[发明专利]振动的可偏转的微型机械元件及其运转方法

说明书

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。