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Die Erfindung betrifft ein mechanisches Bauteil und ein mechanisches System. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines mechanischen Bauteils.
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Stand der Technik
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In der
DE 10 2010 029 925 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Lageerkennung einer Mikroschwingvorrichtung beschrieben. Die Vorrichtung weist als verstellbares Teil einen Mikroschwingspiegel auf, welcher über eine Aufhängung mit einer Halterung verbunden ist. Zur Erkennung einer aktuellen Lage des Mikrospiegels weist die Vorrichtung vier als Mikrophone ausgebildete Sensoreinrichtungen auf, mittels welchen die bei einem Verstellen des Mikroschwingspiegels mitbewirkten Schallwellen als Druckänderungen erfassbar sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft ein mechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein mechanisches System mit den Merkmalen des Anspruchs 13 und ein Verfahren zum Betreiben des mechanischen Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung vereinfacht die Ermittlung der ersten Eigenfrequenz der ersten Schwingmode, welche bei einem Betrieb des mechanischen Bauteils bevorzugt angeregt wird. Wie unten genauer ausgeführt wird, reduziert die leichtere Erkennbarkeit der ersten Eigenfrequenz der ersten Schwingmode die Anforderungen an eine mit dem mechanischen Bauteil zusammenwirkende Steuer- und/oder Regelvorrichtung signifikant. Somit kann das mechanische Bauteil zusammen mit einer kostengünstigeren und weniger Bauraum benötigenden Steuer- und/oder Regelvorrichtung eingesetzt werden.
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Unter der ersten Eigenfrequenz ist keine Eigenfrequenz zu verstehen, welche kleiner als die zweite Eigenfrequenz ist. Die erste Eigenfrequenz kann somit auch größer als die zweite Eigenfrequenz sein. Die Bezeichnungen „erste Eigenfrequenz“ und „zweite Eigenfrequenz“, sowie „erste Schwingmode“ und „zweite Schwingmode“ dienen lediglich zur Unterscheidung der Eigenfrequenzen und Schwingmoden.
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Vorzugsweise sind die erste Schwingmode eine Nutzmode und die zweite Schwingmode eine Störmode. Mittels einer vorteilhaften Verschaltung von den mindestens zwei Sensoreinrichtungen ist ein Gesamtsignal erzeugbar, welches die Anregung der Nutzmode verstärkt wiedergibt, während die Anregung der Störmode nur schwach wiedergegeben, vorzugsweise vollständig unterdrückt wird. Insbesondere kann das Gesamtsignal nur die Anregung der Nutzmode wiedergeben, während sich bei der mindestens einen Störmode die verschiedenen Teil-Sensorsignale gegenseitig aufheben/auslöschen. Als Nutzmode kann jede beliebige Mode des mechanischen Bauteils wählbar sein.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der erste maximale Betrag des Gesamtsignals größer oder gleich einer Summe des ersten maximalen Betrags des ersten Sensorsignals und des ersten maximalen Betrags des zweiten Sensorsignals, wobei der zweite maximale Betrag des Gesamtsignals kleiner oder gleich einer Differenz zwischen dem zweiten maximalen Betrag des ersten Sensorsignals und dem zweiten maximalen Betrag des zweiten Sensorsignals ist. Somit ist eine Steigerung des ersten maximalen Betrags, welcher der ersten Schwingmode zugeordnet ist, realisiert, während der der zweiten Schwingmode zugeordnete zweite maximale Betrag (nahezu) herausgefiltert ist. Dies erleichtert eine Erkennung der ersten Eigenfrequenz, welcher mit dem ersten maximalen Betrag ein vergleichsweise hoher Wert des Gesamtsignals zuordenbar ist.
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Häufig ist das Ausgangssignal einer Sensoreinrichtung eine elektrische Spannung. Für eine Addition von Spannungssignalen kann ein UI-Wandler in einer Schaltung genutzt werden.
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Das mechanische Bauteil kann beispielsweise ein mikromechanisches Bauteil sein. Gerade bei mikromechanischen Bauteilen werden häufig Eigenfrequenzen eines Systems aus einem verstellbaren Teil und einer Halterung angeregt, um somit eine relativ große Verstellbewegung des verstellbaren Teils zu gewährleisten. Die vorliegende Erfindung kann deshalb auch zu einer kostengünstigeren Herstellung und/oder einer verbesserten Einsetzmöglichkeit von mikromechanischen Bauteilen beitragen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das verstellbare Teil über zumindest eine erste Feder und eine zweite Feder welche bezüglich einer Symmetrieebene symmetrisch zueinander ausgebildet sind, mit der Halterung verbunden. Insbesondere gleichphasige oder gegenphasige Verbiegungen der ersten Feder und der zweiten Feder können somit dazu genutzt werden, über die geeignete Implementierung und Verschaltung der zwei Sensoreinrichtung dem der ersten Schwingmode zuordbaren Gesamtsignal-Wert gegenüber den der zweiten Schwingmode zugeordneten Gesamtsignal-Wert signifikant zu steigern.
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Bevorzugter Weise ist die erste Sensoreinrichtung an einer ersten Verankerung der ersten Feder an der Halterung und/oder an der ersten Feder ausgebildet ist, wobei die zweite Sensoreinrichtung an einer zweiten Verankerung der zweiten Feder an der Halterung und/oder an der zweiten Feder ausgebildet ist. Dies erleichtert eine elektrische Kontaktierung der Sensoreinrichtungen signifikant.
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Beispielsweise ist die erste Schwingmode bezüglich der Symmetrieebene asymmetrisch (gegenphasig, 180° phasenverschoben), während die zweite Schwingmode bezüglich der Symmetrieebene symmetrisch (gleichphasig) ist, wobei das Gesamtsignal als Differenzspannung aus einem als erstes Sensorsignal bereitgestellten ersten Spannungssignal und einem als zweites Sensorsignal bereitgestellten zweiten Spannungssignal generiert wird. Dies erlaubt eine (automatische) Verstärkung des der ersten Schwingmode zugeordneten Gesamtsignal-Werts bei einer gleichzeitigen Herausmittlung/Dämpfung des der zweiten Schwingmode zuordbaren Gesamtsignal-Werts.
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Ebenso können die erste Schwingmode bezüglich der Symmetrieebene symmetrisch (gleichphasig) und die zweite Schwingmode bezüglich der Symmetrieebene asymmetrisch (gegenphasig, 180° phasenverschoben) sein, wobei das Gesamtsignal mittels eines UI-Wandlers als „zusammenaddiertes Spannungssignal“ aus einem als erstes Sensorsignal bereitgestellten ersten Spannungssignal und einem als zweites Sensorsignal bereitgestellten zweiten Spannungssignal generiert wird. Auch auf diese Weise sind die in dem oberen Absatz beschriebenen Vorteile realisierbar.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ein Antriebskörper des mechanischen Bauteils über die erste Feder und die zweite Feder an der Halterung aufgehängt, wobei das verstellbare Teil über mindestens eine Zwischenfeder mit dem Antriebskörper verbunden ist. Wie unten genauer ausgeführt wird, ist auch bei diesem System aus dem Antriebskörper und dem verstellbaren Teil, welche in verschiedene Schwingbewegungen in Bezug zu der Halterung versetzbar sind, eine leichte Erkennung der bevorzugt genutzten ersten Schwingmode gegenüber weiteren Moden anhand des Gesamtsignals möglich.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die erste Sensoreinrichtung eine erste Vollbrücke und die zweite Sensoreinrichtung eine zweite Vollbrücke. Ebenso können die erste Sensoreinrichtung eine erste Halbbrücke und die zweite Sensoreinrichtung eine gleichgepolte zweite Halbbrücke sein. Als Alternative dazu können die erste Sensoreinrichtung eine erste Halbbrücke und die zweite Sensorvorrichtung eine gegenläufig gepolte zweite Halbbrücke sein. Ebenso können kapazitive und/oder induktive Detektoren für die erste Sensoreinrichtung und/oder die zweite Sensoreinrichtung genutzt werden. Das hier beschriebene mechanische Bauteil kann somit mit einer Vielzahl von verschiedenen Sensortypen für seinen jeweiligen Einsatzzweck optimiert werden.
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Die oben ausgeführten Vorteile sind auch bei einem mechanischen System mit einem entsprechenden mechanischen Bauteil und einer Regelvorrichtung gewährleistet, wobei die Regelvorrichtung dazu ausgelegt ist, eine Frequenz zu ermitteln, für welche das als Frequenzspektrum bereitgestellte Gesamtsignal ein eindeutiges Maximum aufweist, die ermittelte Frequenz als erste Eigenfrequenz festzulegen und das verstellbare Teil in eine Schwingbewegung gleich der ersten Schwingmode unter Berücksichtigung der festgelegten ersten Eigenfrequenz zu versetzen. Unter dem eindeutigen Maximum kann beispielsweise ein Maximum über einem vorgegebenen Schwellwert und/oder mit einer Phasenverschiebung des Summen-Ausgangssignals gegenüber dem anregenden Signal von 90° (mit Abweichungen in einem Bereich von 1°) verstanden werden, welches von der Regelvorrichtung als erstes gefunden wird. Die Regelvorrichtung kann das geeignete Maximum aus der Menge der lokalen Maxima z.B. deshalb als erstes erkennen, da das geeignete Maximum im Vergleich mit den anderen lokalen Maxima die größte Amplitude bzw. eine eindeutige Phasenverschiebung von 90° aufweist. Somit kann bei dem mechanischen System gezielt die bevorzugt verwendete erste Schwingmode angeregt werden.
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Insbesondere kann die Regelvorrichtung einen Phasenregelkreis umfassen. Eine derartige Regelvorrichtung ist kostengünstig ausführbar und benötigt vergleichsweise wenig Bauraum.
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Des Weiteren sind die oben beschriebenen Vorteile auch gewährleistet durch ein Ausführen eines korrespondierenden Verfahrens zum Betreiben eines mechanischen Bauteils.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1a bis 1e eine schematische Teildarstellung einer ersten Ausführungsform des mechanischen Bauteils und vier Koordinatensysteme zum Erläutern ihrer Funktionsweise;
- 2a und 2b eine schematische Teildarstellung einer zweiten Ausführungsform des mechanischen Bauteils und ein Koordinatensystem zum Erläutern ihrer Funktionsweise;
- 3a bis 3g schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform des mechanischen Bauteils und Koordinatensysteme zum Erläutern ihrer Funktionsweise;
- 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des mechanischen Systems; und
- 5 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines mechanischen Bauteils.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1a bis 1e zeigen eine schematische Teildarstellung einer ersten Ausführungsform des mechanischen Bauteils und vier Koordinatensysteme zum Erläutern ihrer Funktionsweise.
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Das in 1a teilweise wiedergegebene mechanische Bauteil weist eine Halterung 10 und ein verstellbares Teil 12 auf, wobei das verstellbare Teil 12 so mit der Halterung 10 verbunden ist, dass das verstellbare Teil 12 in Bezug zu der Halterung 10 zumindest in eine erste Schwingmode mit einer ersten Eigenfrequenz und in eine zweite Schwingmode mit einer zweiten Eigenfrequenz ungleich der ersten Eigenfrequenz versetzbar ist. Das verstellbare Teil 12 kann beispielsweise eine Spiegelplatte sein. Das mechanische Bauteil ist somit als Spiegeleinrichtung, insbesondere als Mikrospiegel, ausbildbar. Anstelle einer Spiegelplatte kann jedoch auch ein anders ausgebildetes verstellbares Teil 12 eingesetzt werden. Beispielsweise kann das mechanische Bauteil auch ein Drehratensensor oder ein Beschleunigungssensor sein. Die Ausbildbarkeit des mechanischen Bauteils ist nicht auf ein bestimmtes verstellbares Teil 12 limitiert. Ebenso ist die in 1a wiedergegebene rahmenförmige Ausbildung der Halterung 10 nur beispielhaft zu interpretieren.
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Das mechanische Bauteil weist vorzugsweise eine (nicht dargestellte) Aktoreinrichtung auf, mittels welcher das verstellbare Teil 12 zu einer Schwingbewegung mit einer innerhalb eines vorgegebenen Frequenzwertebereichs variierbaren Frequenzen (in Bezug zu der Halterung) anregbar ist, wobei der Frequenzwertebereich zumindest die erste Eigenfrequenz und die zweite Eigenfrequenz umfasst. Die Aktoreinrichtung kann beispielsweise als elektrostatische Aktoreinrichtung mindestens eine Elektrode und/oder als magnetische Aktoreinrichtung mindestens einer Spule umfassen. Außerdem können an dem mechanischen Bauteil auch mindestens ein Piezo als Teil einer Aktoreinrichtung eingesetzt werden. Die hier aufgezählten Aktortypen sind für die Ausbildung der Aktoreinrichtung jedoch nur beispielhaft zu interpretieren. Insbesondere ist das hier beschriebene mechanische Bauteil nicht auf einen bestimmten Typ einer einsetzbaren Aktoreinrichtung limitiert.
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An dem mechanischen Bauteil ist eine erste Sensoreinrichtung 14a angeordnet, mittels welcher ein erstes Sensorsignal bereitstellbar ist, welches ein erstes Verhältnis aus einem bei einer Anregung der ersten Schwingmode des verstellbaren Teils 12 auftretenden ersten maximalen Betrag des ersten Sensorsignals und einem bei einer Anregung der zweiten Schwingmode des verstellbaren Teils 12 auftretenden zweiten maximalen Betrag des ersten Sensorsignals aufweist. Außerdem hat das mechanische Bauteil noch eine zweite Sensoreinrichtung 14b, mittels welcher ein zweites Sensorsignal bereitstellbar ist. Die Sensoreinrichtungen 12 und 14 können z.B. mindestens einen Dehnmesstreifen, eine piezoresistive Sensiereinrichtung, eine piezoelektrische Sensiereinrichtung, eine kapazitive Sensiereinrichtung und/oder eine induktive Sensiereinrichtung umfassen. Die hier aufgezählten Ausbildungsformen für die Sensoreinrichtungen 12 und 14 sind jedoch nur beispielhaft zu interpretieren.
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Das zweite Sensorsignal weist ein zweites Verhältnis aus einem bei einer Anregung der ersten Schwingmode des verstellbaren Teils 12 auftretenden ersten maximalen Betrag des zweiten Sensorsignals und einem bei einer Anregung der zweiten Schwingmode des verstellbaren Teils 12 auftretenden zweiten maximalen Betrag des zweiten Sensorsignals auf. Das erste Verhältnis und das zweite Verhältnis können beispielsweise ein erster Quotient und ein zweiter Quotient sein. Vorteilhafte Ausbildungsmöglichkeiten für die zwei Sensoreinrichtungen 14a und 14b sind unten noch genauer beschrieben.
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Die erste Sensoreinrichtung 14a und die zweite Sensoreinrichtung 14b sind so miteinander verschaltet, dass mittels zumindest des ersten Sensorsignals und des zweiten Sensorsignals ein Gesamtsignal generierbar ist. Zur Generierung des Gesamtsignals kann beispielsweise ein UI-Wandler eingesetzt werden. Das Gesamtsignal kann jedoch auch eine Differenzspannung sein. Weitere Ausführungsbeispiele für das generierbare Gesamtsignal sind ebenso möglich.
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Das Gesamtsignal weist ein Gesamtverhältnis aus einem bei einer Anregung der ersten Schwingmode des verstellbaren Teils 12 auftretenden ersten maximalen Betrag des Gesamtsignals und einem bei einer Anregung der zweiten Schwingmode des verstellbaren Teils 12 auftretenden zweiten maximalen Betrag des Gesamtsignals auf, welches größer als das erste Verhältnis des ersten Sensorsignals und größer als das zweite Verhältnis des zweiten Sensorsignals ist. Auch das Gesamtverhältnis kann beispielsweise ein Quotient sein.
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Somit ist eine Antwort des mechanischen Bauteils auf eine Anregung der ersten Schwingmode an dem Gesamtsignal gezielt verstärkt. Dies erleichtert das Erkennen der Reaktion des mechanischen Bauteils auf die Anregung der ersten Schwingmode und/oder die Zuordnung einer Frequenz als erste Eigenfrequenz. Wie unten genauer ausgeführt wird, ist diese Eigenschaft des Gesamtsignals für eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten nutzbar.
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Insbesondere kann die erste Schwingmode gezielt als Nutzmode genutzt werden. Da eine Antwort des mechanischen Bauteils auf die Anregung der zweiten Schwingmode in dem Gesamtsignal (automatisch) gequenscht/unterdrückt ist, ist es vorteilhaft, wenn die zweite Schwingmode eine Störmode ist. Wie unten genauer ausgeführt wird, können in dem Gesamtsignal auch mehrere Nutzmoden (als die mindestens eine erste Schwingmode) gesteigert sein, während mehrere Störmoden (als die mindestens eine zweite Schwingmode) unterdrückt/gequenscht sind.
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Bei der in 1a teilweise wiedergegebenen Ausführungsform ist das verstellbare Teil 12 über zumindest eine erste Feder 16a und eine zweite Feder 16b mit der Halterung 10 verbunden. Die erste Feder 16a und die zweite Feder 16b sind bezüglich einer Symmetrieebene 18 symmetrisch zueinander ausgebildet. Die Federn 16a und 16b können auch als Antriebsfedern oder Arbeitsfedern bezeichnet werden. Bei der in 1a wiedergegebenen Ausführungsform sind die Federn 16a und 16b vergleichsweise lang ausgebildet. Derartig lange Federn gewährleisten eine gute Verstellbarkeit des Antriebskörpers 20 und des daran angebundenen verstellbaren Teils 12, sowie einen vergleichsweise niedrigen mechanischen Stress während eines Versetzens des verstellbaren Teils 12 in eine seiner mindestens zwei Schwingmoden. Insbesondere können die Federn 16a und 16b als L-förmig verbiegbare Biegefedern ausgebildet sein. Die Ausstattung des mechanischen Bauteils mit derartigen Federn 16a und 16b ist jedoch nur optional.
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Außerdem ist bei der in 1a teilweise wiedergegebenen Ausführungsform ein Antriebskörper 20 des mechanischen Bauteils über die erste Feder 16a und die zweite Feder 16b an der Halterung 10 aufgehängt. An dem Antriebskörper 20 kann zumindest eine Teilkomponente der Aktoreinrichtung, wie beispielsweise eine Spule und/oder eine Elektrode, angeordnet sein. Außerdem ist das verstellbare Teil 12 über mindestens eine (nicht dargestellte) Zwischenfeder mit dem Antriebskörper 20 verbunden. Die in 1a dargestellte Ausstattung des mechanischen Bauteils mit den beiden Federn 16a und 16b und dem Antriebskörper 20 ist jedoch jeweils nur beispielhaft zu interpretieren.
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Der Antriebskörper 20 und das verstellbare Teil 12 können in mehreren Freiheitsgraden in Bezug zu der Halterung 10 schwingen. Diese Schwingbewegungen des Antriebskörpers 20 und des verstellbaren Teils 12 können insbesondere um eine (nicht skizzierte) gemeinsame Drehachse gerichtet sein. Insbesondere können der Antriebskörper 20 und das verstellbare Teil 10 auch gegeneinander schwingen. Man kann dies auch so umschreiben, dass der Antriebskörper 20 und das verstellbare Teil 12 Schwingmoden aufweisen, bei welchen sie parallel zueinander oder gegenphasig schwingen.
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In den Koordinatensystemen der 1 b und 1c sind die insgesamt neun (ersten) Schwingmoden M1 bis M9 des mechanischen Bauteils wiedergegeben. Die Abszisse der 1b verläuft entlang einer ersten Längsachse l1 der ersten Feder 16a von einer Verankerung der ersten Feder 16a an der Halterung 10 zu einer Verankerung der ersten Feder 16a an dem Antriebskörper 20. Entsprechend stellt die Abszisse des Koordinatensystems der 1c eine durch die zweite Feder 16 geführte zweite Längsachse l2 dar, welche an einer Verankerung der zweiten Feder 16b an der Halterung 10 beginnt und an einer Verankerung der zweiten Feder 16b mit dem Antriebskörper 20 endet. Die Ordinaten der Koordinatensysteme der 1 b und 1c geben jeweils die während der Schwingmoden M1 bis M9 jeweils auftretenden (maximalen) mechanischen Spannungen als mechanischen Stress S wieder.
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Wie anhand der 1b und 1c zu erkennen ist, werden die Federn 16a und 16b bei den Schwingungsmoden in M2, M6, M7 und M8 S-förmig gebogen. Die S-förmigen Verbiegungen der Federn 16a und 16b sind jedoch lediglich bei den Schwingungsmoden in M6 und M7 symmetrisch bezüglich der Symmetrieachse 18. Demgegenüber sind die bei den Schwingungsmoden M2 und M8 auftretenden S-förmigen Verbiegungen der Federn 16a und 16b asymmetrisch. Man kann auch von einem phasenverschobenen Verbiegen oder einem gegenläufigen Verbiegen der Federn 16a und 16b bei den Schwingungsmoden M2 und M8 sprechen.
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Mittels der Ausbildung und Verschaltung der Sensoreinrichtungen 14a und 14b kann gezielt das Signal der mindestens einen ersten Schwingmode aus den Schwingmoden M1 bis M9 im Gesamtsignal verstärkt werden, welche gegenüber den weiteren Schwingmoden M1 bis M9 bevorzugt wird. Eine vorteilhafte Anordnung der ersten Sensoreinrichtung 14a ist beispielsweise gewährleistet, wenn die erste Sensoreinrichtung 14a an der Verankerung der ersten Feder 16a an der Halterung 10 und/oder an der ersten Feder 16a ausgebildet ist. Entsprechend kann auch die zweite Sensoreinrichtung 14b an der Verankerung der zweiten Feder 16b an der Halterung 10 und/oder an der zweiten Feder 16b vorteilhaft ausgebildet sein. Eine derartige Anordnung mindestens einer Sensoreinrichtung 14a und 14b erlaubt ein verlässliches Erkennen einer stattfindenden Verformung der mindestens einen zugeordneten Feder 16a und 16b und ein einfacheres Rückfolgern auf die dadurch bewirkte Verstellbewegung des verstellbaren Teils 12.
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Bei der in 1a teilweise wiedergegebenen Ausführungsform sind die Sensoreinrichtungen 14a und 14b jeweils an einem zugeordneten Verankerungsbereich der Federn 16a und 16b an der Halterung 10 und/oder nahe an dem Verankerungsbereich auf einer Feder 16a und 16b abgebracht. Die Anordnung mindestens einer Sensoreinrichtung 14a und 14b an einer Verankerung mindestens einer Feder 16a und 16b an der Halterung 10 ist zusätzlich mit dem Vorteil verbunden, dass keine Kontaktierungen/Leitungen über die jeweilige Feder 16a und 16b benötigt werden. Somit werden die Biegeeigenschaften der jeweiligen Feder 16a und 16b nicht durch eine Leitungsführung beeinträchtigt.
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Bei der Ausführungsform der 1a sind zwei Vollbrücken 22a und 22b aus piezoempfindlichen Messwiderständen an den Verankerungen der beiden Federn 16a und 16b als Sensoreinrichtungen 14a und 14b ausgebildet. Die Sensoreinrichtungen 14a und 14b können auch als Wheatstone-Brücken bezeichnet werden. Aufgrund des während eines Verbiegens der Federn 16a und 16b darin auftretenden mechanischen Stresses und des piezoresistiven Effekts ändern die Widerstände der Vollbrücken 22a und 22b ihren jeweiligen Widerstandswert. Diese Widerstandsänderung ist anhand einer bereitgestellten Spannung ablesbar. Die Ausbildbarkeit des mechanischen Bauteils ist jedoch nicht auf einen bestimmten Sensortyp limitiert.
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1d zeigt ein Koordinatensystem mit einem als erstes Sensorsignal U1 oder zweites Sensorsignal U2 bereitstellbaren Spannungssignal in einem Frequenzspektrum. Dabei gibt die Abszisse der 1 d eine Anregungsfrequenz f wieder, mit welcher das verstellbare Teil 12 in Bezug zu der Halterung 10 schwingt. Die Ordinate gibt eine als erstes Sensorsignal U1 oder zweites Sensorsignal U2 bereitstellbare Spannung U an.
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Wie anhand der 1d zu erkennen ist, weisen das erste Sensorsignal U1 oder das zweite Sensorsignal U2 eine Vielzahl von lokalen Maxima und lokalen Minima auf. Die Vielzahl von Extremwerten in dem Koordinatensystem der 1d erschwert den Betrieb des mechanischen Bauteils in der bevorzugten Schwingmode. Außerdem ist es kaum möglich, anhand der vielen lokalen Extremwerte den bevorzugten Schwingmoden eine bestimmte Eigenfrequenz zuzuordnen. Zu berücksichtigen ist auch, dass Fertigungstoleranzen Frequenzbänder so verschieben können, dass die Festlegung der Eigenfrequenzen der für den Betrieb des mechanischen Bauteils bevorzugten Schwingmoden selbst mittels einer vergleichsweise aufwändigen Elektronik kaum ausführbar ist. Des Weiteren kann ein Alterungsprozess an dem mechanischen Bauteil eine Neufestlegung der Eigenfrequenzen der für den Betrieb des mechanischen Bauteils bevorzugten Schwingmoden stark erschweren.
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Mittels einer geeigneten Festlegung der Ausgangsspannungen der als Vollbrücken 22a und 22b ausgebildeten Sensoreinrichtungen 14a und 14b kann jedoch gezielt das Gesamtsignal der für den Betrieb des mechanischen Bauteils bevorzugten mindestens einen Schwingmode verstärkt werden. Dabei kann insbesondere berücksichtigt werden, dass ein bezüglich der Symmetrieebene 18 symmetrischen Verformen der Federn 16a und 16b in der Regel ein erstes Sensorsignal U1 (nahezu) gleich dem zweiten Sensorsignal U2 bewirkt, während bei einem gegenläufigen/phasenverschobenen Verformen der Federn 16a und 16b das erste Sensorsignal U1 meistens gegenläufig zu dem zweiten Sensorsignal U2 ist. Dies ist häufig gewährleistet, unabhängig davon ob die Verbiegung der Federn 16a und 16b eine S-förmige Verbiegung oder eine andersartige Verbiegung ist.
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Zum gezielten Unterdrücken von unerwünschten Signalen des mindestens einen Gesamtsignals der mindestens einen bezüglich der Symmetrieebene 18 symmetrischen Schwingmode können somit die Sensoreinrichtungen 14a und 14b so miteinander verschaltet sein, dass eine Summe des ersten Sensorsignals U1 und des zweiten Sensorsignals U2 als Gesamtsignal ausgegeben wird. In diesem Fall hebt ein zu dem ersten Sensorsignal U1 (nahezu) gegenläufiges zweites Sensorsignal U2 das erste Sensorsignal U1 auf. Auf diese Weise werden gezielt die Gesamtsignale der symmetrischen Schwingmoden M6 und M7 gegenüber denen der stark ausgeprägt gegenläufigen/phasenverschobenen Schwingmoden M2 und M8 verstärkt.
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Sofern mindestens eine gegenläufige/phasenverschobene Schwingmode für den Betrieb des mechanischen Bauteils bevorzugt wird, können die Sensoreinrichtungen 14a und 14b auch so verschaltet sein, dass eine Differenzspannung der beiden Vollbrücken 22a und 22b als Gesamtsignal bereitgestellt wird. Dies bewirkt ein (automatisches) Herausfiltern von Schwingmoden mit einem ersten Sensorsignal U1 (nahezu) gleich einem zweiten Sensorsignal U2. Beispielsweise können auf diese Weise gezielt die Gesamtsignale der Schwingmoden M2 und M8 gegenüber denen der Schwingmoden M6 und M7 verstärkt werden, während die Schwingmoden M6 und M7 (automatisch) herausgefiltert/gequenscht werden.
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1e zeigt ein vorteilhaftes Gesamtsignal Uges. Die Abszisse der 1e gibt eine Anregungsfrequenz f an, mit welcher das verstellbare Teil 12 in Bezug zu der Halterung 10 angeregt wird, während die Ordinate der als Gesamtsignal Uges bereitstellbare Spannung U entspricht. Der Vergleich von 1d und 1e zeigt die Wirkung der Filterung durch die zwei Vollbrücken 22a und 22b. Das in 1e dargestellte Frequenzspektrum der zwei Vollbrücken 22a und 22b ist bereits von einigen Störmoden bereinigt.
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Aufgrund der reduzierten Anzahl der stark ausgeprägten Peaks sind ein Erkennen der für den Betrieb des mechanischen Bauteils bevorzugten Schwingmoden und eine Zuordnung ihrer Eigenfrequenz selbst mittels einer kostengünstigen Elektronik schnell und verlässlich ausführbar.
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2a und 2b zeigen eine schematische Teildarstellung einer zweiten Ausführungsform des mechanischen Bauteils und ein Koordinatensystem zum Erläutern ihrer Funktionsweise.
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Das in 2a teilweise schematisch dargestellte mechanische Bauteil weist als Sensoreinrichtungen 14a und 14b eine erste Halbbrücke 24a und eine zweite Halbbrücke 24b auf. Jede der beiden Halbbrücken 24a und 24b ist auf einer ihr zugeordneten Feder 16a oder 16b so positioniert, dass ein erster Widerstand 26a oder 26b der Halbbrücke 24a oder 24b auf und/oder in einer an der Halterung 10 angebundenen ersten Hälfte der zugeordneten Feder 16a oder 16b liegt, während ein zweiter Widerstand 28a oder 28b der Halbbrücke 24a oder 24b auf und/oder in einer an dem Antriebsköper 20 oder dem verstellbaren Teil 12 angebundenen zweiten Hälfte der zugeordneten Feder 16a oder 16b angeordnet ist. Dies gewährleistet, dass bei einer S-förmigen Verbiegung der jeweiligen Feder 16a oder 16b nur ein Widerstand 26a, 26b, 28a oder 28b jeweils einer Halbbrücke 24a und 24b in einer Zugzone der Feder 16a oder 16b ist, während der andere Widerstand 26a, 26b, 28a oder 28b der gleichen Halbbrücke 24a und 24b in einer Druckzone der jeweiligen Feder 16a und 16b liegt. Somit ist insbesondere bei den oben schon ausgeführten Schwingmoden M2, M6, M7 und M8 am Brückenabgriff 30a und 30b eine merkliche Potenzialdifferenz abgreifbar/messbar. Die bezüglich der Symmetrieebene 18 symmetrischen Schwingmoden M6 und M7 bewirken eine gleichgerichtete Potenzialverschiebung an den beiden Halbbrücken 24a und 24b, während die bei den gegenläufigen/phasenverschobenen Schwingmoden M2 und M8 auftretende Potenzialverschiebungen entgegengesetzt sind.
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Bei der in 2a dargestellten Ausführungsform sind die beiden Halbbrücken 24a und 24b gegensätzlich/umgekehrt gepolt. Unter einer gegensätzlichen/umgekehrten Polung der beiden Halbbrücken 24a und 24b kann verstanden werden, dass an dem ersten Widerstand 26a der ersten Halbbrücke 24a und an dem zweiten Widerstand 28b der zweiten Halbbrücke 24b ein erstes Potential angelegt ist, während an dem zweiten Widerstand 28a der ersten Halbbrücke 24a und an dem ersten Widerstand 26b der zweiten Halbbrücke 24b ein von dem ersten Potential abweichendes zweites Potential anliegt. Dies ist insbesondere realisierbar, indem an einem dem ersten Widerstand 26a der ersten Halbbrücke 24a zugeordneten ersten Kontakt 32a der ersten Halbbrücke 24a und an einem dem zweiten Widerstand 28b der zweiten Halbbrücke 24b zugeordneten zweiten Kontakt 34b der zweiten Halbbrücke 24b das erste Potential und an einem dem zweiten Widerstand 28a der ersten Halbbrücke 24a zugeordneten zweiten Kontakt 34a der ersten Halbbrücke 24a und an einem dem ersten Widerstand 26b der zweiten Halbbrücke 24b zugeordneten ersten Kontakt 32b der zweiten Halbbrücke 24b das zweite Potential angelegt werden. Bei einer gegensätzlichen/umgekehrten Polung der beiden Halbbrücken 24a und 24b werden insbesondere die den Schwingmoden M6 und M7 zuordbaren Gesamtsignale Uges verstärkt, während sich die Sensorsignale der Schwingmoden M2 und M8 in dem Gesamtsignal Uges gegenseitig herausheben. Auf diese Weise erhält man das in 2b dargestellte Frequenzspektrum, dessen Abszisse und Ordinate den Achsen der 1e entsprechen. Eine gegensätzliche/umgekehrte Polung der beiden Halbbrücken 24a und 24b ist deshalb vorteilhaft, sofern das verstellbare Teil 12 mittels eines gezielten Anregens einer der beiden Schwingmoden M6 und M7 verstellt werden soll.
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3a bis 3g zeigen schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform des mechanischen Bauteils und Koordinatensysteme zum Erläutern ihrer Funktionsweise.
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Das in 3a vollständig und in 3b und 3c teilweise wiedergegebene mechanische Bauteil weist als erste Feder 16a und als zweite Feder 16b jeweils eine Torsionsfeder auf, deren Biegeachse 36 entlang der Federn 16a und 16b verläuft. Vorzugsweise ist die Beigeachse 36 senkrecht zu der Symmetrieebene 18 ausgerichtet. Außerdem weist das mechanische Bauteil noch vier weitere mäanderförmige Federn 38 auf, deren Funktion jedoch zum Verständnis der weiteren Ausführungen nicht relevant ist.
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An dem Verankerungsbereich einer Feder 16a und 16b mit der Halterung 10 und/oder nahe an dem Verankerungsbereich auf und/oder in der Feder 16a und 16b ist eine als Halbbrücke 24a und 24b ausgebildete Sensoreinrichtung 14a und 14b angeordnet. Ein erster Widerstand 26a und 26b einer jeden Halbbrücke 24a und 24b liegt jeweils auf einer ersten Seite der Biegeachse 36, während der zweite Widerstand 28a und 28b der gleichen Halbbrücke 24a oder 24b auf der anderen Seite der Biegeachse 36 liegt. Vorzugsweise erstrecken sich die ersten Widerstände 26a und 26b von einem zugeordneten ersten Kontakt 32a oder 32b entlang einer senkrecht zu der Biegeachse 36 ausgerichteten Längsachse a1 oder a3 zu einem Brückenabgriff 30a oder 30b der jeweiligen Halbbrücke 24a oder 24b. Ebenso können sich die zweiten Widerstände 28a und 28b von einem zugeordneten zweiten Kontakt 34a oder 34b entlang einer senkrecht zu der Biegeachse 36 ausgerichteten Längsachse a2 oder a4 zu dem Brückenabgriff 30a oder 30b der jeweiligen Halbbrücke 24a oder 24b erstrecken. Die Kontaktierung der Widerstände/Piezowiderstände 26a, 26b, 28a und 28b ist einfach ausführbar, da die Zuleitungen 40 lediglich über die Halterung 10 zu führen sind. Da in der Halterung 10 kein mechanischer Stress auftritt, ist eine Beschädigung der Zuleitungen 40 während des Betriebs des mechanischen Bauteils verlässlich verhindert.
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3d bis 3g zeigen Koordinatensysteme zum Darstellen des bei einer Torsion der beiden Federn 16a und 16b um die Biegeachse 36 auftretenden mechanischen Stresses S1 bis S4, wobei die Abszissen die Längsachsen a1 bis a4 [in µm] und die Ordinaten die mechanische Spannung S [in Mpa] wiedergeben.
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Wie anhand der Koordinatensysteme 3d bis 3g erkennbar ist, liegt bei der Torsion der beiden Federn 16a und 16b um die Biegeachse 36 nur ein Widerstand 26a, 26b, 28a oder 28b jeweils einer Halbbrücke 24a und 24b in einer Zugzone der Feder 16a oder 16b, während der andere Widerstand 26a, 26b, 28a oder 28b der gleichen Halbbrücke 24a und 24b in einer Druckzone der jeweiligen Feder 16a und 16b liegt. Somit ist an den Brückenabgriffen 30a und 30b eine merkliche Potenzialdifferenz abgreifbar/messbar. Die oben beschriebene Ausbildung der Halbbrücken 24a und 24b ist somit zum Einsetzen an mindestens einer als Torsionsfeder genutzten Feder 16a und 16b sehr vorteilhaft.
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Mittels einer gegensätzlichen Polung der beiden Halbbrücken 24a und 24b ist das Gesamtsignal automatisch so generierbar, dass für eine Eigenschwingung des verstellbaren Teils 12/des Antriebskörpers 20 ein hohes Gesamtsignal generiert wird. Gleichzeitig ist gewährleistbar, dass die für die Nutzmoden uninteressanten Extrema der einzelnen Sensorsignale sich gegenseitig herausheben. Auch die Ausführungsform der 3a bis 3c gewährleistet somit die oben schon beschriebenen Vorteile.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die oben beschriebenen piezoresistiven Brücken 22a, 22b, 24a und 24b den Vorteil aufweisen, dass sie vergleichsweise störungsfrei sind und ein lineares Signal bereitstellen.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des mechanischen Systems.
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Das in 4 schematisch wiedergegebene mechanische System umfasst ein mechanisches Bauteil 50 und eine Regelvorrichtung 52. Das mechanische Bauteil 50 ist beispielsweise eine der oben beschriebenen Ausführungsformen. Die Ausbildbarkeit des mechanischen Systems ist jedoch nicht auf diese limitiert. Die Regelvorrichtung 52 ist dazu ausgelegt, eine Frequenz zu ermitteln, für welche das als Frequenzspektrum bereitgestellte Gesamtsignal 54 ein geeignetes Maximum aufweist. Bezüglich der Definition eines geeigneten Maximums wird auf die oberen Ausführungen verwiesen. Die auf diese Weise ermittelte Frequenz wird anschließend als erste Eigenfrequenz festgelegt/neufestgelegt. Danach steuert die Regelvorrichtung 52 das mechanische Bauteil 50 mittels eines Steuersignals 56 so an, dass das verstellbare Teil in eine Schwingbewegung gleich der ersten Schwingmode (z.B. einer Nutzmode) unter Berücksichtigung der festgelegten ersten Eigenfrequenz versetzt wird.
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Die Regelvorrichtung 52 kann beispielsweise einen Phasenregelkreis (PLL phase-locked loop) umfassen. Mittels eines derartigen Phasenregelkreises kann eine Phasenlage und damit zusammenhängend die Frequenz des veränderbaren Oszillators über einen geschlossenen Regelkreis so beeinflussbar sein, dass eine möglichst kleine Phasenabweichung zwischen einem äußeren Referenzsignal und dem Oszillator erzielt wird. Mittels einer derartigen Rückkopplung kann die erste Schwingmode (als Nutzmode) gezielt angesteuert werden.
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Die in dem oberen Absatz beschriebene vorteilhafte Auslegung der Regelvorrichtung 52 bietet eine verlässliche Rückkopplung zum Ermitteln einer Auslenkung des verstellbaren Teils in Abhängigkeit von der angesteuerten Frequenz. Da in dem Gesamtsignal 54 in bevorzugter Weise lediglich die mindestens eine Nutzmode auftritt, kann eine Störmode nicht angeregt werden. Für die Ansteuerung des mechanischen Bauteils ist es deshalb ausreichend, die Elektronik der Regelvorrichtung 52 lediglich so auszulegen, dass die Moden, deren Signale zurückgekoppelt werden, angeregt werden. Die Auswertung des als Gesamtsignal 54 bereitgestellten Frequenzspektrums kann deshalb mittels einer einfach ausgelegten Elektronik der Regelvorrichtung 52 erfolgen.
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5 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines mechanischen Bauteils.
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Das Verfahren ist unter Verwendung eines mechanischen Bauteils mit einer Halterung, einem verstellbaren Teil, einer Aktoreinrichtung, einer ersten Sensoreinrichtung und einer zweiten Sensoreinrichtung ausführbar. Beispielsweise können die oben beschriebenen Ausführungsformen zum Ausführen des Verfahrens eingesetzt werden. Die Ausführbarkeit des Verfahrens ist jedoch nicht auf diese limitiert.
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In einem Verfahrensschritt S1 wird der verstellbare Teil in Schwingbewegungen in Bezug zu der Halterung mittels der Aktoreinrichtung versetzt, wobei eine Frequenz der Schwingbewegungen innerhalb eines vorgegebenen Frequenzwertebereichs variiert wird. Das Frequenzspektrum umfasst vorzugsweise eine Nutzfrequenz einer Nutzmode des verstellbaren Teils und eine oder mehrere Störfrequenzen einer oder mehrerer Störmoden des verstellbaren Teils. (Der Frequenzwertebereich umfasst somit eine erste Eigenfrequenz einer ersten Schwingmode des verstellbaren Teils und eine zweite Eigenfrequenz einer zweiten Schwingmode des verstellbaren Teils.)
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Die erste Sensoreinrichtung stellt während des Verfahrensschritts S1 ein erstes Sensorsignal bereit, welches ein erstes Verhältnis aus einem bei einer Anregung der ersten Schwingmode des verstellbaren Teils auftretenden ersten maximalen Betrag des ersten Sensorsignals und einem bei einer Anregung der zweiten Schwingmode des verstellbaren Teils auftretenden zweiten maximalen Betrag des ersten Sensorsignals aufweist. Entsprechend stellt die zweite Sensoreinrichtung während des Verfahrensschritts S1 ein zweites Sensorsignal bereit, welches ein zweites Verhältnis aus einem bei einer Anregung der ersten Schwingmode des verstellbaren Teils auftretenden ersten maximalen Betrag des zweiten Sensorsignals und einem bei einer Anregung der zweiten Schwingmode des verstellbaren Teils auftretenden zweiten maximalen Betrag des zweiten Sensorsignals aufweist. Die miteinander verschalteten erste Sensoreinrichtung und zweite Sensoreinrichtung generieren während des Verfahrensschritts S1 mittels zumindest des ersten Sensorsignals und des zweiten Sensorsignals ein Gesamtsignal, welches in Bezug auf die Nutzmode des verstellbaren Teils mit einem hohen maximalen Betrag stark unterdrückte Störmoden des verstellbaren Teils mit vernachlässigbaren maximalen Beträgen aufweist. Man kann dies auch so umschreiben, dass das Gesamtsignal ein Gesamtverhältnis aus einem bei einer Anregung der ersten Schwingmode des verstellbaren Teils auftretenden ersten maximalen Betrag des Gesamtsignals und einem bei einer Anregung der zweiten Schwingmode des verstellbaren Teils auftretenden zweiten maximalen Betrag des Gesamtsignals aufweist, das größer als das erste Verhältnis des ersten Sensorsignals und größer als das zweite Verhältnis des zweiten Sensorsignals ist.
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Anschließend wird in einem Verfahrensschritt S2 eine Frequenz ermittelt, für welche das als Frequenzspektrum bereitgestellte Gesamtsignal ein geeignetes Maximum aufweist. Unter dem eindeutigen Maximum kann beispielsweise ein Maximum über einem vorgegebenen Schwellwert und/oder mit einer Phasenverschiebung von 90° (mit Abweichungen in einem Bereich von 1°) verstanden werden. Das geeignete Maximum ist z.B. das diese Eigenschaften erfüllende Maximum mit der kleinsten Frequenz oder mit der größten Frequenz. Wenn die Suche nach dem geeigneten Maximum ausgehend von niederen Frequenzen gestartet wird, hat das geeignete Maximum die kleinste Frequenz. Andernfalls weist es die größte Frequenz auf. Die ermittelte Frequenz wird als erste Eigenfrequenz festgelegt/neufestgelegt.
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In einem weiteren Verfahrensschritt S3 wird das verstellbare Teil in eine Schwingbewegung gleich der ersten Schwingmode versetzt, wobei mit der festgelegten/neufestgelegten ersten Eigenfrequenz angeregt wird. Das Verfahren gewährleistet somit die oben schon beschriebenen Vorteile.
