-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement, welches ein Substrat, eine in einem Abstand zu dem Substrat angeordnete bewegliche Masse, und eine in einem Abstand zu dem Substrat angeordnete und mit der beweglichen Masse verbundene Federstruktur aufweist. Durch die Federstruktur ist die bewegliche Masse auslenkbar an dem Substrat aufgehängt.
-
Stand der Technik
-
Mikromechanische Bauelemente, welche beispielsweise im Automobilbereich als Beschleunigungssensoren zum Einsatz kommen, weisen üblicherweise eine Mikrostruktur mit einem beweglichen Funktionselement auf. Die Mikrostruktur, welche auch als MEMS-Struktur (Micro-Electro-Mechanical System) bezeichnet wird, umfasst häufig eine bewegliche Masse (seismische Masse oder Schwungmasse) in Form einer Wippe, welche in einem Abstand zu einem Substrat angeordnet ist. Beispiele derartiger Sensoren sind in
EP 0 244 581 A1 ,
EP 0 773 443 B1 und der Dissertation „Oberflächenmikromechanik-Sensoren als elektrische Teststrukturen zur Charakterisierung ihrer Herstellungsprozesse”; Kapitel 6; Maute, Matthias; Universität Tübingen, 2003 beschrieben.
-
Die Bauelemente umfassen des Weiteren eine Federstruktur, üblicherweise in Form von mit der wippenförmigen beweglichen Masse verbundenen Torsionsstegen, damit die Masse aus ihrer Ruhelage ausgelenkt bzw. gedreht werden kann. Eine solche Auslenkung der beweglichen Masse tritt bei einer Beschleunigung senkrecht zur Substratebene auf, und kann durch ein kapazitives Messverfahren erfasst werden. Hierbei dienen die Hebelarme der Wippe als Elektroden, welche mit zwei auf dem Substrat angeordneten Auswerteelektroden (Gegenelektroden) jeweils einen Kondensator bilden.
-
Bei den bekannten mikromechanischen Bauelementen besteht das Problem, dass eine Federstruktur für den Fall einer mechanischen Überlast beschädigt werden kann. Eine solche Überbeanspruchung liegt beispielsweise dann vor, wenn das betreffende Bauelement nach freiem Fall auf einen harten Untergrund aufschlägt. In einem solchen Fall kann eine hohe Auslenkung der beweglichen. Masse senkrecht zur Oberfläche des Substrats (z-Richtung) auftreten, was gegebenenfalls zu einem Bruch eines Torsionsstegs führt, da die Federstruktur den hiermit verbundenen mechanischen Stress nur unzureichend abbauen kann. Zur Verbesserung der Überlastfestigkeit ist es zwar bekannt, im Bereich der Enden eines Torsionsstegs Verrundungsradien vorzusehen. Diese Ausgestaltung erweist sich jedoch für viele Anwendungen als nicht ausreichend.
-
Aus der Druckschrift
US 6 360 033 B1 ist ein optischer Schalter zur Übertragung optischer Signale bekannt. Hierbei ist eine teilweise verspiegelte und bewegliche Masse mit zwei gekrümmten Federstrukturen verbunden, mit deren Hilfe die Masse parallel zu einer Oberfläche beweglich ist. In weiteren Ausgestaltungen sind an den Enden der Federstrukturen gerade oder gekrümmte Querbalken angeordnet, über welche die Federstrukturen an dem Substrat aufgehängt sind.
-
Aus der Druckschrift
DE 42 29 507 A1 ist ein mikromechanischer Aktor bekannt, der ein bewegliches Flachteil aufweist, welches über elektrostatische Kräfte ansteuerbar ist. Das bewegliche Flachteil ist gegenüber einem Stator mittels einer Kugelkalotte in einer hohlpyramidenstumpfförmigen Vertiefung des Flachteils gelagert. Das Flachteil wird mittels mäanderförmiger Federanordnungen über dem Stator gehalten.
-
Aus der Druckschrift
DE 198 25 298 A1 ist ein Beschleunigungssensor bekannt, der eine über einem Substrat angeordnete seismische Masse aufweist. Die seismische Masse weist Aussparungen auf, durch die Licht treten kann. Auf dem Substrat sind Lichtnachweiseinrichtungen zum Erfassen der Auslenkung der seismischen Masse angeordnet. Die seismische Masse ist mit zwei Biegebalken-Federsystemen verbunden, deren Hauptfederwegrichtungen senkrecht zueinander verlaufen.
-
Aus der Druckschrift
DE 199 41 045 A1 ist eine Mikroschwingvorrichtung bekannt, die eine Schwingstruktur aufweist, wobei die Schwingstruktur über zwei gegenüberliegende Torsionsfederelemente mit einem Tragkörper verbunden ist. Die Schwingstruktur kann durch elektrostatische oder mechanische Kräfte ausgelenkt werden. Die Torsionsfederelemente weisen mit der Schwingstruktur und dem Tragkörper verbundene Wandlerstrukturen in Form von Querbalken auf.
-
Aus der Druckschrift
EP 1 306 350 B1 ist eine mikroelektromechanische Vorrichtung mit einem entlang einer longitudinalen Richtung bewegbaren Balken bekannt. Der Balken ist mit elastischen Querbalken verbunden. In einer Ausgestaltung weisen die Querbalken flexible Gelenke an ihren Enden auf, die mit einem Substrat verbunden sind. Aus der Druckschrift
DE 10 2007 057 044 A1 ist eine mikromechanische Feder bekannt, die Balkenabschnitte und wenigstens einen Verbindungsabschnitt aufweist. Die Balkenabschnitte sind bezüglich ihrer Längsrichtung relativ zueinander verschiebbar.
-
Aus der Druckschrift
DE 10 2007 048 882 A1 ist ein kapazitiver Beschleunigungssensor bekannt, der ein mikromechanisches Funktionsteil in Form einer Wippe aufweist. Die Wippe ist mittels zweier Torsionsfedern über ein gemeinsames Aufhängeteil an einem Substrat befestigt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes mikromechanisches Bauelement bereitzustellen, welches sich durch eine hohe Überlastfestigkeit auszeichnet.
-
Diese Aufgabe wird durch ein mikromechanisches Bauelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Erfindungsgemäß wird ein mikromechanisches Bauelement vorgeschlagen, welches ein Substrat, eine in einem Abstand zu dem Substrat angeordnete bewegliche Masse, und eine in einem Abstand zu dem Substrat angeordnete und mit der beweglichen Masse verbundene Federstruktur aufweist. Durch die Federstruktur ist die bewegliche Masse auslenkbar an dem Substrat aufgehängt. Das mikromechanische Bauelement zeichnet sich dadurch aus, dass die Federstruktur ein erstes und (wenigstens) ein zweites Federelement aufweist, wobei das erste und zweite Federelement zueinander rechtwinklig verlaufend ausgebildet sind.
-
In dieser Ausgestaltung kann das erste Federelement im Wesentlichen für die übliche Betriebsweise des Bauelements eingesetzt werden, d. h. um eine Auslenkung der beweglichen Masse aus einer Ruhelage für den Fall einer „normalen” Beschleunigung zu ermöglichen. Das zweite, sich quer zu dem ersten Federelement erstreckende Federelement kann darüber hinaus als „Pufferelement” fungieren, um eine Auslenkung bzw. Nachgiebigkeit der Federstruktur bei einer Überlastbeanspruchung zu ermöglichen, und infolgedessen eine hierbei auftretende mechanische Spannung innerhalb der Federstruktur abzubauen. Auf diese Weise kann eine Beschädigung des mikromechanischen Bauelements bzw. dessen Federstruktur selbst bei einer hohen Überlastbeanspruchung vermieden werden, wodurch sich das Bauelement durch eine hohe Robustheit auszeichnet.
-
Erfindungsgemäß weist das mikromechanische Bauelement weiter ein auf dem Substrat angeordnetes Stützelement auf, welches mit der Federstruktur verbunden ist. Das Stützelement dient hierbei dazu, die Federstruktur und damit die bewegliche Masse auf dem Substrat zu fixieren.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das zweite Federelement einen Balken auf, welcher an den Balkenenden mit dem Stützelement verbunden ist. Durch diese Ausgestaltung kann ein Bruch der Federstruktur im Bereich des Stützelements vermieden werden.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das erste Federelement einen mit dem zweiten Federelement verbundenen Balken auf. Hierbei kann das erste Federelement als Torsionssteg fungieren, um eine Drehung der beweglichen Masse zu ermöglichen.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das zweite Federelement einen Balken auf, welcher an den Balkenenden mit der beweglichen Masse verbunden ist. Auf diese Weise kann ein Bruch der Federstruktur im Bereich der beweglichen Masse vermieden werden.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das zweite Federelement zwei in einem Abstand parallel zueinander angeordnete Balken auf, welche an den Balkenenden miteinander verbunden sind. Durch diese Ausgestaltung kann ein bei einem Einsatz von beidseitig eingespannten Balken gegebenenfalls auftretendes „Ausknicken” und eine hiermit verbundene Beeinträchtigung der Federstruktur vermieden werden.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das erste Federelement mehrere Teilabschnitte auf. Ein oder mehrere zweite Federelemente sind hierbei zwischen den Teilabschnitten des ersten Federelements angeordnet. Hierbei kann es sich insbesondere um die vorstehend beschriebenen zweiten Federelemente mit zwei parallel zueinander angeordneten Balken handeln, wodurch sich eine Federstruktur mit einer relativ hohen Überlastfestigkeit bereitstellen lässt.
-
Gemäß der Erfindung ist die bewegliche Masse in Form einer Wippe mit einem ersten und einem zweiten Hebelarm ausgebildet. In einem Bereich zwischen dem ersten und zweiten Hebelarm ist ein mit dem Substrat verbundenes Stützelement, und an zwei entgegen gesetzten Seiten des Stützelements ist jeweils eine Federstruktur angeordnet.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist das mikromechanische Bauelement ein Beschleunigungssensor.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein mikromechanisches Bauelement in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung;
-
2 das Bauelement von 1 in einer schematischen Aufsichtsdarstellung;
-
3 bis 6 schematische Aufsichtsdarstellungen auf mögliche Federstrukturen für das Bauelement der 1 und 2.
-
Die 1 und 2 zeigen ein mikromechanisches Bauelement 100 in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung und in einer Aufsichtsdarstellung.
-
Das Bauelement 100, welches auch als „z-Sensor” bezeichnet wird, kann zum Beispiel als Beschleunigungssensor bzw. Komponente eines solchen Sensors in einem Kraftfahrzeug verwendet werden. Darüber hinaus wird ergänzend darauf hingewiesen, dass zur Herstellung des Bauelements 100 in der Halbleiter- bzw. Mikrosystemtechnik übliche Prozesse und Materialien zum Einsatz kommen können.
-
Das Bauelement 100 weist wie in 1 dargestellt ein Substrat 110, beispielsweise aus Silizium, eine auf dem Substrat 110 angeordnete isolierende Schicht 120 und eine auf der isolierenden Schicht 120 angeordnete leitfähige Schicht 130 auf. Bei der isolierenden Schicht 120 kann es sich zum Beispiel um eine Siliziumoxidschicht handeln, welche die leitfähige Schicht 130 gegenüber dem Substrat 110 isoliert. Bei der leitfähigen Schicht 130 kann es sich beispielsweise um eine (dotierte) Polysiliziumschicht handeln. Die leitfähige Schicht 130 ist strukturiert und umfasst drei flächige Elektroden 131, 132, 133, auf deren Funktion weiter unten noch näher eingegangen wird.
-
Über der leitfähigen Schicht 130 ist eine Funktionsschicht 140 vorgesehen, bei der es sich beispielsweise um eine sogenannte Epi-Polysiliziumschicht, d. h. eine in einem Epitaxie-Verfahren erzeugte polykristalline Siliziumschicht handelt, welche optional dotiert ausgebildet ist. Die Funktionsschicht 140 ist in Form einer Wippe 145 strukturiert, welche zwei Hebelarme 141, 142 mit unterschiedlichen Längen aufweist. In der Wippe 145 ist wie in 2 dargestellt ferner eine Lochstruktur mit durchgehenden Aussparungen 144 vorgesehen. Hierdurch kann ein Ätzmedium an eine im Rahmen der Herstellung des Bauelements 100 verwendete Opferschicht (nicht dargestellt) herangeführt werden, wodurch die Opferschicht (und ein Teil der isolierenden Schicht 120 wie in 1 dargestellt) entfernt und die Wippe 145 freigelegt wird.
-
In einem Bereich zwischen den Hebelarmen 141, 142 sind wie in 2 dargestellt zwei spaltförmige Aussparungen 148 ausgebildet, zwischen denen eine (ebenfalls aus der Funktionsschicht 140 hervorgehende) Anordnung aus einem Stützelement 149 und zwei Federstrukturen 150 vorgesehen ist. Die Federstrukturen 150, welche an entgegen gesetzten Seiten des Stützelements 140 angeordnet sind, sind weiter mit der Wippe 145 bzw. mit Verbindungsstegen 143 der Wippe 145 verbunden. Über die jeweils am Rand der Wippe 145 vorliegenden Verbindungsstege 143 sind die beiden Hebelarme 141, 142 miteinander verbunden.
-
Das als Verankerungsstruktur dienende Stützelement 149 weist wie in 1 dargestellt einen sich unterhalb der beweglichen Masse bzw. Wippe 145 in Richtung des Substrats 110 erstreckenden Teilabschnitt auf, welcher auf einem Teilbereich 134 der leitfähigen Schicht 130 zwischen den Elektroden 131, 132 angeordnet ist. Durch das Stützelement 149 werden die Federstrukturen 150 und damit die Wippe 145 in einem Abstand zu dem Substrat 110 bzw. der leitfähigen Schicht 130 gehalten.
-
Aufgrund der unterschiedlichen Längen der Hebelarme 141, 142 weist der Hebelarm 142 gegenüber dem Hebelarm 141 eine „Zusatzmasse” auf, so dass eine Massenasymmetrie in Bezug auf die Federstrukturen 150 besteht. Diese Ausgestaltung bewirkt bei einer senkrecht zur Substratebene bzw. Oberfläche des Substrats 110 einwirkenden Beschleunigung eine (in 1 nicht dargestellte) Drehbewegung der Wippe 145 um eine durch die Federstrukturen 150 vorgegebene Drehachse, welches verbunden ist mit einer Abstandsänderung der Wippe 145 in Bezug auf die Elektroden. Diese Auslenkung der Wippe 145 (gegenüber ihrer in 1 dargestellten Ruhelage) ist abhängig von der Größe der einwirkenden Beschleunigungskraft, was bei dem Bauelement 100 auf kapazitive Weise erfasst wird. Hierbei bilden die beiden Elektroden 131, 132 mit den darüber angeordneten Hebelarmen 141, 142 der Wippe 145 jeweils einen Kondensator. Für die Kapazitätsmessung werden entsprechende elektrische Potentiale an die Wippe 145 (über den Teilbereich 134), an die Auswerteelektroden 131, 132 und auch an die Elektrode 133 angelegt. Die weitere Elektrode 133 dient als Abschirmelektrode, um die Wippe 145 vor dem Einfluss eines elektrischen Potentials des Substrats 110 und einer dadurch verursachten Auslenkung zu schützen.
-
Neben der vorstehend beschriebenen und durch die Federstrukturen 150 vorgegebenen Drehbewegung der Wippe 145 kann eine auf das Bauelement 100 einwirkende Beschleunigung auch eine (translatorische) Bewegung der Wippe 145 in z-Richtung bzw. im Wesentlichen senkrecht zur Substratebene, d. h. in einer Richtung weg von dem Substrat 110 oder auf das Substrat 110 zu, hervorrufen. Eine derartige Auslenkung kann zu einer hohen Beanspruchung der die Wippe 145 mit dem Stützelement 149 verbindenden Federstrukturen 150 führen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn das Bauelement 100 nach freiem Fall auf einen harten Untergrund aufschlägt.
-
Herkömmlicherweise ist eine Federstruktur 150 in Form eines zwischen einem Verbindungssteg 143 der Wippe 145 und dem Stützelement 149 angeordneten Verbindungsbalkens bzw. Torsionsstegs ausgebildet. Für eine derartige Ausgestaltung kann eine maximale mechanische Spannung in der betreffenden Torsionsfeder 150 mit Smax = 3·E·H/L2·Δz (1) angegeben werden, wobei E ein (materialabhängiges) Elastizitätsmodul, H eine Höhe der Federstruktur 150 (entspricht der Höhe der Funktionsschicht 140, vgl. 1), L eine Länge der Federstruktur 150 (zwischen dem Stützelement 149 und der Wippe 145, vgl. 2) und Δz eine Auslenkung der Wippe 145 in z-Richtung darstellt. Die Höhe H einer Federstruktur 150 kann zum Beispiel in einem Bereich zwischen zehn und zwanzig Mikrometern, und die Länge L in einem Bereich zwischen einhundert und dreihundert Mikrometern liegen.
-
Bei einer nach oben, d. h. in einer Richtung weg von dem Substrat 110 auftretenden Auslenkung erfolgt üblicherweise eine Begrenzung durch Anschlagsstrukturen (nicht dargestellt). Anschlagsstrukturen können oberhalb der Wippe 145 an einem zum Verkapseln der Wippenstruktur eingesetzten Kappensubstrat angeordnet sein (nicht dargestellt). Bei einer hinreichend großen Beschleunigung kann dieser maximale Bewegungsspielraum in z-Richtung ausgeschöpft werden, wodurch hohe mechanische Spannungen in der (herkömmlichen) Federstruktur 150 insbesondere im Bereich des Stützelements 149 und im Bereich des Verbindungsstegs 143 auftreten, und infolgedessen die Gefahr eines Federbruchs besteht. Gemäß Formel (1) ist die Beanspruchung umso größer, je kürzer die Länge L der betreffenden Federstruktur 150 ist. Das Vorsehen einer kurzen Länge L kann insbesondere aufgrund von räumlichen Vorgaben bzw. Beschränkungen geboten sein.
-
Abhängig von der einwirkenden Beschleunigung kann die Wippe 145 auch eine nach unten, d. h. in Richtung des Substrats 110 auftretende Bewegung ausführen, welche durch die leitfähige Schicht 130 des Substrats 110 begrenzt wird. Der hierbei vorliegende (maximale) Bewegungsspielraum der Wippe 145 ist im Unterschied zu einer nach oben gerichteten Auslenkung in der Regel kleiner, wodurch auch die auftretenden (maximalen) mechanischen Spannungen kleiner sein können. Doch auch hierbei können die auftretenden Spannungen eine Beschädigung bzw. einen Federbruch bewirken.
-
Um das Problem eines Federbruchs bei einer Auslenkung der Wippe 145 in z-Richtung zu vermeiden bzw. das Bauelement 100 mit einer besseren Überlastfestigkeit auszustatten, ist vorgesehen, anstelle von „einfachen” Torsionsstegen Federstrukturen 150 zu verwenden, welche zueinander rechtwinklig verlaufende Federelemente aufweisen. Derartige Federstrukturen 150, welche einen günstigeren Abbau einer mechanischen Spannung für den Fall einer Überlast-Auslenkung (in z-Richtung) ermöglichen, können auf einfache Weise in bestehende „Sensor-Designs” integriert werden, wobei keine oder nur eine geringe Beeinflussung der sonstigen mechanischen Sensoreigenschaften auftritt. Mögliche Ausführungsformen sind in den Aufsichtsdarstellungen der 3 bis 6 dargestellt, welche sich auf die „obere” der in 2 dargestellten Federstrukturen 150 beziehen. Zur Verdeutlichung der räumlichen Orientierung enthalten die 3 bis 6 ferner eine Darstellung der in Bezug auf die Substratebene senkrechten Raumrichtung z, sowie der lateralen Raumrichtungen x und y.
-
3 zeigt eine mögliche Ausgestaltung einer Federstruktur 150. Die Federstruktur 150 weist ein erstes balkenförmiges Federelement 151 auf, welches als Torsionssteg fungiert, um eine Drehbewegung der Wippe 145 bei einer einwirkenden „normalen” Beschleunigung zu ermöglichen. Des Weiteren weist die Federstruktur 150 ein zweites Federelement 155 auf, welches in Form eines Querbalkens rechtwinklig zu dem ersten Federelement 151 angeordnet ist, und welches als „Pufferelement” fungiert, um eine Auslenkung bzw. Nachgiebigkeit der Federstruktur 150 bei einer Überlastbeanspruchung zu ermöglichen. Durch den Querbalken 155 wird die Torsionssteifigkeit der Federstruktur 150 nicht oder nur in geringem Maße beeinflusst. Die beiden Federelemente bzw. Balken 151, 155 können die gleiche Höhe H aufweisen wie die Wippe 145 (vgl. 1). Die Form der Federelemente 151, 155 wird beim Strukturieren der Funktionsschicht 140 in die in 2 dargestellte Wippenstruktur festgelegt. Die vorstehenden Ausführungen gelten analog auch für die in den anderen Figuren dargestellten alternativen Ausführungsformen von Federstrukturen 150.
-
Das erste Federelement 151 ist an einem Balkenende mit der Wippe 145 bzw. einem Verbindungssteg 143, und an dem anderen Balkenende mit dem zweiten Federelement 155 (mittig) verbunden. Das zweite Federelement 155 ist im Bereich des Stützelements 149 angeordnet und an den Balkenenden an dem Stützelement 149 befestigt, was in 3 anhand von Befestigungsstellen 157 angedeutet ist. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel das Stützelement 149 im Bereich des Federelements 155 eine Aussparung bzw. einen Einschnitt aufweisen, innerhalb dessen das Federelement 155 aufgenommen ist (nicht dargestellt).
-
Die in 3 dargestellte Federstruktur 150 mit dem Querbalken 155 weist eine „Weichheit” bzw. Nachgiebigkeit im Bereich des Stützelements 149 auf. Bei einer Überbeanspruchung der Federstruktur 150 infolge einer in z-Richtung auftretenden Auslenkung der Wippe 145 kann der Querbalken 155 eine entsprechende Verbiegung bzw. Torsionsbewegung ausführen, wodurch eine mechanische Spannung in der Federstruktur 150 abgebaut werden kann. Auf diese Weise kann ein Federbruch im Bereich des Stützelements 149 zuverlässig vermieden werden. Die über den Querbalken 155 ermöglichte Torsion zum Spannungsabbau bezieht sich hierbei auf eine (durch den Querbalken 155 vorgegebene) Drehachse, welche rechtwinklig angeordnet ist zu einer (durch den Balken 151 vorgegebenen) Drehachse für den Fall einer Drehbewegung der Wippe 145 beim Erfassen einer Beschleunigung.
-
4 zeigt eine weitere Torsionsfeder 150, welche im Gegensatz zu der in 3 dargestellten Ausführungsform einen (weiteren) Querbalken 155 zusätzlich im Bereich des Verbindungsstegs 143 der Wippe 145 aufweist. Dieser Querbalken 155 ist in einem Abstand zu dem Verbindungssteg 143 angeordnet und an den Balkenenden über seitlich an dem Querbalken 155 angeordnete, stegförmige Verbindungselemente 159 mit dem Verbindungssteg 143 verbunden. Der hierzu rechtwinklig angeordnete Balken 151 ist an den Balkenenden mit den beiden Querbalken 155 (mittig) verbunden. Durch die beiden Querbalken 155 weist die in 4 dargestellte Federstruktur 150 sowohl im Bereich des Stützelements 149 als auch im Bereich des Verbindungsstegs 143 eine entsprechende Nachgiebigkeit mit der Möglichkeit eines Spannungsabbaus auf, wodurch ein Federbruch bei einer Überbeanspruchung (in z-Richtung) mit einer hohen Zuverlässigkeit vermieden werden kann.
-
Im Hinblick auf die in 4 dargestellte Befestigung des „oberen” Querbalkens 155 über Verbindungselemente 159 an dem Verbindungssteg 143 besteht die Möglichkeit, eine derartige Befestigungsart auch bei dem „unteren” Querbalken 155 im Bereich des Stützelements 149 bzw. bei dem in 3 dargestellten Querbalken 155 vorzusehen. Weiter ist die Möglichkeit gegeben, eine Federstruktur 150 auszubilden, bei welcher ein einzelner Querbalken 155 lediglich im Bereich des Verbindungsstegs 143 vorgesehen ist (nicht dargestellt).
-
Eine weitere mögliche Ausgestaltung einer Federstruktur 150 ist in 5 dargestellt. Hierbei weist das als Torsionssteg fungierende erste Federelement zwei balkenförmige und im Wesentlichen gleich lange Teilabschnitte 152, 153 auf, zwischen denen ein zweites, sich rechtwinklig zu den Teilabschnitten 152, 153 ersteckendes Federelement 156 angeordnet ist. Das zweite Federelement 156 umfasst zwei quer zu den Teilabschnitten 152, 153 verlaufende und in einem Abstand parallel zueinander angeordnete Balken 155, welche an den Balkenenden über stegförmige Verbindungselemente 159 miteinander verbunden sind. Die Teilabschnitte 152, 153 grenzen jeweils mit einem Balkenende (mittig) an einen der Querbalken 155, und mit dem anderen Balkenende an das Stützelement 149 bzw. den Verbindungssteg 143 an.
-
Das in der Mitte zwischen Verbindungssteg 143 und Stützelement 149 angeordnete Federelement 156 kann wie die einzelnen Querbalken 155 der Federstrukturen 150 der 3 und 4 eine Verbiegung bzw. Torsionsbewegung ausführen, wodurch die in 5 dargestellte Federstruktur 150 ebenfalls eine entsprechende Nachgiebigkeit aufweist, um einen Federbruch bei einer Überbeanspruchung zu verhindern. Darüber hinaus werden im Unterschied zu den in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen keine beidseitig befestigten Querbalken 155 verwendet. Auf diese Weise kann ein bei beidseitig eingespannten Querbalken 155 gegebenenfalls auftretendes „Ausknicken” bzw. „buckling” (in y-Richtung) vermieden werden.
-
Eine weitere Ausführungsform einer Federstruktur 150 ist in 6 dargestellt. Hierbei weist das erste Federelement angrenzend an den Verbindungssteg 143 und an das Stützelement 149 zwei kurze Teilabschnitte 152, 154, sowie einen längeren Teilabschnitt 153 auf. Zwischen den Teilabschnitten 152, 153, 154 sind (zweite) Federelemente 156 mit zwei parallelen und an den Balkenenden über Verbindungselemente 159 verbundenen Querbalken 155 vorgesehen. Durch diese Ausgestaltung weist die Federstruktur 150 eine Nachgiebigkeit sowohl im Bereich des Verbindungssteges 143 als auch im Bereich des Stützelements 149 auf.
-
Die anhand der 3 bis 6 erläuterten Ausführungsformen von Federstrukturen 150 stellen bevorzugte bzw. beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dar. Neben den beschriebenen und abgebildeten Ausführungsformen sind weitere Ausführungsformen vorstellbar, welche weitere Abwandlungen bzw. Kombinationen von Merkmalen umfassen können. Beispielsweise können anstelle der in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsformen Federstrukturen verwirklicht werden, welche eine andere Anzahl an quer verlaufenden Federelementen 156 aufweisen bzw. bei denen die Federelemente 156 an einer anderen Stelle zwischen dem Verbindungssteg 143 und dem Stützelement 149 angeordnet sind. Ein weiteres Beispiel ist eine Federstruktur, bei welcher ein einzelner Querbalken 155 im Bereich des Verbindungsstegs 143 und/oder des Stützelements 149 angeordnet ist, sowie zusätzlich (wenigstens) ein Federelement 156 mit zwei parallelen Balken 155 vorgesehen ist. Ferner wird ergänzend darauf hingewiesen, dass die genannten Materialien und Zahlenangeben lediglich als Beispiele anzusehen sind, welche gegebenenfalls durch andere Materialien und Angaben ersetzt werden können.
-
Darüber hinaus sind Federstrukturen mit rechtwinklig zueinander verlaufenden Federelementen nicht auf das Bauelement 100 mit dem in den 1 und 2 dargestellten Feder-Masse-System beschränkt. Derartige Federstrukturen können auch zum auslenkbaren Aufhängen von beweglichen Massen eingesetzt werden, welche eine andere Ausgestaltung oder Form als die in den Figuren dargestellte Wippe 145 aufweisen. Ein mögliches Beispiel ist eine Wippe, deren Hebelarme übereinstimmende laterale Außenabmessungen aufweisen, wobei eine Massenasymmetrie in Bezug auf eine Drehachse auf andere Art und Weise hergestellt ist.
