CN103787265A

CN103787265A - 机械部件和用于机械部件的制造方法

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Publication number: CN103787265A
Application number: CN201310756891.9A
Authority: CN
Inventors: W·海因策尔曼; M·I·阿尔迪布斯; R·施特劳布; S·安布鲁斯特; S·平特; F·N·恩吉蒙齐; J·穆霍; H·格鲁特杰克; S·赖斯
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2033-10-25
Also published as: DE102012219660A1; US20140118005A1; US10589988B2; CN103787265B; DE102012219660B4

Abstract

本发明涉及一种机械部件，所述机械部件具有保持装置(50)、可调节部件(52)、第一传感器装置(64a)、第二传感器装置(64b)，所述可调节部件借助至少一个第一弹簧(54a)和至少一个第二弹簧(54b)通过围绕轴线(56)可调节的方式连接，其中，所述旋转轴线(56)延伸穿过所述第一弹簧(54a)在所述保持装置(50)上的第一锚定区域(58a)和所述第二弹簧(54b)在所述保持装置(50)上的第二锚定区域(58b)，所述第一传感器装置具有至少一个设置在所述第一弹簧(54a)上和／或中的第一电阻，所述第二传感器装置具有至少一个设置在所述第二弹簧(54b)上和／或中的第二电阻，其中，所述第一传感器装置(64a)包括第一惠斯登半电桥(65a)并且所述第二传感器装置(64b)包括第二惠斯登半电桥(65b)，其中，所述第一惠斯登半电桥(65a)和所述第二惠斯登半电桥(65b)连接成惠斯登全电桥。本发明也涉及一种用于机械部件的制造方法。

Description

机械部件和用于机械部件的制造方法

技术领域

发明涉及一种机械部件。此外，本发明还涉及一种用于机械部件的制造方法。

背景技术

图1示出一种传统的机械部件的示意图。

图1中示意性给出的传统的机械部件具有可调节部件10，所述可调节部件通过第一弹簧12a和第二弹簧12b与保持装置14连接。第一弹簧12a在其与保持装置14连接的一端部处具有如在DE10 2010 029 074A1中描述的那样的连接结构16。第二弹簧12b是在没有这种连接结构16的情况下构造的。

在连接结构16上构造惠斯登全电桥18，该惠斯登全电桥的四个电阻R1～R4嵌入到第一弹簧12a上或中。惠斯登全电桥18在第一触点20处接地并且在第二触点22处与电源电压连接。此外，可以在惠斯登全电桥18的第三触点26处和第四触点28处量取和分析处理电压信号MVMl和MVPl。关于惠斯登全电桥18的其他功能参考DE10 2010 029 074A1。

发明内容

本发明实现一种具有权利要求1所述的特征的机械部件和一种具有权利要求11所述的特征的用于机械部件的制造方法。

本发明的优点

如下面更详细地阐述的那样，本发明提供具有由至少第一传感器装置和至少第二传感器装置组成的传感器系统的机械部件，其中，能够基于至少第一传感器装置和至少第二传感器装置的有利的连接产生一个总信号，在机械部件的运行期间可以在所述总信号中生成／提供具有所不期望的临界模式(干扰模式)的(自动的)“最小化”的输出信号。通过这种方法尤其可以(自动地)“滤除”在频谱中对应干扰模式的和将干扰调节器系统的频率。因此，本发明能够实现相对较简单地构造的和因此成本有利的调节器系统的利用。

因此，本发明能够实现(压阻式)电桥连接或者至少两个半电桥的组合，所述组合能够(自动地)抑制或滤除属于潜在干扰模式的频率。所不期望的信号的这种自动“滤除”不需要附加的元件，例如滤波器。此外，所述滤除既不损害可调节部件的可调节性也不损害机械致动器的其他功能作用。尽管自动滤除，可由至少两个传感器装置实现的传感器系统仍然具有有利的灵敏度和良好的偏移。

本发明可以借助压阻式半电桥实现。因此，本发明可以使用压阻式探测相对于电容式探测或感应式探测的优点，例如相对无干扰的信号和在可调节部件的偏转运动与由所述偏转运动引起的信号之间的有利的线性。

在一种有利的实施方式中，第一弹簧和／或第二弹簧沿着旋转轴线延伸。可调节部件也可以悬挂在第一弹簧和第二弹簧之间的中心。机械部件因此可以具有相对较简单的几何形状。但是，替代构造具有沿着旋转轴线延伸的扭簧或具有可调节部件的中心悬挂的机械部件，也可以选择其他的弹簧类型——例如曲折形弹簧或用于机械部件的其他几何形状。

有利地，机械部件包括致动器装置，借助所述致动器装置可以激励可调节部件围绕旋转轴线进行振动运动。致动器装置例如可以包括静电致动器、磁致动器和／或压电式致动器。因此，可以使用大量成本有利的致动器装置用于机械部件。但是，机械部件的可构造性并不限于在此描述的致动器。

在一个有利的扩展方案中，机械部件包括控制装置，借助所述控制装置能够控制致动器装置进入至少一个运行模式中，在所述至少一个运行模式中能够激励可调节部件围绕旋转轴线进行准静态振动运动。如下面更详细地阐述的，机械部件特别有利地设计用于阻止／抑制在可调节部件的准静态振动运动期间出现的谐振干扰模式。

控制装置可以附加地设计用于在准静态振动运动期间以第一旋转速度将可调节部件调节到围绕旋转轴线的第一旋转方向上，并且以借助大于第一旋转速度的第二旋转速度将可调节部件回调到围绕旋转轴线的与第一旋转方向相反定向的第二旋转方向上。基于机械部件的有利的构造能够容易地阻止在相对较快地将可调节部件回调到第二旋转方向上期间激励所不期望的谐振干扰模式。因此，机械部件可以有利地用于投影仪／图像投影仪中的逐行书写。

当可调节部件如此与保持装置连接，使得能够使可调节部件处于至少两个固有模式／固有振动中时，上述优点也能够得到保证。大量以下的固有模式／固有振动也不／几乎不损害可调节部件的所期望的准静态运行：可调节部件能够处于所述固有模式中。基于惠斯登(Wheatstone)半电桥的有利的连接(实现)可以抑制至少一个干扰模式的信号。因此，可以防止至少一个干扰模式／干扰频率的信号出现在调节器回路中并且以所不期望的方式影响该调节器回路。因此，也可以使用设计简单的调节器系统来控制机械部件。

机械部件可以是微机械部件。至少机械部件的子单元尤其可以是由一个半导体衬底结构化出。因此，上面提到的优点可以用于大量的微机械部件。

在一种有利的实施方式中，在第一弹簧和／或第二弹簧中构造连续的空隙，所述连续的空隙将相应的第一弹簧和／或第二弹簧划分成至少两个弹簧分段

尤其是两个连续的空隙可以将第一弹簧和／或第二弹簧划分成三个平行的分段。因此，可以在机械部件上实现一种弹簧悬挂，所述弹簧悬挂保证，在可调节部件的调节运动中在惠斯登半电桥的电阻中出现相对较高的机械应力。

在另一个有利的扩展方案中，可调节部件通过至少一个中间弹簧与悬挂在第一弹簧和第二弹簧之间的驱动体连接。因此，机械部件也可以设计为双振动系统，在所述双振动系统中一方面可以使驱动体相对于保持装置处于一种振动运动中，并且另一方面可以使可调节部件相对于驱动体处于另一种振动运动中。

在用于机械部件的相应的制造方法中也保证上面列举的优点。能够实现所述制造方法的根据从属权利要求的扩展方案。

附图说明

下面根据附图解释本发明的其他的特征和优点。附图示出：

图1：一种传统的机械部件的示意图；

图2a～2i：用于解释机械部件的第一实施方式的示意图和坐标系；

图3：机械部件的第二实施方式的示意图；和

图4：一种用于解释制造方法的实施方式的流程图。

具体实施方式

图2a～2i示出用于解释机械部件的第一实施方式的示意图和坐标系。

在图2a中示意性地示出的机械部件具有保持装置50和可调节部件52，其中，可调节部件52借助至少一个第一弹簧54a和至少一个第二弹簧54b与保持装置50连接。在图2a中部分地又放大地示出的弹簧54a和54b将可调节部件52如此与保持装置50连接，使得可调节部件52能够相对于保持装置50至少围绕旋转轴线56调节。旋转轴线56延伸穿过第一弹簧54a在保持装置50上的第一锚定区域58a和第二弹簧54b在保持装置50上的第二锚定区域58b。在图2a中放大地示出锚定区域58a和58b。

在图2a～2i的实施方式中，可调节部件52具有至少一个光学活性面52a，例如镜面。但是机械部件的可构造性并不限于这种可调节部件52。

第一弹簧54a和／或第二弹簧54b尤其分别可以是沿着旋转轴线56延伸的扭簧。但是，对于弹簧54a和54b，机械部件的可构造性并不限于确定的弹簧类型。弹簧54a和54b例如也可以构造为曲折形。可调节部件52可以悬挂在第一弹簧54a和第二弹簧54b之间的中心。但是，替代中心悬挂也能够实现可调节部件52的非中心悬挂。

机械部件可以是微机械部件。尤其是元件50、52、54a和54b可以全部共同由一个半导体衬底或者一个SOI衬底结构化出。因此能够以有利地小的尺寸容易和低成本地制造微机械部件。

可调节部件52可以如此与保持装置50连接，使得能够使可调节部件52相对于保持装置50处于至少两个固有模式／固有振动中。如下面更详细地阐述的那样，即使能够容易地激励可调节部件52进入至少两个固有模式中也不会／几乎不会抵抗／干扰机械部件的所期望的非谐振的运行。

在图2a～2i的实施方式中，能够激励可调节部件52相对于保持装置50进行4个不同的固有模式M1～M4／固有振动。借助图2b～2e给出固有模式M1～M4。在图2b所示的固有模式M1中可调节部件52可以围绕旋转轴线56谐振振动。因此，在固有模式M1的情况下，可调节部件52相对于保持装置50执行旋转运动。

与此相对，在固有模式M2中可调节部件52沿着与可调节部件52的光学活性面52a的静止位置平行定向的轴线60振动。轴线60尤其可以与旋转轴线56垂直相交。此外，轴线60可以延伸穿过保持装置50和／或可调节部件52中心。固有模式M2是一种面内(In-Plain)延伸的平移运动。在固有模式M2的情况下，弹簧54a和54b对称弯曲。

固有模式M3借助弹簧54a和54b的非对称弯曲实现，由此，可调节部件52围绕与可调节部件52的光学活性面52a的静止位置垂直定向的中垂线62旋转。中垂线62尤其可以与轴线56和60垂直定向。固有模式M3是一种旋转的面内运动。

在图2e中示意性地给出的固有模式M4在弹簧54a和54b对称弯曲的情况下实现，在所述固有模式中可调节部件52沿着中垂线62运动。固有模式M4也可以说明为“平移式面外(Out-Of-Plain)运动”。

通常，使用至少一个传感器装置64a和64b用于具有可调节部件52的机械部件的运行，以便求取可调节部件52的所期望的和／或所不期望的运动，必要时增强或抑制它。在图2a中示意性地示出的机械部件因此具有第一传感器装置64a，所述第一传感器装置具有至少一个设置在第一弹簧54a上和／或中的第一电阻R1和R2。在机械部件中可以附加地使用第二传感器装置64b，所述传感器装置具有至少一个设置在第二弹簧54a上和／或中的第二电阻R3和R4。第一传感器装置64a包括第一惠斯登半电桥65a。第二惠斯登半电桥65b是第二传感器装置64b的组成部分。第一惠斯登半电桥65a和第二惠斯登半电桥65b连接成惠斯登全电桥。

在图2f中示出所连接的传感器装置64a和64b的电路图。触点66位于第一惠斯登半电桥65a的电阻R1和R2之间，在所述触点处施加电源电压UBV。第二惠斯登半电桥65b的电阻R3和R4之间的触点68接地。在第一惠斯登半电桥65a的电阻R1与第二惠斯登半电桥65b的电阻R3之间的触点70处可以量取信号MVM作为电桥输出电压。在第一惠斯登半电桥65a的电阻R2与第二惠斯登半电桥65b的电阻R4之间的触点72处可以量取另一个信号MVP作为电桥输出电压。应指出，不需要根据背景技术所需的加法器和／或微分器以提供／分析处理信号MVM和MVP。

机械部件优选也包括(未绘出的)致动器装置，借助所述致动器装置能够激励可调节部件52围绕旋转轴线56进行摆动运动。致动器装置例如可以包括静电致动器、磁致动器和／或压电致动器。但是机械部件的可构造性并不限于确定的致动器类型。

此外，机械部件可以包括控制装置，借助所述控制装置能够控制致动器装置。在图2a～2i的实施方式中可以借助(未显示的)控制装置控制致动器装置进入至少一个运行模式中，在所述运行模式中可以激励可调节部件52围绕旋转轴线56进行准静态振动运动。准静态振动运动可以理解为可调节部件52的一种非谐振的振动运动。在准静态振动运动时例如在低于100Hz的频率f处驱动可调节部件52。在图2a～2i的实施方式中示例性地借助对安装在可调节部件52上的(未绘出的)线圈进行驱动，由此可以感应生成磁场，所述磁场可以与(未示出的)永久磁铁的外磁场交互作用。

图2g示出一个坐标系，坐标系的横坐标是时间轴线t，纵坐标是流经线圈的电流的电流强度I。曲线图74给出电流变化曲线，在该电流变化曲线中以在两个旋转方向中相同的围绕旋转轴线56的旋转速度调节可调节部件52。但是优选借助曲线图76给出的说明为锯齿形的电流变化曲线。为此，控制装置设计用于在准静态振动运动期间以第一旋转速度将可调节部件52调节到围绕旋转轴线56的第一旋转方向上，并且随后以大于第一旋转速度的第二旋转速度将可调节部件52回调到围绕旋转轴线56的与第一旋转方向相反定向的第二旋转方向上。可调节部件52的光学活性面52a在这种情况下能够特别适用于，借助对准所述光学活性面的光束——例如激光束，书写一行投影的图像。机械部件因此特别有利地用在激光图像投影仪中。

通过快速地将可调节部件回调到第二旋转方向上使图像的逐行投影变得容易。但是，尤其在相对较快的回调期间相同频域中的高频部分也受到激励。图2h的坐标系示出激励信号中的高频部分的频繁性h。在此，可以看出，60Hz激励频率的多倍的频率也相对较频繁地受到激励。这当固有模式M1～M4由制造散射决定地与额定频率60Hz的多倍同时发生时尤其也会导致固有模式M1～M4的所不期望的激励。

但是，如果所不期望的固有模式M1～M4已被阻止了，则借助作为测量参量检测的电桥输出电压能够容易地和可靠地调节机械部件。因此，固有模式M1～M4不会干扰可调节部件52的所期望的准静态振动运动，例如在60Hz处。

图2i示出一个坐标系，其横坐标给出频率f，而纵坐标相应于出现的固有模式M1～M3的振幅A。曲线图78示出图2a～2i的实施方式的固有模式M1～M3的振幅。为了进行比较，在传统的部件的弹簧上构造的传统的全电桥的曲线图32也加入到图2i的坐标系中。

在比较图32和78时很突出的是，在作为所连接的惠斯登半电桥65a和65b的电桥输出电压分析处理的信号MVM和MVP中固有模式M3大大地受到抑制。基于两个惠斯登半电桥65a与65b的有利的连接充分利用以下优点：固有模式M3引起在电阻R1～R4中具有相同的数值但是相反的符号的机械应力。这也可以称作“固有模式M3的自动滤除”。因此，尽管固有频率f2和f3之间的间距相对较小，仍然能够清楚地区分与所述固有频率关联的固有模式M2和M3。这显著使得在机械部件的准静态运行期间至少一个干扰模式的所期望的抑制变得容易。

应指出，在图2a～2i中能够实现至少一个线性调节器的使用。因此，在作为分析装置使用的ASIC中相对较少的开发耗费、实现耗费和／或计算耗费足够。

图2a～2i的实施方式作为扩展方案在第一弹簧54a中和／或第二弹簧54b中具有至少一个连续的空隙80，所述连续的空隙将相应的第一弹簧54a和／或第二弹簧54b划分成至少两个弹簧分段。机械部件尤其在弹簧54a和54b中的每一个中在靠近锚定区域58a和58b处具有两个连续的空隙80，所述两个连续的空隙尤其彼此平行地延伸。两个连续的空隙80将相应的弹簧区段(Federabschnitt)分成三个平行的分段82。优选地，电阻R1～R4位于分段82上。通过这种方式能够可靠地保障，可调节部件52的调节运动引起电阻R1～R4中的机械应力(Spannung)／机械应力(Stress)。

图3示出所述机械部件的第二实施方式的示意图。

图3中示意性给出的机械部件具有上述元件。但是为了更好的清晰度，不在图3中对上述元件进行更详细的显示。

图3的机械部件是一个扩展方案，在所述扩展方案中可调节部件52通过至少一个中间弹簧84与驱动体86连接，所述驱动体悬挂在第一弹簧84a和第二弹簧84b之间。在驱动体86处例如可以设置线圈，所述线圈可用于感应生成磁场。所述至少一个中间弹簧84尤其可以在背离光学活性面52a的一侧接触可调节部件52，由此，尽管可调节部件52的相对较大的构造而驱动体86的相对较小的尺寸，仍然能够保证至少一个中间弹簧84的足够的弹簧长度。

在图3的机械部件中借助通过两个惠斯登半电桥65a与65b的压阻式探测不仅能够检测振动体52的所期望的运动而且能够检测振动体52的所不期望的运动。通过适当的调节能够使固有模式／干扰模式最小化或将其消除。在此，可以利用基于两个惠斯登半电桥65a与65b的有利的连接对至少一个固有模式的抑制。

图4示出用于解释制造方法的一种实施方式的流程图。

借助其中描述的制造方法例如可以制造上述机械部件。但是，该制造方法的可执行性并不限于制造这种机械部件。

在方法步骤S1中，可调节部件借助至少一个第一弹簧和至少一个第二弹簧如此与保持装置连接，使得在机械部件的运行期间相对于保持装置至少围绕一个延伸穿过第一弹簧在保持装置上的第一锚定区域和第二弹簧在保持装置上的第二锚定区域的旋转轴线调节可调节部件。在方法步骤S1中可调节部件例如可以与第一弹簧、第二弹簧和／或保持装置共同由一个半导体衬底结构化出。

在方法步骤S2中，构造具有至少一个设置在第一弹簧上和／或中的第一电阻的第一传感器装置和具有至少一个设置在第二弹簧上和／或中的第二电阻的第二传感器装置。借助第一惠斯登半电桥构造第一传感器装置。相应地，也给第二传感器装置配备第二惠斯登半电桥。此外，第一惠斯登半电桥和第二惠斯登半电桥连接成惠斯登全电桥。

因此，借助在此描述的方法能够制造实现上述优点的机械部件。方法步骤S1和S2的编号没有确定用于执行所述方法步骤的时间顺序。

Claims

1.一种机械部件，所述机械部件具有：

保持装置(50)；

可调节部件(52)，所述可调节部件借助至少一个第一弹簧(54a)和至少一个第二弹簧(54b)如此与保持装置(50)连接，使得所述可调节部件(52)能够相对于所述保持装置(50)至少围绕旋转轴线(56)调节，其中，所述旋转轴线(56)延伸穿过所述第一弹簧(54a)在所述保持装置(50)上的第一锚定区域(58a)和所述第二弹簧(54b)在所述保持装置(50)上的第二锚定区域(58b)；

具有至少一个设置在所述第一弹簧(54a)上和／或中的第一电阻(R1，R2)的第一传感器装置(64a)；和

具有至少一个设置在所述第二弹簧(54b)上和／或中的第二电阻(R3，R4)的第二传感器装置(64b)；

其特征在于，

所述第一传感器装置(64a)包括第一惠斯登半电桥(65a)并且所述第二传感器装置(64b)包括第二惠斯登半电桥(65b)，其中，所述第一惠斯登半电桥(65a)和所述第二惠斯登半电桥(65b)连接成惠斯登全电桥。

2.根据权利要求1所述的机械部件，其中，所述第一弹簧(54a)和／或所述第二弹簧(54b)沿着所述旋转轴线(56)延伸和／或所述可调节部件(52)悬挂在所述第一弹簧(54a)和所述第二弹簧(54b)之间的中心。

3.根据权利要求1或2所述的机械部件，其中，所述机械部件包括致动器装置，借助所述致动器装置能够激励所述可调节部件(52)围绕所述旋转轴线(56)进行振动运动。

4.根据权利要求3所述的机械部件，其中，所述机械部件包括控制装置，借助所述控制装置能够控制所述致动器装置进入至少一个运行模式中，在所述至少一个运行模式中能够激励所述可调节部件(52)围绕所述旋转轴线(56)进行准静态振动运动。

5.根据权利要求4所述的机械部件，其中，所述控制装置附加地设计用于在所述准静态振动运动期间以第一旋转速度将所述可调节部件(52)调节到围绕所述旋转轴线(56)的第一旋转方向上，并且随后以大于所述第一旋转速度的第二旋转速度将所述可调节部件(52)回调到围绕所述旋转轴线(56)的与所述第一旋转方向相反定向的第二旋转方向上。

6.根据以上权利要求中任一项所述的机械部件，其中，所述可调节部件(52)如此与所述保持装置(50)连接，使得能够使所述可调节部件(52)处于至少两个固有模式(M1～M4)中。

7.根据以上权利要求中任一项所述的机械部件，其中，所述机械部件是微机械部件。

8.根据以上权利要求中任一项所述的机械部件，其中，在所述第一弹簧(54a)和／或所述第二弹簧(54b)中构造连续的空隙(80)，所述连续的空隙将所述相应的第一弹簧(54a)和／或第二弹簧(54b)划分成至少两个弹簧分段(82)。

9.根据权利要求8所述的机械部件，其中，两个连续的空隙(80)将所述第一弹簧(54a)和／或所述第二弹簧(54b)划分成三个平行的分段(82)。

10.根据以上权利要求中任一项所述的机械部件，其中，所述可调节部件(52)通过至少一个中间弹簧(84)与悬挂在所述第一弹簧(54a)和所述第二弹簧(54b)之间的驱动体(86)连接。

11.一种用于机械部件的制造方法，所述方法具有以下步骤：

借助至少一个第一弹簧(54a)和至少一个第二弹簧(54b)如此将可调节部件(52)与保持装置(50)连接，使得在所述机械部件的运行期间相对于所述保持装置(50)至少围绕延伸穿过所述第一弹簧(54a)在所述保持装置(50)上的第一锚定区域的(58a)和所述第二弹簧(54b)在所述保持装置(50)上的第二锚定区域(58b)的旋转轴线(56)调节所述可调节部件(52)(S1)；

构造具有至少一个设置在所述第一弹簧(54a)上和／或中的第一电阻(R1，R2)的第一传感器装置(64a)；以及

构造具有至少一个设置在所述第二弹簧(54b)上和／或中的第二电阻(R3，R4)的第二传感器装置(64b)；

其特征在于以下步骤：

借助第一惠斯登半电桥(65a)构造所述第一传感器装置(64a)；

借助第二惠斯登半电桥(65b)构造所述第二传感器装置(64b)；以及

将所述第一惠斯登半电桥(65a)和所述第二惠斯登半电桥(65b)连接成惠斯登全电桥(S2)。