DE102005033801A1

DE102005033801A1 - Torsionsfeder für mikromechanische Anwendungen

Info

Publication number: DE102005033801A1
Application number: DE102005033801A
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl.-Ing. Drabe; Thomas Dipl.-Ing. Klose
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2025-07-14
Also published as: US20070018368A1; US8511657B2; CN1896557B; CN1896557A; DE102005033801B4

Abstract

Die Erfindung betrifft Torsionsfedern für mikromechanische Anwendungen. Sie können eingesetzt werden, wenn Elemente oszillierend um eine Achse verschwenkt werden sollen. Gemäß der gestellten Aufgabe sollen die Torsionsfedern eine verbesserte lineare Federcharakteristik aufweisen. Die erfindungsgemäßen Torsionsfedern weisen einen quadratischen, rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt auf. An einer Einspannung ist ein orthogonal zur Längsachse der Torsionsfeder ausgerichteter Schlitz und ein weiterer Schlitz entlang der Längsachse der Torsionsfeder in dieser ausgebildet, der in den ersten Schlitz mündet.

Description

Torsionsfedern werden häufig an mikromechanischen Elementen eingesetzt, wenn diese oszillierend um eine Achse verschwenkt werden sollen. So können solche Torsionsfedern mit plattenförmigen Elementen verbunden sein, mit denen elektromagnetische Strahlung reflektiert werden kann. Je nach Verschwenkwinkel ändern sich dann die Winkel der reflektierten Strahlung.

Der gesamte Aufbau wird dabei mit an sich bekannter Mikrostrukturtechnik und auch durch Ätzverfahren aus einem Substrat, häufig Silizium, hergestellt.

Infolge der Herstellungstechnologie weisen die Torsionsfedern üblicherweise eine rechteckige, quadratische oder trapezförmige Querschnittsgeometrie auf. Bei diesen Querschnittsgeometrien treten aber Verwölbungen der Querschnittsflächen in Richtung der Torsi onsachse bei Auslenkung der Elemente auf. Dies führt wiederum zur Dehnung an Einspannungen der Torsionsfeder und erhöhten Zugspannungen, die bis zu einem Bruch führen können. Durch eine solche Dehnung ergibt sich eine Erhöhung der Rückstellkräfte, die wiederum zu einer Erhöhung der Federsteifigkeit/Federkonstante führen. Da aber die Rückstellkraft eines mit Zugspannung beaufschlagten Elementes progressiv mit der Dehnung ansteigt, führt die feste Einspannung zu einer progressiven, also nichtlinearen Federkennlinie.

Um diesen nachteiligen Effekten entgegen zu treten, wurden an Einspannungen von Torsionsfedern Schlitze ausgebildet, die orthogonal zur Längsachse der Torsionsfedern und der Torsionsachse ausgerichtet, die hinter der Einspannung angeordnet sind.

In anderen Fällen wurden abgewinkelte Torsionsfedern eingesetzt.

Es wird eine möglichst lineare Federcharakteristik über den jeweiligen Auslenkbereich bei einer Verschwenkung angestrebt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung Torsionsfedern für mikromechanische Anwendungen zur Verfügung zu stellen, die eine verbesserte lineare Federcharakteristik aufweisen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit Torsionsfedern, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweisen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.

Erfindungsgemäß ist dabei ein weiterer Schlitz an der Torsionsfeder ausgebildet. Dieser Schlitz ist orthogonal zu den aus dem Stand der Technik bekannten ersten Schlitzen ausgerichtet und in der Längsachse der Torsionsfeder ausgerichtet. Der weitere Schlitz mündet an einer seiner Stirnseiten in den ersten Schlitz.

Ein weiterer Schlitz ist bevorzugt in der Mitte der Torsionsfeder entlang ihrer Längsachse ausgebildet.

Infolge des so reduzierten Widerstandsmomentes in diesem Bereich verringern sich die Spannungen und die Rückstellkraft einer erfindungsgemäßen Torsionsfeder, was wiederum zu einer Verringerung der Nichtlinearität der Federcharakteristik im gesamten Auslenkbereich bei der Torsion führt.

Außerdem ist es vorteilhaft den weiteren Schlitz in der Torsionsfeder so auszubilden, dass die dem ersten Schlitz gegenüberliegende Stirnseite konvex abgerundet ausgebildet wird. Dabei sollte der Radius zumindest so groß, wie die halbe Schlitzbreite dieses Schlitzes sein.

Auf weitere Möglichkeiten für vorteilhafte Ausgestaltungen soll nachfolgend bei der Beschreibung von Beispielen eingegangen werden.
Dabei zeigen:
1 in schematischer Form ein Beispiel nach dem Stand der Technik;
2 in schematischer Form ein erfindungsgemäßes Beispiel und
3 ein Diagramm der relativen Änderung der federkonstante in Abhängigkeit der jeweiligen Torsionswinkel.
In 1 ist schematisch in einer Draufsicht eine Torsionsfeder 1 mit rechteckigem Querschnitt dargestellt, die gemäß bekannter Lösungen an den Einspannungen der Torsionsfeder 1 erste Schlitze 2 aufweist. Diese Schlitze 2 sind orthogonal zur Längsachse der Torsionsfeder 1 ausgerichtet. Die Längsachse der Torsionsfeder 1 schneidet die ersten Schlitze 2 mittig.
Wie in 2 dargestellt sind an einer erfindungsgemäßen Torsionsfeder 1 mindestens an der Seite einer Einspannung der Torsionsfeder 1 ein weiterer Schlitz 3 ausgebildet. In 2 ist an beiden Einspannungen ein solcher weiterer Schlitz 3 ausgebildet.
Die Schlitze 3 sind parallel und in der Längsachse der Torsionsfeder 1 ausgebildet. Sie münden in die ersten Schlitze 2, so dass sich eine offener Hohlraum mit den Schlitzen 2 und 3 im Torsionsfedersubstrat bildet.
Mit dem in 3 gezeigten Diagram soll verdeutlicht werden, wie das lineare Verhalten erfindungsgemäßer Torsionsfedern 2 gegenüber den bekannten verbessert ist.
So wurden die Verläufe der relativen Federkonstanten bei jeweiligen Torsionswinkeln dargestellt.
Die obere Kurve gibt den Sachverhalt bei herkömmlichen Torsionsfedern ohne Schlitze wieder.
Der mittlere Kurvenverlauf entspricht den Verhältnissen bei Torsionsfedern 1 mit ersten Schlitzen 2 und der untere Kurvenverlauf gilt für erfindungsgemäße Torsionsfedern 1.
Es wird deutlich, dass sich die Erfindung besonders vorteilhaft bei größeren Torsionswinkeln auswirkt und dort die Nichtlinearität weiter reduziert werden kann.

Claims

Torsionsfeder für mikromechanische Anwendungen, die einen rechteckigen, quadratischen oder trapezförmigen Querschnitt aufweist und an mindestens einer Einspannung ein orthogonal zur Längsachse der Torsionsfeder ein erster Schlitz ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Schlitz (3) entlang der Längsachse der Torsionsfeder (1) in dieser ausgebildet ist und in den ersten Schlitz (2) mündet.
Torsionsfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Schlitz (3) mittig in der Torsionsfeder (1) ausgebildet ist.
Torsionsfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzbreite des ersten Schlitzes (2) größer, als Schlitzbreite des weiteren Schlitzes (3) ist.
Torsionsfeder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzbreite des ersten Schlitzes (2) mindestens doppelt so groß, wie die Schlitzbreite des weiteren Schlitzes (3) ist.
Torsionsfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass die dem ersten Schlitz (2) gegenüberliegend angeordnete Stirnseite des weiteren Schlitzes (3) in konvex abgerundeter Form ausgebildet ist.