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Die
Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement sowie ein Verfahren
zum Betreiben einer Mikrospiegelanordnung.
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Zur
gelenkigen Aufhängung von Mikrostrukturen werden balken-
oder bandförmige Torsionsfedern oder -gelenke genutzt,
die sich um ihre Längsachse tordieren lassen. Eine derartig
ausgebildetes Torsionsgelenk ist beispielsweise in der
EP 0 040 302 A2 beschrieben.
Um bei einem balkenförmigen Torsionsgelenk eine hohe Nachgiebigkeit
um die Torsionsachse zu erreichen muss dieses entweder sehr lang
oder sehr schmal sein. Schmal bedeutet in diesem Fall, dass das
Torsionsgelenk eine geringe Balkenbreite oder -höhe aufweist.
Bei extrem kleinen Abmessungen entweder in der Balkenhöhe
oder der Balkenbreite beeinflussen fertigungsbedingte Schwankungen
sehr stark die Torsionssteifigkeit der Torsionsfeder. Daher wird
bei mäßigen bis hohen Anforderungen an die Genauigkeit
der erzielten Torsionssteifigkeit eine Feder gewählt, welche
auf einer langen Strecke tordiert wird. Hierdurch können
die Balkenbreite und die Balkenhöhe der Torsionsfeder groß genug
gewählt werden um die Auswirkungen der Fertigungsschwankungen
auf die Torsionssteifigkeit gering zu halten.
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Steht
der Platz für eine derart lange Torsionsfeder nicht zur
Verfügung, wird die Torsionsfeder bevorzugt als Mäander
ausgeführt. Eine derartige Mäanderstruktur ist
beispielsweise in der
US 2005/0061770
A1 beschrieben. Durch diese Bauform kann eine Torsionsfeder
verwirklicht werden, die trotz ihrer geringen Gesamtlänge
auf einer sehr langen Strecke tordiert werden kann.
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Durch
die Mäanderform zeigt eine derartige Torsionsfeder bei
Zugbelastung entlang der Torsionsachse und/oder bei Querbelastung
quer zu der Torsionsachse eine sehr geringe Steifigkeit. Bei Anwendungen,
bei denen eine Zug- und/oder Querbelastung auf die Torsionsfeder
auftreten kann sind mäanderförmige Torsionsfedern
demzufolge ungeeignet.
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Die
Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauelement mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Mikrospiegelanordnung
mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
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Das
erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement zeichnet
sich dadurch aus, dass auf einem kleinen Bauraum eine große
Torsionsfederlänge bei gleichzeitig geringer Quer- und
Längskraftempfindlichkeit besteht.
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Die
Torsionsfedereinrichtung kann die Torsionskräfte übernehmen
während auftretende Zug- und/oder Querkräfte durch
die gestreckt angeordnete Bandeinrichtung aufgenommen werden können.
Somit ist es möglich ein mikromechanisches Bauelement zu
erhalten, welches eine hohe Steifigkeit gegen Zug- und Querbelastung,
eine geringe Baulänge, eine geringe Torsionssteifigkeit
und gleichzeitig eine geringe Abhängigkeit der Torsionssteifigkeit
von den Fertigungsschwankungen aufweist.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen und Weiterbildungen der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Torsionsfedereinrichtung
eine Mäanderstruktur auf. Hierdurch ist es möglich
eine große Länge der Torsionsfedereinrichtung
auf kleinem Raum zu erhalten. Die Torsionsfedereinrichtung kann
hierdurch breiter gestaltet werden wodurch Fertigungsschwankungen
das Torsionsverhalten nicht mehr so stark beeinflussen, die Torsionsfedereinrichtung
ist somit mit höherer Qualität herstellbar.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die
Torsionsfedereinrichtung eine Breite wT und
eine Höhe hT auf, wobei die Breite
wT kleiner ist als die Höhe hT. Hierdurch kann eine vorteilhafte geringe
Torsionssteifigkeit der Torsionsfedereinrichtung um die Torsionsachse
erhalten werden.
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In
einer ebenso vorteilhaften Ausführungsform weist die Bandeinrichtung
eine Breite wB und eine Höhe hB auf, und wobei die Breite wB kleiner
ist als die Höhe hB. Die Bandeinrichtung
kann dadurch eine vorteilhafte geringe Torsionssteifigkeit erhalten.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Breite wT der
Torsionsfedereinrichtung größer als die Breite
wB der Bandeinrichtung, wobei bevorzugt
ein Breitenverhältnis von wT/wB > 2,5
gilt.
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Durch
dieses Breitenverhältnis ergibt sich vorteilhafterweise
eine vernachlässigbar geringe Torsionssteifigkeit der Bandeinrichtung
im Vergleich zur Torsionssteifigkeit der Torsionsfedereinrichtung,
die Torsionssteifigkeit der Bandeinrichtung hat somit einen vernachlässigbar
geringen Anteil am Torsionsverhalten des mikromechanischen Bauelementes.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Seite der Bandeinrichtung
mit der Breite wB parallel zu einer Seite
der Torsionsfedereinrichtung mit der Breite wT angeordnet,
hierdurch können sowohl die Bandeinrichtung als auch die
Torsionsfedereinrichtung mit den gleichen Prozessschritten aus dem Grundmaterial
herausstrukturiert werden, was den Herstellungsprozess des mikromechanischen
Bauelementes vereinfacht.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform bildet die Bandeinrichtung
mit der Torsionsachse einen Winkel α. Dadurch können
die Bänder des mikromechanischen Bauelementes neben Zugkräften
bevorzugt Querkräfte aufnehmen. Diese Anordnung ist beispielsweise
vorteilhaft bei einer Anwendung, bei der vermehrt Querkräfte
auftreten können.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung ist die Mäanderstruktur
der Torsionsfedereinrichtung quer zu der Torsionsachse ausgebildet.
Dies ermöglicht eine vorteilhafte Anordnung der Mäanderstruktur
entsprechend dem vorhandenen Bauraum.
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In
einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Mäanderstruktur
Mäanderschlaufen auf, welche bezüglich der Torsionsachse
eine Amplitude ausbilden wobei die Amplitude entlang der Torsionsachse
ausgehend von dem Verankerungsbereich abnimmt. Hierdurch ist Torsionsfedereinrichtung
vorteilhaft an den zur Verfügung stehenden Bauraum, beispielsweise
zwischen zwei zueinander in einem Winkel stehenden Bandeinrichtungen,
anpassbar.
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In
einer ebenfalls bevorzugten Weiterbildung sind die Torsionsfedereinrichtung
und die Bandeinrichtung als elektrische Leitungen ausgebildet. Im Vergleich
zu einem Aufbau, bei welchem eine Vielzahl an Leitungen über
eine Komponente geführt wird, kann vorteilhaft ein elektrisches Übersprechen zwischen
den Leitungen vermieden werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich
zwischen dem Verankerungsbereich und dem beweglichen Element eine
weitere Torsionsfedereinrichtung und die Bandeinrichtung ist entlang
der Torsionsachse angeordnet. Durch das Anordnen einer Vielzahl
von Torsionsfedereinrichtungen lassen sich beispielsweise aus dem
gleichen Substratmate rial bei identischer Geometrie der Mäanderfedern
mikromechanische Bauelemente mit verschiedenen Torsionssteifigkeiten
kostengünstig herstellen.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung ist zwischen dem Verankerungsbereich
und dem beweglichen Element eine weitere Bandeinrichtung angeordnet,
wobei die Bandeinrichtungen parallel zu der Torsionsachse angeordnet
sind und die Torsionsfedereinrichtung zwischen den Bandeinrichtungen
angeordnet ist. Das mikromechanische Bauelement weist durch die
parallele Anordnung der Bandeinrichtungen einen geringen Platzbedarf
auf und kann so in Bauräumen mit begrenzten Platzangebot
sehr vorteilhaft eingesetzt werden.
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Die
oben beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden
Erfindung sind – sofern nichts Anderes ausgeführt
ist – frei miteinander kombinierbar.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen
Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Es
zeigen dabei:
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1 eine
Aufsicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des mikromechanischen
Bauelementes;
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2 eine
Aufsicht eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels
des mikromechanischen Bauelementes;
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3 einen
Querschnitt durch das mikromechanische Bauelement der 2 entlang
der Schnittlinie III-III;
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4 eine
Aufsicht eines ebenso bevorzugten Ausführungsbeispiels
des mikromechanischen Bauelementes; und
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5 eine
Aufsicht eines weiteren ebenso bevorzugten Ausführungsbeispiels
des mikromechanischen Bauelementes.
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In
den Figuren der Zeichnung bezeichnen – sofern nichts anderes
ausgeführt ist – gleiche Bezugszeichen gleiche
Bauteile, Elemente und Merkmale.
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1 zeigt
in einer Aufsicht eine erste bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelementes 1.
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Das
schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauelement 1 weist
eine mäanderförmige Torsionsfeder 2 mit
einer Torsionsachse 3 auf. Die Torsionsfeder 2 ist
bevorzugt zwischen einem Verankerungsbereich 4 und einem
beweglichen Element 5 angeordnet. Es kann auch mehr als
eine Torsionsfeder 2 zwischen dem Verankerungsbereich 4 und
dem beweglichen Element 5 vorgesehen sein. Das bewegliche
Element 5 kann bezüglich des Verankerungsbereiches 4 um
die Torsionsachse 3 verschwenkt werden.
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Die
Mäanderschlaufen des Mäanders der Torsionsfeder 2 sind
bevorzugt in Längsrichtung der Torsionsachse 3 ausgebildet.
Durch diese Anordnung werden die langen Seiten der Mäanderschlaufen
bevorzugt tordiert, es liegt bei einer Auslenkung des beweglichen
Elementes um die Torsionsachse 3 im Querschnitt der Torsionsfeder 2 hauptsächlich eine
Torsionsbelastung vor. Zur Aufnahme von Längs- und/oder
Querkräften sind zwei gestreckte Bänder 6 zwischen
dem Verankerungsbereich 4 und dem beweglichen Element 5 angeordnet.
Die Bänder 6 sind bevorzugt beabstandet von der
Torsionsachse 3 angeordnet und schließen mit dieser
beispielsweise jeweils einen Winkel α ein. Durch die Anordnung der
Bänder 6 im Winkel α zur Torsionsachse 3 kann jeweils
eines der Bänder 6 neben Zugkräften auch Querkräfte
aufnehmen. Weiterhin kann der Winkel α beispielsweise auch
den Wert 0 annehmen, die Bänder 6 verlaufen dann
parallel zur Torsionsachse 3 und nehmen bevorzugt Zugkräfte
auf. Anstatt der im vorliegenden Ausführungsbeispiel des
mikromechanischen Bauelementes 1 beschriebenen zwei Bänder 6 können
beispielsweise auch nur ein Band 6 oder mehr als zwei Bänder 6 vorgesehen
sein. Zwei Bänder 6 schließen bevorzugt
einen Winkel 2 × α ein. Der Winkelscheitel des
durch die zwei Bänder 6 gebildeten Winkels zeigt
bevorzugt zum beweglichen Element 5. Alternativ dazu kann
der Winkelscheitel des durch die beiden Bänder 6 gebildeten
Winkels auch zum Verankerungsbereich 4 weisen.
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Dadurch,
dass die Torsionsfeder 2 durch ihre mäanderförmige
Struktur eine relativ große Torsionslänge aufweist
kann sie im Vergleich zu einer linear aufgebauten tordierbaren Feder
relativ breit ausgebildet sein. Die Bänder 6 können
im Vergleich zur Torsionsfeder 2 sehr schmal ausgebildet
sein. Dadurch ist der Torsionswiderstand der Bänder 6 sehr
gering. Da die Bänder 6 gestreckt angeordnet sind
nehmen sie Quer- und/oder Längskräfte bezüglich
der Torsionsachse 3 auf, denen die mäanderförmige
Torsionsfeder 2 nur einen geringen Widerstand entgegensetzen
kann.
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Das
Mikromechanische Bauelement 1 kann beispielweise auch zwei
Verankerungsbereiche 4 aufweisen zwischen denen ein bewegliches
Element 5 angeordnet ist. Dementsprechend kann das bewegliche
Element 5 an zwei Seiten jeweils bevorzugt mittels einer
Torsionsfeder 2 und beispielsweise jeweils mittels zwei
Bändern 6 mit den Verankerungsbereichen 4 verbunden
sein.
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2 zeigt
in einer schematischen Aufsicht eine weitere bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelementes 1.
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Im
Gegensatz zu dem in 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel
des mikromechanischen Bauelementes 1 weist die Torsionsfeder 2 ein
Mäander auf, dessen Mäanderschlaufen quer zur
Torsionsachse 2 angeordnet sind. Die Mäanderschlaufen des
Mäanders der Torsionsfeder 2 können auch
beispielsweise in jedem beliebigen Winkel zur Torsionsachse 2 angeordnet
sein. Durch die Anordnung der Mäanderschlaufen quer zu
der Torsionsachse 3 wirken auf die langen Seiten der Mäanderschlaufen
im Wesentlichen Biegekräfte. Die Torsionsfeder 2 wird bevorzugt
von zwei, zueinander in einem Winkel angeordneten Bändern 6 eingeschlossen.
Der Winkelscheitel des durch die Bänder 6 gebildeten
Winkels kann zu dem beweglichen Element 5 weisen. Die Mäanderschlaufen
des Mäanders der Torsionsfeder 2 bilden bezüglich
der Torsionsachse 3 bevorzugt eine Amplitude aus. Diese
Amplitude kann entsprechend dem Verlauf der Bänder 6 ausgehend
vom Verankerungsbereich 4 zum beweglichen Element 5 hin
abnehmen. In einer beispielhaften alternativen – in 2 nicht
dargestellten – Anordnung des mikromechanischen Bauelementes 1 kann
die Amplitude der Mäanderschlaufen des Mäanders
der Torsionsfeder ausgehend vom Verankerungsbereich 4 zum
beweglichen Element 5 zunehmen. Die Schnittlinie III-III
bezeichnet die 3.
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3 zeigt
eine schematische, nicht maßstabsgerechte Schnittansicht
der in 2 beschriebenen bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelementes 1 entlang
der Schnittlinie III-III. Die durch die Schnittlinie III-III in 2 schräg
geschnittenen Bauelemente sind zur Verdeutlichung in die Betrachtungsebene der 3 gedreht.
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Die
Bänder 6 weisen eine Breite wB und
eine Höhe hB auf. Im Querschnitt
sind die Bänder 6 bevorzugt balkenförmig
ausgebildet. Die Breite wB ist bevorzugt
kleiner als die Höhe hB. Die Torsionsfeder 2 weist
eine Breite wT und eine Höhe hT auf. Im Querschnitt ist die Torsionsfeder 2 bevorzugt
balkenförmig ausgebildet. Die Breite wT ist
bevorzugt kleiner als die Höhe hT.
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Die
Breite wB der Bänder 6 ist
deutlich geringer als die Breite wT der
Torsionsfeder 2. Dadurch weisen die Bänder 6 im
Vergleich zur Torsionsfeder 2 eine vernachlässigbar
geringe Torsionssteifigkeit auf. Bevorzugt besteht ein Breitenverhältnis
von wT/wB > 2,5. Die Breiten wT bzw. wB weisen
ausgehend vom Verankerungsbereich 4 zum beweglichen Element 5 über
ihren Verlauf in Richtung der Torsionsachse 3 bevorzugt
eine jeweils konstante Breite auf. Entsprechend dem Anwendungsfall
des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelementes 1 kann
auch beispielsweise vorgesehen sein, dass mindestens eine der Breiten
wT bzw. wB über
den zuvor beschriebenen Verlauf variabel ausgebildet ist.
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Die
Höhe hB der Bänder 6 entspricht
bevorzugt der Höhe hT der Torsionsfeder 2.
Je nach Anwendungsfall, d. h. der Höhe der zu erwartenden Quer-
und/oder Längskräfte kann die Höhe hB der Bänder 6 größer
oder geringer als die Höhe hT der Torsionsfeder 2 sein.
Mindestens eine der Höhen hT bzw.
hB der Torsionsfeder 2 bzw. der
Bänder 6 kann ausgehend vom Verankerungsbereich 4 zum
beweglichen Element 5 variabel ausgebildet sein.
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4 zeigt
in einer schematischen Aufsicht eine weitere bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelementes 1.
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Die
Torsionsfeder 2 ist zwischen dem Verankerungsbereich 4 und
dem beweglichen Element 5 angeordnet. Bevorzugt zwei Bänder 6 sind
seitlich zu der Torsionsfeder 2 und parallel zu der Torsionsachse 3 vorgesehen.
In diesem Ausführungsbeispiel können die Bänder 6 aufgrund
ihrer parallelen Anordnung zur Torsionsachse 3 bevorzugt
Zugkräfte aufnehmen. Durch die Anordnung der Mäanderschlaufen
längs zu der Torsionsachse 3 und die parallel
zur Torsionsachse 3 angeordneten Bänder 6 ergibt
sich eine sehr vorteilhafte kompakte und platzsparende Konfiguration
des mikromechanischen Bauelementes 1.
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5 zeigt
in einer schematischen Aufsicht eine ebenfalls bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelementes 1.
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Bevorzugt
zwei Torsionsfedern 2 sind zwischen dem Verankerungsbereich 4 und
dem beweglichen Element 5 angeordnet. Ein sich bevorzugt
zwischen den beiden Torsionsfedern 2 befindliches Band 6 ist
entlang der Torsionsachse 3 vorgesehen. Das Band 6 kann
in dieser Ausführungsform bevorzugt Zugkräfte
aufnehmen. Da nur ein Band 6 vorgesehen ist, können
die Torsionsfedern 2 einen Großteil des Bauraumes
zwischen dem Verankerungsbereich 4 und dem beweglichen
Element 5 einnehmen.
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In
einer, in den Figuren der Zeichnung nicht dargestellten, bevorzugten
Weiterbildung der Erfindung ist das bewegliche Element 5 als
Mikrospiegel ausgebildet, bzw. das bewegliche Element 5 trägt
einen Mikrospiegel. Der Mikrospiegel ist um die Torsionsachse 3 verschwenkbar
und ermöglicht so beispielsweise die Ablenkung von Lichtstrahlen.
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Obwohl
die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vollständig
beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern
auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere können
Merkmale der einzelnen oben aufgeführten Ausführungsbeispiele
beliebig miteinander kombiniert werden.
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In
einer bevorzugten Modifikation der Erfindung weist die Torsionsfeder 2 und/oder
das Band 6 beispielsweise einen Querschnitt mit einer T-,
I-, oder C-Form oder einen Querschnitt mit einer runden, elliptischen,
quadratischen oder jeder weiteren geometrischen Form auf.
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In
einer weiteren bevorzugten Modifikation der Erfindung schließt
beispielsweise ein erstes Band 6 mit der Torsionsachse 3 einen
Winkel α1 und ein zweites Band 6 schließt
mit der Torsionsachse 3 einen Winkel α2 ein, wobei α1 nicht
gleich α2 ist.
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In
einer ebenfalls bevorzugten Modifikation der Erfindung weist die
Torsionsfeder 2 in der Aufsicht eine gezackte, bogenförmige,
geschwungene oder jede andere mögliche zweidimensionale
Geometrie auf.
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In
einer ebenso bevorzugten Modifikation der Erfindung sind die Mäanderschlaufen
des Mäanders der Torsionsfeder 2 längs
zu der Torsionsachse 3 ausgebildet, wobei die Mäanderschlaufen
eine veränderliche Amplitude aufweisen.
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In
einer weiteren Modifikation der Erfindung sind die Bänder 6 über
oder/und unter der Torsionsfeder 2 angeordnet.
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Die
aufgeführten Materialien, Zahlenangaben und Dimensionen
sind beispielhaft zu verstehen und dienen lediglich der Erläuterung
der Ausführungsformen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0040302
A2 [0002]
- - US 2005/0061770 A1 [0003]