DE102010029278B4 - Sensor and actuator for multiple rotational degrees of freedom - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung (9) mit mindestens einer Spiralfeder (1) aus sich in einer Haupterstreckungsebene um eine normal zu der Haupterstreckungsebene verlaufende Achse (8) windendem Bandmaterial (2), wobei ein erstes Ende (7) des Bandmaterials (2) an einer Basis (10) festliegt, wobei ein zweites Ende (6) des Bandmaterials (2) an einem Vorrichtungsteil (11) angreift, wobei das Vorrichtungsteil (11) gegenüber der Basis (10) mindestens einen Rotationsfreiheitsgrad für Rotationen um die Achse (8) aufweist, wobei an mindestens einer in ihrer einen Haupterstreckungsrichtung parallel zu der Achse (8) verlaufenden und sich in ihrer anderen Haupterstreckungsrichtung um diese herum windenden Oberfläche (3, 13, 14, 15) des Bandmaterials (2) mindestens ein mechanisch-elektrischer Wandler (4) angreift, wobei mindestens zwei ineinander gewundene Spiralfedern (1) mit an ihren Bandmaterialien (2) angreifenden mechanisch-elektrischen Wandlern (4) vorhanden sind, wobei die ersten Enden (7) der Bandmaterialien (2) der mindestens zwei Spiralfedern (1) an derselben Basis (10) festliegen und wobei die zweiten Enden (6) der Bandmaterialien (2) der mindestens zwei Spiralfedern (1) an dem Vorrichtungsteil (11) angreifen, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Spiralfedern (1) mit zueinander orthogonalen Haupterstreckungsebenen ineinander gewunden sind.

Figure DE102010029278B4_0000
Device (9) having at least one spiral spring (1) made of strip material (2) wound in a main plane of extension about an axis (8) running normal to the main plane of extension, a first end (7) of the strip material (2) being attached to a base (10 ), wherein a second end (6) of the strip material (2) on a device part (11) engages, wherein the device part (11) relative to the base (10) at least one rotational degree of freedom for rotation about the axis (8), wherein at least one surface (3, 13, 14, 15) of the strip material (2) running in its one main extension direction parallel to the axis (8) and winding around it in its other main extension direction attacks at least one mechanical-electrical converter (4), wherein at least two spiral springs (1) wound into one another are provided with mechanical-electrical transducers (4) acting on their band materials (2), the first ends (7) of the band materials ( 2) of the at least two coil springs (1) fixed to the same base (10) and wherein the second ends (6) of the band materials (2) of the at least two coil springs (1) on the device part (11) attack, characterized in that the at least two spiral springs (1) with mutually orthogonal main extension planes are wound into each other.
Figure DE102010029278B4_0000

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit Spiralfedern und den weiteren Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.The invention relates to a device with coil springs and the further features of the preamble of independent claim 1.

Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine solche Vorrichtung, die als Sensor für mehrere Rotationsfreiheitsgrade verwendbar ist, wobei es wiederum insbesondere darum geht, Winkelbeschleunigungen in Richtung der Rotationsfreiheitsgrade zu erfassen. Auch die Erfassung von Drehwinkeln in Richtung der Rotationsfreiheitsgrade kann von Interesse sein. Parallel dazu betrifft die vorliegende Erfindung auch solche Vorrichtungen, die als Aktuator für mehrere Rotationsfreiheitsgrade geeignet sind, um Drehmomente oder Drehwinkel in Richtung des Rotationsfreiheitsgrads aufzubringen.In particular, the present invention relates to such a device which can be used as a sensor for a plurality of rotational degrees of freedom, wherein it in turn is particularly important to detect angular accelerations in the direction of rotational degrees of freedom. The detection of angles of rotation in the direction of rotational degrees of freedom may also be of interest. In parallel with this, the present invention also relates to such devices which are suitable as an actuator for a plurality of rotational degrees of freedom in order to apply torques or angles of rotation in the direction of rotational freedom of rotation.

Die vorliegende Erfindung ist aber ausdrücklich nicht auf solche Vorrichtungen beschränkt, die nur Rotationsfreiheitsgrade abdecken. Vielmehr können auch zusätzliche Translationsfreiheitsgrade abgedeckt werden.However, the present invention is expressly not limited to such devices that cover only rotational degrees of freedom. Rather, additional translational degrees of freedom can be covered.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Aus der CH 684 029 A5 ist ein Sensor zur Messung von Winkelbeschleunigungen bekannt. Der Sensor ist aus einem Siliziumträger bestehend aus einem Substrat, einer darauf aufgebrachten Isolationsschicht und einer auf die Isolationsschicht aufgebrachten Polysiliziumschicht strukturiert. Aus der Polysiliziumschicht ist ein Ankerpunkt herausstrukturiert, der über die Isolationsschicht fest mit dem Substrat verbunden ist. Von diesem Ankerpunkt als Mittelpunkt gehen zwei ineinander verlaufende Spiralen aus, die nur in der Polysiliziumschicht ausgebildet sind und außer über den Ankerpunkt nicht mit dem Substrat verbunden sind und also wie Spiralfedern beweglich sind. Jeweils an den außen liegenden Windungen der Spiralen sind bewegliche Massen ebenfalls nur in der Polysiliziumschicht ausgebildet, die sternförmig zum Ankerpunkt angeordnet sind. Sie weisen zweiseitig kammförmige Fingerstrukturen auf. Ebenfalls sternförmig um den Ankerpunkt sind zwischen den beweglichen Massen feststehende Elektroden angeordnet, die mit dem Substrat und/oder einem Rahmen verbunden sind. Auch die feststehenden Elektroden weisen kammförmige Fingerstrukturen auf. Die Fingerstrukturen der beweglichen Massen und die Fingerstrukturen der feststehenden Elektroden greifen ineinander. Diese Fingerstrukturen bilden zusammen Interdigitalkondensatoren bzw. elektrostatische Reluktanzantriebe, die zur Lageregulierung aber auch zur Signalerfassung benutzt werden können. Eine Signalerfassung bei dieser Struktur ist außerdem mit auf den Spiralen angeordneten Piezowiderständen möglich. Mit diesem Sensor lassen sich Winkelbeschleunigungen um eine Achse senkrecht zur Trägeroberfläche erfassen. Dabei wirken die archimedischen Spiralen wie Spiralfedern, die je nach Drehrichtern gedehnt oder gestaucht werden, wodurch die Lage der beweglichen Massen bezüglich der feststehenden Elektroden verändert wird, was zu Änderungen der elektrischen Verhältnisse an den Interdigitalkondensatoren führt. Durch die ineinander eingreifenden Fingerstrukturen der beweglichen Massen und der feststehenden Elektroden ist dieser bekannte Sensor grundsätzlich nur für relativ kleine Auslenkungen der beweglichen Massen geeignet. Überdies handelt es sich bei seinen beweglichen Massen ausschließlich um träge Massen, denen gegenüber Winkelbeschleunigung des Ankerpunkts erfasst werden. Auch aufgrund seiner miniaturisierten Bauweise ist der bekannte Sensor beispielsweise nicht zur Übertragung größerer absoluter Kräfte zwischen seinem Ankerpunkt und den beweglichen Massen geeignet.From the CH 684 029 A5 is a sensor for measuring angular acceleration known. The sensor is structured from a silicon carrier consisting of a substrate, an insulating layer applied thereto and a polysilicon layer applied to the insulating layer. From the polysilicon layer, an anchor point is structured, which is firmly connected to the substrate via the insulating layer. From this anchor point as the center two spirals run into each other, which are formed only in the polysilicon layer and are not connected via the anchor point with the substrate and thus are like coil springs movable. In each case on the outer turns of the spirals movable masses are also formed only in the polysilicon layer, which are arranged in a star shape to the anchor point. You have on two sides comb-shaped finger structures. Likewise in a star shape around the anchor point, fixed electrodes are arranged between the movable masses and are connected to the substrate and / or a frame. The fixed electrodes also have comb-shaped finger structures. The finger structures of the movable masses and the finger structures of the fixed electrodes engage each other. These finger structures together form interdigital capacitors or electrostatic reluctance drives, which can be used for position control but also for signal detection. A signal detection in this structure is also possible with arranged on the spirals piezoresistors. With this sensor, angular accelerations can be detected around an axis perpendicular to the carrier surface. The Archimedean spirals act like coil springs, which are stretched or compressed depending on the rotors, whereby the position of the movable masses is changed with respect to the fixed electrodes, which leads to changes in the electrical conditions of the interdigital capacitors. Due to the meshing finger structures of the movable masses and of the stationary electrodes, this known sensor is fundamentally only suitable for relatively small deflections of the movable masses. Moreover, its mobile masses are exclusively inert masses, which are detected against angular acceleration of the anchor point. Also, due to its miniaturized design, the known sensor, for example, not suitable for transmitting larger absolute forces between its anchor point and the moving masses.

Aus der DE 698 37 752 T2 ist ein Topologie- und Bewegungsmessinstrument bekannt, bei dem auf einer flexiblen Unterlage, die wenigstens in zwei Freiheitsgraden biegbar ist, mehrere Biegesensoren und Verdrillungssensoren angeordnet sind. Ein einziger Abschnitt der flexiblen Unterlage erstreckt sich von einer Basis zu dem Vorrichtungsteil, dessen Auslenkung sowohl in X-, Y- und Z-Richtung als auch in allen drei rotatorischen Freiheitsgraden durch die Signale der Biegesensoren und Verdrillungssensoren erfasst werden kann.From the DE 698 37 752 T2 a topology and movement measuring instrument is known in which a plurality of bending sensors and Verdrillungssensoren are arranged on a flexible pad which is bendable in at least two degrees of freedom. A single portion of the flexible pad extends from a base to the device part whose deflection in both the X, Y and Z directions as well as in all three rotational degrees of freedom can be detected by the signals from the flexure sensors and the twist sensors.

Aus der DE 601 30 940 T2 sind ein piezoelektrischer Aktor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Informationsspeicherung bekannt. Dabei weist der piezoelektrische Aktor zwei in ihrer gemeinsamen Haupterstreckungsebene um eine Achse ineinander gewundene Spiralfedern mit auflaminierten piezoelektrischen Schichten auf. Die Spiralfedern sind in unterschiedlichen Winkelbereichen um die Achse mit ihren äußeren Enden an einer Basis festgelegt und greifen in unterschiedlichen Winkelbereichen um die Achse mit ihren anderen Enden an einem Gleiter an. Durch elektrische Ansteuerung der piezoelektrischen Schichten wird der Gleiter gegenüber der Basis um die normal zu den Haupterstreckungsebenen der Spiralfedern verlaufende Achse verdreht.From the DE 601 30 940 T2 are a piezoelectric actuator with the features of the preamble of claim 1 and a device for information storage known. In this case, the piezoelectric actuator has two in its common main extension plane about an axis wound spiral springs with laminated piezoelectric layers. The coil springs are fixed in different angular ranges about the axis with their outer ends to a base and engage in different angular ranges about the axis with their other ends to a slider. By electrically driving the piezoelectric layers, the slider is rotated relative to the base about the normal to the main extension planes of the coil springs axis.

Aus der CH 684 029 A5 ist ein Beschleunigungssensor bekannt, bei dem zwei Spiralfedern um eine gemeinsame Achse ineinander gewunden sind. Dabei sind die Spiralfedern mit ihren innen liegenden Enden an einem Ankerpunkt befestigt, während sie an ihren äußeren Enden massenbeweglich abstützen, die mit Fingerstrukturen in Umfangsrichtung um den Ankerpunkt in Elektroden eingreifen, mit deren Hilfe Auslenkungen der Massen erfasst werden.From the CH 684 029 A5 An acceleration sensor is known in which two spiral springs are wound around a common axis. In this case, the coil springs are fastened with their inner ends to an anchor point, while they massively support at their outer ends, which with finger structures in the circumferential direction engage the anchor point in electrodes, with the help of which deflections of the masses are detected.

Aus der JP 60070981 A ist eine piezoelektrische Drehvorrichtung bekannt. Diese Drehvorrichtung umfasst eine Spiralfeder aus einem piezoelektrischen Wandlermaterial. Die Spiralfeder greift mit ihrem inneren Ende an einer Welle an. Mit ihrem äußeren Ende ist sie festgelegt. Durch Beaufschlagen des piezoelektrischen Wandlermaterials der Spiralfeder mit einer Spannung wird die Welle um ihre Achse verdreht.From the JP 60070981 A For example, a piezoelectric rotary device is known. This rotating device comprises a coil spring made of a piezoelectric transducer material. The coil spring engages with its inner end to a shaft. It is fixed with its outer end. By applying a voltage to the piezoelectric transducer material of the coil spring, the shaft is rotated about its axis.

Die US 6,121,568 A offenbart eine elektrische Entladungsmaschine mit mindestens einer Drahtelektrode und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks in einer solchen Maschine. Die Maschine weist einen Führungskopf für die Drahtelektrode auf. Der Führungskopf ist sphärisch mit einer zentralen Bohrung für die Drahtelektrode. Zum Verdrehen des Führungskopfs sind piezoelektrische Aktuatoren die am Außenumfang des Führungskopfs angreifen und nach dem Inchworm-Prinzip arbeiten, vorgesehen. Konkret beschrieben wird eine Verdrehung des Führungskopfs nur um die Z-Achse.The US 6,121,568 A discloses an electric discharge machine having at least one wire electrode and a method of machining a workpiece in such a machine. The machine has a guide head for the wire electrode. The guide head is spherical with a central hole for the wire electrode. To rotate the guide head, piezoelectric actuators which act on the outer circumference of the guide head and operate according to the inchworm principle are provided. Specifically described is a rotation of the guide head only about the Z axis.

Aus der US 6,619,126 B2 ist ein mechanisch-elektrischer Sensor bekannt. Der Sensor weist einen inneren Körper, einen äußeren Rahmen und eine Mehrzahl von einzelnen piezoelektrischen Stützfolien auf, die den inneren Körper in dem Rahmen abstützen. Dabei kann die Abstützung in einer Ebene erfolgen, wobei die Folien innerhalb der Ebene verlaufen, oder dreidimensional ausgebildet sein, wobei die Folien in allen drei Raumrichtungen radial von dem inneren Körper weg zu dem Rahmen verlaufen.From the US 6,619,126 B2 a mechanical-electrical sensor is known. The sensor includes an inner body, an outer frame, and a plurality of individual piezoelectric support sheets that support the inner body in the frame. In this case, the support can take place in a plane, wherein the films extend within the plane, or be formed in three dimensions, wherein the films extend in all three spatial directions radially away from the inner body to the frame.

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, die als Sensor und Aktuator auch für größere Drehwinkel und Kräfte in Richtung verschiedener Rotationsfreiheitsgrade geeignet ist.The invention has for its object to provide a device with the features of the preamble of independent claim 1, which is suitable as a sensor and actuator for larger angles of rotation and forces in the direction of various rotational degrees of freedom.

LÖSUNGSOLUTION

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe der Erfindung durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der neuen Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 14 definiert. Der Patentanspruch 15 betrifft die Verwendung der neuen Vorrichtung als Sensor zumindest für Drehbewegungen und der Patentanspruch 16 betrifft die Verwendung der neuen Vorrichtung als Aktuator zumindest für Drehbewegungen.According to the invention, the object of the invention is achieved by a device having the features of independent patent claim 1. Preferred embodiments of the new device are defined in the dependent claims 2 to 14. The claim 15 relates to the use of the new device as a sensor at least for rotational movements and the claim 16 relates to the use of the new device as an actuator, at least for rotational movements.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Bei der neuen Vorrichtung greift an mindestens einer in ihrer einen Haupterstreckungsrichtung parallel zu der Achse verlaufenden und sich in ihrer anderen Haupterstreckungsrichtung um diese herum windenden Oberfläche des Bandmaterials jeder Spiralfeder mindestens ein mechanisch-elektrischer Wandler an. Ein solcher mechanisch-elektrischer Wandler wandelt mechanische Spannungen in elektrische Signale und umgekehrt. Ein Piezowiderstand fällt nicht unter diese Definition, selbst wenn die bevorzugte Ausführungsform des mechanisch-elektrischen Wandlers ein piezo-elektrischer Wandler ist. Indem der mechanisch-elektrische Wandler bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung an der parallel zu der Achse verlaufenden und sich um die Achse herum windenden Oberfläche des Bandmaterials angreift, weist er eine hohe Sensibilität bezüglich der Rotationen des von der Spiralfeder abgestützten Vorrichtungsteils auf. So können sowohl Drehbewegungen des Vorrichtungsteils gegenüber der Basis genau erfasst und unter Berücksichtigung der Steifigkeit der Spiralfeder bestimmten Drehmomenten und somit Winkelbeschleunigungen zugeordnet werden, als auch in umgekehrter Richtung Drehbewegungen des Vorrichtungsteils gegenüber der Basis gezielt hervorgerufen werden. Zwar wirken sich die herrschenden Kraft-Weg-Übersetzungsverhältnisse auf diese beiden Empfindlichkeiten gegenläufig aus, doch ist bei bekannten mechanisch-elektrischen Wandlern normalerweise der mit zunehmender Spannung zurückgelegte Weg nur sehr klein, so dass eine massive Wegvergrößerung unter definierten Bedingungen nur für ausgewogene Verhältnisse und nicht dafür sorgt, dass der mechanisch-elektrische Wandler als Sensor gegenüber kleinen Bewegungen unempfindlich würde.In the new device, at least one mechanical-electrical converter engages at least one surface of the strip material of each coil spring that extends parallel to the axis in its one main extension direction and that winds around it in its other main extension direction. Such a mechanical-electrical converter converts mechanical stresses into electrical signals and vice versa. A piezoresistor does not fall within this definition, even if the preferred embodiment of the mechanical-electrical transducer is a piezoelectric transducer. By the mechanical-electrical transducer in the device according to the invention on the running parallel to the axis and about the axis winding surface of the strip material, it has a high sensitivity to the rotations of the device supported by the coil spring device part. Thus, both rotational movements of the device part relative to the base can be detected accurately and given the stiffness of the coil spring specific torques and thus angular accelerations are assigned, as well as in the opposite direction rotational movements of the device part relative to the base are deliberately caused. Although the prevailing force-displacement ratios affect these two sensitivities in opposite directions, in known mechanical-electrical transducers the distance traveled with increasing voltage is usually very small, so that a massive travel magnification under defined conditions only for balanced conditions and not ensures that the mechanical-electrical transducer as a sensor against small movements would be insensitive.

Bei der neuen Vorrichtung ist es bevorzugt, wenn das erste, an der Basis festliegende Ende das bei der jeweiligen Spiralfeder außen liegende Ende des Bandmaterials und das zweite, an dem Vorrichtungsteil angreifende Ende das bei der jeweiligen Spiralfeder innen liegendeEnde des Bandmaterials ist. Die Spiralfeder windet sich damit um das elastisch abgestützte Vorrichtungsteil herum.In the new device, it is preferable that the first end fixed to the base is the end of the strip material located at the respective coil spring and the second end engaging to the device part is the inner end of the strip material at the respective coil spring. The coil spring thus winds around the resiliently supported device part.

Weiter ist es bei der neuen Vorrichtung bevorzugt, wenn das zweite Ende an dem Vorrichtungsteil festliegt oder zumindest über einen Festkörpergelenk an dem Vorrichtungsteil angreift, um hier eine spiel- und totpunktfreie Anbindung zu schaffen.Further, it is preferred in the new device, when the second end is fixed to the device part or at least via a solid-state joint on the device part attacks to create a play and dead-point connection here.

In der neuen Vorrichtung weist der mechanisch-elektrische Wandler jeder Spiralfeder eine längs der jeweiligen Oberfläche des Bandmaterials um die Achse herum gekrümmte Arbeitsrichtung auf. Dabei ist es bevorzugt, wenn der mechanisch-elektrische Wandler Anschlusselektroden aufweist, die längs seiner Arbeitsrichtung und damit längs der Oberfläche des Bandmaterials verlaufen, an der der mechanisch elektrische Wandler angreift. Dabei ist es auch möglich, mindestens eine der Anschlusselektroden des piezo-elektrischen Wandlers durch das Bandmaterial auszubilden oder zumindest über das Bandmaterial elektrisch zu kontaktieren, wenn dieses elektrisch leitfähig ist. Letzteres ist dann der Fall wenn das Bandmaterial ein Metall ist oder ein leitfähiger Kohlenstofffaserverbund. Das Bandmaterial muss aber nicht elektrisch leitfähig sein, sondern kann auch aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff, optional mit Verstärkung bspw. durch Glasfasern bestehen.In the new apparatus, the mechanical-electrical transducer of each coil spring has a working direction curved along the respective surface of the band material around the axis. It is preferred if the mechanical-electrical converter has connection electrodes, which run along its working direction and thus along the surface of the strip material, which is engaged by the mechanical electrical transducer. It is also possible to form at least one of the terminal electrodes of the piezoelectric transducer by the strip material or to electrically contact at least over the strip material, if this is electrically conductive. The latter is the case when the strip material is a metal or a conductive carbon fiber composite. However, the strip material does not have to be electrically conductive, but may also consist of an electrically insulating plastic, optionally with reinforcement, for example, by glass fibers.

Bei der neuen Vorrichtung kann der mechanisch-elektrische Wandler an einer der beiden äußeren Oberflächen des Bandmaterials jeder Spiralfeder und nur an einer dieser Oberflächen angreifen. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform greift der mechanisch-elektrische Wandler an zwei einander gegenüberliegenden inneren Oberflächen des Bandmaterials an. Bei dieser Ausführungsform der neuen Vorrichtung kann beispielsweise der d15-Effekt von piezoelektrischen Materialien ausgenutzt werden. Vorzugsweise verläuft der mechanisch-elektrische Wandler bei dieser Ausführungsform der neuen Vorrichtung im Bereich der neutralen Faser des Bandmaterials.In the new device, the mechanical-electrical transducer may engage one of the two outer surfaces of the strip material of each coil spring and only one of these surfaces. In another preferred embodiment, the mechanical-electrical transducer engages two opposing inner surfaces of the strip material. In this embodiment of the new device, for example, the d 15 effect of piezoelectric materials can be exploited. Preferably, in this embodiment of the new device, the mechanical-electrical converter extends in the region of the neutral fiber of the strip material.

Es können auch mehrere mechanisch-elektrische Wandler an denselben oder verschiedenen Oberflächen des Bandmaterials jeder Spiralfeder angreifen. Bevorzugt ist es in diesem Fall, dass die mehreren mechanisch-elektrischen Wandler über die Erstreckung des Bandmaterials zwischen der Basis und dem Vorrichtungsteil verteilt angeordnet sind, um auf unterschiedliche Bereiche des Bandmaterials einzuwirken bzw. Verformungen dieser unterschiedlichen Bereiche des Bandmaterials zu erfassen.Also, multiple mechanical-electrical transducers may engage the same or different surfaces of the strip material of each coil spring. It is preferred in this case that the plurality of mechanical-electrical transducers are distributed over the extent of the strip material between the base and the device part in order to act on different areas of the strip material or to detect deformations of these different areas of the strip material.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der oder die mechanisch elektrischen Wandler über mindestens 25 %, noch mehr bevorzugt über mindestens 33 % und am meisten bevorzugt über mindestens 50 % der Erstreckung des Bandmaterials zwischen der Basis und dem Vorrichtungsteil ausgedehnt sind. Idealerweise sind sie zumindest im Wesentlichen über die gesamte Erstreckung des Bandmaterials zwischen der Basis und dem Vorrichtungsteil ausgedehnt.It is particularly preferred if the mechanical electrical transducer or transducers are extended over at least 25%, more preferably over at least 33% and most preferably over at least 50% of the extent of the strip material between the base and the device part. Ideally, they are at least substantially extended over the entire extent of the strip material between the base and the device part.

Wenn mehrere mechanisch-elektrische Wandler auf beiden äußeren Oberflächen des Bandmaterials jeder Spiralfeder vorgesehen sind, kann hierdurch in der Regel der Arbeitsbereich im Hinblick auf Drehbewegungen des Vorrichtungsteils relativ zu der Basis gegenüber dem Fall erweitert werden, dass die Wandler nur auf einer der äußeren Oberflächen vorliegen, weil mechanisch-elektrische Wandler häufig nicht in gleicher Weise durch elektrische Ansteuerung gedehnt und verkürzt werden können.If a plurality of mechanical-electrical transducers are provided on both outer surfaces of the strip material of each coil spring, this can usually be extended to the working area with respect to rotational movements of the device part relative to the base relative to the case that the transducers are present only on one of the outer surfaces because mechanical-electrical converter often can not be stretched and shortened in the same way by electrical control.

Hinsichtlich der Anzahl der Windungen jeder Spiralfeder um die Achse ist eine Mindestanzahl von einer Windung, vorzugsweise von 2 Windungen einzuhalten, um durch den Angriff des mechanisch-elektrischen Wandlers an dem Bandmaterial der Spiralfeder eine möglichst reine Drehbewegung des Vorrichtungsteils um die Achse einzuleiten und umgekehrt. Andererseits ist zu berücksichtigen, dass sich bei einer größeren Anzahl von Windungen der Spiralfeder Drehbewegungen des Vorrichtungsteils gegenüber der Basis in immer kleiner werdenden lokalen Deformationen des Bandmaterials der Spiralfeder äußern. Zudem wird bei gleicher Steifigkeit des Bandmaterials die Gesamtsteifigkeit der Abstützung des Vorrichtungsteils immer geringer. Daher ist eine deutlich größere Anzahl von Windungen der Spiralfeder in der Regel nicht günstig.With regard to the number of turns of each coil spring about the axis, a minimum number of turns, preferably of 2 turns, must be observed in order to initiate as pure as possible a rotational movement of the device part about the axis by the attack of the mechanical-electrical transducer on the strip material of the spiral spring and vice versa. On the other hand, it should be noted that, in a larger number of turns of the coil spring rotational movements of the device part relative to the base in ever smaller local deformations of the strip material of the coil spring express. In addition, with the same rigidity of the strip material, the overall rigidity of the support of the device part is always lower. Therefore, a significantly larger number of turns of the coil spring is usually not favorable.

Hinsichtlich der Form der Spiralfedern ist eine archimedische Spirale um die Achse bevorzugt. Es können aber auch andere Spiralformen wie logarithmische, fermatsche und hyperbolische Spiralformen zur Anwendung kommen.Regarding the shape of the coil springs, an Archimedean spiral around the axis is preferred. However, other spiral shapes such as logarithmic, Fermatsche and hyperbolic spiral shapes may be used.

Bei der neuen Vorrichtung sind mindestens zwei, vorzugsweise drei Spiralfedern mit zueinander orthogonalen Haupterstreckungsebenen ineinander gewunden, wobei die ersten Ende deren Bandmaterialien an derselben Basis festliegen und wobei die zweiten Enden deren Bandmaterialien an den Vorrichtungsteil angreifen. Es versteht sich, dass dabei die Deformationen der einzelnen Spiralfedern nicht unabhängig voneinander sind, was aber bei der Auswertung der Signale von den mechanisch-elektrischen Wandlern bzw. deren Ansteuerung berücksichtigt werden kann.In the new device at least two, preferably three coil springs are wound with mutually orthogonal main extension planes into each other, wherein the first end of their band materials are fixed to the same base and wherein the second ends attack their band materials on the device part. It is understood that the deformations of the individual coil springs are not independent of each other, but this can be taken into account in the evaluation of the signals from the mechanical-electrical converters or their control.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden.Advantageous developments of the invention will become apparent from the claims, the description and the drawings. The advantages of features and of combinations of several features mentioned in the introduction to the description are merely exemplary and can come into effect alternatively or cumulatively, without the advantages having to be achieved by embodiments according to the invention. Further features are the drawings - in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several components to each other and their relative arrangement and operative connection - refer. The combination of features of different embodiments of the invention or features of different claims is also possible and is hereby stimulated. This also applies to those features which are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be used Characteristics of different claims are combined.

Figurenlistelist of figures

Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben. Dabei zeigt nur 21 eine Vorrichtung, die als solche unter die Patentansprüche fällt.

  • 1 zeigt eine sich nur über einen Bogenwinkel von 90° erstreckende Spiralfeder mit darauf angeordnetem mechanisch-elektrischem Wandler und die Auslenkung eines freien Endes der Spiralfeder bei Ansteuerung des mechanisch-elektrischen Wandlers auf Längendehnung.
  • 2 ist eine 1 entsprechende Darstellung einer sich über einen Bogenwinkel von 180° erstreckenden Spiralfeder.
  • 3 ist eine 1 entsprechende Darstellung einer sich über einen Bogenwinkel von 270° erstreckenden Spiralfeder.
  • 4 ist eine 1 entsprechende Darstellung einer sich über einen Bogenwinkel von 360° erstreckenden Spiralfeder.
  • 5 ist eine 1 entsprechende Darstellung einer sich über einen Bogenwinkel von 540° erstreckenden Spiralfeder.
  • 6 ist eine 1 entsprechende Darstellung einer sich über einen Bogenwinkel von 720° oder zwei Windungen entsprechenden Spiralfeder.
  • 7 zeigt eine Vorrichtung mit einer zwei Windungen aufweisenden Spiralfeder und mehreren darin angeordneten mechanisch-elektrischen Wandlern.
  • 8 zeigt eine Vorrichtung mit einer zwei Windungen aufweisenden Spiralfeder und darin im Bereich ihrer neutralen Faser integrierten mechanisch-elektrischen Wandlern.
  • 9 zeigt eine Grundstellung einer Vorrichtung mit zwei jeweils zwei Windungen aufweisenden, ineinander gewundenen Spiralfedern und den Effekt deren gleichsinniger Ansteuerung durch an ihnen angebrachte mechanisch-elektrische Wandler.
  • 10 zeigt die Anordnung gemäß 9 bei gegensinniger Ansteuerung der beiden Spiralfedern.
  • 11 zeigt eine Ausführungsform der neuen Vorrichtung mit drei sich jeweils über einen Bogenwinkel von 270° erstreckenden Spiralfedern.
  • 12 zeigt eine Vorrichtung mit vier sich jeweils über knapp eine Windung erstreckenden, ineinander gewundenen Spiralfedern bei Ansteuerung der Spiralfedern auf eine erste translatorische Bewegung des von ihnen abgestützten Vorrichtungsteils.
  • 13 zeigt die Anordnung gemäß 12 bei Ansteuerung der Spiralfedern auf eine zweite translatorische Bewegung des von ihnen abgestützten Vorrichtungsteils.
  • 14 zeigt die Anordnung gemäß 12 bei einer Ansteuerung der Spiralfedern auf eine Überlagung der translatorischen Bewegungen gemäß 12 und 13.
  • 15 zeigt eine Vorrichtung mit vier Spiralfedern, die jeweils zwei Windungen aufweisen bei Ansteuerung auf eine rotatorische Bewegung des von ihnen abgestützten Vorrichtungsteils.
  • 16 skizziert eine archimedische Spirale.
  • 17 skizziert eine logarithmische Spirale.
  • 18 skizziert eine fermatsche Spirale.
  • 19 skizziert eine hyperbolische Spirale.
  • 20 skizziert eine kaskadierte Anordnung mehrerer Vorrichtungen mit zueinander orthogonalen Rotationsfreiheitsgraden der einzelnen Kaskadenstufen; und
  • 21 skizziert eine Anordnung von drei zueinander orthogonale Haupterstreckungsebenen aufweisenden, ineinander gewundenen Spiralfedern, die mit ihren inneren Enden an demselben Vorrichtungsteil angreifen und gegenüber einer hier nicht dargestellten Basis abstützen.
In the following the invention will be further explained and described with reference to preferred embodiments shown in the figures. It just shows 21 a device which as such falls under the claims.
  • 1 shows a coil spring extending only over an arc angle of 90 ° with arranged thereon mechanical-electrical converter and the deflection of a free end of the coil spring when driving the mechanical-electrical converter to elongation.
  • 2 is a 1 corresponding representation of a over a arc angle of 180 ° extending coil spring.
  • 3 is a 1 corresponding representation of a over a arc angle of 270 ° extending coil spring.
  • 4 is a 1 corresponding representation of a over a arc angle of 360 ° extending coil spring.
  • 5 is a 1 corresponding representation of a over a arc angle of 540 ° extending coil spring.
  • 6 is a 1 corresponding representation of a corresponding over an arc angle of 720 ° or two turns coil spring.
  • 7 shows a device with a two-turns coil spring and a plurality of arranged therein mechanical-electrical converters.
  • 8th shows a device with a two-turn coil spring and integrated therein in the region of its neutral fiber mechanical-electrical transducers.
  • 9 shows a basic position of a device with two coils each having two turns, spiral springs wound into each other and the effect of the same direction control by attached to them mechanical-electrical converter.
  • 10 shows the arrangement according to 9 with opposite control of the two coil springs.
  • 11 shows an embodiment of the new device with three extending over an arc angle of 270 ° coil springs.
  • 12 shows a device with four, each extending over just one turn, spiral springs inturned upon control of the coil springs on a first translational movement of the supported part of them device part.
  • 13 shows the arrangement according to 12 upon control of the coil springs on a second translational movement of the device part supported by them.
  • 14 shows the arrangement according to 12 in a control of the coil springs on a superposition of the translational movements according to 12 and 13 ,
  • 15 shows a device with four coil springs, each having two windings when driven to a rotational movement of the device part supported by them.
  • 16 Sketches an Archimedean spiral.
  • 17 outlines a logarithmic spiral.
  • 18 outlines a Fermatian spiral.
  • 19 outlines a hyperbolic spiral.
  • 20 outlines a cascaded arrangement of several devices with mutually orthogonal rotational degrees of freedom of the individual cascade stages; and
  • 21 outlines an arrangement of three mutually orthogonal major planes extending, spiraling spiral springs, which engage with their inner ends on the same device part and support against a base, not shown here.

FIGURENBESCHREIBUNGDESCRIPTION OF THE FIGURES

Die in 1 gezeigte Spiralfeder 1 ist aus einem Bandmaterial 2 über einen Bogenwinkel von 90° gebogen. Auf einer äußeren Oberfläche 3 des Bandmaterials 2 ist ein mechanisch-elektrischer Wandler 4 in Form eines piezo-elektrischen Wandlers 5 angeordnet. Dargestellt ist neben der Ausgangsstellung der Spiralfeder 2 die Auslenkung eines zweiten, hier freien Endes 6 des Bandmaterials 3 gegenüber einem ersten, hier fest liegenden Ende 7. Das ausgelenkte Ende 6' ist bezüglich des Krümmungsradius der Spiralfeder 2 im Wesentlichen radial nach innen ausgelenkt.In the 1 shown spiral spring 1 is from a band material 2 bent over a bend angle of 90 °. On an outer surface 3 of the band material 2 is a mechanical-electrical converter 4 in the form of a piezoelectric transducer 5 arranged. Shown is next to the initial position of the coil spring 2 the deflection of a second, here free end 6 of the band material 3 opposite a first, fixed here end 7 , The deflected end 6 ' is with respect to the radius of curvature of the coil spring 2 deflected substantially radially inward.

Bei der Spiralfeder 1 gemäß 2, die derjenigen gemäß 1 entspricht, außer dass sich das Bandmaterial 2 über einen Bogenwinkel von 180° um die hier eingezeichnete Achse 8 windet, bewirkt die Ansteuerung des mechanisch-elektrischen Wandler 4 auf eine Vergrößerung seiner Länge zwar weiterhin auch eine Bewegung des zweiten Endes 6 zu der Achse 8 hin, aber in zunehmenden Maße auch in Umfangsrichtung um die Achse 8. Dies wird noch deutlicher bei der sich über einen Bogenwinkel von 270° windenden Spiralfeder 1 gemäß 3.At the coil spring 1 according to 2 , according to those 1 matches, except that the strip material 2 over an arc angle of 180 ° around the axis drawn here 8th winds, causes the control of the mechanical-electrical converter 4 on an increase in its length, although still a movement of the second end 6 to the axis 8th towards, but increasingly in the circumferential direction about the axis 8th , This will still be more evident at the spiral spring winding over an arc angle of 270 ° 1 according to 3 ,

Bei der sich über eine volle Windung windenden Spiralfeder 1 gemäß 4 resultiert fast ausschließlich eine Auslenkung des freien Endes 6 in Umfangsrichtung.When spiraling over a full turn spiral spring 1 according to 4 almost exclusively results in a deflection of the free end 6 in the circumferential direction.

Bei der sich über 1,5 Windungen um die Achse 8 erstreckenden Spiralfeder 1 gemäß 5 kommt zwar wieder ein leichter radialer Anteil der Auslenkung des freien Endes 6 hinzu; bei der sich über zwei volle Windungen erstreckenden Spiralfeder 1 gemäß 6 verschiebt sich das freie Ende 6 bei Ansteuerung des mechanisch-elektrischen Wandlers an ihrer äußeren Oberfläche 3 aber wieder fast ausschließlich in Umfangsrichtung.At about 1.5 turns around the axis 8th extending spiral spring 1 according to 5 Although again comes a slight radial portion of the deflection of the free end 6 added; at the spiral spring extending over two full turns 1 according to 6 shifts the free end 6 upon activation of the mechanical-electrical converter on its outer surface 3 but again almost exclusively in the circumferential direction.

7 skizziert eine Vorrichtung 9, die dem anhand der 1 bis 6 erläuterten Effekt gezielt ausnutzt. Hier ist die Spiralfeder 1 mit ihrem ersten Ende 7 an einer Basis 10 festgelegt, während ihr zweites Ende 6 an einem Vorrichtungsteil 11 angreift, das um die Achse 8 drehbar gegenüber der Basis 10 gelagert ist. Dabei ist zwischen dem Ende 6 und dem Vorrichtungsteil 11 ein hier nicht im Detail dargestelltes Festkörpergelenk 12 ausgebildet. Auf der nach außen weisenden äußeren Oberfläche 3 des Bandmaterials 2 sind hier zwei mechanisch-elektrische Wandler 4 in Form von piezo-elektrischen Wandlern 5 in unterschiedlichen Abschnitten des Bandmaterials 2 angeordnet. Zwei weitere mechanisch-elektrische Wandler 4 in Form von piezo-elektrischen Wandlern 5 sind in unterschiedlichen Abschnitten des Bandmaterials 2 an dessen nach innen weisenden äußeren Oberflächen 13 angeordnet. Die an den äußeren Oberflächen 3 und 13 angreifenden mechanisch-elektrischen Wandler 4 werden wechselweise angesteuert, um den Vorrichtungsteil 11 in gegenläufigen Drehrichtungen um die Achse 8 zu verdrehen, oder die von ihnen abgegebenen elektrischen Signale werden verwendet, um eine Drehbewegung des Vorrichtungsteils 11 gegenüber der Basis 10 zu erfassen, beispielsweise um eine Winkelbeschleunigung um die Achse 8 aufzunehmen. 7 outlines a device 9 that according to the 1 to 6 deliberately exploited explained effect. Here is the coil spring 1 with her first end 7 at a base 10 set while her second end 6 on a device part 11 attacks, around the axis 8th rotatable relative to the base 10 is stored. It is between the end 6 and the device part 11 a not shown here in detail solid state joint 12 educated. On the outward facing outer surface 3 of the band material 2 Here are two mechanical-electrical converters 4 in the form of piezoelectric transducers 5 in different sections of the strip material 2 arranged. Two more mechanical-electrical converters 4 in the form of piezoelectric transducers 5 are in different sections of the strip material 2 on its inwardly facing outer surfaces 13 arranged. The on the outer surfaces 3 and 13 attacking mechanical-electrical converter 4 are alternately driven to the device part 11 in opposite directions around the axis 8th to rotate, or the electrical signals emitted by them are used to a rotational movement of the device part 11 opposite the base 10 to capture, for example, an angular acceleration about the axis 8th take.

In 8 ist skizziert, dass der oder die mechanisch-elektrischen Wandler 4 auch in das Bandmaterial 2 integriert und dort an inneren Oberflächen 14 und 15 des Bandmaterials 2 angreifen können, beispielsweise wenn es sich um piezo-elektrische Wandler 5 handelt, die auf einen d15-Effekt angesteuert werden. Vorzugsweise verlaufen die piezo-elektrischen Wandler 5 in diesem Fall im Bereich der neutralen Fasern des Bandmaterials 2.In 8th is outlined that the one or more mechanical-electrical converters 4 also in the band material 2 integrated and there on inner surfaces 14 and 15 of the band material 2 can attack, for example, when it comes to piezoelectric transducers 5 which are driven by a d 15 effect. Preferably, the piezoelectric transducers extend 5 in this case in the area of the neutral fibers of the strip material 2 ,

9 skizziert eine Ausführungsform der Vorrichtung 9 mit zwei Spiralfedern 11 und deutet dabei eine Drehung des von ihnen abgestützten Vorrichtungsteils 11 im Uhrzeigersinn an, wenn beide Spiralfedern 1 gleichsinnig auf ein „Abwickeln“ von der gemeinsamen Achse durch hier nicht dargestellte mechanisch-elektrische Wandler angesteuert werden. 9 outlines an embodiment of the device 9 with two spiral springs 11 and indicates a rotation of the device part supported by them 11 clockwise when both coil springs 1 be driven in the same direction to a "unwinding" of the common axis by mechanical-electrical converter not shown here.

Dem gegenüber zeigt 10 die Auswirkung der gegensinnigen Ansteuerung der beiden Spiralfedern 1 der Vorrichtung gemäß 9, wobei die Spiralfeder 1, deren Enden in den Darstellungen links liegen genauso angesteuert ist wie in 9 und die andere Spiralfeder 1 auf ein „Aufwickeln“ auf die gemeinsame Achse. Hieraus resultiert eine Verlagerung des Vorrichtungsteils 11 in der Darstellung der Figuren nach unten.Opposite shows 10 the effect of opposing control of the two coil springs 1 the device according to 9 , where the spiral spring 1 whose ends in the illustrations on the left are just as controlled as in 9 and the other coil spring 1 on a "winding up" on the common axis. This results in a displacement of the device part 11 in the illustration of the figures down.

11 skizziert die Abstützung des Vorrichtungsteils 11 gegenüber der Basis 10 um die Achse 8 durch insgesamt 3 ineinander gewundene, sich jeweils über einen Bogenwinkel von 270° um die Achse 8 erstreckende Spiralfedern 1 bei der Vorrichtung 9. 11 outlines the support of the device part 11 opposite the base 10 around the axis 8th by a total of 3 intertwined, each having an arc angle of 270 ° about the axis 8th extending coil springs 1 at the device 9 ,

12 zeigt eine Vorrichtung 9 mit insgesamt vier Spiralfedern 1 und daran angeordneten mechanisch-elektrischen Wandlern 4 zur Abstützung des Vorrichtungsteils 11. Dabei ist eine derart aufeinander abgestimmte Ansteuerung der Spiralfedern 11, die sich jeweils über einen Bogenwinkel von etwa 270° erstrecken, angedeutet, dass eine translatorische Bewegung des Vorrichtungsteils 11 in vertikaler Richtung der Figur resultiert. 12 shows a device 9 with a total of four coil springs 1 and arranged thereon mechanical-electrical transducers 4 for supporting the device part 11 , In this case, such a coordinated control of the coil springs 11 , each extending over an arc angle of about 270 °, indicated that a translational movement of the device part 11 results in the vertical direction of the figure.

13 skizziert bei der Vorrichtung 9 gemäß 12 eine derart kontrollierte Ansteuerung der Spiralfedern 1, dass sich der Vorrichtungsteil 11 in horizontaler Richtung der Figur translatorisch bewegt. 13 sketched at the device 9 according to 12 such a controlled control of the coil springs 1 in that the device part 11 moved in a horizontal direction of the figure translational.

14 skizziert die Überlagerung der Ansteuerung der Spiralfedern 1 der Vorrichtung 9 gemäß 12 und 13. Hieraus resultiert eine translatorische Bewegung des Vorrichtungsteils 11 in diagonaler Richtung der Figur. 14 outlines the superimposition of the control of the coil springs 1 the device 9 according to 12 and 13 , This results in a translational movement of the device part 11 in the diagonal direction of the figure.

Demgegenüber skizziert 15 noch einmal die Auswirkung einer gleichsinnigen Ansteuerung aller Spiralfedern 1 bei der Vorrichtung 9 gemäß den 12 bis 14, die in eine reine Drehbewegung des Vorrichtungsteils 11 resultiert.In contrast, outlined 15 again the effect of a co-directional control of all coil springs 1 at the device 9 according to the 12 to 14 , in a pure rotary motion of the device part 11 results.

Von den in den 16 bis 19 dargestellten Spiralformen ist für die neue Vorrichtung die in 16 wiedergegebene archimedische Spirale für die Ausbildung der Spiralfedern besonders bevorzugt.Of the in the 16 to 19 Spiral shapes shown for the new device in 16 reproduced Archimedean spiral for the formation of the coil springs particularly preferred.

20 skizziert eine kaskadierte Anordnung von Vorrichtungen 9 mit Spiralfedern 1, wobei eine innere Vorrichtung 9, die den Vorrichtungsteil 11 um eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Achse 8 gegenüber einer Basis 10 abstützt, mit dieser Basis 10 ihrerseits um eine in der 11 horizontal verlaufende Achse über zwei Vorrichtungen 9' an einer Basis 10' abgestützt ist, die wiederum über zwei weitere Vorrichtungen 9" um eine vertikale Achse an einer Basis 10" abgestützt ist. Die Vorrichtungen 9, 9' und 9" erfassen jeweils Drehbewegungen um eine der drei orthogonal aufeinander stehenden Achsen 8 bzw. dient zur Ansteuerung des Vorrichtungsteils 11 auf solche Drehbewegungen. 20 outlines a cascaded arrangement of devices 9 with coil springs 1 , wherein an inner device 9 that the device part 11 around an axis perpendicular to the plane of the drawing 8th towards a base 10 supports, with this base 10 turn to one in the 11 horizontally extending axis via two devices 9 ' at a base 10 ' supported, in turn, via two more devices 9 " around a vertical axis at a base 10 " is supported. The devices 9 . 9 ' and 9 " detect each rotational movements about one of the three orthogonal axes 8th or serves to control the device part 11 on such rotational movements.

Bei der Vorrichtung 9 gemäß 21 sind drei Spiralfedern 1, deren Haupterstreckungsebenen orthogonal zueinander ausgerichtet sind, ineinander gewunden und stützten gemeinsam denselben Vorrichtungsteil 11 gegenüber der hier nicht separat dargestellten Basis ab, an der ihre Enden 7 festliegen. Es versteht sich, dass hier die einzelnen Bewegungsfreiheitsgrade, insbesondere die drei Rotationsfreiheitsgrade nicht voneinander entkoppelt sind, d. h. eine Rotation des Vorrichtungsteils 11 gegenüber der Basis um eine Achse führt zur Verformung aller drei Spiralfedern 1, selbst wenn die Rotation um eine Achse erfolgt, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene einer der Spiralfedern 1 verläuft.In the device 9 according to 21 are three coil springs 1 whose main extension planes are aligned orthogonal to each other, wound into each other and jointly supported the same device part 11 opposite to the base not shown separately from where their ends 7 are fixed. It is understood that here the individual degrees of freedom of movement, in particular the three rotational degrees of freedom are not decoupled from one another, ie a rotation of the device part 11 relative to the base about an axis leads to the deformation of all three coil springs 1 even if the rotation is about an axis perpendicular to the main extension plane of one of the coil springs 1 runs.

Bei experimentellen Erprobungen der neuen Vorrichtung ergab sich ein weitgehend linearer Zusammenhang zwischen der Spannung, mit der piezo-elektrische Wandler an der Spiralfeder angesteuert wurde, und den Winkel, um den ein um eine starre Achse 8 gelagerter Vorrichtungsteil 11 verdreht werden konnte. Mit relativ niedrigen Ansteuerspannungen von 400 Volt konnten selbst bei sich nicht über die gesamte Ausdehnung des Bandmaterials zwischen der Basis und dem Vorrichtungsteil erstreckenden piezo-elektrischen Wandlern der Vorrichtungsteil statisch um 5° verdreht werden, wobei eine Winkelauflösung von 0,02° erreicht wurde. Bei dynamischem Betrieb im Bereich der Resonanzfrequenz der Anordnung von 12 Hertz konnte eine dynamische Verdrehung um 20° erzielt werden. Der entsprechende Versuchsaufbau umfasste eine Spiralfeder mit zwei Windungen. Variationen der Resonanzfrequenz der Anordnung sind über die Steifigkeit der Spiralfedern in großen Bereichen möglich.Experimental testing of the new device revealed a largely linear relationship between the voltage at which piezoelectric transducers were driven on the coil spring and the angle about the axis around a rigid axis 8th mounted device part 11 could be twisted. With relatively low drive voltages of 400 volts, even with the piezoelectric transducers not extending over the entire extent of the strip material between the base and the device part, the device part could be statically rotated by 5 °, with an angular resolution of 0.02 ° being achieved. With dynamic operation in the range of the resonance frequency of the arrangement of 12 Hertz a dynamic rotation by 20 ° could be achieved. The corresponding experimental setup included a coil spring with two turns. Variations in the resonant frequency of the arrangement are possible via the stiffness of the coil springs in large areas.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Spiralfederspiral spring
22
Bandmaterialband material
33
äußere Oberflächeouter surface
44
mechanisch-elektrischer Wandlermechanical-electrical converter
55
piezo-elektrischer Wandlerpiezoelectric transducer
66
zweites Endesecond end
77
erstes Endefirst end
88th
Achseaxis
99
Vorrichtungdevice
1010
BasisBase
1111
Vorrichtungsteildevice part
1212
FestkörpergelenkSolid joint
1313
äußere Oberflächeouter surface
1414
innere Oberflächeinner surface
1515
innere Oberflächeinner surface

Claims (16)

Vorrichtung (9) mit mindestens einer Spiralfeder (1) aus sich in einer Haupterstreckungsebene um eine normal zu der Haupterstreckungsebene verlaufende Achse (8) windendem Bandmaterial (2), wobei ein erstes Ende (7) des Bandmaterials (2) an einer Basis (10) festliegt, wobei ein zweites Ende (6) des Bandmaterials (2) an einem Vorrichtungsteil (11) angreift, wobei das Vorrichtungsteil (11) gegenüber der Basis (10) mindestens einen Rotationsfreiheitsgrad für Rotationen um die Achse (8) aufweist, wobei an mindestens einer in ihrer einen Haupterstreckungsrichtung parallel zu der Achse (8) verlaufenden und sich in ihrer anderen Haupterstreckungsrichtung um diese herum windenden Oberfläche (3, 13, 14, 15) des Bandmaterials (2) mindestens ein mechanisch-elektrischer Wandler (4) angreift, wobei mindestens zwei ineinander gewundene Spiralfedern (1) mit an ihren Bandmaterialien (2) angreifenden mechanisch-elektrischen Wandlern (4) vorhanden sind, wobei die ersten Enden (7) der Bandmaterialien (2) der mindestens zwei Spiralfedern (1) an derselben Basis (10) festliegen und wobei die zweiten Enden (6) der Bandmaterialien (2) der mindestens zwei Spiralfedern (1) an dem Vorrichtungsteil (11) angreifen, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Spiralfedern (1) mit zueinander orthogonalen Haupterstreckungsebenen ineinander gewunden sind.Device (9) having at least one spiral spring (1) made of strip material (2) wound in a main plane of extension about an axis (8) running normal to the main plane of extension, a first end (7) of the strip material (2) being attached to a base (10 ), wherein a second end (6) of the strip material (2) on a device part (11) engages, wherein the device part (11) relative to the base (10) at least one rotational degree of freedom for rotation about the axis (8), wherein at least one surface (3, 13, 14, 15) of the strip material (2) running in its one main extension direction parallel to the axis (8) and winding around it in its other main extension direction attacks at least one mechanical-electrical converter (4), wherein at least two spiral springs (1) wound into one another are provided with mechanical-electrical transducers (4) acting on their band materials (2), the first ends (7) of the band materials ( 2) of the at least two coil springs (1) fixed to the same base (10) and wherein the second ends (6) of the band materials (2) of the at least two coil springs (1) on the device part (11) attack, characterized in that the at least two spiral springs (1) with mutually orthogonal main extension planes are wound into each other. Vorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Spiralfedern (1) mit zueinander orthogonalen Haupterstreckungsebenen und mit jeweils mindestens einem mechanisch-elektrischen Wandler (4) ineinander gewunden sind, wobei die ersten Enden (7) der Bandmaterialien (2) der mindestens drei Spiralfedern (1) an derselben Basis (10) festliegen und wobei die zweiten Enden (6) der Bandmaterialien (2) der mindestens drei Spiralfedern (1) an dem Vorrichtungsteil (11) angreifen.Device (9) according to one of the preceding claims, characterized in that at least three coil springs (1) are wound with mutually orthogonal main extension planes and each with at least one mechanical-electrical converter (4), wherein the first ends (7) of the strip materials ( 2) of the at least three coil springs (1) fixed to the same base (10) and wherein the second ends (6) of the band materials (2) of the at least three coil springs (1) on the device part (11) engage. Vorrichtung (9) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, an der Basis (10) festliegende Ende (7) das bei der jeweiligen Spiralfeder (1) außen liegende Ende des Bandmaterials (2) und das zweite, an dem Vorrichtungsteil (11) angreifende Ende (6) das bei der jeweiligen Spiralfeder (1) innen liegende Ende des Bandmaterials (2) ist. Device (9) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the first, fixed to the base (10) end (7) at the respective coil spring (1) outer end of the strip material (2) and the second, on the device part (11) engaging end (6) which is at the respective coil spring (1) inside the end of the strip material (2). Vorrichtung (9) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ende (6) an dem Vorrichtungsteil (11) festliegt oder über ein Festkörpergelenk (12) an dem Vorrichtungsteil (11) angreift.Device (9) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the second end (6) on the device part (11) is fixed or via a solid-state joint (12) on the device part (11) engages. Vorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanisch-elektrische Wandler (4) ein piezo-elektrischer Wandler (5) ist.Device (9) according to one of the preceding claims, characterized in that the mechanical-electrical converter (4) is a piezoelectric transducer (5). Vorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanisch-elektrische Wandler (4) eine längs der jeweiligen Oberfläche (3, 13, 14, 15) um die Achse (8) herum gekrümmte Arbeitsrichtung aufweist.Device (9) according to one of the preceding claims, characterized in that the mechanical-electrical converter (4) has a working direction curved along the respective surface (3, 13, 14, 15) about the axis (8). Vorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanisch-elektrische Wandler (4) Anschlusselektroden aufweist, die längs seiner Arbeitsrichtung verlaufen.Device (9) according to any one of the preceding claims, characterized in that the mechanical-electrical converter (4) has connection electrodes extending along its working direction. Vorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanisch-elektrische Wandler (4) an einer der beiden äußeren Oberflächen (3, 13) des Bandmaterials (2) angreift.Device (9) according to one of the preceding claims, characterized in that the mechanical-electrical transducer (4) on one of the two outer surfaces (3, 13) of the strip material (2) engages. Vorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanisch-elektrische Wandler (4) an zwei einander gegenüber liegenden inneren Oberflächen (14, 15) des Bandmaterials (2) angreift.Device (9) according to one of the preceding claims, characterized in that the mechanical-electrical transducer (4) engages on two mutually opposite inner surfaces (14, 15) of the strip material (2). Vorrichtung (9) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanisch-elektrische Wandler (4) im Bereich der neutralen Faser des Bandmaterials (2) verläuft.Device (9) according to Claim 9 , characterized in that the mechanical-electrical transducer (4) extends in the region of the neutral fiber of the strip material (2). Vorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere mechanisch-elektrische Wandler (4) über die Erstreckung des Bandmaterials (2) zwischen der Basis (10) und dem Vorrichtungsteil (11) verteilt angeordnet sind.Device (9) according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of mechanical-electrical transducers (4) over the extension of the strip material (2) between the base (10) and the device part (11) are arranged distributed. Vorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die mechanisch-elektrischen Wandler (4) über mindestens 25 %, vorzugsweise über mindestens 33 % und am meisten bevorzugt über mindestens 50 % der Erstreckung des Bandmaterials (2) zwischen der Basis (10) und dem Vorrichtungsteil (11) ausgedehnt sind.Device (9) according to one of the preceding claims, characterized in that the one or more mechanical-electrical converter (4) over at least 25%, preferably at least 33% and most preferably over at least 50% of the extension of the strip material (2) between the base (10) and the device part (11) are expanded. Vorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (1) ein bis drei, vorzugsweise anderthalb bis zweieinhalb und am meisten bevorzugt zwei Windungen des Bandmaterials (2) um die Achse (8) aufweist.Device (9) according to one of the preceding claims, characterized in that the spiral spring (1) has one to three, preferably one and a half to two and a half and most preferably two turns of the strip material (2) about the axis (8). Vorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bandmaterial (2) der Spiralfeder (1) wie eine archimedische Spirale um die Achse (8) gewunden ist.Device (9) according to one of the preceding claims, characterized in that the strip material (2) of the spiral spring (1) is wound around the axis (8) like an Archimedean spiral. Verwendung einer Vorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Sensor für Drehbewegungen des Vorrichtungsteils (11) um die Achsen (8) der Spiralfedern (1) gegenüber der Basis (10).Use of a device (9) according to any one of the preceding claims as a sensor for rotational movements of the device part (11) about the axes (8) of the coil springs (1) relative to the base (10). Verwendung einer Vorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Aktuator für Drehbewegungen des Vorrichtungsteils (11) um die Achsen (8) der Spiralfedern (1) gegenüber der Basis (10).Use of a device (9) according to any one of the preceding claims as an actuator for rotational movements of the device part (11) about the axes (8) of the coil springs (1) relative to the base (10).
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