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Die
Erfindung betrifft einen magnetischen Aktor nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Aus
P. Krippner, J. Mohr, SPIE Vol. 3878 (1999), p. 144 ist ein magnetischer
Aktor bekannt, der aus einer Spule auf einem Kern mit Luftspalt
und einem Anker besteht. Der Anker ist mit Hilfe von Federelementen
aufgehängt,
so dass er im Luftspalt des Kerns schwingen kann. Kern und Federelemente sind
an einem Ende auf einem Substrat befestigt.
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Die
US 2 985 793 offenbart einen
magnetischen Aktor, der ebenfalls aus einer Spule auf einem Kern
mit Luftspalt und einem Anker besteht, der mit Hilfe von Federelementen
aufgehängt
ist, so dass der Luftspalt des Kerns schwingen kann. Kern und Federelemente
sind auch hier an einem Ende an einem Träger befestigt, wobei die Enden
des Kerns, die den Luftspalt bilden, seitlich in einer Ebene gegeneinander
versetzt und punktsymmetrisch zu einer Welle angeordnet sind. Der
Anker ist ebenfalls punktsymmetrisch zur Welle und damit zum Symmetriezentrum
des Kerns, so dass der Anker um eine Achse, die senkrecht zum Träger steht
und durch das Symmetriezentrum führt,
oszillieren kann.
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Weiterhin
beschreibt die
US 5 834 864 einen magnetischen
Aktor mit einem Anker, der mittels mäanderförmiger Blattfedern, die rechteckig
sein können,
aufgehängt
ist.
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Aus
M. Klöpzig
et al: A magnetically levitated optical scanner developed for Laser
TV, Proc. Opto 98, S. 41–46
ist ein rotierender Aktor bekannt, der durch ein Magnetfeld reibungsfrei
gelagert ist. Diese Anordnung wird erreicht durch einen feinwerktechnisch
hergestellten Gesamtaufbau, der jedoch nicht beliebig verkleinert
werden kann. Durch die rotierende Bewegung wird der Winkelbereich
kontinuierlich durchfahren und nicht periodisch. Der Antrieb erfolgt elektrostatisch,
was relativ hohe Ansteuerspannungen oberhalb der geforderten Schutzkleinspannung erfordert.
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Des
weiteren ist aus H. Guckel et al: A first functional current excitated
planar rotational magnetic micromotor, Proc. MEMS 93, S. 7–11, ein
rotierenden Aktor, der reibend gelagert ist, bekannt. Durch die
rotierende Bewegung wird der Winkelbereich kontinuierlich durchfahren
und nicht periodisch. Der Antrieb erfolgt elektromagnetisch. Zusätzlich lässt sich
bei dem hier gezeigten Konzept nur eine Erregerspule mit relativ
wenigen Windungen realisieren, so dass zum Betrieb größere Ströme erforderlich sind.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Aktor der e. g. Art so auszugestalten,
dass eine periodische Winkelbereichsänderung bei kleiner Bauform
und bei geringen Ansteuerspannungen möglich wird.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben
vorteilhafte Ausgestaltungen des Aktors.
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Der
erfindungsgemäße magnetische
Aktor hat folgende besonderen Vorteile:
- – Verringerung
der Baugröße
- – Monolithischer
Aufbau
- – Variable
Scanfrequenz und Ablenkwinkel
- – Herstellung
im Batchverfahren
- – Elektromagnetischer
Antrieb mit gegenüber elektrostatischen
Antrieben stark verminderten Ansteuerspannungen
- – Tolerant
gegenüber
Partikeln
- – reibungsfrei
arbeitendes System und damit verbunden lange Lebensdauer
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Die
Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel mit Hilfe der
Figur näher
erläutert.
Dabei zeigt die Figur die schematische Darstellung einer Ausführungsform.
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Durch
die Wahl der Anordnung von Federn und schwingender Masse führt diese
vorzugsweise eine Drehbewegung um eine gedachte feststehende Achse
aus, ohne dass es zu einer anderen Bewegungsform kommt. Dies ist
für den
Einsatz z. B. in optischen Anwendungen entscheidend, da hier ein
Ausweichen des bewegten Teils zu einer Änderung im optischen Strahlengang
und damit zu Abbildungsfehlern führen
würde.
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Die
Aufhängung
der bewegten Masse an Federn führt
dazu, dass der Aktor im Gegensatz zu den meisten mikrotechnisch
umsetzbaren Rotationsaktoren reibungsfrei arbeitet. Dadurch kommt
es zu keinen Leistungsverlusten durch Reibung. Außerdem ist gerade
in Mikroaktoren der Verschleiß durch
Reibung eine die Lebensdauer des Bauteils stark beeinflussende Größe.
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Der
Antrieb erfolgt elektromagnetisch. Hierzu ist eine Spule integriert,
die einen Eisenkreis aus hochpermeablem Material periodisch erregt.
Der Eisenkreis besteht aus einem feststehenden Kern und dem rotatorisch
oszillierenden beweglichen Teil (Anker). Die Ausführung als
elektromagnetischer Aktor hat den Vorteil, dass im Vergleich zu
anderen Aktorprinzipien (z. B. Piezoaktoren, elektrostatische Aktoren)
mit geringen Spannungen unterhalb 12 V gearbeitet werden kann. Dadurch
ist der Einsatz in portablen Geräten
mit Batterieantrieb möglich.
Durch den Betrieb mit Schutzkleinspannung ist der Einsatz am menschlichen
Körper
vereinfacht möglich.
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Das
Konzept des Aktors erlaubt durch die Wahl der Frequenz des Erregerstroms
und der Erregerstromstärke
eine Wahl der Oszillationsfrequenz und der Größe des Oszillationsswinkels,
da beide Größen nur
vom Erregerstrom abhängen
und erst in zweiter Linie von der Auslegung des Aktors.
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Eine
Massenproduktion ist durch den weitgehend monolithische mit Methoden
der Mikrotechnik hergestellten Aktor kostengünstig möglich. Dies ist bei den hier
zu erreichenden maximalen Abmessungen von 5 × 5 × 3 mm bei anderen Aufbauten,
die einen großen
Montageaufwand erfordern, nicht gegeben.
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Zur
Erzeugung des Aktors kommt das LIGA- Verfahren in Kombination mit
der sogenannten Opferschichttechnik, die die Herstellung beweglicher
Mikrostrukturen ermöglicht,
zur Anwendung. Zusätzlich wird
durch einen Planarisierungsschritt sichergestellt, dass die Höhenmaße des Aktors
genau eingehalten werden, um die Integrationsfähigkeit der Spule in den Kern
des Aktors sicherzustellen. Dieses Verfahren ist in Th. Kunz, J.
Mohr, A. Ruzzu, K.D. Skrobanek, U. Wallrabe, J. Micr. Mech. (1999),
Microsys. Techn.6 (2000) p. 121 beschrieben.
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Auf
einer Aluminiumoxidkermik wird eine Chrom/Gold-Schichtfolge nacheinander
und eine Titanschicht (Opferschicht) aufgesputtert. Durch optische
Lithographie und Flusssäureätzen wird
die Opferschicht in den Bereichen, auf denen später feststehende Mikrostrukturen
entstehen sollen, entfernt. Anschließend wird das Titan oxidiert,
um eine gute Haftung in den Folgeprozessen zu gewährleisten.
Die Galvanikform als Negativstruktur wird durch Aufkleben von PMMA-Röntgenresist
und Strukturierung durch Röntgentiefenlithographie
mit an schließendem nass-chemischen
Auflösen
der bestrahlten Bereiche erzeugt. Anschließend wird Permalloy (79%Ni
und 21%Fe) in diese Form galvanisch abgeschieden. Nachdem Entfernen
des Röntgenresists
durch erneutes Bestrahlen und nass-chemisches Auflösen wird
die Opferschicht entfernt. Im Anschluss daran werden die Aktoren
vereinzelt.
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Die
Spulenkörper
werden in einem ähnlichen Prozess
hergestellt. Hierbei wird jedoch auf die Chrom/Gold-Schicht verzichtet
und mit einer unstrukturierten Opferschicht gearbeitet. Nach dem
Auflösen der
Opferschicht werden die Körper
vollständig
vom Substrat abgelöst.
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Bevor
die Spule in den Aktor eingesetzt wird, werden auf dem Spulenkörper die
vorgegebenen Lagen Kupferdraht (Durchmesser 20μm) gewickelt.
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Die
Figur zeigt eine Aktoranordnung bei der zur Vereinfachung das Substrat
weggelassen wurde. Die Substratebene stimmt mit der Papierebene überein.
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Oben
ist die Spule 1 auf einem getrennten Teilkern dargestellt.
Dieser Teilkern ist mit dem Restkern 2 mit Hilfe von Vertiefungen
und Zapfen verbunden. Durch Maßhaltigkeit
der Passung wird optimaler Magnetfluss gewährleistet. Diese zweiteilige
Kernaufbau hat den Vorteil, dass die Spule einfacher gewickelt werden
kann. Einteiliger Aufbau ist auch möglich. In diesem Ausführungsbeispiel
sind für
die Spule 500 Wicklungen in 5 Lagen vorgesehen. Die asymmetrisch
ausgestalteten Enden der Kerns 2 sorgen in Verbindung mit
dem dazwischen liegenden Anker 3 für magnetischen Schluss und
somit für
ein resultierendes Drehmoment um eine Achse durch das Symmetriezentrum 7 bei
Anlegen eines Magnetfeldes. Links und rechts vom Anker 3 sind
mäanderförmige Blattfedern 3 oberhalb
bzw. unterhalb des Symmetriezentrums 7 angebracht. Das
freie Ende der Federn ist jeweils mit Hilfe eines Haltblocks 4 mit
dem Substrat verbunden.
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Bei
dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die geschwungene Blattfedern in Aufsicht zu sehen. Der periodisch
geschwungene Verlauf dieser Mäanderfedern
begünstigt
die Drehbewegung. Der Verlauf der Federn ist stetig beispielsweise
sinusförmig.
Durch Wahl der Periodenlänge
und Periodenanzahl kann die Federsteifigkeit eingestellt werden.
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Bei
einer periodischen elektro-magnetischen Anregung wird durch die
resultierenden Drehmomente der federnd aufgehängte Anker zu einer periodischen
Schwingung angeregt.
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Durch
Wahl geeigneter Massen und Federkonstanten kann die Resonanzfrequenz
in weitem Rahmen bestimmt werden.
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Im
Ruhzustand ist der Luftspalt zwischen Anker 3 und Enden
des Kerns 2 trapezförmig.
Dadurch wird sichergestellt, dass in Ruhelage des Ankers bereits
eine ausreichende Kraft bei eingeschalteten Feld auf ihn wirken
kann. Die Stromstärke
wird so gewählt,
dass im resonanten Betrieb bei Maximalausschlag des Anker der Luftspalt
parallel und nicht breiter als 5 μm
ist. Dieser trapezförmige
Luftspalt wird in diesem Ausführungsbeispiel
durch Anschrägen
der Enden des Kerns 3 erreicht. Dies könnte auch durch Anschrägen des
Ankers erreicht werden.
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Die
mit Ziffer 6 bezeichneten Löcher sind Montagehilfen für elektro-optische
oder mechanische oder elektro-magnetische Komponenten. Durch Verwendung
eines Spiegels als elektrooptische Komponente kann der Aktor als
Lichtzeiger oder zu Lichtmodulation verwendet werden.
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Die
Abmessungen A und B betragen 7 bzw. 5 mm. Die Höhe (Z-Richtung in der Abbildung) des Ankers 3 des
Kerns 2 und der Federn 5 beträgt 280 μm und die Spule 1,5 mm. Die
Breite der Federn 5 beträgt ca. 10 μm.