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Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einem verstellbaren Teil. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Bauteils mit einem verstellbaren Teil.
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Stand der Technik
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In der
DE 10 2008 059 634 A1 ist eine Vorrichtung mit einem mittels zweier elektrostatischer Kippantriebe verstellbaren Mikrospiegel beschrieben. Der äußere Kippantrieb weist an einem starren äußeren Rahmen Stator-Elektroden und an einem inneren Rahmen Aktor-Elektroden auf. Der innere Kippantrieb umfasst an dem inneren Rahmen angebrachte Stator-Elektroden und Aktor-Elektroden, die mit dem Mikrospiegel verbunden sind. Durch eine geeignete Ansteuerung der zwischen den Elektroden der beiden Kippantriebe anliegenden Spannungen soll der Mikrospiegel in zwei Raumrichtungen verstellbar sein.
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Das Dokument
US 2008/0225363 A1 beschreibt einen optischen Mikrospiegel, welcher bezüglich einer einzigen Drehachse zu Schwingungen ausgelenkt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft ein Bauteil mit einem verstellbaren Teil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines Bauteils mit einem verstellbaren Teil mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die Verwendung einer Aktoreinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Außenende der mindestens einen flexiblen Verbindungskomponente in die Schwingbewegung zu versetzen, ist es möglich, das verstellbare Teil auch ohne einen elektrostatischen Antrieb in die mindestens eine Drehkomponente umfassende Bewegung zu versetzen. Somit erweitert die vorliegende Erfindung die Ausführungsmöglichkeiten zum Gestalten eines Bauteils mit einem verstellbaren Teil.
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Vorteilhafterweise ist die Aktoreinrichtung zusätzlich dazu ausgelegt ist, als Untereinheit ein von dem verstellbaren Teil weggerichtetes Außenende der mindestens einen flexiblen Verbindungskomponente in die erste Schwingbewegung und/oder in die zweite Schwingbewegung zu versetzten. Dies ist einfach realisierbar. Als Alternative oder als Ergänzung zu einem Außenende kann jedoch auch ein mittlerer Abschnitt und/oder ein innerer Abschnitt der mindestens einen flexiblen Verbindungskomponente und/oder eine Untereinheit des verstellbaren Teils angeregt werden.
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Bevorzugter Weise ist das verstellbare Teil in Bezug zu der Halterung in die Drehschwingbewegung um die erste Drehachse senkrecht zu der ersten Achse und/oder einer Verbindungsachse, auf welcher mindestens ein Außenende und mindestens ein zu dem verstellbaren Teil ausgerichtetes Innenende der mindestens einen in ihrer Ausgangsstellung vorliegenden flexiblen Verbindungskomponente liegen, versetzbar. Bereits die mittels der Aktoreinrichtung antreibbare Linearschwingbewegung des mindestens einen Außenendes gewährleistet somit eine vorteilhafte Verstellbarkeit des verstellbaren Teils um die erste Drehachse.
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Beispielsweise umfasst das verstellbare Teil zumindest eine optisch aktive Fläche. Das verstellbare Teil kann jedoch auch entlang mindestens einer seiner Ausdehnungen optisch aktiv ausgebildet sein. Die Verstellbarkeit des verstellbaren Teils ist somit für eine Vielzahl von optischen Vorrichtungen nutzbar.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das verstellbare Teil beispielsweise als Mikrospiegel, als optisches Gitter, als Strahlteiler, als Filter und/oder als Prisma ausgebildet. Somit sind eine Vielzahl von optischen Komponenten mittels des erfindungsgemäßen Bauteils verstellbar.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Aktoreinrichtung zusätzlich dazu ausgelegt, die mindestens eine Untereinheit in die erste Schwingbewegung entlang der ersten Achse und in die zweite Schwingbewegung entlang einer zu der ersten Achse senkrecht ausgerichteten zweiten Achse in Bezug zu der Halterung zu versetzen. In diesem Fall ist eine vorteilhafte Lage der beiden Drehachsen zueinander im Raum gewährleistet.
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Alternativ oder ergänzend kann die Aktoreinrichtung zusätzlich dazu ausgelegt sein, die mindestens eine Untereinheit in die erste Schwingbewegung entlang einer senkrecht zu der Verbindungsachse verlaufenden ersten Achse und/oder in die zweite Schwingbewegung entlang einer senkrecht zu der Verbindungsachse verlaufenden zweiten Achse in Bezug zu der Halterung zu versetzen. Dies gewährleistet eine Ausrichtung der zweiten Drehachse senkrecht zu der ersten Drehachse. Das verstellbaren Teil ist somit über eine Drehbewegung, welche sowohl eine Drehkomponente um die erste Drehachse, als auch eine Drehkomponente um die zweite Drehachse umfasst, 3-dimensional im Raum verstellbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Aktoreinrichtung mindestens einen piezoelektrischen Wandler, einen magnetischen Wandler, einen elektrostatischen Wandler und/oder einen thermischen Wandler.
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Die Aktoreinrichtung kann zusätzlich dazu ausgelegt sein, die mindestens eine Untereinheit mit einer gleichen Frequenz in die erste Schwingbewegung entlang der ersten Achse und in die zweite Schwingbewegung entlang der zweiten Achse in Bezug zu der Halterung zu versetzen, wobei das Bauteil eine Steuereinrichtung umfasst, welche dazu ausgelegt ist, ein Vorgabesignal bezüglich einer Soll-Stellungsänderung zumindest einer Komponente des verstellbaren Teils zu empfangen und unter Berücksichtigung des Vorgabesignals eine erste Soll-Amplitude der ersten Schwingbewegung, eine zweite Soll-Amplitude der zweiten Schwingbewegung und/oder eine Soll-Phasendifferenz festzulegen und ein entsprechendes Steuersignal an die Aktoreinrichtung auszugeben. Mittels des ausgegebenen Steuersignals kann die Aktoreinrichtung derart ansteuerbar sein, dass beim Versetzten des mindestens einen Außenendes in die Schwingbewegung die festgelegte erste Soll-Amplitude, die festgelegte zweite Soll-Amplitude und/oder die festgelegte Soll-Phasendifferenz berücksichtigt werden. Auf diese Weise ist eine vorgegebene Soll-Stellungsänderung verlässlich einhaltbar.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Aktoreinrichtung zusätzlich dazu ausgelegt sein, die mindestens eine Untereinheit mit einer ersten Frequenz in die erste Schwingbewegung entlang der ersten Achse und mit einer zweiten Frequenz in die zweite Schwingbewegung entlang der zweiten Achse in Bezug zu der Halterung zu versetzen.
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Bevorzugter Weise umfasst das Bauteil in diesem Fall eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, das Vorgabesignal bezüglich der Soll-Stellungsänderung zumindest der Komponente des verstellbaren Teils zu empfangen und unter Berücksichtigung des Vorgabesignals eine erste Soll-Amplitude der ersten Schwingbewegung und/oder eine zweite Soll-Amplitude der zweiten Schwingbewegung festzulegen und ein entsprechendes Steuersignal an die Aktoreinrichtung auszugeben. Vorteilhafterweise hält die Aktoreinrichtung die festgelegte erste Soll-Amplitude und/oder die festgelegte zweite Soll-Amplitude beim Anregen des mindestens einen Außenendes ein. Somit ist auch in dieser Ausführungsform ein verlässliches Einhalten einer vorgegebenen Soll-Stellungsänderung realisierbar.
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Insbesondere kann die Aktoreinrichtung in MEMS-Technologie ausgebildet sein. Dies gewährleistet eine kostengünstige und Platz sparende Herstellbarkeit der Aktoreinrichtung.
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Das Bauteil kann als mikromechanisches Bauteil ausgebildet sein. Durch diese wenig Bauraum erfordernde Ausbildung des Bauteils ist seine Einsetzbarkeit in vielen Bereichen gewährleistet.
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Die in den oberen Absätzen beschriebenen Vorteile sind auch bei einem entsprechenden Verfahren gewährleistet.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1A bis 1C schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform des Bauteils;
- 2A und 2B schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform des Bauteils; und
- 3 und 4 schematische Darstellungen einer dritten und einer vierten Ausführungsform des Bauteils.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1A bis 1C zeigen schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform des Bauteils.
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Das in den 1A bis 1C schematisch wiedergegebene Bauteil weist eine (nicht dargestellte) Halterung auf. Die Herstellbarkeit der Halterung ist nicht auf die Verwendung eines Substrats beschränkt. Das Bauteil umfasst auch ein in Bezug zu der Halterung und einer gedanklichen Ebene 12 verstellbares Teil 14, welches über mindestens eine flexible Verbindungskomponente 16 mit der Halterung verbunden ist. Die mindestens eine flexible Verbindungskomponente 16 kann beispielsweise mindestens eine Feder, insbesondere mindestens eine Torsionsfeder, sein. Anstelle einer Feder sind jedoch auch andere elastische Aufhängungen als die mindestens eine flexible Verbindungskomponente 16 möglich. Ebenso kann als mindestens eine flexible Verbindungskomponente 16 anstelle oder als Ergänzung zu einer Feder auch ein Kugel- oder Gleitlager verwendet werden, um das verstellbare Teil 14 auslenkbar mit der Halterung zu verbinden.
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Die mindestens eine flexible Verbindungskomponente 16 weist mindestens ein von dem verstellbaren Teil 14 weg gerichtetes Außenende 18 und mindestens ein zu dem verstellbaren Teil 14 ausgerichtetes Innenende 20 auf. Insbesondere kann das mindestens eine Innenende 20 das verstellbare Teil 14 kontaktieren. Bevorzugter Weise ist eine Verbindungsachse 22 definierbar, auf welcher das mindestens eine Außenende 18 und das mindestens eine Innenende 20 der mindestens einen in ihrer Ausgangsstellung/Ruhestellung vorliegenden flexiblen Verbindungskomponente 16 liegen. Unter der Ausgangsstellung/Ruhestellung der flexiblen Verbindungskomponente 16 kann deren Ruhestellung bei einem Nichtbetrieb des Bauteils verstanden werden. Bei der dargestellten Ausführungsform verläuft die Verbindungsachse 22 parallel zu der Ebene 12, bwz. parallel zur y-Achse. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das Bauteil nicht auf eine parallele Ausrichtung der Verbindungsachse 22 zu der Ebene 12 limitiert ist. Stattdessen kann die Verbindungsachse 22 auch geneigt zu einer glatten oder gewölbten Ebene 12 ausgerichtet sein.
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Bei der dargestellten Ausführungsform weist das Bauteil zwei sich in ihren Ausgangsstellungen/Ruhestellungen entlang der Verbindungsachse 22 erstreckende Torsionsfedern als flexible Verbindungskomponenten 16 auf. Die Anzahl der an dem Bauteil ausgebildeten flexiblen Verbindungskomponenten 16 ist jedoch frei wählbar.
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Das verstellbare Teil 14 kann, wie dargestellt, als kreisförmige Scheibe ausgebildet sein. Die Ausführbarkeit des verstellbaren Teils 14 ist jedoch weder auf einen kreisförmigen Rand noch auf eine Ausbildung einer glatten Außenfläche beschränkt. Beispielsweise kann das verstellbaren Teil 14 auch einen elliptischen Rand, vieleckigen Rand und/oder eine gewölbte Außenfläche haben. Auch eine räumliche Form ist möglich.
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Vorteilhafterweise hat das verstellbaren Teil 14 zumindest eine optisch aktive Fläche, beispielsweise eine Spiegelfläche 24. Das verstellbare Teil kann jedoch auch in mindestens einer seiner Raumrichtungen durchgehend aus einem optisch aktiven Material gebildet sein. Somit ist als verstellbares Teil 14 beispielsweise ein Mikrospiegel, ein optisches Gitter, ein Strahlteiler, ein Filter und/oder ein Prisma einsetzbar.
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Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Spiegelfläche 24 in ihrer Ausgangsstellung/Ruhestellung parallel zur xy-Ebene ausgerichtet. Das Bauteil ist jedoch nicht auf eine parallele Ausrichtung zur Ebene 12 der in ihrer Ausgangsstellung/Ruhestellung vorliegenden Spiegelfläche 24 beschränkt.
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Das Bauteil hat auch eine (nicht skizzierte) Aktoreinrichtung, auf deren Ausbildbarkeit unten näher eingegangen wird. Nachfolgend wird die Funktionsweise der Aktoreinrichtung beschrieben:
- Wie in den 1Aa und 1Ab schematisch wiedergegeben, ist die Aktoreinrichtung in einem ersten Betriebsmodus dazu ausgelegt, das mindestens eine Außenende 18 der mindestens einen flexiblen Verbindungskomponente 16 in eine erste Schwingbewegung entlang einer ersten Achse 26 zu versetzen. Als Alternative oder als Ergänzung zu einem Außenende 18 kann jedoch auch ein mittlerer Abschnitt und/oder ein innerer Abschnitt der mindestens einen flexiblen Verbindungskomponente 18 und/oder eine Untereinheit des verstellbaren Teils 14 angeregt werden.
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Die erste Achse 26 kann beispielsweise parallel zur Ebene 12, insbesondere parallel zur x-Achse, ausgerichtet sein. Die Aktoreinrichtung kann jedoch auch dazu ausgelegt sein, das mindestens eine Außenende 18 in die erste (lineare) Schwingbewegung entlang einer geneigt zu der Ebene 12 ausgerichteten Achse zu versetzen. Mittels der Aktoreinrichtung ist das mindestens eine Außenende 18 entlang der ersten Achse 26 in die erste Schwingbewegung so versetzbar, dass sich das mindestens eine Außenende 18 in eine erste Bewegungsrichtung 28a und in eine der ersten Bewegungsrichtung 28a entgegengerichtete zweite Bewegungsrichtung 28b versetzen lässt. Sofern das Bauteil zwei flexiblen Verbindungskomponenten 16 aufweist, ist die Aktoreinrichtung vorzugsweise dazu ausgelegt, deren Außenenden 18 gegenphasig in die erste Schwingbewegung zu versetzten.
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Bevorzugter Weise ist das verstellbare Teil 14 mittels der ersten Schwingbewegung des mindestens einen Außenendes 18 entlang der ersten Achse 26 in Bezug zu der Halterung in eine mittels der Pfeile 29 wiedergegebene Drehschwingbewegung um eine erste Drehachse 30 versetzbar. Unter der Drehschwingbewegung kann eine (periodische) Teildrehbewegung mit einer (variierenden und richtungsändernden) Winkelgeschwindigkeit ω über einen Winkelbereich kleiner als 360° verstanden werden. Vorteilhafterweise ist die erste Drehachse 30 senkrecht zu der ersten Achse 26 und der Verbindungsachse 22 ausgerichtet. Beispielsweise ist die erste Drehachse 30 senkrecht zur Ebene 12 und/oder parallel zur z-Achse ausgerichtet. Die Ausrichtung der ersten Drehachse 30 ist jedoch nicht auf eine Lage senkrecht zur Ebene 12, bzw. parallel zur z-Achse, beschränkt.
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Die Drehschwingbewegung ist beispielsweise realisierbar, indem mittels der Aktoreinrichtung zwei Federschäfte als Außenenden 18 in gegenphasige (lineare) Schwingungen enlang der ihnen zugeordneten jeweiligen ersten Achse 26 versetzt werden. Die jeweiligen ersten Achse 26 der Außenenden 18 können parallel zueinander ausgerichtet sein.
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Sofern die erste Drehachse 30 senkrecht zu einer Außenfläche des verstellbaren Teils 14, wie beispielsweise der Spiegeloberfläche 24, ausgerichtet ist, bewirkt die Drehschwingbewegung des verstellbaren Teils 14 um die erste Drehachse 30 kein Herausdrehen der Außenfläche aus ihrer Ausgangsebene. Stattdessen schwingt die Außenfläche in ihrer Ausgangsebene.
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1Ba und 1Bb geben einen zweiten Betriebsmodus der Aktoreinrichtung schematisch wieder. Die in den zweiten Betriebsmodus gesteuerte Aktoreinrichtung ist dazu ausgelegt, das mindestens eine Außenende 18 der mindestens einen flexiblen Verbindungskomponente 16 in die erste Schwingbewegung mit einer ersten Bewegungskomponente (ungleich null) entlang der ersten Achse 26 und in eine zweite Schwingbewegung mit einer zweiten Bewegungskomponente (ungleich null) entlang einer zu der ersten Achse 26 geneigten zweiten Achse 32 in Bezug zu der Halterung zu versetzen. Darunter kann verstanden werden, dass das mindestens eine Außenende 18 mittels der Aktoreinrichtung so versetzbar ist, dass eine erste Projektion der ersten Schwingbewegung (als erste Bewegungkomponente) auf die erste Achse 26 ungleich Null ist und eine zweite Projektion der zweiten Schwingbewegung (als zweite Bewegungkomponente) auf die zweite Achse 32 ungleich Null ist. Auf diese Weise ist dass das verstellbare Teil 14 in Bezug zu der Halterung zusätzlich zu der Drehschwingbewegung 29 um eine zweite Drehachse 38 auslenkbar.
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Das mindestens eine Außenende 18 führt dabei eine Bewegung aus, welche auf die erste Achse 26 projeziert eine erste Linearschwingungsbewegung und auf die zweite Achse 32 projeziert eine zweite Linearschwingungsbewegung umfasst. Auch entlang der zweiten Achse 32 ist das mindestens eine Außenende 18 dabei in eine erste Bewegungsrichtung 36a und in eine der ersten Bewegungsrichtung 36a entgegengerichtete zweite Bewegungsrichtung 36b bewegbar. Das mindestens eine Außenende 18 kann beispielsweise entlang einer kreisförmigen oder elliptischen Bahn aus zwei kreisförmigen oder elliptischen Halbbahnen 34a und 34b bewegt werden. Die maximale Amplitude auf der ersten Achse 26 und die maximale Amplitude auf der zweiten Achse 32 sind vorteilhafterweise phasenverschoben, vorzugsweise um 90°.
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Die Aktoreinrichtung kann insbesondere derart ausgelegt sein, dass das mindestens eine Außenende 18 der mindestens einen flexiblen Verbindungskomponente 16 in eine erste Schwingbewegung (mit der ersten Bewegungskomponente) entlang der ersten Achse 26 und in die zweite Schwingbewegung (mit der zweiten Bewegungskomponente) entlang einer senkrecht zu der ersten Achse 26 ausgerichteten (parallel zu der z-Achse ausgerichteten) zweiten Achse 32 in Bezug zu der Halterung versetzbar ist. Ebenso kann mittels der Aktoreinrichtung das mindestens eine Außenende 18 in eine erste Schwingbewegung (mit der ersten Bewegungskomponente) entlang einer senkrecht zu der Verbindungsachse 22 verlaufenden ersten Achse 26 und/oder in eine zweite Schwingbewegung (mit einer zweiten Bewegungskomponente) entlang einer senkrecht zu der Verbindungsachse 22 verlaufenden zweiten Achse 32 in Bezug zu der Halterung versetzbar sein. Die hier genannten Ausrichtungen der ersten Achse 26 und/oder der zweiten Achse 32 sind jedoch nur beispielhaft zu verstehen.
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Man kann die Bewegung des mindestens einen Außenendes 18 auch so umschreiben, dass der als erster Schwingbewegung ausgeführten Linienschwingung die zweite Schwingbewegung entlang der zweiten Achse 32 derart überlagert wird, dass sich eine kreisförmige oder elliptische Bewegung des mindestens einen Außenendes 18 der mindestens einen flexiblen Verbindungskomponente 16 ergibt. Die Linienschwingung entlang der ersten Achse 26 und die überlagerte Schwingung entlang der zweiten Achse 32 können um einen Winkel phasenverschoben sein, welcher vorzugsweise 90 Grad ist. Dies gewährleistet letztlich die nachfolgend beschriebene vorteilhafte Bewegung des verstellbaren Teils 14.
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Vorteilhafterweise ist das verstellbare Teil 14 nicht nur in die anhand der 1Aa und 1Ab wiedergegebene Drehschwingbewegung versetzbar. Wahlweise dazu kann das verstellbare Teil 14 mittels (einer Aktivierung) der zweiten Schwingbewegung des mindestens einen Außenendes zusätzlich in eine Verstellbewegung um eine zweite Drehachse 38 in Bezug zu der Halterung versetzbar sein. Die zweite Drehachse 38 kann insbesondere parallel zu der Verbindungsachse 22 ausgerichtet sein. Dies ist jedoch nur beispielhaft zu verstehen. Die 1Ba und 1Bb zeigen jeweils eine Halbschwingung.
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Nachfolgend werden die physikalischen Ursachen für die Drehbewegung des verstellbaren Teils 14 um die zweite Drehachse 38 erläutert:
- Wirkt auf eine Kreiseldrehachse eines schnell drehenden Kreisels eine äußere Kraft, so kippt die Kreiseldrehachse nicht entsprechend der einwirkenden äußeren Kraft, sondern weicht senkrecht zu ihr aus. Dieser Effekt an einem drehenden Kreisel wird in der Literatur auch als Präzession (Präzessionsbewegung) bezeichnet. Die Präzession ist allgemein die Richtungsänderung der Rotationsachse eines rotierenden Körpers, wie beispielsweise der Kreiseldrehachse eines Kreisels, welche auftritt, wenn eine äußere Kraft ein Drehmoment auf den rotierenden Körper ausübt. Man spricht in der Literatur auch davon, dass auf den rotierenden Körper eine Corioliskraft wirkt, welche entsprechend dem Vektorprodukt der Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Körpers und der äußeren Kraft ausgerichtet ist.
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Die zuvor am Beispiel eines Kreisels beschriebene Präzession kann auch auf das verstellbare Teil 14 übertragen werden, welches aufgrund der ersten Schwingbewegung des mindestens eines Außenendes 18 entlang der ersten Achse 26 die Drehschwingbewegung um die erste Drehachse 30 aufführt. Die Überlagerung der ersten Schwingbewegung mit der zusätzlichen zweiten Bewegungskomponente entlang der zweiten Achse 32, bzw. der Übergang von der ersten Schwingbewegung in die zweite Schwingbewegung, ist mit einer „äußeren Kraft“ vergleichbar, welcher das verstellbare Teil 14 senkrecht zu ihr auslenkt.
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Man kann dies auch so umschreiben, dass bei einem Vorliegen des verstellbaren Teils 14 in seiner Ruhelage eine Bewegung des mindestens einen Außenendes 18 mit der zweiten Schwingbewegung eine „virtuelle Bewegung“ des verstellbaren Teils 14 entsprechend den gestrichelten Linien 40a und 40b bewirken würde. Zusätzlich zu der Drehschwingbewegung des verstellbaren Teils 14 um die erste Drehachse 30 würde sich das verstellbare Teil somit so verhalten, als ob eine virtuelle Kraft Fv zusätzlich zu dem in die erste Drehschwingbewegung versetzten mindestens einen Außenende 18 auf das verstellbare Teil 14 wirken würde. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die virtuelle Kraft Fv parallel zur Ebene 12, insbesondere parallel zur y-Achse ausgerichtet.
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Das verstellbare Teil 14 führt jedoch bei der Überlagerung der ersten Schwingbewegung mit der zusätzlichen zweiten Bewegungskomponente entlang der zweiten Achse 32, bzw. beim Übergang von der ersten Schwingbewegung in die zweite Schwingbewegung, die Drehschwingbewegung um die erste Drehachse 30 innerhalb der Ausgangsebene aus. Aufgrund der Drehschwingbewegung des verstellbaren Teils 14 um die erste Drehachse 30 bewirkt die virtuelle Kraft Fv keine Verstellbewegung des verstellbaren Teils 14 in Richtung der virtuellen Kraft Fv, sondern entsprechend einer resultierenden Kraft Fr. Die resultierende Kraft Fr kann über das Vektorprodukt aus der virtuellen Kraft Fv und der Winkelgeschwindigkeit ω herleitbar sein. Insbesondere kann die resultierende Kraft Fr senkrecht zu der ersten Drehachse 32 und der virtuellen Kraft Fv ausgerichtet sein. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die resultierende Kraft Fr parallel zur Ebene 12, insbesondere parallel zur x-Achse, ausgerichtet. Die Nutzung der Präzession ist jedoch nicht auf diese Ausrichtung der resultierenden Kraft Fr beschränkt.
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Mittels der resultierenden Kraft Fr ist das in die Drehschwingbewegung versetzte verstellbare Teil 14 zusätzlich aus der Ausgangsebene (Ebene der Drehschwingbewegung) um eine zweite Drehachse 38 verstellbar. Man kann die Verstellbeweung um die zweite Drehachse 38 auch so umschreiben, dass die von der zweiten Drehachse 38 weggerichteten Enden des verstellbaren Teils in entgegengerichtete Kippbewegungen 42 und 44 um die zweite Drehachse 38 versetzt werden. Wie anhand des Vergleichs der 1Ba und 1Bb erkennbar ist, ergibt sich für jede elliptische Halbbahn 34a und 34b der zweiten Schwingbewegung entlang einer Umlaufrichtung eine Neigung des verstellbaren Teils 14 in die gleiche Neigungsrichtung um die zweite Drehachse 38. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die zweite Drehachse 38 parallel zur Ebene 12, insbesondere parallel zur y-Achse, ausgerichtet. Die Ausführbarkeit des Bauteils ist jedoch nicht auf diese Ausrichtung der zweiten Drehachse 38 limitiert.
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Wie anhand der 1Ca und 1Cb zu erkennen ist, kann das verstellbare Teil aus seiner Ruhestellung, bzw. der Ausgangsebene (Ebene der Drehschwingbewegung um die erste Drehachse 30), in die Drehbewegung in eine erste Auslenkungsrichtung/Neigungsrichtung (1Ca) und in eine entgegengesetzte zweite Auslenkungsrichtung/Neigungsrichtung (1Cb) um die zweite Drehachse 38 versetzt werden. Für eine Drehbewegung in die erste Auslenkungsrichtung/Neigungsrichtung (1Ca) wird die zweite Schwingbewegung des mindestens einen Außenendes 18 in eine erste Umlaufrichtung ω+ angeregt. Entsprechend bewirkt ein Versetzen des mindestens einen Außenendes 18 in die zweite Schwingbewegung in einer der ersten Umlaufrichtung ω+ entgegengerichteten zweiten Umlaufrichtung ω- die Drehbewegung um die zweite Drehachse 38 in die zweite Auslenkungsrichtung/Neigungsrichtung (1Cb).
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Mittels der in den oberen Absätzen beschriebenen Funktionen der Aktoreinrichtung ist es somit möglich, das verstellbare Teil 14 zumindest um die zweite Drehachse 38 so zu verstellen, dass die Spiegelfläche 24, oder eine andere optisch aktive Fläche des verstellbaren Teils 14, eine gegenüber ihrer Ruhestellung/Ausgangsstellung geneigte Stellung einnimmt. Die Aktoreinrichtung ist somit als Antrieb zum Verstellen des verstellbaren Teils 14 um zumindest die zweite Drehachse 38 verwendbar. Die Spiegelfäche 24 kann statisch um die zweite Drehachse 38 gelenkt werden. Damit sind die Vorteile einer statischen Auslenkung (Neigung) erzielbar. Die Neigungsrichtung, bwz. das Drehmoment, sind durch Umkehrung der Anregungsbewegung definierbar. Das Bauteil kann deshalb beispielsweise zum gezielten Ablenken/Projezieren eines auf die Spiegelfläche 24 auftreffenden Lichtstrahls genutzt werden.
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2A und 2B zeigen schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform des Bauteils.
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Das anhand der 2Aa und 2B schematisch wiedergegebene Bauteil weist die schon beschriebenen Komponenten 14 und 16 zusammen mit einer Aktoreinrichtung auf. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ist die (in den ersten Betriebsmodus gesteuerte) Aktoreinrichtung jedoch dazu ausgelegt, das mindestens eine Außenende 18 der mindestens einen flexiblen Verbindungskomponente 16 in eine erste Schwingbewegung entlang einer geneigt zu der Ebene 12 ausgerichteten ersten Achse 50 zu versetzen. Die erste Achse 50 kann insbesondere senkrecht zu der Ebene 12, wie beispielsweise parallel zur z-Achse, ausgerichtet sein.
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Das verstellbare Teil 14 ist in Bezug zu der Halterung mittels der ersten Schwingbewegung des mindestens einen Außenendes 18 entlang der ersten Achse 50 in eine Drehschwingbewegung mit der (variierenden und richtungsändernden) Winkelgeschwindigkeit ω um eine erste Drehachse 52 versetzbar, welche nicht senkrecht zu einer Ruhestellung/Ausgangsstellung einer Außenfläche des verstellbaren Teils 14, wie beispielsweise der Spiegelfläche 24, ausgerichtet ist.
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Somit ist das verstellbare Teil 14 bereits mittels der ersten Schwingbewegung des mindestens einen Außenendes 18 derart verstellbar, dass die Außenfläche des verstellbaren Teils 14 aus ihrer Ausgangsebene um die erste Drehachse 52 herausdrehbar ist. Auf diese Weise kann mittels der ersten Schwingbewegung des mindestens einen Außenendes 18 beispielsweise ein auf die Spiegelfläche 24 gerichteter Lichtstrahl um die erste Drehachse 52 abgelenkt werden. Man kann dies auch so umschreiben, dass bereits die Drehschwingbewegung um die erste Drehachse 52 ein Verstellen des verstellbaren Teils 14 bewirkt, durch welches seine räumliche Lage in Bezug zu der Halterung verändert wird. Die 2Aa und 2Ab zeigen jeweils eine Halbschwingung des verstellbaren Teils 14.
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Die erste Drehachse 52 kann insbesondere parallel zu der Ebene 12 ausgerichtet sein und/oder senkrecht zu der Verbindungsachse 22 verlaufen. Dies ist beispielsweise gewährleistet, wenn die erste Drehachse 52 parallel zur x-Achse ausgerichtet ist.
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Zusätzlich ist die (in den zweiten Betriebsmodus gesteuerte) Aktoreinrichtung dazu ausgelegt, das mindestens eine Außenende 18 in eine zweite Schwingbewegung mit einer ersten Bewegungskomponente entlang der ersten Achse 50 und mit einer zweiten Bewegungskomponente entlang der geneigt zu der ersten Achse 50 verlaufenden zweiten Achse 54 zu bewirken. Die zweite Achse 54 kann insbesondere senkrecht zu der ersten Achse und/oder zu der Verbindungsachse 22 ausgerichtet sein. Die maximale Amplitude auf der ersten Achse 50 und die maximale Amplitude auf der zweiten Achse 54 sind vorteilhafterweise phasenverschoben, vorzugsweise um 90°. Das mindestens eine Außenende 18 ist somit mittels der Aktoreinrichtung zu der zweiten Schwingbewegung entlang einer kreisförmigen oder elliptischen Bahn aus zwei kreisförmigen oder elliptischen Halbbahnen 56a und 56b bewegbar.
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Die oben schon beschriebene Präzession trägt auch bei dieser Ausführungsform dazu bei, dass das verstellbare Teil 14 mittels der zweiten Schwingbewegung des mindestens einen Außenendes 18 zusätzlich zu der Drehschwingbewegung um die erste Drehachse 52 auch um eine zweite Drehachse 58 verstellbar/drehbar ist. Man kann diesen Effekt auch so umschreiben, dass aufgrund der zweiten Schwingbewegung des mindestens einen Außenendes 18 die oben schon beschriebene virtuelle Kraft Fv zusätzlich auf das in die Drehschwingbewegung um die erste Drehachse 52 versetzte verstellbare Teil 14 ausgeübt wird. Aufgrund der Präzession erfährt das in die Drehschwingbewegung versetzte verstellbare Teil 14 jedoch eine resultierende Kraft Fr, welche ein Drehmoment um die zweite Drehachse 58 bewirkt. Aufgrund der Rückstellkraft der mindestens einen flexiblen Verbindungskomponente 16 ergibt sich bei Gleichheit zwischen dem Drehmoment und der Rückstellkraft eine konstante Auslenkung.
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Man kann die vorteilhafte Verstellbarkeit des verstellbaren Teils 14 insbesondere so nutzen, dass durch eine Linienschwingung des mindestens einen Außenendes 18 entlang der ersten Achse 50 senkrecht zu der Ebene 12 eine Drehschwingung des verstellbaren Teils um eine parallel zu der Ebene 12 ausgerichtete erste Drehachse 50 angeregt wird. Mittels einer Überlagung einer weiteren Linienschwingung entlang einer zweiten Achse 54 parallel zu der Ebene 12 ist die Präzession so anregbar, dass die Schwingungsachse des verstellbaren Teils 14 senkrecht dazu ausweicht und in jeder der Halbschwingungsperioden zu einer Neigung des verstellbaren Teils 14 um die zweite Drehachse 58 (in gleicher Drehrichtung) führt.
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Wie anhand der 2Ba und 2Bb erkennbar ist, bewirkt eine Umkehrung der ersten Umlaufrichtung ω+ in die zweite Umlaufrichtung ω-, bzw. eine Umkehrung der zweiten Umlaufrichtung ω- in die erste Umlaufrichtung ω+, der zweiten Schwingbewegung des mindestens einen Außenendes 18 eine Richtungsumkehrung des auf das verstellbare Teil 14 bewirkten Drehmoments um eine zweite Drehachse 58. Somit ist die Stellung des verstellbaren Teils 14 in Bezug zu der Halterung um die zwei Drehachsen 52 und 58 in jeweils zwei Drehrichtungen/Neigungsrichtungen veränderbar.
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Mittels der hier beschriebenen Ausführungsform des Bauteils kann beispielsweise ein Lichtstrahl an der Spiegelfläche 24 frei im Raum ausgelenkt werden. Die Spiegelfläche 24 ist dazu um beide Drehachsen 52 und 58 in Bezug zu der Halterung verdrehbar. Vorzugsweise wird das verstellbare Teil 14 durch die externe (z.B. sinusförmige) Anregung resonant um die erste Drehachse 52 angeregt und erfährt aber eine Auslenkung um die zweite Drehachse 58. Die Verstellbarkeit der Stellung des verstellbaren Teils 14 in Bezug zu der Halterung um die beiden Drehachsen 52 und 58 ist jedoch auch für andere optische und/oder mechanische Anwendungen nutzbar.
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Insbesondere die Schwingung um die erste Drehachse 52 kann in Resonanz erfolgen, was eine schnelle (horizontale) Strahablenkbewegung ermöglicht. Die Resonanzfrequenz kann durch Wahl einer Federkonstante der mindestens einen flexiblen Verbindungskomponente 16, einer Masse und/oder einer Trägheit des verstellbaren Teils 14 auf einen bevorzugten Wert eingestellt werden. Der Auslenkungswinkel um die zweite Drehachse 58 kann durch die Amplitude, Frequenz und/oder Phasendifferenz der überlagerten Bewegung statisch eingestellt werden. Die Richtung der Auslenkung, bzw. des erzeugbaren Drehmoments um die zweite Drehachse 58, ist über die Umlaufrichtung/den Umlaufsinn der Anregungsbewegung festlegbar.
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In resonante Schwingungssystem kann Energie sehr effizient eingekoppelt werden. Mit geringer Anregungsenergie sind auf diese Weise große Auslenkungen erzielbar. Das erzilebare Drehmoment um die zweite Drehachse 58 ist insbesondere umso höher, je höher die Schwingungsfrequenz um die erste Drehachse 52 ist.
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Eine kardanische Aufhängung ist für die zweiachsige Verstellbarkeit des verstellbaren Teils 14 nicht erforderlich. Stattdessen ist beispielsweise eine einfacher herstellbare Torsionsfederaufhängung als mindestens eine flexible Verbindungskomponente 16 ausreichend.
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3 und 4 zeigen schematische Darstellungen einer dritten und einer vierten Ausführungsform des Bauteils.
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Die in 3 und 4 schematisch wiedergegebenen Bauteile weisen die oben schon beschriebenen Komponenten 14 und 16 zusammen mit einer Aktoreinrichtung 70 oder 72 auf. Jede der beiden Aktoreinrichtungen 70 und 72 weist mindestens einen piezoelektrischen Wandler 74 bis 78 auf. Insbesondere die bei den Aktoreinrichtungen 70 und 72 der Ausführungsformen verwendeten piezoelektrischen Wandler 74 bis 78 eignen sich vorteilhaft zum Verstellen des mindestens einen Außenendes 18 mit hohen Frequenzen für beide Bewegungskomponenten. Außerdem können mittels der piezoelektrischen Wandler 74 bis 78 vergleichsweise hohe Kräfte auf das mindestens eine Außenende 18 ausgeübt werden. Anstelle oder als Ergänzung zu einem derartigen piezoelektrischen Wandler 74 bis 78 kann eine Aktoreinrichtung 70 und 72 des Bauteils jedoch auch mit mindestens einem Wandler nach dem magnetischen, elektrostatischen oder thermischen Wandlerprinzip ausgestattet sein.
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Die Aktoreinrichtung 70 in 3 hat zwei piezoelektrische Wandler 74 und 76, deren sensitive Achsen geneigt, insbesondere senkrecht, zueinander ausgerichtet sind. Die beiden piezoelektrischen Wandler 74 und 76 können auf einfache Weise übereinander angeordnet werden. Demgegenüber ist der piezoelektrischen Wandler 78 der Aktoreinrichtung 72 der 4 an einem Außenende 18 für eine Scherbewegung (in x-Richtung) und am anderen Außenende 18 für eine Bewegung (in z-Richtung) ausgelegt. Die Anregung des verstellbaren Teils 14 ist mit dienen Elementen in ähnlicher Weise möglich wie zuvor beschrieben. Beispielsweise über eine Anordnung des mindestens einen piezoelektrischen Wandlers 74 bis 78 an dem mindestens einen Außenende 18 der mindestens einen flexiblen Verbindungskomponente 16 ist die oben schon beschriebene Anregung der kreisförmigen oder elliptischen zweiten Schwingbewegung ausführbar.
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Optionalerweise weist das Bauteil auch eine Steuereinrichtung 80 auf, welche dazu ausgelegt ist, ein Vorgabesignal 82 bezüglich einer Soll-Stellungsänderung zumindest einer Komponente des verstellbaren Teils 14, wie beispielsweise der Spiegelfläche 24, zu empfangen und unter Berücksichtigung des Vorgabesignals 82 mindestens eine Soll-Größe bezüglich der ersten Schwingbewegung und/oder der zweiten Schwingbewegung festzulegen und mindestens ein entsprechendes Steuersignal 84 an die Aktoreinrichtung 70 oder 72 auszugeben. Die mindestens eine festlegbare Soll-Größe kann beispielsweise eine erste Soll-Amplitude und/oder eine erste Soll-Frequenz der ersten Bewegungskomponente entlang der ersten Achse, eine zweite Soll-Amplitude und/oder eine zweite Soll-Frequenz der zweiten Bewegungskomponente entlang der zweiten Achse und/oder eine Soll-Phasendifferenz (zwischen der maximalen Amplitude/Auslenkung der ersten Bewegungskomponente und der maximalen Amplitude/Auslenkung der zweiten Bewegungskomponente) sein. Ebenso kann die mindestens eine festlegbare Soll-Größe mindestens eine Amplitude, mindestens eine Frequenz und/oder eine Phasendifferenz mindestens eines periodischen Spannungssignals, welches an den mindestens einen piezoelektrischen Wandler 74 bis 78 und/oder einen nach einem anderen Wandlerprinzip ausgebildeten Wandler bereitgestellt wird, umfassen. Die mindestens eine festlegbare Soll-Größe ist nicht auf die hier aufgezählten Beispiele beschränkt. Das mindestens eine Steuersignal 84 kann insbesondere ein derartiges periodisches Spannungssignal sein. Bei allen Ausführungsformen ist die variable Neigung durch Änderung der Amplitude, der Frequenz und/oder der Phasendifferenz der Anregungsschwingungen einstellbar.
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Sofern die mindestens eine Aktoreinrichtung 70 oder 72 dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Außenende 18 mit einer gleichen Frequenz für die erste Bewegungskomponente entlang der ersten Achse und für die zweite Bewegungskomponente entlang der zweiten Achse in Bezug zu der Halterung zu versetzen, ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung 80 dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung des Vorgabesignals 82 eine erste Soll-Amplitude der ersten Bewegungskomponente, eine zweite Soll-Amplitude der zweiten Bewegungskomponente und/oder eine Soll-Phasendifferenz, bzw. mindestens eine entsprechende Größe mindestens eines Spannungssignals, festzulegen. Mittels der hier genannten Größen ist mindestens ein Verstellwinkel zwischen einer Ruhestellung/Ausgangsstellung des verstellbaren Teils 14 und einer in Bezug zu der Halterung um mindestens eine Drehachse geänderten Stellung des verstellbaren Teils 14 verlässlich festlegbar.
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Es kann jedoch auch sein, dass die Aktoreinrichtung 70 oder 72 dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Außenende 18 mit einer ersten Frequenz für die erste Bewegungskomponente entlang der ersten Achse und mit einer zweiten Frequenz für die zweite Bewegungskomponente entlang der zweiten Achse in Bezug zu der Halterung zu verstellen. Bevorzugter Weise ist in diesem Fall die Steuereinrichtung 80 dazu ausgelegt, unter Berücksichtigung des Vorgabesignals 82 eine erste Soll-Amplitude und/oder eine erste Soll-Frequenz für die erste Bewegungskomponente entlang der ersten Achse und/oder eine zweite Soll-Amplitude und/oder eine zweite Soll-Frequenz für die zweite Bewegungskomponente entlang der zweiten Achse, bzw. mindestens eine entsprechende Größe mindestens eines Spannungssignals, festzulegen. Auf ein Festlegen der Soll-Phasendifferenz kann in diesem Fall verzichtet werden, um unnötige Arbeitsschritte einzusparen.
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In allen hier beschriebenen Ausführungsformen kann das Bauteil als mikromechanisches Bauteil ausgebildet sein. Insbesondere können alle Komponenten des Bauteils auf einem einzigen Chip ausgebildet sein. Ebenso können einzelne Komponenten auch außerhalb eines Chips mit den darauf teilweise ausgebildeten Komponenten angebracht werden (ASIC- und MEMS-Chip gesondert oder auf einem Chip gemeinsam).
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Die oben beschriebenen Bauteile weisen den Vorteil auf, dass insbesondere durch zwei ( bevorzugt sinusförmige) translatorische Schwingungen des mindestens einen Außenendes mindestens einer flexiblen Verbindungskomponente 16 eine Drehbewegung um mindestens eine Achse eines verstellbaren Teils 14 auslösbar ist. Da zwei translatorische Schwingungen leichter erzeugbar sind als eine rotatorische Drehbewegung, sind die Bauteile mit einer hohen Verlässlichkeit und kostengünstig herstellbar.
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Es wird auch darauf hingewiesen, dass ein Bauteil realisierbar ist, welches nur eine flexible Verbindungskomponente 16 aufweist. Ebenso kann die oben beschriebene Anregung der ersten Schwingbewegung und der zweiten Schwingbewegung auch nur an einem Ende einer flexiblen Verbindungskomponente 16 erfolgen. Alternativ dazu ist es auch möglich, ein erstes Außenende einer ersten flexiblen Verbindungskomponente 16 in die erste Schwingbewegung zu versetzen, während ein zweites Außenende einer zweiten flexiblen Verbindungskomponente 16 die zu überlagernde Bewegung mit der zweiten Bewegungskomponente entlang der zweiten Achse ausführt.
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Das verstellbare Teil 14 kann so ausgeführt werden, dass seine Trägheitsmomente um die drei Raumachsen nicht gleich sind. In diesem Fall ist eine Drehbewegung um eine Drehachse mit einem mittleren Trägheitsmoment nicht stabil. Durch eine geeignete Gestaltung der Trägheitsmomente des verstellbaren Teils 14 lässt sich somit festlegen, welche der möglichen Schwingungsmodi stabil sind. Auf diese Weise kann eine Drehung um eine bestimmte Raumachse gezielt eingestellt werden.
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Die oben beschriebenen Bauteile eignen sich insbesondere für den Antrieb von ein- oder zweiachsigen Mikrospiegeln. Die Schwingungsgüte lässt sich bei diesem Bauteilen durch eine Vakuumverkapselung zusätzlich erhöhen. Außerdem ist auch eine Anregung mit einer Resonanzfrequenz möglich, wodurch das verstellbare Teil 14 mit hohen Amplituden auf die kleinen Amplituden der Anregung reagiert. Dadurch ergibt sich ein hohes Maß an einkoppelbarer Energie, bzw. ein hohes erreichbares Drehmoment.
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Die Verfahrensschritte des Verfahrens werden von den oben beschriebenen Bauteilen ausgeführt. Auf eine zusätzliche Beschreibung der Verfahrensschritte wird deshalb hier verzichtet
