WO2007006299A1 - Microactuator - Google Patents

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WO2007006299A1
WO2007006299A1 PCT/DE2006/001235 DE2006001235W WO2007006299A1 WO 2007006299 A1 WO2007006299 A1 WO 2007006299A1 DE 2006001235 W DE2006001235 W DE 2006001235W WO 2007006299 A1 WO2007006299 A1 WO 2007006299A1
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WO
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deflection
restoring
microactuator according
microactuator
force
Prior art date
Application number
PCT/DE2006/001235
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Peter Dürr
Jan Schmidt
Andreas Gehner
Detlef Kunze
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/002Electrostatic motors
    • H02N1/006Electrostatic motors of the gap-closing type

Definitions

  • microactuators which are versatile, e.g. as a surface light modulator, scanner mirrors, optical cross connectors, microvalves, microswitches, micropumps and the like. may be formed and then also a small space required making can be arranged in large numbers in array form.
  • a single microactuator has dimensions that can be smaller than 1 mm.
  • a deflectable element is present, which can be deflected electrostatically, magnetically, electromagnetically, utilizing piezoelectric effects but also defined by thermal expansion.
  • the element can be moved translationally and / or pivoted about one or more axis (s).
  • the deflectable elements of microactuators are usually held by means of elastic return elements, preferably springs. For the deflection, a gap is provided within which the deflection can take place.
  • gap size can only be utilized to a small extent, generally about 25%. This is always the case when a deflection is to take place at least approximately or completely parallel to a field.
  • microactuators are often operated electrostatically or electromagnetically.
  • the deflection takes place in one direction, against the force of elastic return elements, which act on deflectable elements. Often these are feathers.
  • the achievable deflection can be limited or adjusted by means of mechanical stops or by setting a meta-stable balance of forces in one position.
  • the deflectable element reaches its initial position. Limiting the return movement can be achieved with mechanical stops.
  • the electrostatic force is proportional to the square of the applied electrical voltage divided by the respective instantaneous plate distance to E- electrodes.
  • the force component in the direction of deflection of a "comb drive" actuator is generated by the stray fields which are unaffected by the respective deflection, thereby significantly increasing the force required for deflection just before the tips of the comb fingers meet the base of the opposing comb
  • the deflection range can be greater than half the distance between the tips of comb elements and the opposing comb base.
  • the electrostatic forces are proportional to the square of the applied voltage, but the deflection is not linear when using linear characteristic springs.
  • the microactuator according to the invention can be designed in many ways like conventional microactuators and can also be driven in this way.
  • the deflection of the respective element can take place translationally or rotationally or a combination of these movements. But it can also be a tilt, especially if only a restoring element engages a deflectable element. In this case, deflectable elements which have a high rigidity and strength, especially in comparison to the respective restoring element, are to be preferred.
  • the deflectable element is held by means of at least one elastic return element, preferably a spring.
  • Essential to the invention is at least partially the progressive, preferably disproportionately increasing with the deflection restoring force characteristic (spring characteristic) with increasing deflection, so that act at higher deflections also disproportionately higher restoring forces. For smaller deflections, a linear increase may be allowed.
  • two such return elements engage a member to be deflected, which preferably engage diametrically opposite to the respective element.
  • Restoring elements can be bendable, compressible, expandable and / or compressible, wherein a selection is possible taking into account the respectively desired deflection movement.
  • One or more return Control element (s) may be deformable in different forms, for example in two different modes.
  • a microactuator according to the invention can be designed, for example, as a plano-plate capacitor actuator, and the electric field can be aligned substantially parallel to the direction of the deflection movement.
  • bar or leaf springs can be used which, by virtue of their design, have the spring force course desired according to the invention as a function of the respective deflection.
  • Such a spring force curve can be achieved by more complex geometries, e.g. kinked or curved rods or with T-shaped springs the Errrellsrnissen be fitted.
  • microactuators according to the invention can be designed so that a deflection over at least 1/3, preferably 40% and particularly preferably over 50% of an available gap dimension is possible. If an enlarged deflection is not required, by reducing the gap dimension, the electrical voltage required for the deflection (possibly electric current) can be reduced or, at a constant electrical voltage, the achievable force for the
  • Last mentioned effect can reduce the risk of breakage on reset elements with higher spring constants.
  • the pull-in X ⁇ effect either does not occur or only at a larger deflection.
  • the restoring elements can be varied and adapted in their dimensioning and design as well as the attachment to the element to be deflected.
  • FIG. 1 shows an exploded perspective view of an example of a microactuator according to the invention
  • FIG. 2 shows, in a schematic form, a clamped bending beam which is bent by a force according to Hooke's Law
  • Figure 3 shows in schematic form a clamped string, which is deflected by a force and unlike Figure 2 has no bending stiffness;
  • Figure 4 is a graph of restoring force curves as a function of the deflection for different springs
  • Figure 5 is a diagram of achievable electrostatic forces at different electrical voltages as a function of the deflection
  • FIG. 6 shows a diagram with electrostatic and restoring forces at different electrical voltages. conditions with different springs depending on the deflection
  • FIG. 7 shows a diagram with electrostatic and restoring forces at different electrical voltages and different springs as a function of the deflection, with a small gap at the beginning of a deflection of a deflectable element
  • Figure 8 is another diagram for return elements with a smaller width
  • Figure 9 is another diagram for return elements with a smaller thickness
  • Figure 10 is a diagram of the achievable deflection as a function of the electrical voltage at different springs
  • Figure 11 is a perspective view of a deflectable element with two springs acting thereon;
  • FIG. 12 shows a diagram of the relative stiffness as a function of buckling angles on an example according to FIGS. 11 and
  • FIG. 13 shows an exploded perspective view of elements of an example of a microactuator according to the invention.
  • FIG 1 elements for an example of a microactuator according to the invention in a perspective exploded view are shown, which is designed as an electrostatic parallel plate actuator with clamped bending beam, as return elements 2.
  • the deflectable element 1 is here plate-shaped.
  • the two springs are not only bent during operation, but also subjected to tensile forces, so also pulled when they have been dimensioned with respect to the respective desired deflection movement.
  • the deflectable element 1 is here at least on its upwardly facing surface reflective of electromagnetic radiation and thus forms a mirror.
  • the two outwardly facing parts of a clamped bending beam, as restoring elements 2 are wider here in the horizontal direction, as the inwardly facing and acting on the deflectable element 1 parts.
  • the outwardly facing parts rest on spacers 3, so that between deflectable element 1 and an electrode plate 4, a defined gap of less than 1 micron to a few microns gap is formed.
  • a stable equilibrium of forces can be maintained by influencing the electrostatic forces as a function of the respective deflection, in which electrical voltage is controlled as a function of the desired deflection.
  • the respective deflection of the element 1 can be set exactly and, if desired, at least temporarily maintained become.
  • FIG. 2 shows a simplified side view of the spring elements 2 without deflectable element 1.
  • the bending stiffness of the restoring elements 2 is at least approximately proportional to the deflection.
  • the spring force can be calculated taking into account the dimensioning of the restoring elements 2 according to FIG. 2 with formula (1) as a function of the respective deflection d.
  • the width b of the return elements 2 is directed into the plane of the drawing and consequently not shown in FIG.
  • the thickness a of the return elements 2 can not be neglected, taking into account the deflection, so that both approaches overlap and lead to progressively increasing restoring forces.
  • the diagram shown in FIG. 5 gives an overview of electrostatic forces as a function of the deflection at different constant applied electrical voltages in the range from 3 V to 24 V.
  • the rising force curve reflects the preceding versions again.
  • the positions of the force equilibrium of the microactuator are where the electrostatic forces in their absolute value coincide with the respective restoring force. These positions can be seen from FIG.
  • the force equilibrium positions are the points at which the electrostatic drive force curve intersects the restoring force curve with their respective absolute values.
  • the increase in the force-deflection curve is the essential parameter determining the stability of the respective operating point of the microactuator, ie the desired deflection position.
  • the position of the meta-stable balance of forces is determined by the fact that the increase in the restoring force curve is greater than the increase in the driving force curve. Areas in which the increase in the restoring force curve is smaller than the increase in the driving force curve are unstable and the pull-in ⁇ effect can occur there.
  • the stable region can be used up to 1.5 ⁇ m for a microactuator according to the invention, which accounts for 50% of the available gap dimension.
  • the decisive improvement that can be achieved with the invention is achievable by the combination of linear and nonlinear restoring force profile, which is influenced by the balance between restoring elements 2 and deflection force. Dimensioning or design and deflection and the strength of the attachment of the return elements 2 have an influence on the non-linear course.
  • Reset elements 2 with a linear restoring force curve are available at a voltage of 18 V for a selection kung to 1 ⁇ m, with non-linear reset elements requiring 21 V.
  • a microactuator according to the invention can utilize a larger range of an available gap dimension.
  • the output gap is reduced from 3 ⁇ m to 2.6 ⁇ m, so that the required electrical voltage for stable operation is also 18 V, ie the same voltage for return elements 2 with a linear restoring force curve with a gap of 3 ⁇ m (see FIG.
  • the deflection at this electrical voltage or the stability limit is 1.3 ⁇ m in contrast to 1 ⁇ m. It is thus possible to realize a greater deflection even with limited electrical voltage.
  • a return element 2 still has almost the same cross section.
  • the point of intersection of the force curves is reached with 18 V and the balance of power is at a deflection of 1.5 microns.
  • the stability limit is approximately 1.7 ⁇ m, which corresponds to more than 50% of the available gap. It is also noteworthy, however, that with increased deflection of a deflected element 1, a reduction of the distance and consequently also of the still existing gap dimension occurs.
  • the deflecting force increases with increasing deflection. This effect increases with increasing deflection, so that the course of a deflection and electrical voltage characteristic of a microactuator also increases steeply. This can then lead to an unstable operating state (pull-in).
  • the deflection is then strongly dependent on the currently applied electrical voltage, so that a precise control of the electrical voltage is required, which is not necessarily required for small deflections.
  • the adjustment behavior of the deflection improves, since this is closer to a linear relationship, as with springs with linear characteristic line.
  • the available space may not be sufficient to allow a sufficient length L of return elements 2 with the greatest possible deflections and maximum allowable tensile stress (see formula (3)).
  • the rigidity of restoring elements 2 would increase too much, so that a deflection is not possible or counterproductive only with very high driving forces and correspondingly increased performance.
  • FIG. 11 shows an example with twofold kinking with blunt kink angles.
  • a sinusoidal shape or slight deviations from a straight shape can increase the usable length without additional space / space being required. With such a configuration, the tensile stiffness can be reduced, as this allows an additional bending mode.
  • FIG. 12 shows that the bending angle only very little influences the linear component of the spring force curve for bending angles of less than 15 °, while the proportion which increases with the third power of the deflection is adjustable over a wider range.
  • return elements 2 there are also other geometries of return elements 2 possible with which the non-linear component of the spring stiffness can be reduced.
  • return elements 2 in T-shape be used.
  • the spring constant (linear portion) is not so sensitive to the residual stress of the spring layer.
  • arrays with sinking mirrors for wave front correction of electromagnetic radiation with a stroke of 2 ⁇ m and a pixel size of 40 ⁇ m can be produced.
  • a larger deflection range can be achieved with greater deflection force and with the same electrical voltage (possibly electrical current) or the same deflection force with lower electrical voltage (possibly electrical current).
  • FIG. 13 An example is shown in FIG. 13. Again, the non-linearity of the restoring elements 2 used improves the properties.
  • the return elements 2 do not engage close to the axis of rotation, so that an elongation again leads to a progressively increasing restoring force course.
  • the invention improves the properties of microactuators with high positive force feedback that limits the range for stable use. With a positive force feedback increases for the deflecting force at constant voltage with increasing deflection.
  • the invention makes it possible to produce improved microactuators which are operated electrostatically or electromagnetically.
  • the deflection can take place essentially parallel to the respective electrical or electromagnetic field.
  • the electronic control for the drive can be simplified.
  • microactuators according to the invention can be produced by means of conventional technologies.
  • the improved properties can be optimized by the design and dimensioning of the individual elements, in particular the return elements 2.

Landscapes

  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

The invention relates to microactuators which can be used for many applications and comprise an element that can be deflected under the effect of force. The aim of the invention is to obtain a greater degree of deflection within an available gap and/or reduce the power required for the deflection while being able to follow desired deflecting movements and positions. Said aim is achieved by providing the inventive microactuator with one or several restoring elements which have an at least sectionally progressive, preferably disproportionately rising characteristic curve of the restoring force.

Description

Mikroaktuatormicroactuator
Die Erfindung betrifft Mikroaktuatoren, die vielfältig, z.B. als Flächenlichtmodulator, Scannerspiegel, optische Kreuzverbinder, Mikroventile, Mikroschalter, Mikropumpen u.a. ausgebildet sein können und dann auch einen geringen Raumbedarf erforderlich machend in großer Anzahl in Arrayform angeordnet werden können. Ein einzelner Mikroaktuator hat dabei Abmessun- gen die kleiner als 1 mm sein können.The invention relates to microactuators which are versatile, e.g. as a surface light modulator, scanner mirrors, optical cross connectors, microvalves, microswitches, micropumps and the like. may be formed and then also a small space required making can be arranged in large numbers in array form. A single microactuator has dimensions that can be smaller than 1 mm.
An Mikroaktuatoren ist üblicherweise ein auslenkbares Element vorhanden, das elektrostatisch, magnetisch, elektromagnetisch, unter Ausnutzung piezoelektrischer Effekte aber auch durch thermische Ausdehnung definiert ausgelenkt werden kann.On microactuators usually a deflectable element is present, which can be deflected electrostatically, magnetically, electromagnetically, utilizing piezoelectric effects but also defined by thermal expansion.
Das Element kann dabei translatorisch bewegt und/oder um eine oder mehrere Achse (n) verschwenkt werden. Die auslenkbaren Elemente von Mikroaktuatoren sind dabei üblicherweise mittels elastischer Rückstellelemente, bevorzugt Federn gehalten. Für die Auslenkung ist ein Spalt, vorgesehen, innerhalb dessen die Aus- lenkung erfolgen kann. Das zur Verfügung stehendeThe element can be moved translationally and / or pivoted about one or more axis (s). The deflectable elements of microactuators are usually held by means of elastic return elements, preferably springs. For the deflection, a gap is provided within which the deflection can take place. The available
Spaltmaß kann aber bei einer großen Klasse bekannter Lösungen lediglich zu einem kleinen Teil, in der Regel ca. 25%, ausgenutzt werden. Dies ist immer dann der Fall, wenn eine Auslenkung zumindest annähernd bzw. vollständig parallel zu einem Feld erfolgen soll .However, in a large class of known solutions, gap size can only be utilized to a small extent, generally about 25%. This is always the case when a deflection is to take place at least approximately or completely parallel to a field.
Dies führt außerdem dazu, dass für die Ansteuerung der Auslenkung erhöhte Leistungen, insbesondere höhe- re elektrische Spannung und/oder Ströme erforderlich sind.This also leads to the fact that increased power, in particular higher electrical voltage and / or currents are required for the control of the deflection.
Herkömmliche Mikroaktuatoren werden oft elektrostatisch bzw. elektromagnetisch betrieben. Die Auslen- kung erfolgt in eine Richtung, gegen die Kraftwirkung elastischer Rückstellelemente, die an auslenkbaren Elementen angreifen. Häufig sind dies Federn. Die erreichbare Auslenkung kann mittels mechanischer Anschläge oder durch Einstellung eines meta-stabilen Kräftegleichgewichts in einer Position begrenzt bzw. eingestellt werden.Conventional microactuators are often operated electrostatically or electromagnetically. The deflection takes place in one direction, against the force of elastic return elements, which act on deflectable elements. Often these are feathers. The achievable deflection can be limited or adjusted by means of mechanical stops or by setting a meta-stable balance of forces in one position.
Im Anschluß an die zur Auslenkung ausgeübte Kraftwirkung gelangt das auslenkbare Element in seine Aus- gangsposition. Eine Begrenzung der Rückstellbewegung kann mit mechanischen Anschlägen erreicht werden.Following the action of force exerted on the deflection, the deflectable element reaches its initial position. Limiting the return movement can be achieved with mechanical stops.
Bestimmte Auslenkpositionen können aber auch durch Einstellung eines meta-stabilen Kräftegleichgewichts in einer vorgebbaren Auslenkposition eingehalten werden. Dieses Kräftegleichgewicht wird aber bei große- ren Auslenkungen immer weniger stabil und die resultierende Auslenkposition immer ungenauer.However, certain deflection positions can also be maintained by setting a meta-stable equilibrium of forces in a predefinable deflection position. This equilibrium of forces is, however, deflections increasingly less stable and the resulting deflection position increasingly inaccurate.
Bei häufig eingesetzten Parallel-Platten-Kondensator Aktuatoren, verschwindet beispielsweise die Stabilität des Kräftegleichgewichtes bereits bei 33 % des zur Verfügung stehenden Spaltmaßes. Der für die Auslenkung nutzbare Teil des zur Verfügung stehenden Spaltmaßes liegt dabei unter Berücksichtigung des Si- cherheitsaspektes entsprechend unterhalb von 25 %. Dies führt zu einer erhöhten Baugröße und außerdem dazu, dass infolge des mindestens vierfach zu großen Spaltmaßes höhere elektrische Spannungen, ggf. elektrische Ströme zur Steuerung der Auslenkung erforder- lieh sind.For frequently used parallel-plate-capacitor actuators, for example, the stability of the equilibrium of forces disappears already at 33% of the available gap. The part of the available gap that can be used for the deflection lies correspondingly below 25%, taking into account the safety aspect. This leads to an increased size and also to the fact that due to the at least four times too large gap size higher electrical voltages, possibly electrical currents to control the deflection are required lent.
Zur Einhaltung des meta-stabilen Kräftegleichgewichts müssen entsprechend der jeweiligen Auslenkposition Kräfte auf das auszulenkende Element wirken. Dabei ist die elektrostatische Kraft proportional dem Quadrat der angelegten elektrischen Spannung geteilt durch den jeweiligen momentanen Plattenabstand zu E- lektroden.To comply with the meta-stable balance of forces must act on the element to be deflected according to the respective deflection position forces. In this case, the electrostatic force is proportional to the square of the applied electrical voltage divided by the respective instantaneous plate distance to E- electrodes.
Bei konstanter elektrischer Spannung und erhöhterAt constant electrical voltage and increased
Auslenkung sowie verringertem Plattenabstand steigt die für die Auslenkung erforderliche Kraft umgekehrt zum Spaltmaß bei einer Auslenkung umgekehrt proportional unbegrenzt an.Deflection and reduced plate spacing increases the force required for the deflection inversely proportional to the gap in a deflection inversely proportional unlimited.
Dagegen steigt die Rückstellkraft der Aufhängung des auslenkbaren Elementes unter Berücksichtigung des Hooke' sehen Gesetzes nur linear mit der jeweiligen Auslenkung und dadurch kann kein Kräfteausgleich bei großen Auslenkungen des Elementes erreicht werden. Dieser Effekt wird üblicherweise als „pull-in" be- zeichnet.By contrast, the restoring force of the suspension of the deflectable element, taking into account Hooke's law, only increases linearly with the respective deflection and thus no balance of forces can be achieved with large deflections of the element. This effect is commonly referred to as "pull-in" records.
In Tanaka,H. K.; u.a. „Large displacement control system beyond pull-in limitation"; Electrostatic Mic- ro Cantilever"; IEEE 2002 wird zur Vermeidung desIn Tanaka, H. K .; et al "Large displacement control system beyond pull-in limitation"; Electrostatic Micro-cantilever "; IEEE 2002 will help avoid the
"pull-in" eine elektronische Steuerung vorgeschlagen. Dies macht den Einsatz eines Positionssensors und eine schnellere Regelung des Aktuatorantriebssignals, als dessen mechanische Reaktionszeit, erforderlich. Eine solche Lösung ist sehr komplex und für größere Arrays mit Aktuatoren nicht geeignet."pull-in" an electronic control proposed. This requires the use of a position sensor and faster control of the actuator drive signal than its mechanical response time. Such a solution is very complex and not suitable for larger arrays of actuators.
In anderer Form wird bisher diesem Problem mit sogenannten „Kammantrieben" entgegengetreten, die elekt- rostatisch wirken. Dabei ist das elektrische Feld eines solchen „Kammantriebes" im wesentlich senkrecht zur Auslenkbewegung ausgerichtet. Im Gegensatz dazu ist die Ausrichtung des Feldes bei Parallel-Platten Aktuatoren parallel zur Auslenkbewegungsrichtung.In another form, this problem has so far been counteracted by so-called "comb drives", which act electro-statically, whereby the electric field of such a "comb drive" is oriented essentially perpendicular to the deflection movement. In contrast, the alignment of the field in parallel-plate actuators is parallel to the Auslenkbewegungsrichtung.
Die Kraftkomponente in Richtung der Auslenkung eines „Kammantrieb" Aktuators wird durch die Streufelder erzeugt, die von der jeweiligen Auslenkung unbeeinflußt bleiben. Dadurch tritt eine wesentliche Erhöhung der für die Auslenkung erforderlichen Kraft erst kurz bevor die Spitzen der Kammfinger die Basis des gegenüberliegenden Kamms treffen auf. Der für die Auslenkung nutzbare Bereich kann größer als die Hälfte des Abstandes der Spitzen von Kammelementen und der gegenüberliegenden Kammbasis sein. Die elektrostatischen Kräfte sind proportional dem Quadrat der angelegten elektrischen Spannung. Die Auslenkung ist bei Einsatz von Federn mit linearer Kennlinie aber nicht linear.The force component in the direction of deflection of a "comb drive" actuator is generated by the stray fields which are unaffected by the respective deflection, thereby significantly increasing the force required for deflection just before the tips of the comb fingers meet the base of the opposing comb The deflection range can be greater than half the distance between the tips of comb elements and the opposing comb base.The electrostatic forces are proportional to the square of the applied voltage, but the deflection is not linear when using linear characteristic springs.
Aus WO 03/073597 Al ist die Verwendung gefalteter Fe- dern mit mehreren Abschnitten bekannt, die jeweils eine feste Federkonstante für kleine Auslenkungen und schrittweise erhöhter Federkonstante für größere Auslenkungen erreichen.From WO 03/073597 Al the use of folded Fe- Several sections are known which each achieve a fixed spring constant for small deflections and incrementally increased spring constant for greater deflections.
Auch dies führt nicht zu einer vollständigen Lineari- tät von Auslenkung und jeweiliger elektrischer Spannung bzw. wirkender Kraft. Der stabil für die Auslenkung nutzbare Bereich wird so nur unwesentlich ver- größert. Durch die schrittweise Erhöhung der Federkonstante ergibt sich ein komplizierter Rückstell- kraftverlauf, der empfindlich von Herstellungsparametern abhängt. Insbesondere wenn eine hochpräzise Auslenkung gewünscht ist, wirken sich diese Sprünge ne- gativ aus, da in bestimmten Auslenkungsbereichen bei sich sprunghaft wechselnder Federkonstante keine präzise Auslenkung erreichbar ist.This also does not lead to a complete linearity of deflection and respective electrical voltage or effective force. The stable usable range for the deflection is thus only marginally enlarged. The gradual increase in the spring constant results in a complicated restoring force curve, which depends sensitively on production parameters. In particular, when a high-precision deflection is desired, these jumps have a negative effect, since in certain deflection ranges with rapidly changing spring constant no precise deflection can be achieved.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung Mikroaktuatoren zur Verfügung zu stellen, die eine erhöhte Auslenkung innerhalb eines zur Verfügung stehenden Spaltes und/oder eine verringerte Leistung für die Auslenkung, bei guter Einhaltbarkeit jeweils gewünschter Auslenkbewegungen und -positionen, ermöglichen.It is therefore an object of the invention to provide microactuators which allow increased deflection within an available gap and / or reduced power for the deflection, with good ease of each desired deflection movements and positions.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Mikroak- tuator, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst .According to the invention, this object is achieved by a microactuator comprising the features of claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.Advantageous embodiments and further developments of the invention can be achieved with the features described in the subordinate claims.
Der erfindungsgemäße Mikroaktuator kann in vielen Punkten wie herkömmliche Mikroaktuatoren ausgebildet sein und auch so angetrieben werden. Dabei können die für die Auslenkung eines auslenkbaren Elementes erforderlichen Kräfte bevorzugt elektrostatisch oder elektromagnetisch, ggf. aber auch magnetisch aufgebracht werden, wobei im letztgenannten Fall eine Re- gelung der magnetischen Feldstärke durchführbar sein sollte.The microactuator according to the invention can be designed in many ways like conventional microactuators and can also be driven in this way. The can For the deflection of a deflectable element required forces are preferably applied electrostatically or electromagnetically, but possibly also magnetically, in the latter case, a regulation of the magnetic field strength should be feasible.
Die Auslenkung des jeweiligen Elementes kann translatorisch oder rotatorisch oder einer Kombination die- ser Bewegungen erfolgen. Es kann aber auch eine Verkippung erfolgen, insbesondere dann, wenn lediglich ein Rückstellelement an einem auslenkbaren Element angreift. In diesem Fall sind auslenkbare Elemente, die eine hohe Steifigkeit und Festigkeit, besonders im Vergleich zum jeweiligen Rückstellelement aufweisen, zu bevorzugen.The deflection of the respective element can take place translationally or rotationally or a combination of these movements. But it can also be a tilt, especially if only a restoring element engages a deflectable element. In this case, deflectable elements which have a high rigidity and strength, especially in comparison to the respective restoring element, are to be preferred.
Das auslenkbare Element ist mittels mindestens eines elastischen Rückstellelementes, bevorzugt einer Feder gehalten. Erfindungswesentlich ist dabei zumindest bereichsweise die progressiv, bevorzugt überproportional mit der Auslenkung ansteigende Rückstellkraft- kennlinie (Federkennlinie) bei steigender Auslenkung, so dass bei höheren Auslenkungen auch überproportlo- nal höhere Rückstellkräfte wirken. Bei kleineren Auslenkungen kann ein linearer Anstieg zugelassen sein.The deflectable element is held by means of at least one elastic return element, preferably a spring. Essential to the invention is at least partially the progressive, preferably disproportionately increasing with the deflection restoring force characteristic (spring characteristic) with increasing deflection, so that act at higher deflections also disproportionately higher restoring forces. For smaller deflections, a linear increase may be allowed.
Vorteilhaft greifen zwei solcher Rückstellelemente an einem auszulenkenden Element an, die bevorzugt sich diametral gegenüberliegend an dem jeweiligen Element angreifen.Advantageously, two such return elements engage a member to be deflected, which preferably engage diametrically opposite to the respective element.
Rückstellelemente können dabei biegbar, verdehbar, dehnbar und/oder komprimierbar sein, wobei eine Aus- wähl unter Berücksichtigung der jeweils gewünschten Auslenkbewegung möglich ist. Ein oder mehrere Rück- Stellelement (e) können in unterschiedlicher Form, beispielsweise in zwei unterschiedlichen Moden verformbar sein.Restoring elements can be bendable, compressible, expandable and / or compressible, wherein a selection is possible taking into account the respectively desired deflection movement. One or more return Control element (s) may be deformable in different forms, for example in two different modes.
Werden mehr als ein solches Rückstellelement an einem auslenkbaren Element eingesetzt, sollten sie möglichst identisch sein, was insbesondere auf die Dimensionierung und die mechanischen Eigenschaften zutrifft.If more than one such restoring element are used on a deflectable element, they should be as identical as possible, which applies in particular to the dimensioning and the mechanical properties.
Ein erfindungsgemäßer Mikroaktuator kann beispielsweise als Plan-Platten-Kondensator Aktuator ausgebildet und dabei das elektrische Feld im Wesentlichen parallel zur Richtung der Auslenkbewegung ausgerich- tet sein.A microactuator according to the invention can be designed, for example, as a plano-plate capacitor actuator, and the electric field can be aligned substantially parallel to the direction of the deflection movement.
Als Rückstellelemente können Stab- oder Blattfedern eingesetzt werden, die durch ihre Gestaltung den erfindungsgemäß gewünschten Federkraftverlauf in Abhän- gigkeit von der jeweiligen Auslenkung aufweisen.As restoring elements, bar or leaf springs can be used which, by virtue of their design, have the spring force course desired according to the invention as a function of the respective deflection.
Ein solcher Federkraftverlauf kann durch komlexere Geometrien, wie z.B. geknickte bzw. gekrümmte Stäbe oder mit T-förmigen Federn den Erfordenrnissen ange- paßt werden.Such a spring force curve can be achieved by more complex geometries, e.g. kinked or curved rods or with T-shaped springs the Erforderungsrnissen be fitted.
Die erfindungsgemäßen Mikroaktuatoren können so ausgebildet werden, dass eine Auslenkung über mindestens 1/3, bevorzugt 40 % und besonders bevorzugt über 50 % eines zur Verfügung stehenden Spaltmaßes möglich ist. Ist eine vergrößerte Auslenkung nicht erforderlich, kann durch Verkleinerung des Spaltmaßes die für die Auslenkung erforderliche elektrische Spannung (ggf. elektrischen Strom) reduziert bzw. bei konstanter e- lektrischer Spannung die erreichbare Kraft für dieThe microactuators according to the invention can be designed so that a deflection over at least 1/3, preferably 40% and particularly preferably over 50% of an available gap dimension is possible. If an enlarged deflection is not required, by reducing the gap dimension, the electrical voltage required for the deflection (possibly electric current) can be reduced or, at a constant electrical voltage, the achievable force for the
Auslenkung erhöht werden. Letztgenannter Effekt kann bei Rückstellelementen mit höherer Federkonstante die Bruchgefahr verringern.Deflection can be increased. Last mentioned effect can reduce the risk of breakage on reset elements with higher spring constants.
Der „pull-in Effekt tritt entweder nicht bzw. erst bei einer größeren Auslenkung auf.The pull-in effect either does not occur or only at a larger deflection.
Die Rückstellelemente (Federn) können in ihrer Dimensionierung und Gestaltung sowie der Befestigung am auszulenkenden Element variiert und angepasst werden.The restoring elements (springs) can be varied and adapted in their dimensioning and design as well as the attachment to the element to be deflected.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by way of example in the following.
Dabei zeigen:Showing:
Figur 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Mikroaktua- tors;FIG. 1 shows an exploded perspective view of an example of a microactuator according to the invention;
Figur 2 in schematischer Form einen eingespannten Biegebalken, der durch eine Kraft nach dem Hoo- ke' sehen Gesetz verbogen ist;FIG. 2 shows, in a schematic form, a clamped bending beam which is bent by a force according to Hooke's Law;
Figur 3 in schematischer Form eine eingespannte Saite, die durch eine Kraft ausgelenkt ist und Gegensatz zu Figur 2 keine Biegesteifigkeit aufweist;Figure 3 shows in schematic form a clamped string, which is deflected by a force and unlike Figure 2 has no bending stiffness;
Figur 4 ein Diagramm von Rückstellkraftverläufen in Abhängigkeit von der Auslenkung für unterschiedliche Federn;Figure 4 is a graph of restoring force curves as a function of the deflection for different springs;
Figur 5 ein Diagramm erreichbarer elektrostatischer Kräfte bei unterschiedlichen elektrischen Spannungen in Abhängigkeit von der Auslenkung;Figure 5 is a diagram of achievable electrostatic forces at different electrical voltages as a function of the deflection;
Figur 6 ein Diagramm mit elektrostatischen und Rückstellkräften bei verschiedenen elektrischen Spannun- gen mit unterschiedlichen Federn in Abhängigkeit von der Auslenkung;FIG. 6 shows a diagram with electrostatic and restoring forces at different electrical voltages. conditions with different springs depending on the deflection;
Figur 7 ein Diagramm mit elektrostatischen und Rück- stellkräften bei verschiedenen elektrischen Spannungen und unterschiedlichen Federn in Abhängigkeit von der Auslenkung, bei kleinem Spaltmaß am Beginn einer Auslenkung eines auslenkbaren Elementes;7 shows a diagram with electrostatic and restoring forces at different electrical voltages and different springs as a function of the deflection, with a small gap at the beginning of a deflection of a deflectable element;
Figur 8 ein weiteres Diagramm für Rückstellelemente mit geringerer Breite ;Figure 8 is another diagram for return elements with a smaller width;
Figur 9 ein weiteres Diagramm für Rückstellelemente mit geringerer Dicke;Figure 9 is another diagram for return elements with a smaller thickness;
Figur 10 ein Diagramm der erreichbaren Auslenkung in Abhängigkeit der elektrischen Spannung bei unterschiedlichen Federn;Figure 10 is a diagram of the achievable deflection as a function of the electrical voltage at different springs;
Figur 11 eine perspektivische Darstellung eines auslenkbaren Elementes mit zwei daran angreifenden Federn;Figure 11 is a perspective view of a deflectable element with two springs acting thereon;
Figur 12 ein Diagramm der relativen Steifigkeit in Abhängigkeit von Knickwinkeln an einem Beispiel nach Figur 11 undFIG. 12 shows a diagram of the relative stiffness as a function of buckling angles on an example according to FIGS. 11 and
Figur 13 eine perspektivische Explosionsdarstellung von Elementen eines Beispieles für einen erfindungs- gemäßen Mikroaktuator .FIG. 13 shows an exploded perspective view of elements of an example of a microactuator according to the invention.
In Figur 1 sind Elemente für ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Mikroaktuator in einer perspektivischen Explosionsdarstellung gezeigt, der als elektro- statischer Parallelplatten-Aktuator mit eingespanntem Biegebalken, als Rückstellelemente 2 ausgebildet ist. Das auslenkbare Element 1 ist hier plattenförmig. Die zwei Federn werden beim Betrieb nicht nur gebogen, sondern auch mit Zugkräften beaufschlagt, also auch gezogen, wenn sie bezüglich der jeweils gewünschten Auslenkbewegung dimensioniert worden sind.In Figure 1, elements for an example of a microactuator according to the invention in a perspective exploded view are shown, which is designed as an electrostatic parallel plate actuator with clamped bending beam, as return elements 2. The deflectable element 1 is here plate-shaped. The two springs are not only bent during operation, but also subjected to tensile forces, so also pulled when they have been dimensioned with respect to the respective desired deflection movement.
Das auslenkbare Element 1 ist hier zumindest an seiner nach oben weisenden Oberfläche reflektierend für elektromagnetische Strahlung und bildet somit einen Spiegel.The deflectable element 1 is here at least on its upwardly facing surface reflective of electromagnetic radiation and thus forms a mirror.
Die beiden nach außen weisenden Teile eines eingespannten Biegebalkens, als Rückstellelemente 2 sind in hier horizontaler Richtung breiter, als die nach innen weisenden und an das auslenkbare Element 1 angreifenden Teile. Die nach außen weisenden Teile liegen auf Abstandshaltern 3 auf, so dass zwischen auslenkbarem Element 1 und einer Elektrodenplatte 4 ein definierter Spalt von unter 1 μm bis zu einigen μm Spaltmaß ausgebildet ist.The two outwardly facing parts of a clamped bending beam, as restoring elements 2 are wider here in the horizontal direction, as the inwardly facing and acting on the deflectable element 1 parts. The outwardly facing parts rest on spacers 3, so that between deflectable element 1 and an electrode plate 4, a defined gap of less than 1 micron to a few microns gap is formed.
Wird nun eine elektrische Spannung zwischen auslenkbarem Element 1 und Elektrodenplatte 3 angelegt, wirkt eine steuerbare elektrostatische Kraft zwischen diesen beiden Elementen 1 und 3, die wiederum zu einer Auslenkung des auslenkbaren Elementes 1 führt, der die Rückstellkräfte der Rückstellelemente 2 entgegenwirken.If an electrical voltage is now applied between the deflectable element 1 and the electrode plate 3, a controllable electrostatic force acts between these two elements 1 and 3, which in turn leads to a deflection of the deflectable element 1, which counteracts the restoring forces of the restoring elements 2.
Ein stabiles Kräftegleichgewicht kann durch Beeinflussung der elektrostatischen Kräfte in Abhängigkeit der jeweiligen Auslenkung eingehalten werden, in dem elektrische Spannung in Abhängigkeit der gewünschten Auslenkung gesteuert werden. So kann die jeweilige Auslenkung des Elementes 1 exakt eingestellt und falls gewünscht auch zumindest temporär beibehalten werden.A stable equilibrium of forces can be maintained by influencing the electrostatic forces as a function of the respective deflection, in which electrical voltage is controlled as a function of the desired deflection. Thus, the respective deflection of the element 1 can be set exactly and, if desired, at least temporarily maintained become.
In Figur 2 ist eine vereinfachte Seitenansicht der Federelemente 2, ohne auslenkbares Element 1 gezeigt. Bei kleinen Auslenkungen ist die Biegesteifigkeit der Rückstellelemente 2 zumindest annähernd proportional zur Auslenkung. Mit bekanntem E-Modul kann die Federkraft unter Berücksichtigung der Dimensionierung der Rückstellelemente 2 gemäß Figur 2 mit Formel (1) in Abhängigkeit der jeweiligen Auslenkung d berechnet werden. Die Breite b der Rückstellelemente 2 ist dabei in die Zeichnungsebene hinein gerichtet und demzufolge in Figur 2 nicht dargestellt.FIG. 2 shows a simplified side view of the spring elements 2 without deflectable element 1. For small deflections, the bending stiffness of the restoring elements 2 is at least approximately proportional to the deflection. With known modulus of elasticity, the spring force can be calculated taking into account the dimensioning of the restoring elements 2 according to FIG. 2 with formula (1) as a function of the respective deflection d. The width b of the return elements 2 is directed into the plane of the drawing and consequently not shown in FIG.
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000013_0001
Für größere Auslenkungen d, also solche die größer als die Dicke a der Rückstellelemente 2, kann die Biegesteifigkeit vernachlässigt werden. Das System verhält sich dann wie eine Saite (string) .Mit einer Eigenspannung ohne Auslenkung σo gilt in guter Näherung d « L kann die Federkraft für die Eigenspannung der nicht ausgelenkten Saite gemäß Formel (2) aus Figur 3 berechnet werden.For larger deflections d, ie those greater than the thickness a of the return elements 2, the flexural rigidity can be neglected. The system then behaves like a string. With a residual stress without deflection σo, the spring force for the residual stress of the undeflected string according to formula (2) from FIG. 3 can be calculated to a good approximation.
2σoαZ,_J + Eab2σoαZ, _ J + Eab
(2:(2:
Somit wird der progressiv, hier überproportional steigende Kraftverlauf bei größeren Auslenkungen, in diesem Fall mit der dritten Potenz, erreicht.Thus, the progressive, here disproportionately increasing force curve at larger deflections, in this case achieved with the third power.
In Realität kann die Dicke a der Rückstellelemente 2 unter Berücksichtigung der Auslenkung nicht ohne weiters vernachlässigt werden, so dass beide Annäherun- gen sich überlagern und zu progressiv steigenden Rückstellkräften führen.In reality, the thickness a of the return elements 2 can not be neglected, taking into account the deflection, so that both approaches overlap and lead to progressively increasing restoring forces.
Zum Beispiel bei einer Dicke a= 1 μm, einer Breite b= 4μm, eine Länge L= 80 μm, E-Modul E= 70 GN/m2 und einer Eigenspannung von „Null" zeigt Figur 4 die zwei begrenzenden Annäherungen für die Rückstellkräfte in Abhängigkeit der Auslenkung und zusätzlich auch deren Kombination.For example, with a thickness a = 1 .mu.m, a width b = 4 .mu.m, a length L = 80 .mu.m, modulus E = 70 GN / m 2 and a residual stress of "zero" Figure 4 shows the two limiting approaches for the restoring forces depending on the deflection and also their combination.
Es wird deutlich, dass für große Auslenkungen die Gesamtkraft, wie auch der Anstieg deutlich größer als bei der linearen Annäherung sind.It becomes clear that for large deflections the total force as well as the increase are clearly larger than with the linear approximation.
Das in Figur 5 gezeigte Diagramm gibt einen Überblick über elektrostatische Kräfte in Abhängigkeit der Auslenkung bei unterschiedlichen konstanten angelegten elektrischen Spannungen im Bereich von 3 V bis 24 V. Der Spalt zwischen auslenkbarem Element 1 und Elekt- rodenplatte 3 hatte ein maximales Spaltmaß h= 3 μm. Der ansteigende Kraftverlauf spiegelt die vorangestellten Ausführungen wieder.The diagram shown in FIG. 5 gives an overview of electrostatic forces as a function of the deflection at different constant applied electrical voltages in the range from 3 V to 24 V. The gap between deflectable element 1 and electrode plate 3 had a maximum gap h = 3 μm , The rising force curve reflects the preceding versions again.
Die Positionen des Kräftegleichgewichts des Mikroak- tuators sind dort, wo die elektrostatischen Kräfte in ihrem absoluten Wert mit der jeweiligen Rückstellkraft übereinstimmen. Diese Positionen können aus Figur 6 entnommen werden. Die Kräftegleichgewichtspositionen sind die Punkte an denen der elektrostatische Antriebskraftverlauf den Rückstellkraftverlauf mit ihren jeweiligen absoluten Werten schneiden.The positions of the force equilibrium of the microactuator are where the electrostatic forces in their absolute value coincide with the respective restoring force. These positions can be seen from FIG. The force equilibrium positions are the points at which the electrostatic drive force curve intersects the restoring force curve with their respective absolute values.
Dabei ist der Anstieg des Kraft-Auslenkungsverlaufes der wesentliche Parameter, der die Stabilität des je- weiligen Arbeitspunktes des Mikroaktuators, also die gewünschte Auslenkposition bestimmt. Die Position des meta-stabilen Kräftegleichgewichts wird dadurch bestimmt, dass der Anstieg des Rückstellkraftverlaufes größer, als der Anstieg des Antriebskraftverlaufes ist. Bereiche in denen der Anstieg des Rückstell- kraftverlaufs kleiner, als der Anstieg des Antriebskraftverlaufs ist, sind instabil und es kann dort der „pull-inλλ-Effekt auftreten.The increase in the force-deflection curve is the essential parameter determining the stability of the respective operating point of the microactuator, ie the desired deflection position. The position of the meta-stable balance of forces is determined by the fact that the increase in the restoring force curve is greater than the increase in the driving force curve. Areas in which the increase in the restoring force curve is smaller than the increase in the driving force curve are unstable and the pull-in λλ effect can occur there.
Der stabile Bereich kann bis zu 1,5 μm für einen er- findungsgemäßen Mikroaktuator genutzt werden, was 50 % des zur Verfügung stehenden Spaltmaßes ausmacht.The stable region can be used up to 1.5 μm for a microactuator according to the invention, which accounts for 50% of the available gap dimension.
Ein Mikroaktuator mit Rückstellelementen 2 in Form eingespannter Biegebalken, die das Hooke'sche Gesetz erfüllen, erreicht diesen instabilen Bereich bereits bei 1 μm, also einem Drittel des zur Verfügung stehenden Spaltmaßes.A microactuator with restoring elements 2 in the form of clamped bending beams, which fulfill Hooke's law, already reaches this unstable range at 1 μm, ie one third of the available gap.
Die entscheidende Verbesserung, die mit der Erfindung erreicht werden kann, ist durch die Kombination von linearem und nichtlinearem Rückstellkraftverlauf erreichbar, die vom Gleichgewicht zwischen Rückstellelementen 2 und Auslenkkraft beeinflusst ist. Dimensionierung bzw. -gestaltung und Auslenkung sowie die Festigkeit der Befestigung der Rückstellelemente 2 haben Einfluss auf den nichtlinearen Verlauf.The decisive improvement that can be achieved with the invention is achievable by the combination of linear and nonlinear restoring force profile, which is influenced by the balance between restoring elements 2 and deflection force. Dimensioning or design and deflection and the strength of the attachment of the return elements 2 have an influence on the non-linear course.
Bei den bekannten Lösungen sollen aber Nichtlineari- tät vermieden werden, da die erforderlichen Antriebs- kräfte für eine bestimmte Auslenkung größer sind, wenn alle anderen Parameter von Rückstellelementen 2 konstant bleiben.In the known solutions, however, non-linearity should be avoided, since the required drive forces are greater for a certain deflection, when all other parameters of reset elements 2 remain constant.
Dies wird mit Figur 6 deutlich gemacht. Rückstellele- mente 2 mit linearem Rückstellkraftverlauf sind bei einer elektrischen Spannung von 18 V für eine Auslen- kung bis 1 μm geeignet, wobei nichtlineare Rückstell- elemente 21 V erfordern.This is made clear with FIG. Reset elements 2 with a linear restoring force curve are available at a voltage of 18 V for a selection kung to 1 μm, with non-linear reset elements requiring 21 V.
Ein erfindungsgemäßer Mikroaktuator kann einen größe- ren Bereich eines zur Verfügung stehenden Spaltmaßes nutzen Bei diesem Beispiel ist der Ausgangsspalt von 3 μm auf 2,6 μm reduziert, so dass auch die erforderliche elektrische Spannung für einen stabilen Betrieb auf 18 V, also die gleiche Spannung für Rückstellele- mente 2 mit linearem Rückstellkraftverlauf bei einem Spaltmaß von 3 μm (s. Figur 6), reduziert ist.A microactuator according to the invention can utilize a larger range of an available gap dimension. In this example, the output gap is reduced from 3 μm to 2.6 μm, so that the required electrical voltage for stable operation is also 18 V, ie the same voltage for return elements 2 with a linear restoring force curve with a gap of 3 μm (see FIG.
Man kann aber auch Figur 7 entnehmen, dass die Auslenkung bei dieser elektrischen Spannung oder die Stabilitätsgrenze bei 1,3 μm im Gegensatz zu 1 μm liegt. Es lässt sich also eine größere Auslenkung auch bei begrenzter elektrischer Spannung realisieren.However, it can also be seen from FIG. 7 that the deflection at this electrical voltage or the stability limit is 1.3 μm in contrast to 1 μm. It is thus possible to realize a greater deflection even with limited electrical voltage.
Beim Vergleich der Formeln (1) und (2) wird deutlich, dass die Nichtlinearität ansteigt, wenn das Verhältnis Breite zu Dicke (a/d) kleiner wird. Die vorab genannten Dimensionierungsparameter wurden so gewählt, dass der Unterschied für lineare und nichtlineare Rückstellelemente 2 klar in gleich dimensionierten Diagrammen herausgestellt werden kann.When comparing the formulas (1) and (2), it becomes clear that the non-linearity increases as the width-to-thickness ratio (a / d) becomes smaller. The above-mentioned dimensioning parameters were selected so that the difference for linear and non-linear restoring elements 2 can be clearly shown in equally dimensioned diagrams.
Wählt man Beispielsweise eine Dicke a= 0,5 μm und eine Breite d= 7 μm hat ein Rückstellelement 2 noch fast den gleichen Querschnitt. Der Schnittpunkt der Kraftverläufe wird mit 18 V erreicht und das Kräftegleichgewicht liegt bei einer Auslenkung von 1,5 μm. Die Stabilitätsgrenze liegt bei ca. 1,7 μm, was mehr als 50 % des zur Verfügung stehenden Spaltmaßes ent- spricht. Bemerkenswert ist es aber auch, dass mit vergrößerter Auslenkung eines ausgelenkten Elementes 1 eine Verringerung des Abstandes und demzufolge auch des noch vorhandenen Spaltmaßes auftritt. Dadurch steigt die auslenkende Kraft mit steigender Auslenkung an. Dieser Effekt verstärkt sich mit steigender Auslenkung, so dass der Verlauf einer Auslenkungs- und elektrischen Spannungskennlinie eines Mikroaktuators ebenfalls steil ansteigt. Dies kann dann bis zu einem in- stabilen Betriebszustand (pull-in) führen. Die Auslenkung ist dann stark von der momentan angelegten elektrischen Spannung abhängig, so dass eine präzise Steuerung der elektrischen Spannung erforderlich ist, was bei kleinen Auslenkungen nicht unbedingt erfor- derlich ist.If, for example, one chooses a thickness a = 0.5 μm and a width d = 7 μm, a return element 2 still has almost the same cross section. The point of intersection of the force curves is reached with 18 V and the balance of power is at a deflection of 1.5 microns. The stability limit is approximately 1.7 μm, which corresponds to more than 50% of the available gap. It is also noteworthy, however, that with increased deflection of a deflected element 1, a reduction of the distance and consequently also of the still existing gap dimension occurs. As a result, the deflecting force increases with increasing deflection. This effect increases with increasing deflection, so that the course of a deflection and electrical voltage characteristic of a microactuator also increases steeply. This can then lead to an unstable operating state (pull-in). The deflection is then strongly dependent on the currently applied electrical voltage, so that a precise control of the electrical voltage is required, which is not necessarily required for small deflections.
Mit der Erfindung verbessert sich das Einstellverhalten der Auslenkung, da diese näher an einem linearen Zusammenhang liegt, als bei Federn mit linearer Kenn- linie.With the invention, the adjustment behavior of the deflection improves, since this is closer to a linear relationship, as with springs with linear characteristic line.
Mit dem in Figur 10 gezeigten Diagramm kann die Verbesserung des Einstellverhaltens eines eingespannten Biegebalkens nach Figur 4 im Vergleich zu einer nichtlinearen Feder nach Figur 9 verdeutlicht werden.With the diagram shown in Figure 10, the improvement of the adjustment behavior of a clamped bending beam of Figure 4 in comparison with a non-linear spring of Figure 9 can be illustrated.
Für einige Anwendungen kann aber der zur Verfügung stehende Raum nicht ausreichen, um eine ausreichende Länge L von Rückstellelementen 2 bei möglichst großen Auslenkungen und maximal zulässiger Zugspannung zu ermöglichen (vgl. Formel (3)). Dabei würde sich die Steifigkeit von Rückstellelementen 2 zu sehr erhöhen, so dass eine Auslenkung nicht oder kontraproduktiv nur mit sehr hohen Antriebskräften und entsprechend erhöhter Leistung möglich ist.
Figure imgf000018_0001
For some applications, however, the available space may not be sufficient to allow a sufficient length L of return elements 2 with the greatest possible deflections and maximum allowable tensile stress (see formula (3)). In this case, the rigidity of restoring elements 2 would increase too much, so that a deflection is not possible or counterproductive only with very high driving forces and correspondingly increased performance.
Figure imgf000018_0001
Dem kann aber entgegengetreten werden, indem die nutzbare Länge von Rückstellelementen 2 vergrößert und die effektive Dehnsteifigkeit verringert wird. Dies kann durch eine nicht gerade Ausbildung von Rückstellelementen 2 erreicht werden. So kann an einem Rückstellelement 2 mindestens ein Knick oder eine Biegung ausgebildet sein.But this can be counteracted by the usable length of reset elements 2 increases and the effective tensile stiffness is reduced. This can be achieved by not just forming restoring elements 2. Thus, at least one kink or bend can be formed on a return element 2.
In Figur 11 ist ein Beispiel mit jeweils zweifacher Abknickung mit stumpfen Knickwinkeln gezeigt. Alternativ können aber auch eine Sinusform oder geringe Abweichungen von einer geraden Gestalt die nutzbare Länge vergrößern, ohne dass zusätzlich Platz/Raum erforderlich wird. Mit einer solchen Ausgestaltung kann die Zugsteifigkeit reduziert werden, da dies einen zusätzlichen Biegemode ermöglicht.FIG. 11 shows an example with twofold kinking with blunt kink angles. Alternatively, however, a sinusoidal shape or slight deviations from a straight shape can increase the usable length without additional space / space being required. With such a configuration, the tensile stiffness can be reduced, as this allows an additional bending mode.
In Figur 12 ist gezeigt, dass der Knickwinkel den linearen Anteil des Federkraftverlaufes für Knickwinkel kleiner als 15 ° nur sehr wenig beeinflusst, während der Anteil, der mit der dritten Potenz der Auslenkung anwächst, in einem weiterem Bereich einstellbar ist.FIG. 12 shows that the bending angle only very little influences the linear component of the spring force curve for bending angles of less than 15 °, while the proportion which increases with the third power of the deflection is adjustable over a wider range.
Mit dieser Gestaltungs- und Dimensionierungsmöglich- keit von Rückstellelementen 2 erschließen sich Möglichkeiten für den Einsatz der Erfindung, bei sehr kleinen zur Verfügung stehenden Abmessungen bzw. für eine weitere Miniaturisierung.With this design and dimensioning possibility of restoring elements 2, possibilities for the use of the invention are opened up, with very small available dimensions or for a further miniaturization.
Es sind aber auch weitere Geometrien von Rückstellelementen 2 möglich, mit denen der nichtlineare Anteil der Federsteifigkeit reduziert werden kann. So können beispielsweise Rückstellelemente 2 in T-form eingesetzt werden.But there are also other geometries of return elements 2 possible with which the non-linear component of the spring stiffness can be reduced. For example, return elements 2 in T-shape be used.
Mit abgeknickten oder gebogenen Rückstellelementen 2 ist auch die Federkonstante (linearer Anteil) nicht so empfindlich von der Eigenspannung der Federschicht abhängig.With bent or bent return elements 2, the spring constant (linear portion) is not so sensitive to the residual stress of the spring layer.
So können beispielsweise Arrays mit Senk-Spiegeln zur Wellenfrontkorrektur von elektromagnetischer Strah- lung mit einem Hub von 2 μm und einer Pixelgröße von 40 μm hergestellt werden.Thus, for example, arrays with sinking mirrors for wave front correction of electromagnetic radiation with a stroke of 2 μm and a pixel size of 40 μm can be produced.
Bei Mikroaktuatoren mit verschwenkbaren, auslenkbaren Elementen 1 ist es beispielsweise bekannt, dass eine stabile Auslenkung (gemessen am Rand eines solchen Elementes) über das gesamte zur Verfügung stehende Spaltmaß möglich ist. Bei diesen Lösungen sind aber große Elektroden und ungünstige Hebelverhältnisse erforderlich, so dass der effektiv für die Auslenkung genützte Bereich eines so ausgelenkten Elementes trotzdem lediglich eine kleinen begrenzten Bereich des zur Verfügung stehenden Spaltmaßes nutzen kannIn the case of microactuators with pivotable, deflectable elements 1, it is known, for example, that a stable deflection (measured at the edge of such an element) over the entire available gap is possible. In these solutions, however, large electrodes and unfavorable leverage ratios are required, so that the effectively utilized for the deflection area of such a deflected element can still use only a small limited range of the available gap dimension
Mit der Erfindung können aber ein größerer Auslenkbe- reich bei größerer Auslenkkraft und bei gleicher e- lektrischer Spannung (ggf. elektrischem Strom) oder die gleiche Auslenkkraft bei geringerer elektrischer Spannung (ggf. elektrischem Strom) erreicht werden.With the invention, however, a larger deflection range can be achieved with greater deflection force and with the same electrical voltage (possibly electrical current) or the same deflection force with lower electrical voltage (possibly electrical current).
Ein Beispiel zeigt Figur 13. Dabei verbessert wieder die Nichtlinearität der eingesetzten Rückstellelemente 2 die Eigenschaften. Die Rückstellelemente 2 greifen nicht nahe an der Drehachse an, so dass wieder eine Dehnung zu einem progressiv steigenden Rück- stellkraftverlauf führt. Die Erfindung verbessert die Eigenschaften von Mikro- aktuatoren mit starker positiver Kraftrückkopplung, die den Bereich für eine stabile Nutzung begrenzt. Bei einer positiven Kraftrückkopplung nimmt die für die auslenkende Kraft bei konstanter elektrischer Spannung mit steigender Auslenkung zu.An example is shown in FIG. 13. Again, the non-linearity of the restoring elements 2 used improves the properties. The return elements 2 do not engage close to the axis of rotation, so that an elongation again leads to a progressively increasing restoring force course. The invention improves the properties of microactuators with high positive force feedback that limits the range for stable use. With a positive force feedback increases for the deflecting force at constant voltage with increasing deflection.
Mit der Erfindung ist die Herstellung von verbesserten Mikroaktuatoren, die elektrostatisch oder elekt- romagnetisch betrieben werden, möglich. Die Auslenkung kann im Wesentlichen parallel zum jeweiligen e- lektrischen oder elektromagnetischen Feld erfolgen.The invention makes it possible to produce improved microactuators which are operated electrostatically or electromagnetically. The deflection can take place essentially parallel to the respective electrical or electromagnetic field.
Es ist ein weitaus größerer Bereich zur Auslenkung des zur Verfügung stehenden Spaltes nutzbar.It is a much larger area for the deflection of the available gap available.
Andererseits kann ein geforderter Auslenkbereich bei kleinerem zur Verfügung stehendem Spaltmaß mit erhöhter Stabilität und mit in einfacher Form hergestell- ten Mikroaktuatoren abgedeckt werden.On the other hand, a required deflection range with a smaller available gap dimension can be covered with increased stability and with microactuators manufactured in a simple form.
Durch ggf. reduzierte elektrische Spannung ggf. e- lektrischen Strom kann die elektronische Steuerung für den Antrieb vereinfacht werden.By possibly reduced electrical voltage, if necessary electrical current, the electronic control for the drive can be simplified.
Die erfindungsgemäßen Mikroaktuatoren können dabei mittels herkömmlicher Technologien hergestellt werden. Die verbesserten Eigenschaften können durch die Gestaltung und Dimensionierung der einzelnen Elemen- te, insbesondere der Rückstellelemente 2, optimiert werden. The microactuators according to the invention can be produced by means of conventional technologies. The improved properties can be optimized by the design and dimensioning of the individual elements, in particular the return elements 2.

Claims

Patentansprüche claims
1. Mikroaktuator mit einem durch Kraftwirkung auslenkbaren Element, das mit mindestens einem e- lastischen Rückstellelement gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder mehrere Rückstellelement (e) (2) zumindest bereichsweise eine progressiv steigende Rückstellkraft- kennlinie aufweist.1. microactuator with a deflectable by force element, which is held with at least one elastic return element, characterized in that the one or more restoring element (s) (2) has at least partially a progressively increasing restoring force characteristic.
2. Mikroaktuator nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass das eine oder mehrere Rückstellelement (2) eine oder mehrere Feder (n) ist/sind.2. microactuator according to claim 1, characterized in that the one or more restoring element (2) is one or more spring (s) is / are.
3. Mikroaktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Rückstellelement (e) (2) in unterschiedlicher Form elastisch verformbar ist.3. microactuator according to claim 1 or 2, characterized in that the / the restoring element (s) (2) is elastically deformable in different form.
4. Mikroaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder mehrere Rückstellelement (e) (2) zumindest bereichsweise eine überproportional steigende4. Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that the one or more restoring element (s) (2) at least partially a disproportionately rising
Rückstellkraftkennlinie aufweist .Has restoring force characteristic.
5. Mikroaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Rückstellelement (e) (2) in mindestens eine Rich- tung verbiegbar, drehbar, komprimierbar und/oder dehnbar ist/sind.5. Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that the / the return element (s) (2) in at least one direction bendable bendable, rotatable, compressible and / or stretchable is / are.
β. Mikroaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung des auslenkbaren Elementes (1) elektro- statisch, elektromagnetisch und/oder magnetisch erfolgt. β. Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that the deflection of the deflectable element (1) takes place electrostatically, electromagnetically and / or magnetically.
7. Mikroaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung des auslenkbaren Elementes (1) parallel zu einem elektrischen, magnetischen oder elekt- romagnetischen Feld erfolgt.7. Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that the deflection of the deflectable element (1) takes place parallel to an electric, magnetic or electromagnetic field.
8. Mikroaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung translatorisch erfolgt.8. microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that the deflection takes place in translation.
9. Mikroaktuator nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung rotatorisch erfolgt oder das auslenkbare Element (1) verkippbar ist.9. Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that the deflection takes place rotationally or the deflectable element (1) can be tilted.
10. Mikroaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Rückstellelement (e) (2) als Stab- oder Blattfeder ausgebildet ist/sind.10. Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that the / the restoring element (s) (2) is designed as a rod or leaf spring / are.
11. Mikroaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Stab- oder Blattfeder (n) entlang ihrer Längsachse abge- knickt und/oder gebogen ist/sind.11. Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that rod or leaf spring (s) kinked along its longitudinal axis and / or is bent / are.
12. Mikroaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Rückstellelement (e) (2) als T-förmige Feder ausgebildet ist/sind.12. Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that the / the restoring element (s) (2) is designed as a T-shaped spring / are.
13. Mikroaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das auslenkbare Element (2) über mindestens 1/3 eines zur Verfügung stehenden Spaltmaßes metastabil auslenkbar ist.13. Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that the deflectable element (2) over at least 1/3 of an available gap dimension is metastable deflected.
14. Mikroaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am aus- lenkbaren Element (1) mindestens eine reflektierende Oberfläche vorhanden ist. 14. microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that the on steerable element (1) at least one reflective surface is present.
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