CN101316789B - 可偏转微机械元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可偏转微机械元件，并且该元件优选地可被平移式偏转，也可能以振荡的方式偏转。与已知的解决方案相比，本发明的目的是容许较大的偏转，且同时对侧向力和扭矩具有更好的抵抗能力。在这种情况下，在根据本发明的元件中提供了由至少一个弹簧系统所形成的悬挂装置。在弹簧系统中提供了以铰接方式与扭簧元件连接的连杆。弹簧系统的扭簧元件沿共用轴线和/或多条互相平行排列的轴线排列，并且至少一个扭簧被牢固地夹紧。

Description

可偏转微机械元件

技术领域

本发明涉及一种可偏转微机械元件。就此而言，偏转可在沿轴线平移中发生，但也可通过绕轴线枢转而发生。在平移式偏转时，具体地，相应轴线垂直于微机械元件的平面排列。偏转也能以振动的方式发生。例如静电驱动器概念这种本身公知的驱动器概念可用于这种偏转。

背景技术

对于最后提到的元件，又称作平移振荡器，平移振荡器悬挂在弹簧处，并且在平移式偏转时不应该倾斜。直式弯曲弹簧或折叠式弯曲弹簧可用于此弹簧。就此而言，抗横向力的刚度、对张力和扭矩的抵抗能力应该高。与此相对比，希望使用沿偏转方向比较柔软的弹簧。

通常，这种具有悬挂装置的元件是由共同基材以平面技术制成。就此而言，这些元件基本上是从一层进行二维蚀刻的。

众所周知，对直式弯曲弹簧而言，在他们内部有较大偏转情况下，张力的影响显得更加重要。因此，弹簧常数随偏转增大而增大。因此，这种弯曲弹簧具有渐变式弹簧特性。增加这种弯曲弹簧的长度从而减小这种影响，但这增加了所需的结构尺寸。

替代地，这也可以通过折叠或通过形成所谓的蛇形弹簧来实现。然而这种弹簧容易弯曲或扭曲。

关于悬挂装置的弹性效果，可利用某些参数来改进悬挂装置。然而，只有费力选择出或设计出沿偏转方向足够柔软、但对横向力、沿其它轴向的张力或扭矩的影响有抵抗能力的弹簧或弹簧系统，这才有可能。就此而言，通过蚀刻制成这种元件的有用基材材料的厚度小，也具有劣化效果。

就已知解决方案的悬挂装置而言，不同的弹簧元件均可特别地与在平移中可偏转的微机械元件一起使用。它们例如是杆簧(四弹簧元件，八弹簧元件，交叉弹簧元件等)、角弹簧(angular spring)、曲折形弹簧或蛇形弹簧。

然而，所有这些已知的解决方案都存在缺点。这些缺点涉及构造及制造的努力和/或花费较高，沿某些轴向或抗扭矩的刚度不足，以及不希望存在的弹簧特性的非线性特性。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种可以振荡方式偏转并且即使在较大偏转下对横向力和扭矩也不敏感的微机械元件。

根据本发明，这一目的由具有如权利要求1所述特征的元件来实现。本发明的有利实施方式和进一步的改进能够通过利用从属权利要求中指定的特征来获得。

关于根据本发明的元件，在待偏转的微机械元件处具有悬挂装置，所述悬挂装置由至少一个弹簧系统形成。在弹簧系统中，连杆以枢转方式连接到扭簧元件。所有扭簧元件沿共用轴线和/或沿多条互相平行排列的轴线排列，并且至少一个扭簧元件固定在固定夹具中。

就此而言，扭簧元件也形成相互连接的连杆之间的接合件，并且可利用已知技术容易并且简单地形成。

就此而言，扭簧元件能被加工成棒的形式，并且通过对某些横截面的观测，可发现扭簧元件的弹性力效果受到影响。因此，也可以将沿着扭簧元件纵轴线的不同横截面的几何形状和尺寸考虑进去。

连杆根据相同基底和相同材料的制造技术制成为扭簧元件。然而，就连杆的横截面几何形状而言，它们以如下方式制成，即它们至少在轴向上具有比扭簧元件高得多的对扭矩的机械抵抗能力。

当微机械元件处于无偏转状态下时，微机械元件、连杆以及扭簧元件可设置于同一平面内。

可偏转微机械元件的悬挂装置可由两个以相同方式制造并且能互相对称设置的弹簧系统形成。多于两个的弹簧系统应该分别以互相等角距的方式设置，并且应该具有对应的角方向。

弹簧系统应该进一步制成关于与扭簧元件的轴线垂直排列的轴线相对称。弹簧系统应该设置于扭簧元件的固定夹具之间的中心处。

扭簧元件的固定夹具应该具有尽可能大的连杆臂，并且应该因此可观察到间距，该间距在相应的弹簧系统与微机械元件接合的区域内至少是微机械元件的延伸范围的2/3大。然而，弹簧系统的这种固定夹具的较大间距是优选的。

此外，本发明还能够进一步有利地改进，并且更具体地，由于将已经连接到扭簧元件的连杆另外借助于加强元件连接，所以能够增加某些轴向上的刚度。

连杆除了借助于扭簧元件连接外，它们还能用弯曲弹簧元件连接。弯曲弹簧元件优选地直接地接合在微机械元件处。

本发明不但可用于传感器，而且也可用于致动器。例如，它们可用于加速度计、路径长度调节器或者还用作可枢转的反射元件(微镜)。在应用于光学路径长度调节时，本发明因此可用于共焦显微镜、傅立叶变换光谱仪或者还有光学相干断层扫描装置中(OCT)。

此外，可偏转元件可为镜子、及半透性的大量光学元件的骨架(光学透镜)、隔膜、波带片、快门、衍射光栅或以及空气动力绕流体。

本发明还可作为振荡器在加速度计、转速传感器、粘度传感器中使用，或者用作平衡弹簧。

对已知的解决方案而言，本发明的有利之处在于与偏转相关的力不一定通过附加的弹簧元件施加于该运动。

与弯曲弹簧元件相对比，实际中线性振荡器可通过使用以至少大体线性方式(复位扭矩随扭转角度线性增加)动作的扭簧元件来实现。

就此而言，悬挂装置或弹簧系统可全部或部分地以动臂结构的形式制成。

利用悬挂装置在较大张力情况下可实现微机械元件的较大偏转。因为活跃的即变形的结构(扭簧元件)比几何形状更复杂的非线性弯曲结构具有基本上更简单的特性，从而使设计和概念简化。

对所需空间的要求可同样减小。

能够用于本发明中的弹簧系统可与能够形成连杆结构的其他连杆连接。连杆结构可制成传统形状，例如，制成一个或多个蛇形的形式。

在可能的实施方式中，单个连杆也能以局部限定的方式制成，从而使这种所选定的连杆可能位于各自的位置并且所述连杆可以形成弯曲弹簧。

在下文中应该参考实施例对本发明进行解释。

附图说明

图中示出：

图1以两个视图示出根据本发明的元件的实施例，且下部图示以侧视图示出在平移时偏转的微机械元件；

图2类似地以两个视图并以示意性形式示出用于悬挂装置的简易弹簧系统；

图3示出弹簧系统的另外四个实施例；

图4示出具有成行配置的弹簧系统的另外四个实施例；

图5示出具有交错式平行配置的弹簧系统的两个实施例；

图6以两个视图示出连杆的枢转连接装置的两个实施例；

图7示出具有多于一个弹簧系统所形成的悬挂装置的三个实施例；和

图8是具有可绕轴枢转的微机械元件的实施例的两个视图。

不是所有元件在图中都有相应的附图标记。

具体实施方式

在图1中以两个视图示出根据本发明的元件的实施例。在上部示出的平面图中，清楚看到形成了具有两个弹簧系统的微机械元件1的悬挂装置，两个弹簧系统在微机械元件1处沿直径相对配置并通过连杆2’接合到微机械元件1。在连杆2的一侧，连杆2’借助于扭簧元件4以枢转方式连接到连杆2。在该连杆2的另一侧处，两个扭簧元件4又将该连杆2与另外两个相应的连杆2连接成枢转连接。后者所称的连杆2相对于扭簧元件4的轴线倾斜成斜角。在该连杆2的另一端处，又呈现扭簧元件4，扭簧元件4在一侧连接到这些连杆2的端面，并且在另一侧处相应地保持于固定夹具3中。

下部图示示出偏转的微机械元件1。平移时的偏转由双箭头用相应的运动轴线指示出。

可从图1的下部图示中看出，在微机械元件1偏转时连杆2和连杆2’未发生弯曲，并且弹性效果只通过扭簧元件4获得。

在该实施例中，两个弹簧系统中的每一个均形成动臂结构。

在图2中类似地以两个视图示出弹簧系统的简单结构。就此而言，微机械元件1与第一连杆2’连接。该连杆2’的另一端面与扭簧元件4以枢转方式连接，并且该扭簧元件4依次与另一连杆2连接。该连杆2和一与其平行排列的、在此具有相同长度和尺寸的连杆2以枢转方式连接到扭簧元件4。

与上述一个连杆2连接的扭簧元件4被保持在固定夹具中。

图2的下部图示再次示出微机械元件1偏转后的位置以及绕扭簧元件4的纵轴线枢转的连杆2。

在图2中示意性地示出简单的动臂式悬挂装置。

图3示出在微机械元件1处具有一个相应的弹簧系统的四个实施例。就此而言，在最左侧示出的实施例基本上与也在图1示出的实施例中所设计的那种弹簧系统对应。

在图3中从左起第二个所示出的实施例中，以一定倾斜角排列的连杆2另外连接到加强元件5与扭簧元件4成枢转连接。

图3右侧示出的两个实施例利用互相至少部分地平行排列的连杆2和连杆2’。就此而言，这些连杆2中的两个连杆以成角的形式制成，并且在最右侧的实施例中，这两个成角的连杆除与扭簧元件4连接外还类似地与加强元件5连接。

通过这种加强元件5的作用，尤其能使横向刚度增加。

如图3的左侧图示中由虚线所示的，这种弹簧系统制成对称的，并且弹簧系统的在此区域内配置的部分形成了动臂结构，且依次能在另一侧处发现与该动臂结构相对称的互补部分。

这种情况适于图3中所示的所有四个实施例。

图4示出在微机械元件1处更复杂地形成的弹簧系统。就此而言，由多个连杆2和连杆2’以及以枢转方式连接到这些连杆的扭簧元件4提供一种形成为多个动臂的成行配置。就此而言，这种动臂再次在右起第二个图中以虚线包围的区域标记出来。在左起第二个和最右侧的实施例中，再次呈现将连杆2附加地彼此连接的加强元件5。在最右侧示出的实施例中，形成了两个这样的加强元件5。

就弹簧系统的结构而言，还能以未示出的形式增加另外的连杆结构，该形式可以是一个半动臂形式。

为了获得较高的刚度，可将两个这种结构互相连接并设置成彼此紧邻。就此而言，对称的可移动部件应该互相连接。

由这种行配置可增大微机械元件1的最大偏转，而无需延长单独的连杆2和连杆2’。因此，也可提高设计紧凑性。

图5中示出可用作根据本发明元件的用于弹簧系统的另外两个实施例。这里在右侧示出的实施例中，加强元件5也对称地连接到连杆2。就此而言，在这两个实施例中都选用了交错式动臂结构的配置。此种情况下端部保持平行。因此，可以称之为“平行连接”。在平移中振荡并且只具有两个动臂结构的微机械元件1因此变得对倾斜更加稳定。相对于那种具有超过两个悬挂装置/弹簧系统并且将类似地避免倾斜的实施方式而言，这种实施方式具有单个元件更加紧凑和整体设计紧凑的优点。

由扭簧元件4实现的动臂和弹簧系统处的接合件能够用于两种实施方式中。这在图6中示出。在左侧图示中，扭簧元件4简单地连接到两个连杆2的相同端面处。在非偏转状态下连杆2互相平行且相邻。在左侧下图中示出偏转。在图6的右侧图中示出两个扭簧元件4。一连杆2与下扭簧元件4连接，且另一扭簧元件4连接到作为用于加强示例的连杆臂。右侧下图又示出这种在偏转中的实施方式。能够发现该图右侧示出的实施方式的优点在于增加了横向刚度。

多个弹簧系统作为在此制成圆形的微机械元件1的悬挂装置的可能配置由图7示出。在位于左侧的实施例中，两个弹簧系统互相沿直径相对设置。在中间示出位于此微机械元件1处的三个弹簧系统的对称配置。弹簧系统以彼此等角距的方式设置，使得能够绕微机械元件1的中心保持对称。在最右侧示出的实施例中，呈现两对弹簧系统，它们彼此沿直径相对设置。在这些实施例中，微机械元件1发生运动出附图平面和运动进附图平面的振荡式平移运动。

一般而言，可用于本发明的连杆2和连杆2’还可具有任何期望的形状，例如三角形或梯形。然而，连杆应该比接合件或扭簧元件4硬。

在由于微机械元件1绕轴振荡而发生微机械元件1绕轴枢转的动态变形时，所述动态变形由惯性引起，这些动态变形可通过在扭转轴线外侧设置另外的弹簧元件来减少。具有动臂结构的弹簧系统非常适用于这一目的，因为其在可以获得大的偏转的同时所需空间小并具有线性弹性行为。

在图8中示出对应的实施例。就此而言，能以振荡的方式绕扭转轴线枢转的微机械元件1的悬挂装置可由两个也用于图1实施例中的弹簧系统形成。另外，在微机械元件1处给出两个扭簧6，在非偏转状态时扭簧6位于与连杆2、连杆2’和扭簧元件4相同的平面内。扭簧6沿微机械元件1的扭转轴线设置。

在图8的下部图示中又示出已偏转位置。

Claims (19)

1.一种由悬挂装置保持的可偏转微机械元件，所述悬挂装置由弹簧系统形成，其特征在于，所述弹簧系统由以枢转方式与扭簧元件(4)连接的连杆(2、2’)形成；且所述弹簧系统的所述扭簧元件(4)沿共用轴线和/或沿多条互相平行排列的轴线排列，并且至少一个所述扭簧元件被牢固地夹紧；在所述微机械元件(1)的非偏转状态下，所述微机械元件(1)以及所有所述连杆(2、2’)和所述扭簧元件(4)位于同一平面内；所述微机械元件沿与所述平面垂直的方向发生振荡式平移运动；在所述微机械元件(1)的偏转方向上所述连杆(2、2’)比所述扭簧元件(4)对扭矩具有更大的机械抵抗能力，所述微机械元件(1)通过两个以上的弹簧系统悬挂，其中，所述弹簧系统以彼此等角距的方式布置。

2.如权利要求1所述的元件，其特征在于，所述连杆(2、2’)与所述扭簧元件(4)由共同的基材制成。

3.如前述权利要求中任一项所述的元件，其特征在于，至少两个相似的弹簧系统互相对称地布置。

4.如权利要求1或2所述的元件，其特征在于，所述弹簧系统的至少两个所述扭簧元件(4)沿直径互相相对地牢固地固定。

5.如权利要求1或2所述的元件，其特征在于，所述弹簧系统绕与所述扭簧元件(4)沿其排列的轴线相垂直排列的轴线对称地制成。

6.如权利要求1或2所述的元件，其特征在于，所述弹簧系统的所述扭簧元件(4)的固定夹具(3)以互相间隔一定间距的方式布置，该间距在相应的弹簧系统与所述微机械元件(1)接合的区域内至少是所述微机械元件(1)的延伸范围的2/3大。

7.如权利要求1或2所述的元件，其特征在于，与所述扭簧元件(4)连接的所述连杆(2)另外与加强元件(5)连接。

8.如权利要求1或2所述的元件，其特征在于，所述弹簧系统的两个连杆(2’)在所述微机械元件(1)处接合。

9.如权利要求1或2所述的元件，其特征在于，沿轴线设置的两个扭簧(6)另外接合于由两个弹簧系统保持并且可绕轴线转动的所述微机械元件(1)。

10.如权利要求1或2所述的元件，其特征在于，所述扭簧元件(4)具有沿其纵轴线改变的横截面。

11.如权利要求1或2所述的元件，其特征在于，所述弹簧系统的所述连杆(2、2’)与弯曲弹簧连接。

12.如权利要求1或2所述的元件，其特征在于，接合于所述微机械元件(1)处的所述连杆(2)设计为弯曲弹簧元件。

13.如权利要求1或2所述的元件，其特征在于，所述弹簧系统的扭簧元件(4)沿多条互相平行排列并且与所述微机械元件(1)相距不同间隔的轴线设置。

14.如权利要求1或2所述的元件，其特征在于，多于两个的弹簧系统分别以互相隔开相似的角间距设置和排列。

15.如权利要求1或2所述的元件，其特征在于，连接到所述扭簧元件的多个所述连杆(2、2’)以交错的形式形成平行回路。

16.如权利要求1或2所述的元件，其特征在于，一个或多个所述弹簧系统与其它形成连杆结构的连杆连接。

17.如权利要求16所述的元件，其特征在于，所述连杆结构制成蛇形形式。

18.如权利要求1或2所述的元件，其特征在于，所述连杆(2、2’)能够以局部限定的方式沿偏转方向在一个或多个所述弹簧系统处弯曲。

19.如权利要求1或2所述的元件，其特征在于，所述微机械元件被制成为传感器或致动器。

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