CN101460392A - 振动的可偏转的微型机械元件及其运转方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种振动的可偏转的微型机械元件及其运转方法。本发明的目的是，在振动偏转期间，在考虑到相应的机械共振频率的情况下，能够稳定并且简单地运转所述微型机械元件。在所述微型机械元件上设有至少一个弹簧元件，利用所述弹簧元件保持所述微型机械元件。在施加交流电压时微型机械元件在两换向点之间偏转。所述一个或多个弹簧元件具有非线性弹簧特征曲线，以至于得到依赖于相应偏转而改变的机械共振频率。

Description

振动的可偏转的微型机械元件及其运转方法

技术领域

本发明涉及一种振动的可偏转的微型机械元件及其运转方法。

背景技术

在微力学中经常采用弹簧-质量-摆动器作为振动器。在此，可移动安装的具有质量的元件通过一个或多个弹簧元件保持。弹簧元件产生朝偏转元件的静止位置的方向的回复力。借助于交流电压能够启动在两个换向点之间的振动偏转。在该过程中，要考虑并利用振动偏转元件的共振频率以便利用减小的功率而能够达到的最大偏转。

因此，驱动至少经常出现在共振频率附近。

例如在被称为“面外电极刷(out-of-plane electrode comb)”的驱动方案中是存在问题的，H.Schenk在“用于光的一维和二维偏转的新型微型驱动器”中描述了该驱动方案，该文献是杜伊斯堡的德国杜依斯堡综合大学的2000年的学位论文。此外除了滞后效应还会产生其他的缺点。对于目前用于振动偏转的具有线性弹簧特征曲线的弹簧元件，只是合理地利用频率大于偏转元件的共振频率的交流电压。由于在低于共振频率的频率时振动会破坏，所以控制这种偏转的费用显著地增加。

在这种已知的元件的运转时，会发生如下情况：借助于一系列电压脉冲启动振动，该电压脉冲的频率的大小是机械共振频率的四倍。在调节运转时，利用频率相当于共振频率的两倍的交流电压。

需要注意的是，当频率从较低值开始增加时，将无法达到最大振幅。这导致在具有偏转最大幅值的振动时，激励频率任何微小的减少都会导致振动遭到破环。因此，必须实施一个如前面提及的明显具有较高的激励频率的创新“启动”。

因此为了在共振条件下稳定运转，频率和相位的精确调节是必需的。只有这样才可以在最大偏转下稳定运转。对于调节来说，相应高的费用也是必需的。

如果无法或不能达到这些，那么就无法使用最大的可能偏转，因为如前面所述，预先给定的激励频率(即共振频率的两倍)的微小偏差都会导致振动终止。因此为了保证稳定的运转，必须限制偏转，使得不能利用到最大可能的偏转。

还需注意的一点是偏转幅值的稳定性。它也是取决于位于共振频率附近的相应的激励频率。由此，激励频率在共振频率附近的一个小的变化能够导致幅值增长的提高。

利用图2和图3中所示的曲线能够更好的理解这种关系。

尤其在应该在非常高的频率下运行并且具有小长度线性弹簧特征曲线的弹簧元件中，限制最大的可达到的偏转。因此一个元件能够通过两个直线的扭力弹簧元件保持。随着偏转的增加，也就是说较大的转角，扭力弹簧元件变得较硬，并且弹簧特征曲线递增。这样结合前面所述的缺点以及在无调节的运转时，会导致不能够达到最大的可能偏转。由于递增的弹簧特性，共振频率随着偏转的增大而增加。由图3所示的曲线得知，此时频率响应也开始逆转。在启动时，频率降低必须从一定的振幅-频率比开始逆转，这在一个不可调节的运转中实际上是不可能的。

通常共振频率是设计用于共振元件/系统的一个基本参数，该共振元件/系统应该/能够在共振时运行。它只允许较小的偏差。因此力求使得频率对于诸如相应偏转的其他参数的依赖性尽可能地小。为此利用具有线性弹簧特征曲线的弹簧元件以避免共振频率的改变。

发明内容

因此，本发明的目的是，提供一种振动的可偏转的微型机械元件，它能够稳定并且简单地运转和使用。

根据本发明，该目的通过权利要求1所述的元件得以实现。能够通过权利要求10所述的方法实现运转。通过利用在从属权利要求中指出的特征，可实现本发明的有利方面和改进。

根据本发明的微型机械元件由至少一个弹簧元件保持。借助交流电压能够实现在两换向点之间的振动偏转。一个或多个弹簧元件具有非线性弹簧特征曲线，其中为相应的具体应用选择相应的非线性。

因此在不同的偏转情况下，相应的机械固有共振频率会变化。这能够有针对性的利用，以便例如在利用机械固有共有共振频率的情况下以小的驱动能量达到尽可能大的偏转。在此，为了驱动偏转能够有针对性地调较频率，其在确定的偏转情况下导致固有共振。这能够在多个频率并且通过各自相应的元件偏转得以实现。能够利用该优点，如在下文还会阐述的。

多个弹簧元件应该对称布置，以相同形状构成并具有相同的尺寸。振动偏转能够平移和/或旋转地进行，即围绕旋转轴线以具有角度数值的枢转形式进行。其能够以本身已知的方式借助于静电力或者也可通过电容的方式得以实现。

弹簧元件的弹簧特征曲线可以递减和/或递增，其中依赖于相应偏转考虑递减和递增特性的组合。因此比如说在较小偏转时存在递减特性，在较大偏转时存在递增特性。

弹簧特征曲线的非线性的偏差应该至少为5％。在此，应该至少在相应偏转范围达到非线性。例如在达到一个确定的偏转后呈递增的弹簧特性。

影响振动偏转所用的交流电压频率应该是可调节的，并且应该能够被确定以用于测量值的估值或者检测，在下面还会返回到该话题。

根据本发明的微型机械元件能够以不同的方式构成和使用。因此它们能够构成微反射镜(扫描仪反射镜)，脉冲计数器或传感器元件。

借助这些元件能够测定布置有相应元件的流体的压力和粘度。在压力变化或者粘度变化时，阻尼性能，相应可达到的偏转以及交流电压频率也会改变。利用较少的费用和较小的误差就能够相对简单地测定频率变化，并且对该频率变化估值作为用于流体(气体)相应的压力和粘度的度量。

还可以测定作用于根据本发明的元件上的加速度。此加速度能够线性作用或者还可以考虑作为角加速度。

对于振动可偏转元件，朝偏转方向的作用的加速度导致静止位置(两换向点间的中间位置)的位移。因此利用具有递增弹簧特征曲线的弹簧元件，也会增加振动的偏转的频率。利用此频率的变化作为作用的加速度的度量。

利用根据本发明的元件还能够检测变化的质量。这尤其涉及到振动偏转元件的自重。表面至少在一定范围内具有一层有粘附作用的涂层，在此涂层上可以附着特殊材料，以至于增大质量。随着质量的增长，频率降低了，这导致偏转增大并且又导致频率在测量灵敏度增加的情况下继续下降。为此，递减的弹簧特性是有利的。

在检测指定的测量值时，通过因相互不一致的时间常数而导致的环境条件的改变，例如温度或大气压力，能够辨认出误差，并且在估值时能够考虑该误差，因为这样的压力和温度的变化明显慢于加速度的变化。

根据本发明的元件还能够用作可调节频率的脉冲计数器。在这方面，通过改变偏转能够改变共振频率，并因此还能够调节特定的脉冲频率，例如通过改变交流电压来实现改变偏转。

通过本发明能够对振动偏转产生影响，以至于达到一个不同于正弦曲线的振动偏转。利用具有递减弹簧特征曲线的弹簧元件，在换向点之间产生至少近似梯形的偏转运动，并且当弹簧元件具有递增弹簧特征曲线时，产生近似三角形的偏转运动。因为无法利用这种振动的换向点，所以利用最后提到的偏转运动能够有利地运行用于显示应用的微反射镜。

此外，本发明可以用于数据接收，例如除了扫描仪以外还可以用在显微镜检查中，并且也可以用于激光显示器，激光打印机或者激光曝光装置的数据输出。也有可能用于傅里叶光谱仪中的行程调节或者电磁辐射的操控。

在本发明中所用的弹簧元件能够通过彼此成排的不同设计和尺寸各个构成，并且类似地形成串联连接。因此例如弯曲或扭转杆件能够与其他的形状组合。这样的杆件能够在一个端面或两个端面处形成有诸如叉子的分叉。该区域还能够接合于这样的部分为杆状的弹簧元件，该弹簧元件的准线(alignment)偏离了杆状部分的纵向轴线。还可以以这样的方式形成弹簧元件接合于振动可偏转元件的部分以及被支持或被固定夹紧的侧面具有不同的设计。

在利用共振的振动增高的偏转情况下，通过本发明能够利用较大的频率范围。

能够更好地补偿例如影响相应的固有共振频率的制造公差。这特别有利于多维偏转。在此，在通常情况下，在围绕至少两个轴线偏转时，必须保持确定的频率比，使得在维持共振条件下的偏转成为可能。但是如果由于没有维持制造公差预定值而导致至少一个机械固有共振频率不同，那么这样的运转是不可能的。但是这能够利用此发明得以补偿，由于本发明的较大的可用频率范围。

如果将本发明用到用于检测物理测量值的敏感元件，那么能够提高元件的灵敏度。

附图说明

利用视图可以更好的阐述技术情况。在附图中示出：

图1示出具有线性弹簧特征曲线的弹簧元件在考虑到共振频率时的激励频率和偏转曲线图；

图2示出一个带弹簧元件的元件的频率和偏转曲线图，该弹簧元件具有线性特征曲线，并且借助于面外电极刷驱动实现偏转；

图3示出在具有递增弹簧特征曲线的弹簧元件中，依赖于偏转而改变的共振频率曲线图；

图4示出在具有递增弹簧特征曲线的弹簧元件中，依赖于偏转而变化的共振频率曲线图；以及

图5示出用于本发明的弹簧元件的设计形状的示例。

具体实施方式

因此图5示出了用于本发明的弹簧元件的可能形成的八个示例。在这方面，除了下面一行中的右侧所示的示例以外，在所有的示例中都存在沿纵向轴线定向的直线形区域。在上面一行中所示的示例在端面处具有叉/分支，其构成为V型或U型。

示于下面一行中的示例在两端面处均具有叉/分支，其分别还具有不同的设计，或者它们沿纵向轴线的长度是可以改变的。

示于下面一行中的最右面的示例由两个彼此直接相连的叉/分支形成，其中一个制成U型，另一个制成V型。

Claims (16)

1.一种振动的可偏转的微型机械元件，其由至少一个弹簧元件保持并且借助于交流电压能够在两换向点之间偏转，其特征在于，所述弹簧元件具有非线性弹簧特征曲线，并且得到依赖于相应偏转而改变的机械共振频率。

2.如权利要求1所述的元件，其特征在于，所述偏转以平移的方式和/或旋转的方式进行。

3.如权利要求1或2所述的元件，其特征在于，所述偏转借助于静电的或者电容的力作用进行。

4.如前述权利要求中任一项所述的元件，其特征在于，至少在所述元件的偏转范围内，所述一个或多个弹簧元件的弹簧特征曲线的非线性偏差至少达到5％。

5.如前述权利要求中任一项所述的元件，其特征在于，所述弹簧元件的弹簧特征曲线是递减的和/或递增的。

6.如前述权利要求中任一项所述的元件，其特征在于，所述交流电压的频率是能调节的和能测定的。

7.如前述权利要求中任一项所述的元件，其特征在于，所述元件构成微反射镜、脉冲计数器或传感器元件。

8.如权利要求6所述的元件，其特征在于，所述元件是压力传感器、粘度传感器、质量传感器或者加速度传感器。

9.如前述权利要求中任一项所述的元件，其特征在于，所述元件的表面至少局部地设有具有粘附作用的涂层。

10.一种运转如权利要求1到9中任一项所述的元件的方法，其特征在于，在考虑到依赖于相应偏转而改变的机械共振频率的情况下，在维持共振的条件下进行所述元件的偏转。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，依赖于所述元件的偏转和/或加速度，测定用于偏转的交流电压的改变的频率。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，通过测定频率来测定偏转的振幅的变化。

13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，通过测定改变的频率来测定其中布置有所述元件的流体的压力和粘度。

14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，通过测定改变的频率来测定所述元件的改变的质量。

15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，通过测定改变的频率来测定作用在所述元件上的加速度。

16.如权利要求10到15中任一项所述的方法，其特征在于，通过具有递减弹簧特征曲线的弹簧元件使偏转运动的形状呈梯形，并且通过具有递增弹簧特征曲线的弹簧元件使偏转运动的形状呈三角形。

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