DE10029924A1 - Magnetischer Aktor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Aktor, bestehend aus einer Spule auf einem Kern mit Luftspalt, einem Anker, welcher mit Hilfe von Federelemente aufgehängt ist, so dass er im Luftspalt des Kerns schwingen kann, wobei der Kern und Federelemente an einem Ende auf einem Substrat befestigt sind. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, den Aktor so auszugestalten, dass eine periodische Winkelbereichsänderung bei kleiner Bauform und bei geringen Ansteuerspannungen möglich wird. DOLLAR A Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass die Enden des Kerns seitlich in einer Ebene gegeneinander versetzt und punktsymmetrisch angeordnet sind, der Anker punktsymmetrisch ausgestaltet ist und die Ferderelemente zwei mäanderförmige Blattfedern sind, die an gegenüberliegenden Seiten des Ankers punktsymmetrisch und außermittig zum Symmetriezentrum befestigt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Aktor nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1, wie er aus P. Krippner, J. Mohr, SPIE Vol. 3878 (1999), p. 144 bekannt ist.

Aus M. Klöpzig et al: A magnetically levitated optical scanner developed for Laser TV, Proc. Opto 98, S. 41-46 ist ein rotie­ render Aktor bekannt, der durch ein Magnetfeld reibungsfrei gelagert ist. Diese Anordnung wird erreicht durch einen fein­ werktechnisch hergestellten Gesamtaufbau, der jedoch nicht be­ liebig verkleinert werden kann. Durch die rotierende Bewegung wird der Winkelbereich kontinuierlich durchfahren und nicht periodisch. Der Antrieb erfolgt elektrostatisch, was relativ hohe Ansteuerspannungen oberhalb der geforderten Schutzklein­ spannung erfordert.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Aktor der e. g. Art so auszugestalten, dass eine periodische Winkelbereichsänderung bei kleiner Bauform und bei geringen Ansteuerspannungen mög­ lich wird.

Des weiteren ist aus H. Guckel et al: A first functional cur­ rent excitated planar rotational magnetic micromotor, Proc. MEMS 93, S. 7-11 ein rotierenden Aktor, der reibend gelagert ist bekannt. Durch die rotierende Bewegung wird der Winkelbe­ reich kontinuierlich durchfahren und nicht periodisch. Der An­ trieb erfolgt elektromagnetisch. Zusätzlich lässt sich bei dem hier gezeigten Konzept nur eine Erregerspule mit relativ weni­ gen Windungen realisieren, so dass zum Betrieb größere Ströme erforderlich sind.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentan­ spruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausge­ staltungen des Aktors.

Der erfindungsgemäße magnetische Aktor hat folgende besonderen Vorteile:

• - Verringerung der Baugröße
• - Monolithischer Aufbau
• - Variable Scanfrequenz und Ablenkwinkel
• - Herstellung im Batchverfahren
• - Elektromagnetischer Antrieb mit gegenüber elektrostati­ schen Antrieben stark verminderten Ansteuerspannungen
• - Tolerant gegenüber Partikeln
• - reibungsfrei arbeitendes System und damit verbunden lange Lebensdauer

Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel mit Hilfe der Figur näher erläutert. Dabei zeigt die Figur die schematische Darstellung einer Ausführungsform.

Durch die Wahl der Anordnung von Federn und schwingender Masse führt diese vorzugsweise eine Drehbewegung um eine gedachte feststehende Achse aus, ohne dass es zu einer anderen Bewe­ gungsform kommt. Dies ist für den Einsatz z. B. in optischen Anwendungen entscheidend, da hier ein Ausweichen des bewegten Teils zu einer Änderung im optischen Strahlengang und damit zu Abbildungsfehlern führen würde.

Die Aufhängung der bewegten Masse an Federn führt dazu, dass der Aktor im Gegensatz zu den meisten mikrotechnisch umsetzba­ ren Rotationsaktoren reibungsfrei arbeitet. Dadurch kommt es zu keinen Leistungsverlusten durch Reibung. Außerdem ist ge­ rade in Mikroaktoren der Verschleiß durch Reibung eine die Le­ bensdauer des Bauteils stark beeinflussende Größe.

Der Antrieb erfolgt elektromagnetisch. Hierzu ist eine Spule integriert, die einen Eisenkreis aus hochpermeablem Material periodisch erregt. Der Eisenkreis besteht aus einem festste­ henden Kern und dem rotatorisch oszillierenden beweglichen Teil (Anker). Die Ausführung als elektromagnetischer Aktor hat den Vorteil, dass im Vergleich zu anderen Aktorprinzipien (z. B. Piezoaktoren, elektrostatische Aktoren) mit geringen Spannungen unterhalb 12 V gearbeitet werden kann. Dadurch ist der Einsatz in portablen Geräten mit Batterieantrieb möglich. Durch den Betrieb mit Schutzkleinspannung ist der Einsatz am menschlichen Körper vereinfacht möglich.

Das Konzept des Aktors erlaubt durch die Wahl der Frequenz des Erregerstroms und der Erregerstromstärke eine Wahl der Oszil­ lationsfrequenz und der Größe des Oszillationsswinkels, da beide Größen nur vom Erregerstrom abhängen und erst in zweiter Linie von der Auslegung des Aktors.

Eine Massenproduktion ist durch den weitgehend monolithische mit Methoden der Mikrotechnik hergestellten Aktor kostengüns­ tig möglich. Dies ist bei den hier zu erreichenden maximalen Abmessungen von 5 × 5 × 3 mm bei anderen Aufbauten, die einen großen Montageaufwand erfordern, nicht gegeben.

Zur Erzeugung des Aktors kommt das LIGA-Verfahren in Kombina­ tion mit der sogenannten Opferschichttechnik, die die Herstel­ lung beweglicher Mikrostrukturen ermöglicht, zur Anwendung. Zusätzlich wird durch einen Planarisierungsschritt sicherge­ stellt, dass die Höhenmaße des Aktors genau eingehalten werden, um die Integrationsfähigkeit der Spule in den Kern des Aktors sicherzustellen. Dieses Verfahren ist in Th. Kunz, J. Mohr, A. Ruzzu, K. D. Skrobanek, U. Wallrabe, J. Micr. Mech. (1999), Microsys. Techn. 6 (2000) p. 121 beschrieben.

Auf einer Aluminiumoxidkermik wird eine Chrom/Gold-Schicht­ folge nacheinander und eine Titanschicht (Opferschicht) auf­ gesputtert. Durch optische Lithographie und Flusssäureätzen wird die Opferschicht in den Bereichen, auf denen später fest­ stehende Mikrostrukturen entstehen sollen, entfernt. An­ schließend wird das Titan oxidiert, um eine gute Haftung in den Folgeprozessen zu gewährleisten. Die Galvanikform als Ne­ gativstruktur wird durch Aufkleben von PMMA-Röntgenresist und Strukturierung durch Röntgentiefenlithographie mit anschließendem nass-chemischen Auflösen der bestrahlten Bereiche erzeugt. Anschließend wird Permalloy (79% Ni und 21% Fe) in diese Form galvanisch abgeschieden. Nachdem Entfernen des Röntgenresists durch erneutes Bestrahlen und nass-chemisches Auflösen wird die Opferschicht entfernt. Im Anschluss daran werden die Aktoren vereinzelt.

Die Spulenkörper werden in einem ähnlichen Prozess herge­ stellt. Hierbei wird jedoch auf die Chrom/Gold-Schicht ver­ zichtet und mit einer unstrukturierten Opferschicht gearbei­ tet. Nach dem Auflösen der Opferschicht werden die Körper vollständig vom Substrat abgelöst.

Bevor die Spule in den Aktor eingesetzt wird, werden auf dem Spulenkörper die vorgegebenen Lagen Kupferdraht (Durchmesser 20 µm) gewickelt.

Die Figur zeigt eine Aktoranordnung bei der zur Vereinfachung das Substrat weggelassen wurde. Die Substratebene stimmt mit der Papierebene überein.

Oben ist die Spule 1 auf einem getrennten Teilkern darge­ stellt. Dieser Teilkern ist mit dem Restkern 2 mit Hilfe von Vertiefungen und Zapfen verbunden. Durch Maßhaltigkeit der Passung wird optimaler Magnetfluss gewährleistet. Diese zweiteilige Kernaufbau hat den Vorteil, dass die Spule einfa­ cher gewickelt werden kann. Einteiliger Aufbau ist auch mög­ lich. In diesem Ausführungsbeispiel sind für die Spule 500 Wicklungen in 5 Lagen vorgesehen. Die asymmetrisch ausgestal­ teten Enden der Kerns 2 sorgen in Verbindung mit dem dazwi­ schen liegenden Anker 3 für magnetischen Schluss und somit für ein resultierendes Drehmoment um eine Achse durch das Symme­ triezentrum 7 bei Anlegen eines Magnetfeldes. Links und rechts vom Anker 3 sind mäanderförmige Blattfedern 3 oberhalb bzw. unterhalb des Symmetriezentrums 7 angebracht. Das freie Ende der Federn ist jeweils mit Hilfe eines Haltblocks 4 mit dem Substrat verbunden.

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die ge­ schwungene Blattfedern in Aufsicht zu sehen. Der periodisch geschwungene Verlauf dieser Mäanderfedern begünstigt die Dreh­ bewegung. Der Verlauf der Federn ist stetig beispielsweise sinusförmig. Durch Wähl der Periodenlänge und Periodenanzahl kann die Federsteifigkeit eingestellt werden.

Bei einer periodischen elektromagnetischen Anregung wird durch die resultierenden Drehmomente der federnd aufgehängte Anker zu einer periodischen Schwingung angeregt.

Durch Wahl geeigneter Massen und Federkonstanten kann die Re­ sonanzfrequenz in weitem Rahmen bestimmt werden.

Im Ruhzustand ist der Luftspalt zwischen Anker 3 und Enden des Kerns 2 trapezförmig. Dadurch wird sichergestellt, dass in Ru­ helage des Ankers bereits eine ausreichende Kraft bei einge­ schalteten Feld auf ihn wirken kann. Die Stromstärke wird so gewählt, dass im resonanten Betrieb bei Maximalausschlag des Anker der Luftspalt parallel und nicht breiter als 5 µm ist. Dieser trapezförmige Luftspalt wird in diesem Ausführungsbei­ spiel durch Anschrägen der Enden des Kerns 3 erreicht. Dies könnte auch durch Anschrägen des Ankers erreicht werden.

Die mit Ziffer 6 bezeichneten Löcher sind Montagehilfen für elektro-optische oder mechanische oder elektromagnetische Komponenten. Durch Verwendung eines Spiegels als elektroopti­ sche Komponente kann der Aktor als Lichtzeiger oder zu Licht­ modulation verwendet werden.

Die Abmessungen A und B betragen 7 bzw. 5 mm. Die Höhe (Z- Richtung in der Abbildung) des Ankers 3 des Kerns 2 und der Federn 5 beträgt 280 µm und die Spule 1,5 mm. Die Breite der Federn 5 beträgt ca. 10 µm.

Claims (6)

1. Magnetischer Aktor bestehend aus einer Spule auf einem Kern mit Luftspalt, einem Anker, welcher mit Hilfe von Federele­ mente aufgehängt ist so dass er im Luftspalt des Kerns schwingen kann, wobei Kern und Federelemente an einem Ende auf einem Substrat befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass

• a) die Enden des Kerns (2), welche den Luftspalt bilden, seitlich in einer Ebene gegeneinander versetzt und punkt­ symmetrisch angeordnet sind,
• b) der Anker (3) punktsymmetrisch ausgestaltet ist, wobei das Symmetriezentrum (7) des Ankers mit dem Symmetrie­ zentrum der Luftspalts zusammenfällt,
• c) die Federelemente (2) zwei mäanderförmige Blattfedern sind, die an gegenüberliegenden Seiten des Ankers punkt­ symmetrisch und außermittig zum Symmetriezentrum (7) be­ festigt sind, wodurch eine Rotation des Ankers um eine Achse, welche senkrecht auf dem Substrat steht und durch das Symmetriezentrum führt, ermöglicht wird.

2. Magnetischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der mäanderförmigen Blattfedern durch eine periodische Funktion mit mindestens zwei Extremwerten be­ schrieben wird.

3. Magnetischer Aktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Hebel, der durch den Befestigungspunkt der Federn am Anker und bezüglich des Symmetriezentrums (7) definiert ist, zwischen 5 und 50% der Länge des Ankers liegt.

4. Magnetischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden des Kerns so angeschrägt sind, dass der Luftspalt im Ruhezustand des Ankers (3) tra­ pezförmig und bei maximaler Verdrehung des Ankers (3) paral­ lel ist.

5. Magnetischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Spule (1) erzeugte magne­ tische Feld 0.1 bis 1.0 Tesla beträgt.

6. Magnetischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (3) als elektro-optisches Element ausgebildet ist.