳状致动器通常用于进行低功率机械致动， 例如用于光学开关中，且它们的运行通常并不是为了实现最大效率， 而是被优化以便实现最短的致动时间.在这种情况下，要使用大量能 量为该致动器提供功率，多余的能量在致动阶段结束时即被去除.就 节能而言这远非是一种最佳方案.
计时器通常由容量相对有限的电池供电，当这种类型的致动器被 整合在计时器中时，计时器移动马达的功率消耗非常关键且因此必须 尽可能降低这种消耗.
EP专利No. 1, 793， 208披露了一种包括静电致动器的伺服机构， 所述静电致动器包括第一固定电极结构和第二电极结构，所迷第二电 极结构可在第一位置与第二位置之间移动，所述电极结构具有可根据 该活动电极结构的位置而产生变化的静电电容.所述伺服机构还包括 低压电源如电池和由该电池供电的升压电路.该升压电路被连接以便 在两个电极结构之间产生电压，从而在该回定电极结构与该活动电极 结构之间产生静电力，
根据该现有技术文献的教导，有可能通过在所述电极结构之间施加具有"适当电压(right voltage)"的脉冲并使其"持续适当的时 间(right duration) w的方式优化该伺服机构的功率消耗.为了实 现这一点，该伺服机构还具有调节装置，所述调节装置用于将具有可 变持续时间的控制脉冲供应至升压电路.如果所述活动结构的位移幅 度小于阈值，則该调节装置会供应时间更长的控制脉冲，且如果所述 活动结构的位移幅度高于所述阈值，则该调节装置会供应时间更短的 控制脉冲.
根据所述文献，所述升压电路是逐步升压的充电器(step-up charger)型电感电路.因此，并未设置用于产生确定电位差的电压发 生器.在这种类型的电路中，控制脉冲的持续时间既会影响由升压电 路供应的脉冲的持续时间又会影响电压的行为.特别是，不可能与该 输出脉冲的持续时间无关地改变输出电压.
发明内容
本发明的目的是通过提供这样一种静电马达来克服上述缺点的， 所述静电马达包括静电致动器，且其中降低了马达驱动过程中的功率 消耗，
因此，本发明涉及一种包括致动器的静电马达，所述致动器具有 固定电极结构和活动电极结构，且所述活动电极结构旨在在被施加于 所述电极结构之间的静电力的效应下从被称作静止位置的第一位置向 被称作完全位移位置的第二位置进行循环移动，且随后在没有所述静 电力的情况下返回所述静止位置，所述马达进一步包括并励装置 (shunt means )，所述并励装置被连接在所述固定电极结构与所述活 动电极结构之间，从而使得一旦所述活动电极结构到达所述完全位移 位置，则对所述电极结构进行循环放电从而去除所述静电力，且所述 马达进一步包括发生器，所述发生器被连接在所述固定电极结构与所 述活动电极结构之间，从而通过在所述活动电极位于所述静止位置处 时开始进行充电的方式对所述电极结构进行循环充电，所述电极结构 所具有的静电电容作为所述活动电极结构沿所迷完全位移位置的方向 行进离开所述静止位置的路径的严格递增函数而进行变化.所述马达 的特征在于，所述发生器是被设置以便产生确定电压的电压发生器， 且特征在于， 一旦所述发生器已将为了完成循环同时以足够的速度驱动所述马达所需的静电能量供应给所述致动器，則所迷发生器停止对 所述电极结构的充电，即所述发生器在所述活动电极结构已到达所述 完全位移位置之前停止充电.
该静电马达比现有的解决方案更为高效，原因在于所产生脉冲的 持续时间作为为了驱动所迷马达所必需的电功率的函数受到调节，同 时还考虑到了由所述发生器供应的电压.
根据一种有利的变型，所述电压发生器包括用于从至少两个电平 且优选从四个确定电压电平中选择脉冲电压电平的装置，和用于在与 所选择的电压电平相关联的确定时间范闺内调节脉冲持续时间的装 置.通过选择电压电平，可使该电压发生器与所述静电马达所处的外
部条件，例如表的磨损条件，相适应.
根据一个有利的实施例，所述静电马达还包括用于测量所述活动
电极结构的位移的装置，且所述静电马达包括用于在所述活动电极结 节装i，在所述优^位置，，所述电极结构相对于所述静止位置处所
产生的电容增量等于c"' = ^^+c:《J'Q .
该解决方案的最大优点在于所述解决方案在高电压的极短脉冲 持续时间与低电压的极长脉冲持续时间之间实现了折衷.实际上，一
方面来说，由于通过由所迷电压发生器供应的能量对寄生电容进行充 电，因此电压越低，则损失的能量越少.另一方面，脉冲持续时间越 长，則致动器的电极结构的充电量越大.因此，保持尽可能短的脉冲 持续时间以便将致动器电极中的静电损失降至最小程度也是很重要 的.其解决方案在于对于寄生电容与实际电容之间的给定比率而言， 寻找这样一种折衷方案，以获得尽可能最低的电压从而实现优化的脉 冲持续时间.
根据一个有利的实施例，通过被连接至所述致动器的供应端子的 电荷泵对所述致动器电极结构进行充电，当达到优化的瞬态电容时， 使该电荷泵断开连接.该解决方案确保了将马达致动阶段以外的能量 损失降至最低程度.
根据一个有利的实施例，所述静电致动器是具有交叉指型梳状装 置的致动器。
所属领域技术人员通过阅读借助非限制性实例并结合附图给出的 本发明的下述具体实施方式
将会更清楚地理解本发明的其它特征和优 点，其中
图1示出了计时器的框图，所述计时器包括根据本发明的一个实
施例的静电马达；
图2是交叉指型梳状致动器的简化顶视图，所述致动器形成了根
据本发明的特定实施例的静电马达的其中一个构成部分；
图3是图2所示交叉指型梳状致动器的示意性剖视图；和 图4是示出了图2和困3所示致动器的电极结构中所涉及的静电 能量与活动电极结构的位置之间的函数关系的曲线困.
具体实施例方式
下面将仅通过非限制性实例并结合图l至图4对本发明进行描述.
图1示出了框图形式的计时器，图中特别示出了与本发明相关的 元件。该计时器包括装配有指示时间信息的指针2的刻度盘1.该指针 由一组齿轮3驱动，所述齿轮与静电马达5的机械接口 4啮合.借助 于静电致动器10对该马达进行致动.通过电脉冲为该致动器提供功率， 在本实例中，所述电脉冲是借助于由电子器件7控制的电荷泵8获得 的.有利地，图1所示的元件4、 5、 7、 8和10成一整体.
图2和图3示例性地示出了静电致动器IO的特定实施例，所迷致 动器具有能够驱动图1所示静电马达5的交叉指型梳状装置12.该致 动器IO是在晶体材料板或非晶体材料板，如硅片，上饪刻而成的.该 致动器IO优选用于通过掣子(click) 16驱动带齿的转子(未示出) 进行旋转，所述掣子可沿纵向方向Al进行移动，从而形成MEMS(微机 电系统)型的微型马达，
在该实例中，晶片14是绝缘体上硅(SOI)型晶片且包括厚硅基 板20、绝缘氧化硅中间层22和具有比基板20更小的厚度的顶部硅层 18,
致动器10此处在晶片14上占据着大体上呈矩形的表面.该致动 器在大体上呈矩形的壳体23中延伸，所述壳体在顶层18中且在中间 层22中是中空的.该壳体包括位于顶层18中的笫一框架和第二框架， 所述笫一框架被称作固定电极结构24，所述第二框架被称作活动电极
7结构26，所述活动电极结构沿着与基板20的平面平行的纵向方向Al 进行移动.该活动电极结构26通过位于前部的两个弹性返回元件28 和位于后部的两个弹性返回元件30而返回静止位置，所述弹性返回元 件是由将该活动电极结构26连接至位于基板20上的固定锚回装置31 的柔性梁形成的.这些固定锚回装置31被制于顶层18中且被电连接 至顶层18的被布置在壳体23周围的部分.
通过被施加在固定电极结构24与活动电极结构26之间的电压导 致活动电极结构26产生位移.根据如图所示的实例，固定电极结构24 被置于电位V下，而活动电极结构26被连接至晶片14的其余部分， 所述其余部分被接地.
还可以看到该固定电极结构24具有中心梁32和横向支路34， 所述中心梁在致动器IO的中心处沿纵向延伸，所述横向支路在该中心 梁32的任一側上在側部延伸.横向支路34还可被所属领域技术人员 称作"横向梳"。活动电极结构26具有被布置在中心梁32的任一側 上的两根纵向的側梁36、 38，和在固定电极结构24的橫向支路34之 间朝向该中心梁32延伸的横向支路40.两根側梁36、 38通过横构件 42在前部处，即在图2的左側处，进行连接，所述横构件在前部处承 栽着掣子16.
交叉梳12被分别布置在横向支路34、 40上.
为了在固定电极结构与活动电极结构之间产生确定电压Ud,电荷
泵8 (图1)必须将等于Cc"。(其中Cc她b是致动器电容)的电荷供 应给致动器IO.因而，所述被充电的致动器中所包含的静电能量等于
两个电极结构之间的电压U与静电力相关，该静电力具有使该活 动电极结构沿完全位移位置的方向移动远离静止位置的效应.此外， 我们已经看到电极结构的电容与该活动电极的行进路径存在严格递 增函数关系.该电容因此在静止位置处最小且在完全位移位置处最大. 该最小电容被称作寄生电容(Cp),当活动电极结构从静止位置移至完 全位移位置时出现的电容增加被称作最大有效电容(C",.,).因此， 应该清楚地看到完全位移位置处的致动器的总电容等于"+C,cu.
图4是在一次循环期间由电压发生器供应给致动器的总能量的曲线图.粗虚线所表示的曲线是根据现有技术的控制方法所供应的能量. 根据该方法，当活动电极结构位于静止位置处时，电压发生器被连接 至该致动器。被提供给该致动器的电荷导致活动电极结构沿其完全位 移位置的方向进行移动.当活动结构到达完全位移位置处时，该电压 发生器致动器被断开连接，且同时该并励装置被连接以便对致动器进 行放电并导致固定电极结构与活动电极结构之间的电压降回零值.
从上文可以看出致动器电容与活动电极结构从其静止位置产生 的位移存在类似严格递增的函数关系.这也是为什么图4的曲线图使 用致动器电容C^b作为横坐标，而不是直接使用该活动电极结构位置 的原因.应该注意该曲线的轴在坐标点Cp处相交，且Cp为活动电极 结构位于静止位置处时的致动器电容.该完全位移位置由对应于电容 Cp+C""的坐标点表示，还应该说明的是在图4所示的实例中，假设 电容比Cp/C,"—,等于l，且还假设由发生器供应的电压值U,为25伏特.
细虚线所表示的曲线在粗虚线曲线下方延伸，该细虚线曲线对应 于储存在致动器电容器中的静电能量.可以看到当活动电极结构位 于静止位置处时，储存在致动器中的静电能量对应于由电压发生器供 应的能量.换句话说，在静止位置处，所有的供应能量都被用来对寄 生电容进行充电，相反地，当活动电极结构位于完全位移位置处时， 该致动器电容值为寄生电容值的两倍，且所储存的静电能量值同样也 会加倍。然而，应该注意到对应于由发生器供应的总能量的粗虚线 要远高于细虚线，应该意识到粗虚线与细虚线之间的阴影线空间表 示该发生器所供应的已被转化成机械能量的那部分能量.正如该曲线 图所示，在该实例中，在循环结束时，实际上有三分之一的供应能量 被转化成机械能量.另外三分之二的能量在通过并励装置使两个电极 结构之间的电压返回零值时被损失了 .
粗实线对应于根据本发明的一个实施例所供应的能量.根据该实 施例，如前所迷，当活动电极结构位于其静止位置处时，该电压发生 器被连接至致动器.然而，根据本发明，在该活动电极结构远未到达 完全位移位置处之前，该致动器就与电压发生器断开了连接. 一旦致 动器与电压发生器断开连接，则保持恒定的致动器电荷，直至活动电 极结构到达完全位移位置.仅当到达该完全位移位置时，才通过并励 装置使电极结构之间的电压返回零值，在如图所示的实例中，假设由 发生器供应的电压112为32伏特 如图4的曲线所示，在循环结束时，对于该实例所选择的值而言， 由发生器供应的总能量对于电压U2和对于电压U,而言实际上是相同的 然而，这两条曲线的形状却有着很大区别.亊实上，该实线曲线迅速 升高而在电压发生器断开连接时达到一个平台，而虚线曲线的斜率则 直至该循环结束时都保持相同值.该实线曲线对应于致动器电容中积 聚的静电能量.如前所述，可以看到当活动电极结构位于静止位置 处时，积聚在致动器中的静电能量对应于由电压发生器供应的能量. 当活动电极结构移至位置C"f--在该位置处发生器断开连接一时，储存 在致动器中的静电能量与致动器电容成比例关系地增加.然而，在同 一路径上，由发生器供应的总能量更迅速地增加，且介于粗实线与细 实线之间的阴影线空间对应于由该发生器所供应的已被转化成机械能 量的那部分能量。
如图4的曲线所示， 一旦致动器和电压发生器已断开连接，则致 动器中所包含的静电能量逐渐降低.这种能量的降低是电荷被保持恒 定而致动器电容规则增加的直接后果。显然，致动器因此损失的静电 能量被转化成机械能.该曲线表明在该实例中，在该电压发生器所 供应的能量中，实际上有45X的能量被转化成机械能.另外55X的能量 在通过并励装置使两个电极结构之间的电压返回零值时被浪费了 .
图4的曲线说明了为什么根据本发明的静电马达的能量产量要优 于现有技术中的静电马达.申请人通过计算公式和经验对两种马达都 进行了检查，结果表明，从产量的角度来看，电荷泵与活动电极结构 断开连接所处的优化位置是致动器与静止位置相比的电容增量为 =+c。。, j.c,-c,时所处的位置.当然，应该意识到如果电荷泵 电压足以在缩短的电荷泵连接时间期间供应所有必需的静电能量的 话，则该位置仅是优化的位置.
根据本发明的一个特别简单的实施例，静电马达包括控制装置，
环中都供应相同的脉冲.预定的脉冲持续时间基于活动电极结构从静 止位置移至优化位置所花费的预计时间.此外，由电荷泵供应的恒定 电压被确定，从而使得每个脉冲都能提供为使该致动器以足够的速度 完成一个循环所必需的静电能量.应该指出的是优选在确定该电压 时留出一定的余量，从而使得可利用附加的少量能量应对在阻力转矩 产生的任何波动，所述阻力转矩会对抗马达的运转.可以看到，在该实例中，本发明的静电马达被用于驱动模拟手表 的显示构件.本申请的一个特征在于，该静电马达应力能够根据手表 的磨损条件产生相当程度上的波动.此外，通常情况下，技术人员可 认为将致动器连接至显示构件的机械系统的效率会随着手表使用年限 的增加而逐渐退化.为了防止这种变化损害手表的适当运行，本发明
的有利实施例使得可使用至少一个调节环路来确定该电荷泵所供应脉 冲的电压和持续时间.该调节环路包括用于测量活动电极结构的位移 的装置，在该实例中，这些位移测量装置甚至是由两个部分组成的. 亊实上，该马达包括位置测量装置，所述位置測量装置用于測量致动 器电容，或换句话说用于测量给定瞬间的活动电极位置，且该马达还 包括用于测量由电荷泵供应的电流的装置，所述装置被用作测量活动 电极结构的瞬时速度的装置，
在该实例中，位置测量装置包括具有已知电容G的电容器，该电 容器与由两个电极结构形成的电容Cc"串联连接，且该位移测量装置
还包括用于评估具有电容CA的电容器的两个端子之间的电压lh的装
置。给定时刻下的电极结构的电容器Cc。。b与由电荷泵供应的确定电压
Uo与电容器端子处的电压U,之比存在以下关系
如果所选择的电容C,相对于电极结构的电容Ce。,b而言是足够大的，则 两个电极结构之间的电压实际上等于由电荷泵供应的电压UD,在这种 条件下
另一种可选方式是，位置测量装置可包括三个电容器并符合EP专 利No. 1, 793, 208所述的内容.
就速度测量装置而言，在该实例中，这些速度测量装置包括被连 接在电荷泵与致动器的两个电极结构的其中一个电极结构之间的电流 检测器，以便测量致动器电荷的速度增量.由于致动器电荷与电容成 比例关系，因此电流强度与电容的增加速度成比例关系，或更确切地 表示为如下公式
<formula>formula see original document page 11</formula>在构成本实例主题的实施例中，由电荷泵供应的确定电压U。可在
四个不同值之间切换，例如28、 40、 55和80伏特.该特征使得在 位置测量装置指示该致动器的能量不足以完成循环时，将由电荷泵供 应的电压切换至更高的值.示例性地，该位置测量装置可在其位移循 环结束时检查该活动电极结构是否实际到达了完全位移位置.所述检 查可例如通过就在通过被连接在电极结构之间的并励装置对所述电极 结构进行放电之前检查致动器电容Cc。》b是否实际达到了 CP+C,"- 的值的 方式来实现。
在本实例中，可以看到该位移测量装置不仅包括位置测量装置， 而且还包括用于测量活动电极结构的速度的装置.因此，根据本实例， 该位移测量装置还用于实时检查被供应给该致动器的能量是否足以使 其在足够的速度下驱动该马达.因此，在该实例中，速度测量装置被 布置以便在电荷泵被连接至致动器的阶段期间测量该活动电极结构的 速度.当由速度测量装置测得的电流对应于比笫一阈值更低的速度时， 该调节装置就会延长电荷泵与致动器的相连时间，使其超出为使该活 动电极结构到达优化位置通常所需的时间.
此外，该速度测量装置还被设置以使得，对于将要由静电马达在 输出端供应的给定转矩而言，当被供应给致动器的能量的量不必要地 较高时，通过该速度测量装置降低该能量的量.因此，当由速度测量 装置测量到的电流对应于比第二阈值更高的速度时，该调节装置通过 将由电荷泵供应的电压切换至更低的值而做出反应.
所属领域技术人员应该理解该位移测量装置绝非必须由两个部 件组成.实际上，根据笫一变型，这些装置可限于位置测量装置，而 在笫二变型中，相反地，这些装置可限于速度测量装置.还应该意识 到所属领域技术人员易于在不偏离由所附权利要求书限定的本发明 的保护范闺的情况下，对说明书中描述的本发明的多个实施例作出多 种改变和/或改进.
1权利要求
1、一种包括致动器(10)的静电马达(5)，所述致动器(10)包括固定电极结构(24)和活动电极结构(26)，所述活动电极结构被设置以便在被施加于所述电极结构(24、26)之间的静电力的效应下从被称作静止位置的第一位置向被称作完全位移位置的第二位置进行循环移动，且随后在没有所述静电力的情况下返回所述静止位置，所述马达(5)进一步包括并励装置，所述并励装置被连接在所述固定电极结构(24)与所述活动电极结构(26)之间，从而使得一旦所述活动电极结构(26)到达所述完全位移位置，则对所述电度结构进行循环放电从而去除所述静电力，且所述马达(5)进一步包括发生器(8)，所述发生器(8)被连接在所述固定电极结构(24)与所述活动电极结构(26)之间，从而通过在所述活动电极(26)位于所述静止位置处时开始进行充电的方式对所述电极结构进行循环充电，所述电极结构所具有的静电电容(CComb)作为所述活动电极结构(26)沿所述完全位移位置的方向行进离开所述静止位置的路径的严格递增函数而进行变化，所述马达(5)的特征在于，所述发生器(8)是用于产生确定电位差(UD)的电压发生器(8)，且其特征在于，一旦所述发生器(8)已将为了完成循环同时以足够的速度驱动所述马达(5)所需的静电能量供应给所述致动器，则所述发生器(8)停止对所述电极结构的充电，即所述发生器(8)在所述活动电极结构(26)已到达所述完全位移位置之前停止充电。
2、 根据权利要求1所述的静电马达，其特征在于，所述静电马达 包括用于控制所述致动器(10)的功率供应的调节装置(7),且其特 征在于，所述调节装置被设置以便在所述活动电极结构(26)大约位 于优化位置处时使所述发生器(8)停止对所述电极结构(24、 26)充 电，在所述优化位置处，所述电极结构的所述电容(Cc。,J等于
3、 根据权利要求2所述的静电马达，其特征在于，所述静电马达 包括用于测量所述活动电极结构的位移的装置，且其特征在于，所述 电压发生器(8)可在多个预定输出电压(UD)之间进行选择性切换， 且其特征在于，所述调节装置(7)被设置从而使得当所述活动电极 结构(26)在循环结束时并未到达所述完全位移位置时，通过所述调节装置对所述电压发生器(8)进行控制从而选择更高的输出电压.
4、 根据权利要求3所述的静电马达，其特征在于，用于所述活动 电极结构(26)的所述位移测量装置被设置以便测量所迷活动电极结 构的速度，且其特征在于，所述调节装置(7)被设置从而使得如果 所测得的活动电极结构速度过低，则通过所述调节装置使所述电压发 生器(8 )在超出所述优化位置的情况下延长对所述电极结构(24、 26 ) 进行充电的阶段，以便防止为达到所述完全位移位置所需的时间过长.
5、 根据权利要求3所述的静电马达，其特征在于，用于所迷活动 电极结构(26)的所述位移测量装置被设置以便测量所迷活动电极结 构的位置，且其特征在于，所述调节装置(7)被设置从而使得如果 所述活动电极结构(26)的静止位置与测量位置之间的距离小于阈值， 则通过所述调节装置使所述电压发生器(8)在超出所述优化位置的情 况下延长对所述电极结构(24、 26)进行充电的阶段，以便防止为达 到所述完全位移位置所需的时间过长.
6、 根据权利要求3所述的静电马达，其特征在于，所述电压发生 器(8)是电荷泵，所述电荷泵通过所述调节装置(7)断开连接以便 中断所述致动器(10)的充电阶段，
7、 根据权利要求3所述的静电马达，其特征在于，由所述电压发 生器(8)供应的电压(UD)可在至少四个电压电平之间进行切换.
8、 根据前述权利要求中任一项所述的静电马达，其特征在于，所 述致动器(10)是交叉指型梳状致动器.
9、 包括根据前述权利要求中任一项所述的静电马达的手表.
全文摘要
静电马达包括静电致动器(10)和用于通过足以驱动所述马达的能量对所述致动器进行致动的脉冲发生器(7、8)，所述脉冲发生器适于确定脉冲电压电平(U<sub>D</sub>)和缩短的脉冲持续时间，所述脉冲持续时间与该确定的电压电平(U<sub>D</sub>)和为驱动所述马达所需的电能之间存在函数关系，且所述脉冲持续时间与所述致动器的寄生电容(C<sub>P</sub>)和最大电容(C<sub>act_n</sub>)之间存在函数关系，以便降低致动器中的静电损失。
文档编号H02N1/00GK101677221SQ20091017351
公开日2010年3月24日 申请日期2009年9月15日 优先权日2008年9月16日
发明者M·比西格 申请人:伊塔瑞士钟表制造股份有限公司