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Die vorliegende Erfindung betrifft Drehfedervorrichtungen, insbesondere Drehfedervorrichtungen mit einer Federsteife geringer Nichtlinearität.
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Es ist bekannt, Drehfederanordnungen in verschiedenen Sensoren zu verwenden, um durch die Drehfederanordnung verbundene Bauteile gegeneinander in eine Drehschwingung zu versetzen. Drehfederanordnungen werden insbesondere in drehschwingenden mikro-elektro-mechanische Strukturen, MEMS, eingesetzt, wie z.B. in MEMS Gyroskopen oder Vibrationskreiseln. Generell sollten bei einem Einsatz von Drehfederanordnungen Drehschwingungen oder Drehbewegungen begrenzter Amplitude verwendet werden und keine Hysterese und/oder sehr lineares Momenten-Verhalten über einen größeren Winkelbereich auftreten.
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Eine aus dem Stand der Technik bekannte Drehfederanordnungen 10 ist in der 1 dargestellt. Ein innen liegender Anker 11 ist mit einer außen liegenden, bezüglich des Ankers 11 beweglichen Struktur 12 über Biegebalkenfedern 13 verbunden. Die Biegebalkenfedern 13 sind senkrecht zu ihrer Hauptrichtung bzw. Längsachse auslenkbar und erlauben dadurch eine relative Drehung von beweglicher Struktur 12 und Anker 11 entlang des Pfeiles A. Entlang ihrer Hauptrichtung sind die Biegebalkenfedern 13 steif, so dass der Abstand zwischen Anker 11 und beweglicher Struktur 12 in erster Näherung konstant bleibt.
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Ab vier äquidistanten bzw. symmetrisch angeordneten Biegebalkenfedern 13 ist das Drehfederdesign translatorisch isoelastisch. Die Drehfedersteifigkeit der in der 1 dargestellten Drehfederanordnung 10 eine sehr hohe Nichtlinearität des Momentenverlaufes über den Verdrehungswinkel. Diese Nichtlinearität lässt sich bei einem derartigen Design nur durch lange Biegebalken-Federn 13 reduzieren. Neben der Zunahme der Baugröße leiden dabei auch die Steifigkeitseigenschaften in alle anderen Raumrichtungen. Meist ist auch eine Größenlimitierung gegeben, sodass es nicht möglich ist, die Nichtlinearität der Drehfeder durch lange Biegebalken zu reduzieren. Alternativ könnte auch eine weiche Einbindung der Biegebalkenfedern 13 an den Anker 11 und/oder die beweglichen Struktur 12 die Nichtlinearität verringern. Dies führt aber ebenfalls zu reduzierten Steifigkeitseigenschaften in den anderen Raumrichtungen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Drehfedervorrichtung anzugeben, bei der trotz vorgegebenen, geringen Gesamtabmessungen der Vorrichtung eine hohe Linearität der Drehfedersteife bei gleichzeitig hohen Steifigkeitseigenschaften in allen Raumrichtungen erzielt wird.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine Drehfedervorrichtung umfasst einen ersten Körper, einen zweiten Körper, und eine Mehrzahl von Federelementen, die den ersten Körper derart mit dem zweiten Körper verbinden, dass der erste Körper und der zweite Körper unter Verformung der Federelemente gegeneinander um eine Drehachse gedreht werden können. Hierbei weist zumindest ein erstes Federelement aus der Mehrzahl der Federelemente eine erste Biegebalkenfeder und eine zweite Biegebalkenfeder auf, die sich nebeneinander und senkrecht zur Drehachse von dem ersten Körper zu dem zweiten Körper erstrecken und an ihren dem ersten Körper zugewandten Enden durch einen ersten Verbindungsbalken miteinander verbunden sind. Die erste Biegebalkenfeder ist an ihrem dem zweiten Körper zugewandten Ende mit dem ersten Körper verbunden und die zweite Biegebalkenfeder ist an ihrem dem zweiten Körper zugewandten Ende mit dem zweiten Körper verbunden. Hierbei sind die erste Biegebalkenfeder und die zweite Biegebalkenfeder jeweils senkrecht zur Drehachse und senkrecht zu ihrer Längsachse auslenkbar.
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Die Drehfedervorrichtung weist also zumindest ein Federelement mit zwei Biegebalkenfedern auf. Diese sind hierbei derart ausgebildet, dass beide Biegebalkenfedern an der dem ersten Körper zugewandten Seite miteinander verbunden sind. Die Anbindung der Biegebalkenfedern an den ersten und den zweiten Körper erfolgt jeweils über die dem ersten Körper abgewandten Seite. Dadurch wird eine annähernd U-förmige Gesamtfeder erzeugt, die das Linearitätsverhalten der Drehfedervorrichtung dadurch entscheidend verbessert, dass der „Bauch“ des gebildeten U keine direkte Verbindung mit einem der beiden Körper hat. Vielmehr schwingt dieser Teil des Federelements frei und ermöglicht auf diese Weise die Reduzierung von Nichtlinearitäten. Die Verbindung zu den beiden Körpern erfolgt über die Schenkel des geformten U. Hier sind für das Rückführen der einen Biegebalkenfeder an den ersten Körper geeignete Mittel vorzusehen, wie etwa Vorsprünge am ersten Körper oder zusätzliche Biegebalkenfedern.
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Hierbei ist zu beachten, dass die Dimensionierung der Vorsprünge darüber entscheidet, ob diese auch Federeigenschaften haben oder nicht. Im Sinne der vorliegenden Beschreibung können also Vorsprünge ebenso, abhängig von deren Dimensionierung, als Feder dienen. Genauso können entsprechend versteifte Federn als im Wesentlichen unbewegliche Bestandteile der Körper angesehen werden, mit denen sie verbunden sind.
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Das erste Federelement kann zusätzlich eine dritte Biegebalkenfeder und eine vierte Biegebalkenfeder aufweisen, die sich nebeneinander und senkrecht zur Drehachse von dem ersten Körper zu dem zweiten Körper erstrecken und an ihren dem ersten Körper zugewandten Enden durch den ersten Verbindungsbalken miteinander und mit der ersten Biegebalkenfeder und der zweiten Biegebalkenfeder verbunden sind. Die dritte Biegebalkenfeder kann an ihrem dem zweiten Körper zugewandten Ende mit dem zweiten Körper verbunden sein und die vierte Biegebalkenfeder kann an ihrem dem zweiten Körper zugewandten Ende mit dem ersten Körper verbunden sein. Die dritte Biegebalkenfeder und die vierte Biegebalkenfeder sind jeweils senkrecht zur Drehachse und senkrecht zu ihrer Längsachse auslenkbar. Die zweite Biegebalkenfeder ist zwischen der ersten Biegebalkenfeder und der dritten Biegebalkenfeder angeordnet und die dritte Biegebalkenfeder ist zwischen der zweiten Biegebalkenfeder und der vierten Biegebalkenfeder angeordnet. Dadurch wird die Struktur symmetrisch verdoppelt, mit der sich die Nichtlinearität reduzieren lässt. Dies verstärkt den Effekt der Reduzierung der Nichtlinearität weiter.
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Zumindest ein zweites Federelement aus der Mehrzahl der Federelemente kann eine fünfte Biegebalkenfeder und eine sechste Biegebalkenfeder aufweisen, die sich nebeneinander und senkrecht zur Drehachse von dem ersten Körper zu dem zweiten Körper erstrecken und an ihren dem zweiten Körper zugewandten Enden durch einen zweiten Verbindungsbalken miteinander verbunden sind. Die fünfte Biegebalkenfeder kann an ihrem dem ersten Körper zugewandten Ende mit dem zweiten Körper verbunden sein und die sechste Biegebalkenfeder kann an ihrem dem ersten Körper zugewandten Ende mit dem ersten Körper verbunden sein und die fünfte Biegebalkenfeder und die sechste Biegebalkenfeder können jeweils senkrecht zur Drehachse und senkrecht zu ihrer Längsachse auslenkbar sein. Durch das Vorsehen eines zweiten Federelements, das die mechanische Umkehr des ersten Federelements darstellt, wird die erreichbare Linearität weiter erhöht.
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Hierbei kann das zweite Federelement zusätzlich eine siebte Biegebalkenfeder und eine achte Biegebalkenfeder aufweisen, die sich nebeneinander und senkrecht zur Drehachse von dem ersten Körper zu dem zweiten Körper erstrecken und an ihren dem zweiten Körper zugewandten Enden durch den zweiten Verbindungsbalken miteinander und mit der fünften Biegebalkenfeder und der sechsten Biegebalkenfeder verbunden sind. Die siebte Biegebalkenfeder kann an ihrem dem ersten Körper zugewandten Ende mit dem ersten Körper verbunden sein und die achte Biegebalkenfeder kann an ihrem dem ersten Körper zugewandten Ende mit dem zweiten Körper verbunden sein. Die siebte Biegebalkenfeder und die achte Biegebalkenfeder sind jeweils senkrecht zur Drehachse und senkrecht zu ihrer Längsachse auslenkbar. Die sechste Biegebalkenfeder ist zwischen der fünften Biegebalkenfeder und der siebten Biegebalkenfeder angeordnet und die siebte Biegebalkenfeder ist zwischen der sechsten Biegebalkenfeder und der achten Biegebalkenfeder angeordnet. Durch die symmetrische Verdoppelung der Struktur des zweiten Federelements wird die Nichtlinearität weiter reduziert.
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Die Biegebalkenfedern können sich jeweils entlang von Linien erstrecken, die sich in der Drehachse schneiden. Die Biegebalkenfedern können die gleichen Längen haben. Die Biegebalkenfedern können bei jeweils gleichen Auslenkungen eine jeweils gleiche Längenkontraktion aufweisen. Durch diese Maßnahmen kann jeweils die Linearität der Drehfedervorrichtung verbessert werden.
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Der erste Körper kann Vorsprünge aufweisen, über die die mit dem ersten Körper verbundenen Biegebalkenfedern des ersten Federelements jeweils mit dem ersten Körper verbunden sind. Ebenso kann der zweite Körper Vorsprünge aufweisen, über die die mit dem zweiten Körper verbundenen Biegebalkenfedern des zweiten Federelements jeweils mit dem zweiten Körper verbunden sind. Dies erlaubt eine einfache Anbindung der Biegebalkenfederkonstruktionen an den ersten und den zweiten Körper, ohne die Reduzierung der Nichtlinearität zu beeinträchtigen.
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Der erste Körper kann die Form eines Zylinders aufweisen, dessen Mittelachse die Drehachse ist, der zweite Körper kann die Form eines kreisförmigen Rings aufweisen, dessen Mittelachse die Drehachse ist, die Verbindungsbalken können konzentrisch zum Umfang des ersten Körpers angeordnet sein, die Mehrzahl von Federelementen kann entlang des Umfangs des ersten Körpers mit gleichbleibenden Abstand angeordnet sein und zumindest zwei Federelemente, vorzugsweise vier Federelemente, aus der Mehrzahl der Federelemente können wie das erste Federelement oder wie das zweite Federelement ausgebildet sein. Dadurch wird ein möglichst einfacher Aufbau für eine Drehfedervorrichtung mit hoher Linearität erreicht.
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigt:
- 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Drehfederanordnung;
- 2 ein Federelement einer Drehfederanordnung gemäß einer Ausführungsform;
- 3 ein Federelement einer Drehfederanordnung gemäß einer Ausführungsform; und
- 4 eine Drehfedervorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
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In der 2 ist ein Federelement 130 gezeigt, das einen ersten Körper 110 einer Drehfedervorrichtung mit einem zweiten Körper 120 der Drehfedervorrichtung verbindet. In der 2 ist nur ein Ausschnitt des Teils der Drehfedervorrichtung gezeigt, in dem sich das Federelement 130 befindet. Die Drehfedervorrichtung als Ganzes kann jede beliebige Gestalt aufweisen, die es erlaubt, den ersten Körper 110 und den zweiten Körper 120 unter Verwendung des Federelements 130 gegeneinander zu verdrehen. Zum Beispiel kann die Drehfedervorrichtung die in der 1 gezeigte Form aufweisen. Das in der 2 gezeigte Federelement 130 nimmt dann die Stelle von zumindest einem der in der 1 gezeigten Federelemente 13 ein. Der erste Körper 110 kann hierbei der Anker 11 oder die bewegliche Struktur 12 der Drehfedervorrichtung der 1 sein. Der zweite Körper 120 wird dann vom jeweiligen Gegenpart dargestellt.
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Das Federelement 130 weist eine erste Biegebalkenfeder 132, eine zweite Biegebalkenfeder 134 und einen Verbindungsbalken 135 auf. Die zweite Biegebalkenfeder 134 erstreckt sich hierbei vom zweiten Körper 120 aus in Richtung des ersten Körpers 110. An ihrem dem ersten Körper 110 zugewandten Ende schließt sich der Verbindungsbalken 135 an, von dem aus sich die erste Biegebalkenfeder 132 zurück in Richtung des zweiten Körpers 120 erstreckt. Die erste Biegebalkenfeder 132 ist an ihrem dem zweiten Körper 120 zugewandten Ende mit dem ersten Körper 110 verbunden. Die Verbindung kann hierbei, z.B. wie in der 2 gezeigt über einen Vorsprung 115 des ersten Körpers 110 erfolgen. Alternativ können noch weitere Biegebalkenfedern mit der ersten Biegebalkenfeder 132 verbunden sein, um diese mit dem ersten Körper 110 zu verbinden.
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Durch den dargestellten Aufbau wird vermieden, dass eine der Biegebalkenfedern 132, 134 an ihrem einen Ende direkt mit dem ersten Körper 110 und an ihrem anderen Ende direkt mit dem zweiten Körper 120 verbunden ist, wodurch es zu nicht zu Nichtlinearitäten der Federkonstanten bzw. der Drehfedersteife während einer Auslenkung kommt. Vielmehr wird durch die Verwendung des Verbindungsbalkens 135 ermöglicht, dass das Federelement einen frei schwingenden Abschnitt aufweist, der weder mit dem ersten Körper 110 noch dem zweiten Körper 120 verbunden ist. Dieser frei schwingende, im Wesentlichen U-förmige Abschnitt erlaubt es, die bei beidseitig verbundenen, geraden Biegebalkenfedern auftretenden Nichtlinearitäten zu beseitigen.
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Für die bessere Darstellbarkeit wurden oben die erste Biegebalkenfeder 132, die zweite Biegebalkenfeder 134 und der Verbindungsbalken 135 als einzelne Elemente aufgeführt. Diese Elemente sind aber in der Regel zusammen als einzelnes Bauteil ausgebildet und untrennbar miteinander verbunden. So kann das aus erster Biegebalkenfeder 132, zweiter Biegebalkenfeder 134 und Verbindungsbalken 135 bestehende Federelement z.B. bei der Herstellung eines MEMS als Ganzes hergestellt sein. Andererseits können bei makroskopischen Drehfedern die einzelnen Bestandteile des Federelements 130 auch einzeln hergestellt und durch bekannte Mittel wie Schweißen oder Kleben miteinander verbunden werden. Die obige Beschreibung schließt beide Fälle ein, sowohl den Fall eines einstückigen hergestellten Federelements 130 als auch den Fall eines aus mehreren Komponenten zusammengesetzten Federelements 130.
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In der 3 ist eine Weiterbildung des Federelements 130 dargestellt. Hier sind die aus der ersten Biegebalkenfeder 132 und der zweiten Biegebalkenfeder 134 resultierenden Strukturen „verdoppelt“, indem zusätzlich eine dritte Biegebalkenfeder 136 und eine vierte Biegebalkenfeder 138 vorhanden sind. All diese Biegebalkenfedern sind an ihren dem ersten Körper 110 zugewandten Enden mit dem Verbindungsbalken 135 verbunden. Zudem sind alle Biegebalkenfedern über ihr dem zweiten Körper 120 zugewandtes Ende mit einem der beiden Körper 110, 120 verbunden. Die beiden außen liegenden Biegebalkenfedern 132, 138 sind über Vorsprünge 115 an den ersten Körper 110 angebunden. Die innen liegenden Biegebalkenfedern 134, 136 sind direkt mit dem zweiten Körper 120 verbunden.
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Durch die in der 3 gezeigte Ausgestaltung wird das Federelement 130 bei Auslenkungen der Körper 110, 120 zueinander in beide Auslenkrichtungen in gespiegelter, aber ansonsten gleicher Weise verformt. Dadurch wird ein nichtlineares Verhaltens in beiden Auslenkrichtungen reduziert.
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Die 4 zeigt eine Drehfedervorrichtung 100, in der der erste Körper 110 und der zweite Körper 120 durch eine Mehrzahl von Federelementen 130 verbunden sind, wie sie in der 3 dargestellt sind. Wie bereits oben ausgeführt, ist die Orientierung der Federelemente 130 aber unerheblich. So könnten in der 4 auch sämtliche oder einige der Federelemente 130 spiegelverkehrt angeordnet sein, d.h. mit einem Verbindungsbalken 135 an den dem zweiten Körper 120 zugewandten Enden der Biegebalkenfedern 132, 134, 136, 138, innen liegenden Federn 134, 136, die mit dem ersten Körper 110 verbunden sind, und außen liegenden Federn 132, 138, die mit dem zweiten Körper 120 verbunden sind.
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Die in der 4 dargestellte Drehfedervorrichtung 100 weist den ersten Körper 110, der z.B. als unbeweglicher Anker ausgebildet ist, und den zweiten Körper 120 auf, der z.B. als bewegliche Struktur ausgebildet und geeignet ist, eine Drehbewegung um eine zur Zeichenebene senkrechte Drehachse x auszuführen. Die Drehbewegung wird durch die in den Federelementen 130 enthaltenen Biegebalkenfeder-Strukturen ermöglicht.
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Die Biegebalkenfedern 132, 134, 136, 138 eines Federelements 130 sind durch den jeweiligen Verbindungsbalken 135 alle untereinander verbunden. Idealer Weise sind alle Biegebalkenfedern gleich dimensioniert. Dies ist aber nicht zwingend notwendig. Bei nicht identischer Dimensionierung können die Biegebalken derart ausgelegt sein, dass sie bei Auslenkung gleiche Längenkontraktion aufweisen. Dies kann zur optimalen Eliminierung von Nichtlinearität beitragen.
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Die Längsachsen aller Biegebalkenfedern können derart orientiert sein, dass sie sich alle auf der Drehachse x schneiden. Wie in der 4 gezeigt, können aber auch einige der Biegebalkenfedern von einer Ausrichtung auf die Drehachse x abweichen. Ebenso können die Verbindungsbalken 135 der Federelemente konzentrisch um die Drehachse x angeordnet sein, wie in der 4 gezeigt.
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Sind mehr als vier Federelemente 130 vorhanden, kann lateral isoelastisches Verhalten erreicht werden, insbesondere für eine gleichmäßige Verteilung der Federelemente 130 um die Drehachse x herum.
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Die Steifigkeit der Federelemente kann derart gewählt werden, dass sie der Steifigkeit einer einzelnen Biegebalkenfeder entspricht, wie sie in aus dem Stand der Technik bekannten und in der 1 gezeigten Drehfedervorrichtungen verwendet wird.
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Für MEMS-Drehratensensoren kann eine Drehfederstruktur, wie sie in der 4 gezeigt ist, z.B. aus Silizium durch ein DRIE-Ätzverfahren hergestellt werden, jedoch kann sie auch aus anderen Materialien und durch andere Verfahren und für andere Zwecke verwirklicht werden (z.B. aus Metall durch Draht- oder Senkerodieren) .
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Durch die Verwendung von Drehfedervorrichtungen, wie sie in der 4 gezeigt sind, können Nichtlinearitäten der Drehfedersteife effektiv reduziert werden.
