-
Die
Erfindung betrifft Mikroaktuatoren, die vielfältig, z.B. als Flächenlichtmodulator,
Scannerspiegel, optische Kreuzverbinder, Mikroventile, Mikroschalter,
Mikropumpen u.a. ausgebildet sein können und dann auch einen geringen
Raumbedarf erforderlich machend in großer Anzahl in Arrayform angeordnet
werden können.
Ein einzelner Mikroaktuator hat dabei Abmessungen die kleiner als
1 mm sein können.
-
An
Mikroaktuatoren ist üblicherweise
ein auslenkbares Element vorhanden, das elektrostatisch, magnetisch,
elektromagnetisch, unter Ausnutzung piezoelektrischer Effekte aber
auch durch thermische Ausdehnung definiert ausgelenkt werden kann.
-
Das
Element kann dabei translatorisch bewegt und/oder um eine oder mehrere
Achse(n) verschwenkt werden.
-
Die
auslenkbaren Elemente von Mikroaktuatoren sind dabei üblicherweise
mittels elastischer Rückstellelemente,
bevorzugt Federn gehalten. Für
die Auslenkung ist ein Spalt, vorgesehen, innerhalb dessen die Auslenkung
erfolgen kann. Das zur Verfügung
stehende Spaltmaß kann
aber bei einer großen
Klasse bekannter Lösungen
lediglich zu einem kleinen Teil, in der Regel ca. 25%, ausgenutzt
werden. Dies ist immer dann der Fall, wenn eine Auslenkung zumindest
annähernd
bzw. vollständig
parallel zu einem Feld erfolgen soll.
-
Dies
führt außerdem dazu,
dass für
die Ansteuerung der Auslenkung erhöhte Leistungen, insbesondere
höhere
elektrische Spannung und/oder Ströme erforderlich sind.
-
Herkömmliche
Mikroaktuatoren werden oft elektrostatisch bzw. elektromagnetisch
betrieben. Die Auslenkung erfolgt in eine Richtung, gegen die Kraftwirkung
elastischer Rückstellelemente,
die an auslenkbaren Elementen angreifen. Häufig sind dies Federn. Die
erreichbare Auslenkung kann mittels mechanischer Anschläge oder
durch Einstellung eines meta-stabilen Kräftegleichgewichts in einer
Position begrenzt bzw. eingestellt werden.
-
Im
Anschluß an
die zur Auslenkung ausgeübte
Kraftwirkung gelangt das auslenkbare Element in seine Ausgangsposition.
Eine Begrenzung der Rückstellbewegung
kann mit mechanischen Anschlägen
erreicht werden.
-
Bestimmte
Auslenkpositionen können
aber auch durch Einstellung eines meta-stabilen Kräftegleichgewichts
in einer vorgebbaren Auslenkposition eingehalten werden. Dieses
Kräftegleichgewicht
wird aber bei größe ren Auslenkungen
immer weniger stabil und die resultierende Auslenkposition immer
ungenauer.
-
Bei
häufig
eingesetzten Parallel-Platten-Kondensator Aktuatoren, verschwindet
beispielsweise die Stabilität
des Kräftegleichgewichtes
bereits bei 33% des zur Verfügung
stehenden Spaltmaßes.
Der für
die Auslenkung nutzbare Teil des zur Verfügung stehenden Spaltmaßes liegt
dabei unter Berücksichtigung
des Sicherheitsaspektes entsprechend unterhalb von 25%. Dies führt zu einer
erhöhten
Baugröße und außerdem dazu,
dass infolge des mindestens vierfach zu großen Spaltmaßes höhere elektrische Spannungen,
ggf. elektrische Ströme
zur Steuerung der Auslenkung erforderlich sind.
-
Zur
Einhaltung des meta-stabilen Kräftegleichgewichts
müssen
entsprechend der jeweiligen Auslenkposition Kräfte auf das auszulenkende Element
wirken. Dabei ist die elektrostatische Kraft proportional dem Quadrat
der angelegten elektrischen Spannung geteilt durch den jeweiligen
momentanen Plattenabstand zu Elektroden.
-
Bei
konstanter elektrischer Spannung und erhöhter Auslenkung sowie verringertem
Plattenabstand steigt die für
die Auslenkung erforderliche Kraft umgekehrt zum Spaltmaß bei einer
Auslenkung umgekehrt proportional unbegrenzt an.
-
Dagegen
steigt die Rückstellkraft
der Aufhängung
des auslenkbaren Elementes unter Berücksichtigung des Hooke'schen Gesetzes nur
linear mit der jeweiligen Auslenkung und dadurch kann kein Kräfteausgleich
bei großen
Auslenkungen des Elementes erreicht werden. Dieser Effekt wird üblicherweise
als „pull-in" be zeichnet.
-
In
Tanaka, H. K.; u.a. „Large
displacement control system beyond pull-in limitation"; Electrostatic Micro Cantilever"; IEEE 2002 wird
zur Vermeidung des "pull-in" eine elektronische
Steuerung vorgeschlagen. Dies macht den Einsatz eines Positionssensors
und eine schnellere Regelung des Aktuatorantriebssignals, als dessen
mechanische Reaktionszeit, erforderlich. Eine solche Lösung ist
sehr komplex und für
größere Arrays
mit Aktuatoren nicht geeignet.
-
In
anderer Form wird bisher diesem Problem mit sogenannten „Kammantrieben" entgegengetreten, die
elektrostatisch wirken. Dabei ist das elektrische Feld eines solchen „Kammantriebes" im wesentlich senkrecht
zur Auslenkbewegung ausgerichtet. Im Gegensatz dazu ist die Ausrichtung
des Feldes bei Parallel-Platten Aktuatoren parallel zur Auslenkbewegungsrichtung.
-
Die
Kraftkomponente in Richtung der Auslenkung eines „Kammantrieb" Aktuators wird durch
die Streufelder erzeugt, die von der jeweiligen Auslenkung unbeeinflußt bleiben.
Dadurch tritt eine wesentliche Erhöhung der für die Auslenkung erforderlichen
Kraft erst kurz bevor die Spitzen der Kammfinger die Basis des gegenüberliegenden
Kamms treffen auf. Der für
die Auslenkung nutzbare Bereich kann größer als die Hälfte des
Abstandes der Spitzen von Kammelementen und der gegenüberliegenden
Kammbasis sein. Die elektrostatischen Kräfte sind proportional dem Quadrat
der angelegten elektrischen Spannung: Die Auslenkung ist bei Einsatz
von Federn mit linearer Kennlinie aber nicht linear.
-
Aus
WO 03/073597 A1 ist die Verwendung gefalteter Federn mit mehreren
Abschnitten bekannt, die jeweils eine feste Federkonstante für kleine
Auslenkungen und schrittweise erhöhter Federkonstante für größere Auslenkungen
erreichen.
-
Auch
dies führt
nicht zu einer vollständigen
Linearität
von Auslenkung und jeweiliger elektrischer Spannung bzw. wirkender
Kraft. Der stabil für
die Auslenkung nutzbare Bereich wird so nur unwesentlich vergrößert. Durch
die schrittweise Erhöhung
der Federkonstante ergibt sich ein komplizierter Rückstellkraftverlauf,
der empfindlich von Herstellungsparametern abhängt. Insbesondere wenn eine
hochpräzise
Auslenkung gewünscht
ist, wirken sich diese Sprünge
negativ aus, da in bestimmten Auslenkungsbereichen bei sich sprunghaft
wechselnder Federkonstante keine präzise Auslenkung erreichbar
ist.
-
Es
ist daher Aufgabe der Erfindung Mikroaktuatoren zur Verfügung zu
stellen, die eine erhöhte
Auslenkung innerhalb eines zur Verfügung stehenden Spaltes und/oder
eine verringerte Leistung für
die Auslenkung, bei guter Einhaltbarkeit jeweils gewünschter
Auslenkbewegungen und -positionen, ermöglichen.
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit einem Mikroaktuator, der die Merkmale des Anspruchs
1 aufweist, gelöst.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit
den in den untergeordneten Ansprüchen
bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
-
Der
erfindungsgemäße Mikroaktuator
kann in vielen Punkten wie herkömmliche
Mikroaktuatoren ausgebildet sein und auch so angetrieben werden.
Dabei können
die für
die Auslenkung eines auslenkbaren Elementes er forderlichen Kräfte bevorzugt
elektrostatisch oder elektromagnetisch, ggf. aber auch magnetisch
aufgebracht werden, wobei im letztgenannten Fall eine Regelung der
magnetischen Feldstärke
durchführbar
sein sollte.
-
Die
Auslenkung des jeweiligen Elementes kann translatorisch oder rotatorisch
oder einer Kombination dieser Bewegungen erfolgen. Es kann aber
auch eine Verkippung erfolgen, insbesondere dann, wenn lediglich ein
Rückstellelement
an einem auslenkbaren Element angreift. In diesem Fall sind auslenkbare
Elemente, die eine hohe Steifigkeit und Festigkeit, besonders im
Vergleich zum jeweiligen Rückstellelement
aufweisen, zu bevorzugen.
-
Das
auslenkbare Element ist mittels mindestens eines elastischen Rückstellelementes,
bevorzugt einer Feder gehalten. Erfindungswesentlich ist dabei zumindest
bereichsweise die progressiv, bevorzugt überproportional mit der Auslenkung
ansteigende Rückstellkraftkennlinie
(Federkennlinie) bei steigender Auslenkung, so dass bei höheren Auslenkungen
auch überproportional
höhere
Rückstellkräfte wirken.
Bei kleineren Auslenkungen kann ein linearer Anstieg zugelassen
sein.
-
Vorteilhaft
greifen zwei solcher Rückstellelemente
an einem auszulenkenden Element an, die bevorzugt sich diametral
gegenüberliegend
an dem jeweiligen Element angreifen.
-
Rückstellelemente
können
dabei biegbar, verdehbar, dehnbar und/oder komprimierbar sein, wobei eine
Auswahl unter Berücksichtigung
der jeweils gewünschten
Auslenkbewegung möglich
ist. Ein oder mehrere Rückstellelement(e)
können
in unterschiedlicher Form, beispielsweise in zwei unterschiedlichen
Moden verformbar sein.
-
Werden
mehr als ein solches Rückstellelement
an einem auslenkbaren Element eingesetzt, sollten sie möglichst
identisch sein, was insbesondere auf die Dimensionierung und die
mechanischen Eigenschaften zutrifft.
-
Ein
erfindungsgemäßer Mikroaktuator
kann beispielsweise als Plan-Platten-Kondensator Aktuator ausgebildet
und dabei das elektrische Feld im Wesentlichen parallel zur Richtung
der Auslenkbewegung ausgerichtet sein.
-
Als
Rückstellelemente
können
Stab- oder Blattfedern eingesetzt werden, die durch ihre Gestaltung den
erfindungsgemäß gewünschten
Federkraftverlauf in Abhängigkeit
von der jeweiligen Auslenkung aufweisen.
-
Ein
solcher Federkraftverlauf kann durch komlexere Geometrien, wie z.B.
geknickte bzw. gekrümmte Stäbe oder
mit T-förmigen
Federn den Erfordenrnissen angepaßt werden.
-
Die
erfindungsgemäßen Mikroaktuatoren
können
so ausgebildet werden, dass eine Auslenkung über mindestens 1/3, bevorzugt
40% und besonders bevorzugt über
50 eines zur Verfügung
stehenden Spaltmaßes möglich ist.
Ist eine vergrößerte Auslenkung
nicht erforderlich, kann durch Verkleinerung des Spaltmaßes die für die Auslenkung
erforderliche elektrische Spannung (ggf. elektrischen Strom) reduziert
bzw. bei konstanter elektrischer Spannung die erreichbare Kraft
für die
Auslenkung erhöht
werden. Letztgenannter Effekt kann bei Rückstellelementen mit höherer Federkonstante die
Bruchgefahr verringern.
-
Der „pull-in" Effekt tritt entweder
nicht bzw. erst bei einer größeren Auslenkung
auf.
-
Die
Rückstellelemente
(Federn) können
in ihrer Dimensionierung und Gestaltung sowie der Befestigung am
auszulenkenden Element variiert und angepasst werden.
-
Nachfolgend
soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
-
Dabei
zeigen:
-
1 eine
perspektivische Explosionsdarstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Mikroaktuators;
-
2 in
schematischer Form einen eingespannten Biegebalken, der durch eine
Kraft nach dem Hooke'schen
Gesetz verbogen ist;
-
3 in
schematischer Form eine eingespannte Saite, die durch eine Kraft
ausgelenkt ist und Gegensatz zu 2 keine
Biegesteifigkeit aufweist;
-
4 ein
Diagramm von Rückstellkraftverläufen in
Abhängigkeit
von der Auslenkung für
unterschiedliche Federn;
-
5 ein
Diagramm erreichbarer elektrostatischer Kräfte bei unterschiedlichen elektrischen
Spannungen in Abhängigkeit
von der Auslenkung;
-
6 ein
Diagramm mit elektrostatischen und Rückstellkräften bei verschiedenen elektrischen
Spannungen mit unterschiedlichen Federn in Abhängigkeit von der Auslenkung;
-
7 ein
Diagramm mit elektrostatischen und Rückstellkräften bei verschiedenen elektrischen
Spannungen und unterschiedlichen Federn in Abhängigkeit von der Auslenkung,
bei kleinem Spaltmaß am
Beginn einer Auslenkung eines auslenkbaren Elementes;
-
8 ein
weiteres Diagramm für
Rückstellelemente
mit geringerer Breite;
-
9 ein
weiteres Diagramm für
Rückstellelemente
mit geringerer Dicke;
-
10 ein
Diagramm der erreichbaren Auslenkung in Abhängigkeit der elektrischen Spannung
bei unterschiedlichen Federn;
-
11 eine
perspektivische Darstellung eines auslenkbaren Elementes mit zwei
daran angreifenden Federn;
-
12 ein
Diagramm der relativen Steifigkeit in Abhängigkeit von Knickwinkeln an
einem Beispiel nach 11 und
-
13 eine
perspektivische Explosionsdarstellung von Elementen eines Beispieles
für einen
erfindungsgemäßen Mikroaktuator.
-
In 1 sind
Elemente für
ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Mikroaktuator
in einer perspektivischen Explosionsdarstellung gezeigt, der als
elektrostatischer Parallelplatten-Aktuator mit eingespanntem Biegebalken,
als Rückstellelemente 2 ausgebildet
ist. Das auslenkbare Element 1 ist hier plattenförmig. Die zwei Federn
werden beim Betrieb nicht nur gebogen, sondern auch mit Zugkräften beaufschlagt,
also auch gezogen, wenn sie bezüglich
der jeweils gewünschten
Auslenkbewegung dimensioniert worden sind.
-
Das
auslenkbare Element 1 ist hier zumindest an seiner nach
oben weisenden Oberfläche
reflektierend für
elektromagnetische Strahlung und bildet somit einen Spiegel.
-
Die
beiden nach außen
weisenden Teile eines eingespannten Biegebalkens, als Rückstellelemente 2 sind
in hier horizontaler Richtung breiter, als die nach innen weisenden
und an das auslenkbare Element 1 angreifenden Teile. Die
nach außen
weisenden Teile liegen auf Abstandshaltern 3 auf, so dass
zwischen auslenkbarem Element 1 und einer Elektrodenplatte 4 ein
definierter Spalt von unter 1 μm
bis zu einigen μm
Spaltmaß ausgebildet
ist.
-
Wird
nun eine elektrische Spannung zwischen auslenkbarem Element 1 und
Elektrodenplatte 3 angelegt, wirkt eine steuerbare elektrostatische
Kraft zwischen diesen beiden Elementen 1 und 3,
die wiederum zu einer Auslenkung des auslenkbaren Elementes 1 führt, der
die Rückstellkräfte der
Rückstellelemente 2 entgegenwirken.
-
Ein
stabiles Kräftegleichgewicht
kann durch Beeinflussung der elektrostatischen Kräfte in Abhängigkeit
der jeweiligen Auslenkung eingehalten werden, in dem elektrische
Spannung in Abhängigkeit
der gewünschten
Auslenkung gesteuert werden. So kann die jeweilige Auslenkung des
Elementes 1 exakt eingestellt und falls gewünscht auch
zumindest temporär
beibehalten werden.
-
In 2 ist
eine vereinfachte Seitenansicht der Federelemente 2, ohne
auslenkbares Element 1 gezeigt. Bei kleinen Auslenkungen
ist die Biegesteifigkeit der Rückstellelemente 2 zumindest
annähernd
proportional zur Auslenkung. Mit bekanntem E-Modul kann die Federkraft
unter Berücksichtigung
der Dimensionierung der Rückstellelemente 2 gemäß 2 mit
Formel (1) in Abhängigkeit
der jeweiligen Auslenkung d berechnet werden. Die Breite b der Rückstellelemente 2 ist
dabei in die Zeichnungsebene hinein gerichtet und demzufolge in 2 nicht-dargestellt.
-
-
Für größere Auslenkungen
d, also solche die größer als
die Dicke a der Rückstellelemente 2,
kann die Biegesteifigkeit vernachlässigt werden. Das System verhält sich
dann wie eine Saite (string). Mit einer Eigenspannung ohne Auslenkung σ0 gilt
in guter Näherung
d « L
kann die Federkraft für
die Eigenspannung der nicht ausgelenkten Saite gemäß Formel
(2) aus 3 berechnet werden.
-
-
Somit
wird der progressiv, hier überproportional
steigende Kraftverlauf bei größeren Auslenkungen,
in diesem Fall mit der dritten Potenz, erreicht.
-
In
Realität
kann die Dicke a der Rückstellelemente 2 unter
Berücksichtigung
der Auslenkung nicht ohne weiters vernachlässigt werden, so dass beide
Annäherungen
sich überlagern
und zu progressiv steigenden Rückstellkräften führen.
-
Zum
Beispiel bei einer Dicke a = 1 μm,
einer Breite b = 4μm,
eine Länge
L = 80 μm,
E-Modul E = 70 GN/m2 und einer Eigenspannung
von „Null" zeigt 4 die
zwei begrenzenden Annäherungen
für die
Rückstellkräfte in Abhängigkeit
der Auslenkung und zusätzlich
auch deren Kombination.
-
Es
wird deutlich, dass für
große
Auslenkungen die Gesamtkraft, wie auch der Anstieg deutlich größer als
bei der linearen Annäherung
sind.
-
Das
in 5 gezeigte Diagramm gibt einen Überblick über elektrostatische
Kräfte
in Abhängigkeit
der Auslenkung bei unterschiedlichen konstanten angelegten elektrischen
Spannungen im Bereich von 3 V bis 24 V. Der Spalt zwischen auslenkbarem
Element 1 und Elektrodenplatte 3 hatte ein maximales
Spaltmaß h
= 3 μm.
Der ansteigende Kraftverlauf spiegelt die vorangestellten Ausführungen
wieder.
-
Die
Positionen des Kräftegleichgewichts
des Mikroaktuators sind dort, wo die elektrostatischen Kräfte in ihrem
absoluten Wert mit der jeweiligen Rückstellkraft übereinstimmen.
Diese Positionen können
aus 6 entnommen werden. Die Kräftegleichgewichtspositionen
sind die Punkte an denen der elektrostatische Antriebskraftverlauf
den Rückstellkraftverlauf
mit ihren jeweiligen absoluten Werten schneiden.
-
Dabei
ist der Anstieg des Kraft-Auslenkungsverlaufes der wesentliche Parameter,
der die Stabilität
des jeweiligen Arbeitspunktes des Mikroaktuators, also die gewünschte Auslenkposition
bestimmt. Die Position des meta-stabilen Kräftegleichgewichts wird dadurch
bestimmt, dass der Anstieg des Rückstellkraftverlaufes größer, als
der Anstieg des Antriebskraftverlaufes ist. Bereiche in denen der
Anstieg des Rückstellkraftverlaufs kleiner,
als der Anstieg des Antriebskraftverlaufs ist, sind instabil und
es kann dort der „pull-in"-Effekt auftreten.
-
Der
stabile Bereich kann bis zu 1,5 μm
für einen
erfindungsgemäßen Mikroaktuator
genutzt werden, was 50 des zur Verfügung stehenden Spaltmaßes ausmacht.
-
Ein
Mikroaktuator mit Rückstellelementen 2 in
Form eingespannter Biegebalken, die das Hooke'sche Gesetz erfüllen, erreicht diesen instabilen
Bereich bereits bei 1 μm,
also einem Drittel des zur Verfügung
stehenden Spaltmaßes.
-
Die
entscheidende Verbesserung, die mit der Erfindung erreicht werden
kann, ist durch die Kombination von linearem und nichtlinearem Rückstellkraftverlauf
erreichbar, die vom Gleichgewicht zwischen Rückstellelementen 2 und
Auslenkkraft beeinflusst ist. Dimensionierung bzw. -gestaltung und
Auslenkung sowie die Festigkeit der Befestigung der Rückstellelemente 2 haben
Einfluss auf den nichtlinearen Verlauf.
-
Bei
den bekannten Lösungen
sollen aber Nichtlinearität
vermieden werden, da die erforderlichen Antriebskräfte für eine bestimmte
Auslenkung größer sind,
wenn alle anderen Parameter von Rückstellelementen 2 konstant
bleiben.
-
Dies
wird mit 6 deutlich gemacht. Rückstellelemente 2 mit
linearem Rückstellkraftverlauf
sind bei einer elektrischen Spannung von 18 V für eine Auslenkung bis 1 μm geeignet,
wobei nichtlineare Rückstellelemente
21 V erfordern.
-
Ein
erfindungsgemäßer Mikroaktuator
kann einen größeren Bereich
eines zur Verfügung
stehenden Spaltmaßes
nutzen Bei diesem Beispiel ist der Ausgangsspalt von 3 μm auf 2,6 μm reduziert,
so dass auch die erforderliche elektrische Spannung für einen
stabilen Betrieb auf 18 V, also die gleiche Spannung für Rückstellelemente 2 mit
linearem Rückstellkraftverlauf
bei einem Spaltmaß von
3 μm (s. 6),
reduziert ist.
-
Man
kann aber auch 7 entnehmen, dass die Auslenkung
bei dieser elektrischen Spannung oder die Stabilitätsgrenze
bei 1,3 μm
im Gegensatz zu 1 μm
liegt. Es lässt
sich also eine größere Auslenkung
auch bei begrenzter elektrischer Spannung realisieren.
-
Beim
Vergleich der Formeln (1) und (2) wird deutlich, dass die Nichtlinearität ansteigt,
wenn das Verhältnis
Breite zu Dicke (a/d) kleiner wird. Die vorab genannten Dimensionierungsparameter
wurden so gewählt,
dass der Unterschied für
lineare und nichtlineare Rückstellelemente 2 klar
in gleich dimensionierten Diagrammen herausgestellt werden kann.
-
Wählt man
Beispielsweise eine Dicke a = 0,5 μm und eine Breite d = 7 μm hat ein
Rückstellelement 2 noch
fast den gleichen Querschnitt. Der Schnittpunkt der Kraftverläufe wird
mit 18 V erreicht und das Kräftegleichgewicht
liegt bei einer Auslenkung von 1,5 μm. Die Stabilitätsgrenze
liegt bei ca. 1,7 μm,
was mehr als 50% des zur Verfügung
stehenden Spaltmaßes
entspricht.
-
Bemerkenswert
ist es aber auch, dass mit vergrößerter Auslenkung
eines ausgelenkten Elementes 1 eine Ver ringerung des Abstandes
und demzufolge auch des noch vorhandenen Spaltmaßes auftritt. Dadurch steigt
die auslenkende Kraft mit steigender Auslenkung an. Dieser Effekt
verstärkt
sich mit steigender Auslenkung, so dass der Verlauf einer Auslenkungs-
und elektrischen Spannungskennlinie eines Mikroaktuators ebenfalls
steil ansteigt. Dies kann dann bis zu einem instabilen Betriebszustand
(pull-in) führen.
Die Auslenkung ist dann stark von der momentan angelegten elektrischen
Spannung abhängig,
so dass eine präzise Steuerung
der elektrischen Spannung erforderlich ist, was bei kleinen Auslenkungen
nicht unbedingt erforderlich ist.
-
Mit
der Erfindung verbessert sich das Einstellverhalten der Auslenkung,
da diese näher
an einem linearen Zusammenhang liegt, als bei Federn mit linearer
Kennlinie.
-
Mit
dem in 10 gezeigten Diagramm kann die
Verbesserung des Einstellverhaltens eines eingespannten Biegebalkens
nach 4 im Vergleich zu einer nichtlinearen Feder nach 9 verdeutlicht
werden.
-
Für einige
Anwendungen kann aber der zur Verfügung stehende Raum nicht ausreichen,
um eine ausreichende Länge
L von Rückstellelementen 2 bei
möglichst
großen
Auslenkungen und maximal zulässiger Zugspannung
zu ermöglichen
(vgl. Formel (3)). Dabei würde
sich die Steifigkeit von Rückstellelementen 2 zu sehr
erhöhen,
so dass eine Auslenkung nicht oder kontraproduktiv nur mit sehr
hohen Antriebskräften
und entsprechend erhöhter
Leistung möglich
ist.
-
-
Dem
kann aber entgegengetreten werden, indem die nutzbare Länge von
Rückstellelementen 2 vergrößert und
die effektive Dehnsteifigkeit verringert wird. Dies kann durch eine
nicht gerade Ausbildung von Rückstellelementen 2 erreicht
werden. So kann an einem Rückstellelement 2 mindestens
ein Knick oder eine Biegung ausgebildet sein.
-
In 11 ist
ein Beispiel mit jeweils zweifacher Abknickung mit stumpfen Knickwinkeln
gezeigt. Alternativ können
aber auch eine Sinusform oder geringe Abweichungen von einer geraden
Gestalt die nutzbare Länge
vergrößern, ohne
dass zusätzlich
Platz/Raum erforderlich wird. Mit einer solchen Ausgestaltung kann die
Zugsteifigkeit reduziert werden, da dies einen zusätzlichen
Biegemode ermöglicht.
-
In 12 ist
gezeigt, dass der Knickwinkel den linearen Anteil des Federkraftverlaufes
für Knickwinkel kleiner
als 15 ° nur
sehr wenig beeinflusst, während
der Anteil, der mit der dritten Potenz der Auslenkung anwächst, in
einem weiterem Bereich einstellbar ist.
-
Mit
dieser Gestaltungs- und Dimensionierungsmöglichkeit von Rückstellelementen 2 erschließen sich Möglichkeiten
für den
Einsatz der Erfindung, bei sehr kleinen zur Verfügung stehenden Abmessungen
bzw. für eine
weitere Miniaturisierung.
-
Es
sind aber auch weitere Geometrien von Rückstellelementen 2 möglich, mit
denen der nichtlineare Anteil der Federsteifigkeit reduziert werden
kann. So können
beispielsweise Rückstellelemente 2 in
T-form eingesetzt werden.
-
Mit
abgeknickten oder gebogenen Rückstellelementen 2 ist
auch die Federkonstante (linearer Anteil) nicht so empfindlich von
der Eigenspannung der Federschicht abhängig.
-
So
können
beispielsweise Arrays mit Senk-Spiegeln zur Wellenfrontkorrektur
von elektromagnetischer Strahlung mit einem Hub von 2 μm und einer
Pixelgröße von 40 μm hergestellt
werden.
-
Bei
Mikroaktuatoren mit verschwenkbaren, auslenkbaren Elementen 1 ist
es beispielsweise bekannt, dass eine stabile Auslenkung (gemessen
am Rand eines solchen Elementes) über das gesamte zur Verfügung stehende
Spaltmaß möglich ist.
Bei diesen Lösungen
sind aber große
Elektroden und ungünstige
Hebelverhältnisse
erforderlich, so dass der effektiv für die Auslenkung genützte Bereich
eines so ausgelenkten Elementes trotzdem lediglich eine kleinen
begrenzten Bereich des zur Verfügung
stehenden Spaltmaßes
nutzen kann
-
Mit
der Erfindung können
aber ein größerer Auslenkbereich
bei größerer Auslenkkraft
und bei gleicher elektrischer Spannung (ggf. elektrischem Strom)
oder die gleiche Auslenkkraft bei geringerer elektrischer Spannung
(ggf. elektrischem Strom) erreicht werden.
-
Ein
Beispiel zeigt 13. Dabei verbessert wieder
die Nichtlinearität
der eingesetzten Rückstellelemente 2 die
Eigenschaften. Die Rückstellelemente 2 greifen
nicht nahe an der Drehachse an, so dass wieder eine Dehnung zu einem
progressiv steigenden Rückstellkraftverlauf
führt.
-
Die
Erfindung verbessert die Eigenschaften von Mikro aktuatoren mit starker
positiver Kraftrückkopplung,
die den Bereich für
eine stabile Nutzung begrenzt. Bei einer positiven Kraftrückkopplung
nimmt die für die
auslenkende Kraft bei konstanter elektrischer Spannung mit steigender
Auslenkung zu.
-
Mit
der Erfindung ist die Herstellung von verbesserten Mikroaktuatoren,
die elektrostatisch oder elektromagnetisch betrieben werden, möglich. Die
Auslenkung kann im Wesentlichen parallel zum jeweiligen elektrischen
oder elektromagnetischen Feld erfolgen.
-
Es
ist ein weitaus größerer Bereich
zur Auslenkung des zur Verfügung
stehenden Spaltes nutzbar.
-
Andererseits
kann ein geforderter Auslenkbereich bei kleinerem zur Verfügung stehendem
Spaltmaß mit
erhöhter
Stabilität
und mit in einfacher Form hergestellten Mikroaktuatoren abgedeckt
werden.
-
Durch
ggf. reduzierte elektrische Spannung ggf. elektrischen Strom kann
die elektronische Steuerung für
den Antrieb vereinfacht werden.
-
Die
erfindungsgemäßen Mikroaktuatoren
können
dabei mittels herkömmlicher
Technologien hergestellt werden. Die verbesserten Eigenschaften
können
durch die Gestaltung und Dimensionierung der einzelnen Elemente,
insbesondere der Rückstellelemente 2,
optimiert werden.
