CN101426717A - 用于悬挂可偏转的微型机械元件的扭力弹簧元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于悬挂诸如可围绕旋转轴线旋转的反射元件之类的可偏转的微型机械元件的扭力弹簧元件。因此，本发明的目的是，提供用于悬挂可偏转的微型机械元件的扭力弹簧元件，该扭力弹簧元件相对于已知的弹性件可在运转中获得改进的特性。根据本发明的扭力弹簧元件制成为，使得它们沿其纵向轴线方向具有变化的几何形状，从而具有非线性的弹簧特性。在这方面，该纵向轴线定向在夹具或支架和可偏转的微型机械元件之间，该机械元件由至少一个扭力弹簧元件保持。在这方面，根据本发明的扭力弹簧元件可具有沿纵向轴线方向定向的直线区域，并在至少一个端面上具有过渡到该直线区域的叉/分支。

Description

用于悬挂可偏转的微型机械元件的扭力弹簧元件
技术领域
本发明涉及一种扭力弹簧元件，其用于悬挂诸如可围绕旋转轴线枢转的反射元件之类的可偏转的微型机械元件。就此而论，这种枢转能以摆动的方式在两个具有预设旋转角的换向点之间进行。该枢转运动可通过静电驱动，或者以本身已知的方式利用不同的物理原理来驱动。
背景技术
为了保证驱动所需要的能量尽可能地低，这样的系统经常在保持共振条件被驱动。在这一点上，就必须注意到该系统的固有共振。这取决于多个参数。除自重之外，还必须考虑弹簧元件的弹簧特性和相应的偏转。在驱动功率恒定的情况下，当驱动器采用共振频率时，能够得到比驱动频率与共振频率不同的情况大得多的偏转。在该方面的出现的其他的问题将在下文中予以指出。
使用具有线性弹簧特性的弹簧元件来悬挂这种可偏转的微型机械元件。这也是系统中的示例，这些系统利用了由H.Schenk在“用于光的一维和二维偏转的创新微型驱动器”中描述的也称之为“面外电极刷(electrode comb)”的驱动原理，该文献是杜伊斯堡的德国杜依斯堡综合大学的2000年的学位论文。
出现滞后效应，并且还必须注意到，在正常情况下，仅利用超出共振频率(固有频率)的驱动频率用于保持共振条件。这种操作不能由较小的驱动频率所得到。如果没有达到共振频率，这种状态就会消失，并仅能在显著高于共振频率的驱动频率(通常为共振频率的四倍)下才能再次启动。在相应于双倍的共振频率的驱动频率下，可以进行具有共振条件永久操作。
出于此目的需要严格的规则，其中，还必须要考虑相位。
但是，不能频繁使用微型机械元件最大的可能偏转，这是由于在处于共振频率附近的运转中存在风险，即在驱动频率的较低波动时振荡偏转就已经被破坏了。还必须注意到，最大偏转(振幅)的稳定性在极大程度上取决于位于共振频率附近的相应的驱动频率。由此，驱动频率在该范围中的较小变化导致了变化相当大的偏转。
在应该在共振条件下运转的这种系统中，努力避免对共振频率的影响，其在运转中导致共振频率变化。这适用于相应的偏转的影响和所使用的弹簧元件的弹簧特性，该弹簧元件应至少在工作范围中具有线性的弹簧特性。利用不同弹簧特性，共振频率的变化同样取决于相应的偏转，这导致在增大偏转时在递减的弹簧特性的情况下，朝较小的共振频率方向移动，并在递增的弹簧特性情况下，朝较大的共振频率方向移动。
还应考虑称为“吸附”的效应，该效应不利地具有这样的结果，即不能利用最大的可能偏转来可靠地避免对这样一种系统造成机械损伤。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种用于悬挂可偏转的微型机械元件的扭力弹簧元件，它相对于已知的弹性元件，可在运转中获得改进的特性。
根据本发明该目的是通过权利要求1所述的扭力弹簧元件得以实现。通过利用在从属权利要求中指出的特征，可实现本发明的有利实施例和进一步的发展。
根据本发明的扭力弹簧元件制成为，使得它们沿其纵向轴线方向具有变化的几何形状，从而具有非线性的弹簧特性。
在这方面，纵向轴线定向在夹具或支架和可偏转的微型元件之间，该可偏转的微型元件由至少一个扭力弹簧元件保持。
在这方面，根据本发明的扭力弹簧元件可具有沿纵向轴线方向定向的直线区域，以及该直线区域结合到其中的叉/分支。因而，这种扭力弹簧元件可至少大致形成“Y”型。
在这种扭力弹簧元件上的一个或多个叉/分支制成具有肢的V型或U型。这些肢在它们的外端面上连接至可偏转的元件或连接至支架/夹具。
在叉/分支上可以构成至少两个肢。当然，还可存在多于两个的肢。这些肢又通过例如制成横向腹板形式的部分来连接。
叉/分支的肢可以是直线形的。它们还可彼此平行或平行于纵向轴线定向。
叉/分支的肢也可以是弯曲的。
在扭力弹簧元件上形成的叉/分支应该相对于纵向轴线对称。
根据本发明的扭力弹簧元件的可能的实施例在至少在一个端面处形成三角形，其连接于直线形的区域。
在扭力弹簧元件的端面上形成的叉/分支可具有不同于彼此的形状，并需要时可直接彼此连接，以致在该扭力弹簧元件上，不必存在沿纵向轴线方向定向的直线形区域。
但是，扭力弹簧元件的叉/分支还可沿纵向轴线方向具有不同的长度和/或肢数。这可通过不同于彼此的叉/分支的肢长来实现。
连接至叉/分支或以这种方式伸展的区域构成为，使得它沿纵向具有变化的抗扭截面系数。这可以通过诸如变化的横截面之类的简单方式来实现。在这方面，可改变横截面面积。
优选地，该抗扭截面系数的变化可以选择为沿纵向轴线方向是连续的。
在这方面，该抗扭截面系数可沿纵向轴线方向增大至达到最大，而后，可在下文中再次减小。
在根据本发明所述的扭力弹簧元件中，还可在两个直线形的区域之间构成具有肢的分支，其中这些肢在该分支上存在相互不同的定向。这种分支的肢可相对于纵向轴线垂直、平行和/或以非直角倾斜的角度定向。
通过相应的适合的设计和尺寸，能够制成具有适于应用的弹簧特性的扭力弹簧元件。在这方面，可预设弹簧特性，其中，确定的弹簧力根据相应的偏转得到。由此，可呈现出根据本发明的扭力弹簧元件的弹簧特性，其中出现递减特征，而后出在较大偏转时出现递增特征。由此，在开始时和在较小偏转时需要的驱动力比在较大偏转的情况更小。偏转的扭力弹性元件的回复力同样以这种方式表现。因此，在平衡位置或中央位置附近的回复力较小；但是，至少在局部区域，在偏转时相对于相应的偏转和相应的力是非线性关系如在线性的弹簧特性中存在的。
虽然扭力弹簧元件实际上是单个的元件，但根据本发明的实施例，它类似地表现为“一系列连接”。根据本发明的扭力弹簧元件的弹簧特性可多次分级，并根据相应的偏转，来增大弹簧力。
在多个应用情况中，可避免或减少具有线性弹簧特性的弹簧元件的缺点。
以与常规弹簧元件相似的方式来制造根据本发明的扭力弹簧元件，其中仅考虑相应的设计因此不必增加制造成本。
根据本发明的扭力弹簧元件可存在于诸如微反射镜之类的反射元件，其可用于最具变化的扫描仪。
也可以应用于用于数据输出的装置，例如激光显示器、激光打印机、激光曝光装置等。
但是，在诸如压力传感器，粘度传感器或加速计的传感器中，还存在将扭力弹簧元件设置在可偏转的元件中的可能性。
具体实施方式
在下文中，借助于示于图1至7的示例，示意性地解释本发明。
因此，图1示出了用于根据本发明的扭力弹簧元件(扭力弹簧元件)的示例的可能实施例的八个示例。
在这方面，除了下面一行中的右侧所示的示例以外，在所有的示例中都存在沿纵向轴线定向直线形区域。在上面一行中所示的示例在端面处具有叉/分支，其构成为V型或U型。
示于下面一行中的示例在两端面处均具有叉/分支，其每一个可具有不同的设计，或者它们沿纵向轴线的长度是不同的。
示于下面一行中的最右面的示例由两个彼此直接相连的叉/分支形成，其中一个制成U型，另一个制成V型。
图2示出了四个其他的示例。在两个上部的示例中，具有多于两个肢的叉/分支在端面处连接于制成直线形的区域。
在示于底部的两个示例中，已设有V型或U型的叉/分支的它们在相对的端面处设有两个肢。
对于至此所解释的示例，对于所有的部件和区域均考虑到分别相等的横截面面积。但是，图3所示的两个示例中并不是这种情况。在此，一部分扭力弹簧元件通过横截面面积沿纵向轴线连续的改变而沿纵向轴线方向制成。从而，抗扭截面系数同样相应变化，这影响了在不同偏转时的弹簧特性。
图4示出了三角形的分支在端面处连接于制成直线的区域的示例。
在图5所示的示例中，在两个相对设置的端面处存在形成一对的两个相应的肢。在这方面，这两对的肢长是不同的，以致构成一对的两个肢所包括的角度同样是不同的。
在图6和7所示的示例中，存在分支，其设置在两个制成直线形的区域之间并连接至这两个区域。在分支上，再次存在多个肢，并且多个肢的定向彼此不同。
在根据图7的示例中，在端面处另外存在V型的叉/分支。

Claims (18)

1.一种用于悬挂可偏转的微型机械元件的扭力弹簧元件，所述扭力弹簧元件保持于悬挂装置上并连接至微型机械元件，其特征在于，所述扭力弹簧元件的几何形状沿其纵向轴线方向是变化的，因此所述扭力弹簧元件具有非线性的弹簧特性。
2.如权利要求1所述的扭力弹簧元件，其特征在于，沿所述纵向轴线方向定向的直线区域在至少一个端面处具有叉/分支。
3.如权利要求1或2所述的扭力弹簧元件，其特征在于，所述叉/分支制成V型或U型。
4.如前述权利要求中的一项所述的扭力弹簧元件，其特征在于，在叉/分支处存在至少两个肢。
5.如前述权利要求中的一项所述的扭力弹簧元件，其特征在于，在至少一个端面处形成三角形的区域。
6.如前述权利要求中的一项所述的扭力弹簧元件，其特征在于，所述扭力弹簧元件由彼此连接的两个不同设计的叉/分支形成。
7.如前述权利要求中的一项所述的扭力弹簧元件，其特征在于，位于所述扭力弹簧元件处的叉/分支沿所述纵向轴线方向具有不同的长度和/或不同的肢数。
8.如前述权利要求中的一项所述的扭力弹簧元件，其特征在于，连接至叉/分支的区域具有沿所述纵向变化的抗扭截面系数。
9.如权利要求7所述的扭力弹簧元件，其特征在于，所述抗扭截面系数连续地变化。
10.如权利要求7或8所述的扭力弹簧元件，其特征在于，所述抗扭截面系数增加到最大值，并随后沿所述纵向轴线方向减小。
11.如前述权利要求中的一项所述的扭力弹簧元件，其特征在于，在所述扭力弹簧元件处形成叉/分支形的V型或U型区域沿所述纵向轴线方向具有彼此不同的肢长。
12.如前述权利要求中的一项所述的扭力弹簧元件，其特征在于，所述扭力弹簧元件制成为相对于所述纵向轴线垂直对称。
13.如前述权利要求中的一项所述的扭力弹簧元件，其特征在于，所述叉/分支的肢制成直线形。
14.如前述权利要求中的一项所述的扭力弹簧元件，其特征在于，所述叉/分支的肢是弯曲的。
15.如前述权利要求中的一项所述的扭力弹簧元件，其特征在于，在两个制成直线的区域之间形成分支，所述分支具有多个沿相互不同的方向定向的肢。
16.如权利要求15所述的扭力弹簧元件，其特征在于，所述分支的肢相对于所述纵向轴线垂直、平行和/或以非直角倾斜的角度定向。
17.如前述权利要求中的一项所述的扭力弹簧元件，其特征在于，所述叉/分支相对于所述纵向轴线对称制成。
18.如前述权利要求中的一项所述的扭力弹簧元件，其特征在于，在较小偏转时，所述扭力弹簧元件具有递减的弹簧特性变化，它在偏转增加时转化为为递增的弹簧特征变化。
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