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Die Erfindung betrifft Torsionsfederelemente für die Aufhängung auslenkbarer mikromechanischer Elemente, wie z. B. um eine Rotationsachse verschwenkbare reflektierende Elemente. Die Verschwenkung kann dabei mit vorgegebenen Drehwinkelbeträgen zwischen zwei Umkehrpunkten oszillierend erfolgen. Der Antrieb dieser Verschwenkbewegung kann elektrostatisch oder unter Ausnutzung eines anderen physikalischen Prinzips in an sich bekannter Form erfolgen.
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Um die für den Antrieb erforderliche Energie möglichst klein zu halten, werden solche Systeme häufig bei Einhaltung von Resonanzbedingungen betrieben. Dabei muss die Eigenresonanz eines solchen Systems beachtet werden. Diese hängt von mehreren Parametern ab. Neben der Eigenmasse sind auch die Federcharakteristik von Federelementen und die jeweilige Auslenkung zu berücksichtigen. Bei konstanter Antriebsleistung kann bei Berücksichtigung der Resonanzfrequenz beim Antrieb eine deutlich größere Auslenkung erreicht werden, als dies in davon abweichenden Antriebfrequenzbereichen der Fall ist. Nachfolgend soll auch auf weitere hierbei zutreffende Probleme hingewiesen werden.
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Für die Aufhängung solcher auslenkbaren mikromechanischen Elemente kommen Federelemente zum Einsatz, die eine lineare Federkennlinie aufweisen. Dies ist auch bei Systemen der Fall, die das auch als „Out-Of-Plane-Electrode-Comb” bezeichnete Antriebskonzept nutzen, das von H. Schenk in „Ein neuartiger Mikroaktuator zur ein- und zweidimensionalen Ablenkung von Licht”; Dissertation 2000; Gerhard-Mercator-Universität-Gesamthochschule-Duisburg beschrieben ist.
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Es treten Hysterese-Effekte auf und außerdem ist zu beachten, dass für die Einhaltung von Resonanzbedingungen im Normalfall ausschließlich Antriebsfrequenzen genutzt werden können, die oberhalb der Resonanzfrequenz (Eigenfrequenz) eines Systems liegen. Ausgehend von kleineren Antriebsfrequenzen kann ein solcher Betrieb nicht erreicht werden. Bei Unterschreiten der Resonanzfrequenz bricht dieser Zustand zusammen und kann erneut lediglich mit einer deutlich über der Resonanzfrequenz liegenden Antriebsfrequenz (in der Regel dem Vierfachen der Resonanzfrequenz) wieder gestartet werden. Ein dauerhafter Betrieb mit Resonanzbedingungen erfolgt bei einer Antriebsfrequenz, die dem Doppelten der Resonanzfrequenz entspricht.
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Hierfür ist eine exakte Regelung erforderlich, bei der auch die Phase berücksichtigt werden muss.
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Die maximal mögliche Auslenkung eines mikromechanischen Elementes kann aber häufig nicht ausgenutzt werden, da bei einem Betrieb in der Nähe der Resonanzfrequenz die Gefahr besteht, dass bereits bei geringen Schwankungen der Antriebsfrequenz die oszillierende Auslenkung zusammenbricht. Zu beachten ist auch die Stabilität der maximalen Auslenkung (Amplitude), die in der Nähe der Resonanzfrequenz sehr stark von der jeweiligen Antriebsfrequenz abhängt. So führen in diesem Bereich kleine Veränderungen der Antriebsfrequenz, zu sich erheblich verändernden Auslenkungen.
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Bei solchen Systemen, die unter Resonanzbedingungen betrieben werden sollen, ist man bestrebt Einflüsse auf die Resonanzfrequenz, die zu deren Veränderung beim Betrieb führen, zu vermeiden. Dies trifft auf den Einfluss der jeweiligen Auslenkung und die Federcharakteristik eingesetzter Federelemente zu, die eine lineare Federkennlinie zumindest im Arbeitsbereich aufweisen sollen. Mit davon abweichender Federkennlinie tritt nämlich auch eine Veränderung der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit der jeweiligen Auslenkung auf, was zu einer Verschiebung in Richtung einer kleineren Resonanzfrequenz bei degressiver Federkennlinie und in Richtung höherer Resonanzfrequenz bei progressiver Federkennlinie bei sich vergrößernder Auslenkung führt.
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Es sollte auch der als „pull-in” bezeichnete Effekt berücksichtigt werden, der nachteilig dazu führt, dass eine maximal mögliche Auslenkung nicht genutzt werden kann, um eine mechanische Beschädigung eines solchen Systems sicher zu vermeiden.
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Die
DE 199 41 045 A1 betrifft eine Mikroschwingvorrichtung mit unterschiedlichen Torsionsfederelementen, die in verschiedenen Richtungen zueinander ausgerichtet sind. Es soll eine entsprechende Dämpfungs- oder Schutzwirkung zur Vermeidung eines Federbruchs erreicht werden.
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Z. Xiao et al.; erläutert in „Analytical behavior of rectangular electrostatic torsion actuators with nonlinear spring bending”; Journal of Micromechanical Systems; Vol. 12 No. 6, Dezember 2003, S. 929–936 Untersuchungen zu vollständig nichtvermeidbarem nicht linearen Federverhalten.
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V. Milanovic et al. weist in „Torsional micromirrors with lateral actuators”; Transducers 01, München, DE; Juni 2001 auf Eigenschaften von Torsionsfedern mit großem Aspektverhältnis hin.
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Bei den in
EP 0 754 958 A2 und
US 2005/0046504 A1 beschriebenen mikromechanischen Vorrichtungen sind Federelemente parallel zueinander angeordnet. Bei der Europäischen Patentanmeldung sollen Federelemente auch unsymmetrisch angeordnet sein.
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Die
US 2005/0036196 A1 offenbart einen Mikrospiegel, bei dem ein Spiegel mit nichtlinearen Federn an einem Substrat gehalten ist.
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J. D. Grade et al.; „Design of large deflection electrostatic actuators”; Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 12, No. 3, June 2003, S. 335–343 betrifft elektrostatische Aktuatoren mit Kammantrieb und Untersuchungen eines nichtlinearen Modells.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung Torsionsfederelemente für Aufhängungen auslenkbarer mikromechanischer Elemente zur Verfügung zu stellen, die gegenüber bekannten Federelementen verbesserte Eigenschaften beim Betrieb erreichen können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit Torsionsfederelementen gelöst, die gemäß Anspruch 1 ausgebildet sind. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
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Erfindungsgemäße Torsionsfederelemente sind dabei so ausgebildet, dass sie in Richtung ihrer Längsachse eine sich verändernde geometrische Gestaltung und dadurch eine nicht lineare Federkennlinie aufweisen.
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Die Längsachse ist dabei zwischen einer Einspannung oder Lagerung und dem auslenkbaren mikromechanischen Element, das mit mindestens einem Torsionsfederelement gehalten ist, ausgerichtet.
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Dabei weist ein erfindungsgemäßes Torsionsfederelement einen geradlinigen Bereich, der in der Längsachsrichtung ausgerichtet ist und mindestens an einer Stirnseite eine Gabelung/Verzweigung, in die der geradlinige Bereich übergeht, auf. Ein solches Torsionsfederelement kann dann zumindest annähernd die Form eines „Y” bilden.
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Eine oder mehrere an einem solchen Torsionsfederelement vorhandene Gabelung(en)/Verzweigung(en) sind mit Schenkeln v- oder u-förmig ausgebildet. Die Schenkel können mit ihren äußeren Stirnseiten mit dem auslenkbaren Element oder einer Lagerung/Einspannung verbunden sein.
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An einer Gabelung/Verzweigung können mindestens zwei Schenkel ausgebildet sein. Es können aber auch mehr als zwei Schenkel vorhanden sein. Diese Schenkel können wiederum über einen beispielsweise in Form eines Quersteges ausgebildeten Teil miteinander verbunden sein.
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Die Schenkel einer Gabelung/Verzweigung können geradlinig ausgebildet sein. Sie können auch parallel zueinander und zur Längsachse ausgerichtet sein.
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Schenkel einer Gabelung/Verzweigung können auch gekrümmt ausgebildet sein.
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Eine an einem Torsionsfederelement ausgebildete Gabelung/Verzweigung sollte symmetrisch in Bezug zur Längsachse ausgebildet sein.
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Eine mögliche Ausbildung eines erfindungsgemäßen Torsionsfederelementes kann an mindestens einer Stirnseite in Form eines Dreiecks ausgebildet sein, das sich an einen geradlinig ausgebildeten Bereich anschließt.
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An Stirnseiten eines Torsionsfederelementes ausgebildete Gabelungen/Verzweigungen können voneinander abweichende Gestaltungen aufweisen und ggf. unmittelbar miteinander verbunden sein, so dass an einem solchen Torsionsfederelement kein geradlinig in Längsachsrichtung ausgerichteter Bereich vorhanden sein muss.
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Gabelungen/Verzweigungen an einem Torsionsfederelement können aber auch in Richtung der Längsachse eine unterschiedliche Länge und/oder Anzahl von Schenkeln aufweisen. Dies kann durch sich voneinander unterscheidenden Längen von Schenkeln der Gabelungen/Verzweigungen erreicht werden.
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Ein mit einer Gabelung/Verzweigung verbundener oder so auslaufender Bereich ist so ausgebildet, dass er in Längsrichtung ein sich veränderndes Widerstandmoment aufweist. Dies wird auf einfache Art und Weise durch einen sich verändernden Querschnitt erreicht werden. Dabei kann die Querschnittsfläche variiert werden.
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Bevorzugt kann die Änderung des Widerstandsmomentes in Richtung der Längsachse kontinuierlich gewählt werden.
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Dabei kann sich das Widerstandsmoment in Richtung der Längsachse bis zur Erreichung eines Maximums vergrößern und nachfolgend dann wieder kleiner werden.
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Es kann an einem erfindungsgemäßen Torsionsfederelement auch eine Verzweigung zwischen zwei geradlinig ausgebildeten Bereichen ausgebildet sein, bei der Schenkel mit voneinander abweichenden Ausrichtungen vorhanden sind. Die Schenkel einer solchen Verzweigung können orthogonal, parallel und/oder in einem schräg geneigten Winkel in Bezug zur Längsachse ausgerichtet sein.
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Mit entsprechend angepasster Gestaltung und Dimensionierung können Torsionsfederelemente mit für eine Applikation angepasster Federcharakteristik zur Verfügung gestellt werden. Dabei können Federkennlinien vorgegeben werden, bei denen eine bestimmte Federkraft in Abhängigkeit der jeweiligen Auslenkung erreichbar ist. So kann eine Federkennlinie erfindungsgemäßer Torsionsfederelemente vorliegen, bei der degressives und bei größeren Auslenkungen dann progressives Verhalten auftritt. So sind bei Beginn und bei kleinerer Auslenkung geringere Antriebskräfte erforderlich, als dies bei größeren Auslenkungen der Fall ist. Auch die Rückstellkräfte von ausgelenkten Torsionsfederelementen verhalten sich so. Demzufolge sind die Rückstellkräfte in der Nähe der Ruhe- bzw. Mittenlage kleiner. Wobei jedoch zumindest bereichsweise bei der Auslenkung keine linearen Verhältnisse bezüglich der jeweiligen Auslenkung und der jeweiligen Kräfte, wie bei linearen Federkennlinien vorliegen.
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Durch eine erfindungsgemäße Ausbildung stellen die Torsionsfederelemente quasi eine „Reihenschaltung” dar, obwohl es sich eigentlich um ein einziges Element handelt. Die Abstufung der Federkennlinie eines erfindungsgemäßen Torsionsfederelementes kann mehrfach erfolgen und der Anstieg von Federkräften in Abhängigkeit der jeweiligen Auslenkung mehrfach verändert sein.
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Bei vielen Anwendungsfällen können Nachteile von Federelementen mit linearer Federkennlinie vermieden oder reduziert werden.
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Die erfindungsgemäßen Torsionsfederelemente können analog, wie herkömmliche Federelemente hergestellt werden, wobei lediglich die entsprechende Gestaltung berücksichtigt werden und so dass der Herstellungsaufwand nicht erhöht werden muss.
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Die erfindungsgemäßen Torsionsfederelemente können an reflektierenden Elementen, wie Mikrospiegel, die bei den verschiedensten Scannern einsetzbar sind, vorhanden sein.
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Ein Einsatz ist auch bei Einrichtungen für eine Datenausgabe, wie z. B. bei Laserdisplays, Laserdruckern, Laserbelichtern o. ä. möglich.
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Es besteht aber auch die Möglichkeit die Torsionsfederelemente bei auslenkbaren Elementen in Sensoren, wie z. B. Druck-, Viskositäts-, oder Beschleunigungssensoren vorzusehen.
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Nachfolgend soll die Erfindung mit Hilfe von in den 1 bis 7 gezeigten Beispielen anschaulich erläutert werden.
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So sind in 1 acht Beispiele für mögliche Ausbildungen von Beispielen erfindungsgemäßer Torsionsfederelemente gezeigt.
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Dabei ist an allen, bis auf das rechts in der unteren Reihe gezeigte Beispiel, ein geradlinig in Richtung der Längsachse ausgerichteter Bereich vorhanden. Die in der oberen Reihe gezeigten Beispiele haben an einer Stirnseite eine Gabelung/Verzweigung, die v- oder auch u-förmig ausgebildet ist.
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Die in der unteren Reihe dargestellten Beispiele weisen an beiden Stirnseiten Gabelungen/Verzweigungen auf, die jeweils auch unterschiedlich gestaltet oder bezüglich ihrer Länge in Richtung der Längsachse variiert sein können.
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Das in der unteren Reihe ganz rechts gezeigte Beispiel ist aus zwei unmittelbar miteinander verbundenen Gabelungen/Verzweigungen gebildet, wobei eine u- und die andere v-förmig ausgebildet ist.
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Mit 2 sollen vier weitere Beispiele veranschaulicht werden. Bei den beiden oberen Beispielen schließt sich an einer Stirnseite an einen geradlinig ausgebildeten Bereich eine Gabelung/Verzweigung mit mehr als zwei Schenkeln an.
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Bei den beiden unten dargestellten Beispielen sind diese mit einer v- oder einer u-förmigen Gabelung/Verzweigung mit zwei Schenkeln zusätzlich an der gegenüberliegenden Stirnseite versehen worden.
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Bei den bis hierher erläuterten Beispielen wurde für alle Teile und Bereiche eine jeweils gleiche Querschnittsfläche berücksichtigt. Dies ist bei den beiden in 3 gezeigten Beispielen aber nicht der Fall. Hierbei ist ein Teil eines Torsionsfederelementes in Längsachsrichtung durch kontinuierliche Veränderung der Querschnittsfläche in Richtung der Längsachse ausgebildet. Dadurch verändert sich auch das Widerstandsmoment entsprechend, was Einfluss auf die Federkennlinie bei unterschiedlicher Auslenkung hat.
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4 zeigt ein Beispiel, bei dem sich an einen geradlinig ausgebildeten Bereich an einer Stirnseite eine Verzweigung in Form eines Dreiecks anschließt.
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Bei dem in 5 gezeigten Beispiel sind an zwei sich gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils zwei Schenkel vorhanden, die ein Paar bilden. Die Schenkellänge der beiden Paare ist dabei unterschiedlich, so dass auch der Winkel den die beiden Schenkel eines Paares einschließen unterschiedlich groß ist.
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Bei den in den 6 und 7 gezeigten Beispielen ist eine Verzweigung vorhanden, die zwischen zwei geradlinig ausgebildeten Bereichen angeordnet und mit ihnen verbunden ist. An der Verzweigung sind wieder mehrere Schenkel vorhanden, deren Ausrichtung voneinander abweicht.
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Beim Beispiel nach 7 ist zusätzlich an einer Stirnseite eine v-förmige Gabelung/Verzweigung vorhanden.
