WO2007059718A1 - Auslenkbares mikromechanisches element - Google Patents

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WO2007059718A1
WO2007059718A1 PCT/DE2005/002182 DE2005002182W WO2007059718A1 WO 2007059718 A1 WO2007059718 A1 WO 2007059718A1 DE 2005002182 W DE2005002182 W DE 2005002182W WO 2007059718 A1 WO2007059718 A1 WO 2007059718A1
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spring
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levers
torsion spring
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PCT/DE2005/002182
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Inventor
Alexander Wolter
Thomas Klose
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Priority to PCT/DE2005/002182 priority patent/WO2007059718A1/de
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Priority to US12/093,834 priority patent/US9045329B2/en
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0062—Devices moving in two or more dimensions, i.e. having special features which allow movement in more than one dimension
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light

Definitions

  • the invention relates to deflectable micromechanical elements.
  • the deflection can take place translationally along an axis but also by pivoting about an axis.
  • the respective axis is aligned in particular orthogonal to the plane of the micromechanical element.
  • the deflection can also take place in an oscillating manner.
  • drive concepts known per se such as e.g. electrostatic are used.
  • Such elements with the suspension in planar technology are produced from a common substrate. They are essentially etched out of a layer in two dimensions.
  • this can also be achieved by folding or forming so-called serpentine springs. Such springs bend or twist easily.
  • spring elements are used, in particular in the case of micromechanical elements which can be deflected in a translatory manner Application.
  • These are, for example, bar springs (four spring elements, eight spring elements, cross spring elements, etc.) / angle springs, meandering springs or serpentine springs.
  • a suspension which is formed with at least one spring system is provided on a micromechanical element to be deflected.
  • levers are hingedly connected to torsion spring elements. All torsion spring elements are aligned in a common and / or a plurality of mutually parallel axes. At least one torsion spring element is fixed in a fixed clamping.
  • Torsion spring elements also form joints between interconnected levers and can be good and easy training with the well-known technologies. They can be made in the form of beams and influenced by compliance with certain cross-sections with respect to their spring force effect. Thus, different cross-sections, as far as the geometry and the cross-sectional dimensioning are concerned, can also be taken into account along their longitudinal axis.
  • the levers are formed according to the manufacturing technology from the same substrate and the same material as torsion spring elements. However, they are designed in their cross-sectional geometry so that they have at least in one axial direction a significantly higher mechanical resistance moment, as torsion spring elements.
  • the micromechanical element, the levers and also the torsion spring elements can be arranged in a common plane.
  • a suspension of a deflectable micromechanical element can be formed with two spring systems which can be of the same design and arranged symmetrically with respect to one another. More than two spring systems should be arranged at equal angular distances from each other and have a corresponding angular orientation.
  • Spring systems should also be formed symmetrically with respect to an axis oriented orthogonal to the (n) axis (s) of torsion spring members. This should be arranged centrally between fixed restraints of torsion spring elements. Firm restraints of torsion spring elements should have as large a lever arm as possible and therefore maintain a distance that is at least as great as 2/3 of the extent of the micro-mechanical element in the region in which the respective spring system acts. However, greater distances from such fixed restraints of a spring system are preferable.
  • the invention can also be developed advantageously and, in particular, the rigidity in certain axial directions can be increased by additionally connecting levers, which are already connected to torsion spring elements, by means of stiffening elements.
  • torsion spring elements In addition to the connection of levers by means of torsion spring elements, these can also be connected to spiral spring elements. Bending spring elements can preferably engage directly on the micromechanical element.
  • the invention can be used for sensors but also for actuators. This can be done, for example, as an acceleration sensor, path length modulator or as a pivotable reflective element (micro mirror).
  • the invention can be used in confocal microscopes, Fourier transformation spectrometers or in optical coherence tomography (OCT).
  • deflectable elements can be mirrors, also semipermeable, masses, the frame of optical elements (optical lenses), a diaphragm, a zone plate, shutter, a diffraction grating or aerodynamic body.
  • the invention can also be used as an oscillator in acceleration sensors, in rotation rate sensors, viscosity sensors or as restlessness.
  • the invention is characterized over known solutions advantageous in that during the movement deflection-dependent forces need not necessarily be applied by means of additional spring elements.
  • a suspension or a spring system can be wholly or partially formed in the form of a pantograph structure.
  • the required space requirement can also be reduced.
  • Spring systems that can be used in the invention can be connected to other levers that can form a lever structure. These may be formed in conventional form, for example in the form of one or more serpentines. In one possible embodiment, individual levers may also be defined locally so that a bending of such selected levers is possible at the respective positions and these can form bending springs.
  • FIG. 1 shows an example of an element according to the invention in two views, wherein the lower representation shows in a side view a micromechanical element deflected in a translatory manner
  • FIG. 2 in schematic form, also in two views, a simple spring system for a suspension
  • Figure 5 two examples of spring systems with nested, parallel arrangement
  • Figure 6 two examples of hinged joints of levers in two views
  • Figure 8 two views of an example with a order an axis pivotable micromechanical element.
  • FIG. 1 shows an example of an element according to the invention in two views.
  • a suspension of a micromechanical element 1 is formed with two spring systems, which are arranged diametrically opposite the micromechanical element 1 and act on the lever 2 'at this.
  • the levers 2 ' are connected by means of torsion spring elements 4 with a lever 2 hinged to one side of the lever 2.
  • two torsion spring elements 4 are again connected to this and each other levers 2 for an articulated connection.
  • the latter lever 2 are inclined at an oblique angle with respect to the axis of Torsionsfeder- elements 4.
  • torsion spring elements 4 are present, which are connected on one side with the ends of these levers 2 and held on the other side in fixed grips 3 accordingly.
  • the lower diagram shows a deflected micromechanical element 1.
  • the translational deflectability is indicated by the corresponding movement axis with the double arrow.
  • each of the two spring systems forms a pantograph structure.
  • FIG. 2 also shows a simple construction of a spring system in two views.
  • a micromechanical element 1 is connected to a first lever 2 '.
  • the other end of this lever 2 ' is articulated with a torsion spring element 4 and this in turn connected to a further lever 2.
  • This lever 2 and a parallel aligned lever 2 here with the same length and dimensions are hinged to a torsion spring 4.
  • a connected to the one lever 2 torsion spring element 4 is held in the fixed clamping.
  • FIG. 2 again shows a deflected position of a micromechanical element 1 and the lever 2 pivoted about the longitudinal axes of the torsion spring elements 4.
  • FIG. 2 shows, in principle, a simple pantograph suspension.
  • FIG. 3 shows four examples each with a spring system on a micromechanical element 1.
  • the example shown at the far left essentially corresponds to a spring system, as has also been formed on an example shown in FIG.
  • levers 2 oriented at an obliquely inclined angle are in addition to the articulated connection with torsion-spring elements 4 with a stiffening angle. 5 connected.
  • levers 2 and 2 'aligned at least partially parallel to one another use levers 2 and 2 'aligned at least partially parallel to one another.
  • two of these levers 2 are angled and, in addition to the torsion spring elements 4, are additionally connected to a stiffening element 5 in the example shown on the far right.
  • the lateral rigidity can be increased.
  • such a spring system is designed symmetrically and the part of the spring system lying within this region forms a pantograph structure, which in turn finds its symmetrical counterpart on the other side.
  • FIG. 4 shows more complex formed spring systems on a micromechanical element 1.
  • a micromechanical element 1 with a plurality of levers 2 and 2 'as well as with these hingedly connected Torsionsfeder instituten 4 a kind of arrangement, which can be formed from several pantographs provided.
  • a pantograph has again been made clear with the area enclosed by dashed lines in the second representation from the right.
  • the lever 2 in addition connect to each other. At the far right As shown, two such stiffening elements 5 are formed.
  • an additional lever structure can also be added in a manner not shown, which is possible in the form of one and a half pantographs.
  • two such structures may be interconnected and juxtaposed. It should be symmetrical, movable parts connected to each other.
  • the maximum deflection of the micromechanical element 1 can be increased without the individual levers 2 and 2 'to extend.
  • the compactness can be increased.
  • FIG. 5 shows two further examples of spring systems which can be used on elements according to the invention.
  • stiffening elements 5 are connected symmetrically with levers 2.
  • an arrangement of nested panographographical structures is selected. The ends are held parallel.
  • a translationally oscillating micromechanical element 1 with only two pantograph structures becomes more stable against tilting, and this embodiment has the advantage over one with more than two suspensions / spring systems, which would also avoid tilting more compact individual elements and overall compactness.
  • Torsionsfederettin 4 joints on pantographs and spring systems can be used in two versions. This is illustrated in FIG. 6.
  • a torsion spring element 4 is simply connected to two levers 2 on the same end faces. The levers 2 are in the non-aisled state parallel to each other.
  • a deflection is shown in the lower left illustration .
  • two torsion-spring elements 4 are present.
  • a lever 2 and a further torsion spring element 4 are connected to a lever arm, as an example of a stiffening.
  • the lower right representation again shows such an embodiment in deflection.
  • the advantage of the embodiment shown on the right is an increased lateral rigidity.
  • Figure 7 is to be pointed to possibilities of arranging several spring systems, as a suspension for a here formed circular micromechanical element 1.
  • two spring systems are diametrically opposed.
  • a symmetrical arrangement of three spring systems on such a micromechanical element 1 is shown.
  • the spring systems are in same
  • levers 2 and 2 ' which in the invention fertil can be used, also any shapes, such as triangular or trapezoidal have. But they should be stiffer than the joints or Torsionsfederetti 4.
  • the mass inertia-related dynamic deformations of a micromechanical element 1 pivoted about an axis can be reduced by arranging additional spring elements outside the torsion axis.
  • spring systems with pantograph structure are well suited because large deflection can be achieved with low space requirements and linear spring behavior.
  • FIG. 1 A corresponding example is shown in FIG.
  • two torsion springs 6 are provided on the micromechanical element 1, which lie in the undeflected state in the same plane as the levers 2, 2 'and the torsion spring elements 4.
  • the torsion springs 6 are arranged in the torsion axis of the micromechanical element 1.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Springs (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft auslenkbare mikromechanische Elemente, die bevorzugt translatorisch und ggf. auch oszillierend ausgelenkt werden können. Gegenüber bekannten Lösungen ist es Aufgabe der Erfindung größere Auslenkungen bei gleichzeitig verbesserter Resistenz gegenüber Seitenkräften und Drehmomenten zu ermöglichen. An erfindungsgemäßen Elementen ist dabei eine Aufhängung mit mindestens eine Federsystem vorhanden. An Federsystemen sind Hebel, die mit Torsionsfederelementen gelenkig verbunden sind, vorhanden. Torsionsfederelemente eines Federsystems sind in einer gemeinsamen Achse und/oder mehreren parallel zueinander ausgerichteten Achsen ausgerichtet und es ist mindestens ein Torsionsfederelement fest eingespannt.

Description

Auslenkbares mikromechanisches Element
Die Erfindung betrifft auslenkbare mikromechanische Elemente. Dabei kann die Auslenkung translatorisch entlang einer Achse aber auch durch Verschwenkung um eine Achse erfolgen. Bei einer translatorischen Auslenkung ist die jeweilige Achse insbesondere orthogonal zur Ebene des mikromechanischen Elementes ausgerichtet. Die Auslenkung kann auch oszillierend erfol- gen. Es können für die Auslenkung an sich bekannte Antriebskonzepte, wie z.B. elektrostatische eingesetzt werden.
Bei letztgenannten häufig auch als Translati- onsschwingern bezeichneten Elementen, sind diese an Federn aufgehängt und sollen sich bei der translatorischen Auslenkung nicht neigen. Für die Federn werden gerade oder gefaltete Biegefedern eingesetzt. Dabei soll eine hohe Steifigkeit für Seitenkräfte, der Widerstand gegen Zugkräfte und Torsionsmomente hoch sein. Im Gegensatz dazu ist es erwünscht Federn einzusetzen, die in Richtung der Auslenkung weich sind.
Üblicherweise werden solche Elemente mit der Aufhän- gung in Planartechnologie aus einem gemeinsamen Substrat hergestellt. Dabei werden sie im Wesentlichen zweidimensional aus einer Schicht herausgeätzt.
Von geraden Biegefedern ist es bekannt, dass bei ih- nen bei großen Auslenkungen der Zugkrafteinfluss an
Bedeutung gewinnt. Dementsprechend steigt mit höherer Auslenkung die Federkonstante an. Solche Biegefedern weisen so eine progressive Federkennlinie auf. Zur Reduzierung dieses Einflusses werden solche Biegefe- dern in ihrer Länge vergrößert, was die erforderliche Baugröße erhöht.
Alternativ kann dies auch durch Faltung oder Ausbildung von so genannten Serpentinenfedern erreicht wer- den. Solche Federn verbiegen oder verwinden sich aber leicht .
Es stehen einige Parameter zur Verfügung um die Aufhängung bzgl. ihrer Federwirkung zu verbessern. Es ist aber nur schwer möglich eine Feder oder ein Federsystem auszuwählen oder zu konzipieren, die in Auslenkungsrichtung ausreichend weich, in anderen Achsrichtungen gegenüber Seitenkraft-, Zugkraft- und Drehmomenteneinflüssen jedoch resistent ist/sind. Da- bei wirkt sich auch die geringe Dicke des nutzbaren Substratwerkstoffes, aus dem solche Elemente durch Ätzung ausgebildet werden, erschwerend aus.
Bei Aufhängungen bekannter Lösungen kommen insbeson- dere bei translatorisch auslenkbaren mikromechanischen Elementen unterschiedliche Federelemente zur Anwendung. Dies sind beispielsweise Balkenfedern (Vierfederelemente, Achtfederelemente, Kreuzfederelemente u.a.)/ Winkelfedern, Mäanderfedern oder Serpentinenfedern.
All diese bekannten Lösungen haben jedoch Nachteile. Dies betrifft einen hohen Aufwand für die Konstruktion und die Herstellung, die nicht ausreichende Steifigkeit in bestimmten Achsrichtungen oder gegenüber Drehmomenten sowie eine unerwünschte Nichtlinearität der Federkennlinie.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein oszillierend auslenkbares mikromechanisches Element zur Verfügung zu stellen, dass auch bei größeren Auslenkungen unempfindlich gegenüber Seitenkräften und Torsionsmomenten in bestimmten Achsen ist.
Ξrfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Element, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Bei erfindungsgemäßen Elementen ist an einem auszulenkenden mikromechanischen Element eine Aufhängung vorhanden, die mit mindestens einem Federsystem gebildet ist. Bei einem Federsystem sind Hebel gelenkig mit Torsionsfederelementen verbunden. Alle Torsions- federelemente sind in einer gemeinsamen und/oder mehreren parallel zueinander ausgerichteten Achsen ausgerichtet. Mindestens ein Torsionsfederelement ist in einer festen Einspannung fixiert.
Torsionsfederelemente bilden dabei auch Gelenke zwischen miteinander verbundenen Hebeln und lassen sich mit den bekannten Technologien gut und einfach ausbilden. Dabei können sie in Form von Balken hergestellt und durch Einhaltung bestimmter Querschnitte bezüglich ihrer Federkraftwirkung beeinflusst werden. So können auch entlang ihrer Längsachse unterschiedliche Querschnitte, was die Geometrie und die Quer- schnittsdimensionierung betrifft, berücksichtigt sein.
Die Hebel sind gemäß der Herstellungstechnologie aus dem gleichen Substrat und dem gleichen Werkstoff, wie Torsionsfederelemente gebildet. Sie sind in ihrer Querschnittsgeometrie jedoch so ausgebildet, dass sie zumindest in einer Achsrichtung ein deutlich höheres mechanisches Widerstandsmoment aufweisen, als Torsionsfederelemente .
Im nicht ausgelenkten Zustand eines mikromechanischen Elementes können das mikromechanische Element, die Hebel und auch die Torsionsfederelemente in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein.
Eine Aufhängung eines auslenkbaren mikromechanischen Elements kann mit zwei Federsystemen, die gleich aus- gebildet und symmetrisch zueinander angeordnet sein können gebildet sein. Mehr als zwei Federsysteme sollten in jeweils gleichen Winkelabständen zueinander angeordnet sein und eine entsprechende Winkelausrichtung aufweisen.
Federsysteme sollten außerdem symmetrisch in Bezug zu einer Achse, die orthogonal zu(r) Achse (n) von Torsionsfederelemente ausgerichtet ist/sind, ausgebildet sein. Diese sollte mittig zwischen festen Einspannun- gen von Torsionsfederelementen angeordnet sein. Feste Einspannungen von Torsionsfederelemente sollten einen möglichst großen Hebelarm aufweisen und daher einen Abstand einhalten, der mindestens so groß sein, wie 2/3 der Ausdehnung des mikroiuechanischen Elemen- tes im Bereich an dem das jeweilige Federsystem angreift. Größere Abstände von solchen festen Einspannungen eines Federsystems sind jedoch zu bevorzugen.
Die Erfindung kann außerdem vorteilhaft weitergebil- det und insbesondere die Steifigkeit in bestimmten Achsrichtungen erhöht werden, indem Hebel, die bereits mit Torsionsfederelemente verbunden sind, zusätzlich mittels Versteifungselementen verbunden werden.
Neben der Verbindung von Hebeln mittels Torsionsfederelementen können diese auch mit Biegefederelemen- ten verbunden sein. Bevorzugt können Biegefederele- mente unmittelbar am mikromechanischen Element an- greifen.
Die Erfindung kann für Sensoren aber auch für Aktoren eingesetzt werden. Dies kann beispielsweise als Beschleunigungssensor, Weglängenmodulator oder auch als verschwenkbares reflektierendes Element (Mikrospie- gel) erfolgen. So kann bei einer Anwendung zur optischen Weglängenmodulation die Erfindung in konfokalen Mikroskopen, Fourier-Transformationsspektrometern o- der auch in der optischen kohärenz Tomographie (OCT) eingesetzt werden.
Auslenkbare Elemente können außerdem Spiegel, auch halbdurchlässig, Massen, der Rahmen von optischen E- lementen (optische Linsen) , eine Blende, eine Zonen- platte, Shutter, ein Beugungsgitter oder aerodynamischer Körper sein. Die Erfindung kann auch als Oszillator in Beschleunigungssensoren, in Drehratensensoren, Viskositätssensoren oder als Unruhe eingesetzt werden.
Die Erfindung zeichnet sich gegenüber bekannten Lösungen vorteilhaft dadurch aus, dass bei der Bewegung auslenkungsabhängige Kräfte nicht unbedingt mittels zusätzlicher Federelemente aufgebracht werden müssen.
Durch den Einsatz von Torsionsfederelementen, die sich zumindest annähernd linear verhalten (Rückstellmoment steigt linear mit dem Torsionswinkel an) , lassen sich im Gegensatz zu Biegefederelementen nahezu lineare Schwinger realisieren.
Eine Aufhängung oder ein Federsystem kann dabei ganz oder teilweise in Form eines Pantographenaufbaus ausgebildet sein.
Es können damit größere Auslenkungen mikromechanischer Elemente bei vergleichbaren Spannungen mit der Aufhängung realisiert werden. Der Entwurf und die Konzipierung werden vereinfacht, da die aktive, d.h. die deformierte Struktur (Torsionsfederelement) von wesentlich einfacherer Natur ist, als geometrisch komplexere nichtlineare Biegestrukturen.
Der erforderliche Raumbedarf kann ebenfalls reduziert werden.
Federsysteme, die bei der Erfindung eingesetzt werden können, können mit weiteren Hebeln verbunden sein, die eine Hebelstruktur bilden können. Diese können in herkömmlicher Form, z.B. in Form einer oder mehrerer Serpentinen ausgebildet sein. In einer möglichen Ausführungsform können auch einzelne Hebel lokal definiert so ausgebildet sein, dass an den betreffenden Positionen eine Biegung solcher ausgewählter Hebel möglich ist und diese Biegefedern bilden können.
Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von einigen Beispielen erläutert werden.
Dabei zeigen:
Figur 1 - ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Elementes in zwei Ansichten, wobei die untere Darstel- lung in einer Seitenansicht ein translatorisch ausgelenktes mikromechanisches Element zeigt,
Figur 2 - in schematischer Form, ebenfalls in zwei Ansichten, ein einfaches Federsystem für eine Aufhän- gung;
Figur 3 - vier weitere Beispiele von Federsystemen;
Figur 4 - vier weitere Beispiele von Federsystemen mit Reihenanordnung;
Figur 5 - zwei Beispiele von Federsystemen mit verschachtelter, Parallelanordnung;
Figur 6 - zwei Beispiele gelenkiger Verbindungen von Hebeln in zwei Ansichten;
Figur 7 - drei Beispiele mit mehr als einem Federsystem, die eine Aufhängung bilden und
Figur 8 - zwei Ansichten eines Beispiels mit einem um eine Achse verschwenkbaren mikromechanischen Element.
In den Figuren sind nicht alle Elemente mit den jeweiligen Bezugszeichen versehen worden.
In Figur 1 ist ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Elementes in zwei Ansichten gezeigt. In der oben dargestellten Draufsicht wird deutlich, dass eine Aufhängung eines mikromechanischen Elementes 1 mit zwei Federsystemen gebildet ist, die diametral gegenüberliegend am mikromechanischen Element 1 angeordnet sind und über Hebel 2' an diesem angreifen. Die Hebel 2' sind mittels Torsionsfederelementen 4 mit einem Hebel 2 gelenkig an einer Seite des Hebels 2 verbun- den. An der anderen Seite dieses Hebels 2 sind wieder für eine gelenkige Verbindung zwei Torsionsfederelemente 4 mit diesem und jeweils weiteren Hebeln 2 verbunden. Die letztgenannten Hebel 2 sind in einem schrägen Winkel in Bezug zur Achse der Torsionsfeder- elemente 4 geneigt. An ihrem anderen Ende sind wieder Torsionsfederelemente 4 vorhanden, die an einer Seite mit den Stirnenden dieser Hebel 2 verbunden und an der anderen Seite in festen Einspannungen 3 entsprechend gehalten sind.
Die untere Darstellung zeigt ein ausgelenktes mikromechanisches Element 1. Die translatorische Auslenkbarkeit ist mit der entsprechenden Bewegungsachse mit dem Doppelpfeil angedeutet.
Wie der unteren Darstellung von Figur 1 entnommen werden kann, erfolgt bei der Auslenkung des mikromechanischen Elementes 1 keine Biegung der Hebel 2 und 2' und die Federwirkung wird ausschließlich durch die Torsionsfederelemente 4 erreicht. Bei diesem Beispiel bildet jedes der beiden Federsysteme einen Pantographenaufbau.
In Figur 2 ist ein einfacher Aufbau eines Federsys- tems ebenfalls in zwei Ansichten gezeigt. Dabei ist ein mikromechanisches Element 1 mit einem ersten Hebel 2' verbunden. Die andere Stirnseite dieses Hebels 2' ist mit einem Torsionsfederelement 4 gelenkig und dieses wiederum mit einem weiteren Hebel 2 verbunden. Dieser Hebel 2 und ein parallel dazu ausgerichteter Hebel 2 hier mit gleicher Länge und Dimensionierung sind mit einem Torsionsfederelement 4 gelenkig verbunden.
Ein mit dem einen Hebel 2 verbundenes Torsionsfederelement 4 ist in der festen Einspannung gehalten.
Die untere Darstellung von Figur 2 zeigt wieder eine ausgelenkte Stellung eines mikromechanischen Elemen- tes 1 und die um die Längsachsen der Torsionsfederelemente 4 verschwenkten Hebel 2.
In Figur 2 ist im Prinzip eine einfache Pantographe- naufhängung gezeigt.
Die Figur 3 zeigt vier Beispiele mit jeweils einem Federsystem an einem mikromechanischen Element 1. Dabei entspricht das ganz links dargestellte Beispiel im Wesentlichen einem Federsystem, wie es auch an ei- nem in Figur 1 gezeigten Beispiel ausgebildet worden ist.
Bei dem zweiten von links in Figur 3 gezeigten Beispiel sind die in einem schräg geneigten Winkel aus- gerichteten Hebel 2 zusätzlich zur gelenkigen Verbindung mit Torsionsfederelementen 4 mit einem Verstei- fungselement 5 verbunden.
Die beiden rechts in Figur 3 dargestellten Beispiele nutzen zumindest teilweise parallel zueinander ausge- richtete Hebel 2 und 2' . Dabei sind zwei dieser Hebel 2 abgewinkelt ausgebildet und bei dem ganz rechts gezeigten Beispiel zusätzlich neben den Torsionsfederelementen 4 ebenfalls mit einem Versteifungselement 5 verbunden.
Insbesondere durch die Wirkung solcher Versteifungselemente 5 kann die laterale Steifigkeit erhöht werden.
Wie in der linken Darstellung von Figur 3 mit der gestrichelten Linie angedeutet ist ein solches Federsystem symmetrisch ausgebildet und der innerhalb dieses Bereiches liegende Teil des Federsystems bildet einen Pantographenaufbau, der wiederum auf der ande- ren Seite sein symmetrisches Pendant findet.
Dieser Sachverhalt trifft auf alle vier in Figur 3 gezeigten Beispiele zu.
Die Figur 4 zeigt komplexer ausgebildete Federsysteme an einem mikromechanischen Element 1. Dabei wird mit mehreren Hebeln 2 und 2' sowie mit diesen gelenkig verbundenen Torsionsfederelementen 4 eine Art Reihenanordnung, die aus mehreren Pantographen gebildet werden kann, zur Verfügung gestellt. Dabei ist ein solcher Pantograph wieder mit dem durch Strichlinie eingefassten Bereich in der zweiten Darstellung von rechts deutlich gemacht worden. Bei dem von links zweiten und dem ganz rechts gezeigten Beispiel sind wieder Versteifungselemente 5 vorhanden, die Hebel 2 zusätzlich miteinander verbinden. Bei dem ganz rechts gezeigten Beispiel sind zwei solcher Versteifungselemente 5 ausgebildet.
Bei einem solchen Aufbau von Federsystemen kann auch in nicht dargestellter Form eine zusätzliche Hebelstruktur hinzugefügt sein, was in Form eines anderthalb Pantographen möglich ist.
Zur Erzielung einer höheren Steifigkeit können zwei solcher Strukturen miteinander verbunden und nebeneinander angeordnet sein. Dabei sollten symmetrische, bewegliche Teile miteinander verbunden sein.
Durch eine solche Reihenanordnung kann die maximale Auslenkung des mikromechanischen Elementes 1 erhöht werden, ohne die einzelnen Hebel 2 und 2' zu verlängern. Die Kompaktheit kann so erhöht werden.
In Figur 5 sind zwei weitere Beispiele für Federsys- teme, die an erfindungsgemäßen Elementen eingesetzt werden können, gezeigt. Auch hier sind im rechts dargestellten Beispiel wieder Versteifungselemente 5 mit Hebeln 2 symmetrisch verbunden. Dabei ist bei beiden Beispielen eine Anordnung von verschachtelten Pan- tographenaufbauten gewählt. Die Enden sind dabei parallel gehalten. Es kann so von einer „Parallelschaltung" gesprochen werden. Dadurch wird ein translatorisch oszillierendes mikromechanisches Element 1 mit lediglich zwei Pantographenstrukturen stabiler gegen eine Verkippung. Diese Ausführungsform hat gegenüber einer mit mehr als zwei Aufhängungen/Federsystemen, die die Verkippung ebenfalls vermeiden würde, den Vorteil kompakterer Einzelelemente und der Gesamtkompaktheit .
Die mit Torsionsfederelementen 4 realisierten Gelenke an Pantographen und Federsystemen können in zwei Ausführungen eingesetzt werden. Dies ist Figur 6 verdeutlicht. In der linken Darstellung ist einfach ein Torsionsfederelement 4 mit zwei Hebeln 2 an gleichen Stirnseiten verbunden. Die Hebel 2 liegen im nicht aisgelenkten Zustand parallel nebeneinander. In der linken unteren Darstellung ist eine Auslenkung gezeigt. Bei der rechten Darstellung von Figur β sind zwei Torsionsfederelemente 4 vorhanden. Mit einem un- teren Torsionsfederelement 4 ist ein Hebel 2 und ein weiteres Torsionsfederelement 4 mit einem Hebelarm, als ein Beispiel für eine Versteifung verbunden. Die untere rechte Darstellung zeigt wieder eine solche Ausführung bei Auslenkung. Der Vorteil der hier rechts dargestellten Ausführung liegt in einer erhöhten lateralen Steifigkeit.
Mit Figur 7 soll auf Möglichkeiten der Anordnung von mehreren Federsystemen, als Aufhängung für ein hier kreisförmig ausgebildetes mikromechanisches Element 1 hingewiesen werden. Im links angeordneten Beispiel liegen sich zwei Federsysteme diametral gegenüber. In der Mitte ist eine symmetrische Anordnung von drei Federsystemen an einem solchen mikromechanischen EIe- ment 1 gezeigt. Die Federsysteme sind in gleichen
Winkelabständen zueinander angeordnet, so dass auch Symmetrie um den Mittelpunkt des mikromechanischen Elementes 1 eingehalten werden kann. Beim ganz rechts dargestellten Beispiel sind zwei paare von Federsys- temen, die sich jeweils diametral gegenüber liegen, vorhanden. Bei diesen Beispielen erfolgt die oszillierende translatorische Bewegung der mikromechanischen Elemente 1 aus der Zeichnungsebene heraus und in die Zeichnungsebene hinein.
Prinzipiell können Hebel 2 und 2' , die bei der Erfin- düng eingesetzt werden können, auch beliebige Formen, wie z.B. dreieckig oder trapezförmig, aufweisen. Sie sollten aber steifer als die Gelenke bzw. Torsionsfederelemente 4 sein.
Bei um eine Achse oszillierenden mikromechanischen Elementen 1 auftretende, massenträgheitsbedingte dynamische Deformationen eines um eine Achse verschwenkten mikromechanischen Elementes 1 lassen sich durch Anordnung zusätzlicher Federelemente außerhalb der Torsionsachse verringern. Hierzu sind Federsysteme mit Pantographenaufbau gut geeignet, da große Auslenkung bei gleichzeitig geringem Raumbedarf und linearem Federverhalten erreicht werden können.
Ein entsprechendes Beispiel ist in Figur 8 gezeigt. Dabei wird die Aufhängung eines mikromechanischen E- lementes 1, das um eine Torsionsachse oszillierend verschwenkt werden kann, mit zwei Federsystemen, die auch beim Beispiel nach Figur 1 eingesetzt worden sind, ausgebildet. Zusätzlich sind am mikromechanischen Element 1 zwei Torsionsfedern 6 vorhanden, die im nicht ausgelenkten Zustand in der gleichen Ebene, wie die Hebel 2, 2' und die Torsionsfederelemente 4 liegen. Die Torsionsfedern 6 sind in der Torsionsachse des mikromechanischen Elementes 1 angeordnet.
In der unteren Darstellung von Figur 8 ist wieder eine ausgelenkte Position gezeigt.

Claims

Patentansprüche
1. Auslenkbares mikromechanisches Element, das mit einer Aufhängung gehalten ist, wobei die Aufhängung mit mindestens einem Federsystem gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federsystem mit
Hebeln (2, 2'), die mit Torsionsfederelementen (4) gelenkig verbunden sind, gebildet ist; dabei sind die Torsionsfederelemente (4) eines Federsystems in einer gemeinsamen Achse und/oder meh- reren parallel zueinander ausgerichteten Achsen ausgerichtet und mindestens ein Torsionsfederelement (4) fest eingespannt sind.
2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebel (2, 2') in Richtung der Auslen- kung des mikromechanischen Elementes (1) ein größeres mechanisches Widerstandsmoment aufweisen, als die Torsionsfederelemente (4).
3. Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Hebel (2, 2') und Torsionsfeder- elemente (4) aus einem gemeinsamen Substrat ausgebildet sind.
4. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei gleiche Federsysteme symmetrisch zueinander an- geordnet sind.
5. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Torsionsfederelemente (4) eines Federsystems sich diametral gegenüberliegend fest eingespannt sind.
6. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federsysteme um eine orthogonal zur Achse, in der Torsionsfederelemente (4) ausgerichtet sind, ausgerichtete Achse symmetrisch ausgebildet sind.
7. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass feste Einspannungen (3) von Torsionsfederelementen (4) eines Federsystems in einem Abstand zueinander angeordnet sind, der mindestens so groß ist, wie 2/3 der Ausdehnung des mikromechanischen Elementes (1) im Bereich an dem das jeweilige Federsystem am mikromechanischen Element (1) angreift ist.
8. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Torsionsfederelementen (4) verbundene Hebel (2) zusätzlich mit Versteifungselementen (5) verbunden sind.
9. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das zwei Hebel (2' ) eines Federsystems am mikromechanischen Element (1) angreifen.
10. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem mit zwei
Federsystemen gehaltenen um eine Achse verschwenkbaren mikromechanischen Element (1) zusätzlich zwei in einer Achse angeordnete Torsionsfedern (6) angreifen.
11. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im nicht ausgelenkten Zustand des mikromechanischen Elementes (1), das mikromechanische Element (1) , sowie sämtliche Hebel (2, 2') und Torsionsfederelemente (4) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
12. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Torsionsfederelemente (4) entlang ihrer Längsachse einen sich verändernden Querschnitt aufweisen.
13. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hebel (2, 2' ) eines Federsystems mit Biegefederelementen verbunden sind.
14. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hebel (2), die am mikromechanischen Element (1) angreifen, als Biegefederelemente ausgebildet sind.
15. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Torsionsfederelemente (4) eines Federsystems in mehreren parallel zueinander ausgerichteten Achsen und unter- schiedlichen Abständen zum mikromechanischen E- lement (1) angeordnet sind.
16. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Federsysteme in jeweils gleichen Winkelabständen zueinander angeordnet und ausgerichtet sind.
17. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere mit Torsionsfederelementen verbundene Hebel (2, 2') in verschachtelter Form eine Parallelschaltung bil- den.
18. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Federsystein (e) mit weiteren Hebeln verbunden Sind, die eine Hebelstruktur bilden.
19. Element nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebelstruktur (en) in Form einer Serpentine ausgebildet ist/sind.
20. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hebel (2, 2' ) an einem oder mehreren Federsystem (en) lokal definiert in Auslenkungsrichtung biegbar sind.
21. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Sensor oder Aktuator ausgebildet ist.
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