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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Torsionsfeder für eine mikroelektromechanische
Systemstruktur (MEMS-Struktur). Insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung eine Torsionsfeder, die eine größere Biegesteifigkeit als Verwindungssteifigkeit
aufweist.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Die
Technologie der mikroelektromechanischen Systeme (MEMS-Technologie) wird
bei der Herstellung von mechanischen und elektrischen Elementen
durch Halbleiterverfahren verwendet. Die MEMS-Technologie umfasst üblicherweise
eine Struktur, die auf einem Trägermaterial
und anderen Teilen, wie zum Beispiel einer Feder, montiert ist,
um die Struktur zu tragen und um zu ermöglichen, dass sich die Struktur
in einer vorgegebenen Richtung bewegt. Zur Herstellung eines MEMS-Gyroskops
werden zum Beispiel eine auf einem Trägermaterial montierte Masse
und eine auf dem Trägermaterial
ausgebildete Torsionsfeder zum Tragen der Masse benötigt, welche
um eine jeweilige Achse gedreht werden soll.
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In
der oben genannten MEMS-Struktur muss die Torsionsfeder ermöglichen,
dass die Struktur in einer bestimmten Drehrichtung gedreht werden
kann, und die Drehung der Struktur in anderen Richtungen begrenzen.
Damit die Torsionsfeder wirksam arbeiten kann, muss die Torsionsfeder
eine große
Biegesteifigkeit aufweisen, das heißt die Torsionssteifigkeit
in einer Richtung senkrecht zu einer Torsionsachse, sowie eine geringe Torsionssteifigkeit,
das heißt
die Torsionssteifigkeit in einer Richtung parallel zu der Torsionsachse.
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Eine
in einer Makrostruktur verwendete Torsionsfeder muss einen kreisförmigen Querschnitt
oder einen kreuzförmigen
Querschnitt aufweisen, so dass die Biegesteifigkeit größer ist
als die Torsionssteifigkeit. Bei einer MEMS-Struktur kann das Herstellungsverfahren
jedoch sehr komplex sein oder mehrere zusätzliche Verfahren zur Herstellung
einer Torsionsfeder mit einem kreisförmigen Querschnitt oder mit
einem kreuzförmigen Querschnitt
wie oben beschrieben erfordern.
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Eine
herkömmliche
Torsionsfeder für
eine MEMS-Struktur wird als Schiene mit einem viereckigen Querschnitt
hergestellt, wie in 1 gezeigt wird. In der Torsionsfeder 10 aus 1 werden
die Biegesteifigkeit und die Torsionssteifigkeit auf Basis eines
Verhältnisses
der Breite, der Länge
und der Höhe
der Schiene ermittelt. Zum Beispiel werden mit zunehmender Länge der
Schiene sowohl die Biegesteifigkeit als auch die Torsionssteifigkeit
schwächer.
Daher ist es schwierig, eine Torsionsfeder herzustellen, die wie
in 1 gezeigt aufgebaut ist und ein großes Verhältnis Biegesteifigkeit
zu Torsionssteifigkeit aufweist.
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Um
das oben genannte Problem zu lösen,
ist eine herkömmliche
Torsionsfeder 20 wie in den 2A und 2B gezeigt
vorgeschlagen worden. Die herkömmliche
Torsionsfeder 20 umfasst ein Verbindungsblech 23 zur
Verbindung der oberen Teile eines Paares von Schienen 21,
wobei das Verbindungsblech 23 senkrecht zu dem Paar von
Schienen 21 angeordnet wird und sich über die Länge der Schienen 21 erstreckt.
Somit kann in der oben genannten Struktur die Biegesteifigkeit erhöht werden,
ohne die Torsionssteifigkeit wesentlich zu erhöhen. Die Torsionsfeder 20 aus
den 2A und 2B weist
jedoch den Nachteil auf, dass sie mehrere zusätzliche Verarbeitungsschritte
erfordert. Darüber
hinaus kann die Torsionsfeder 20 nicht in einem einzigen Ätzvorgang
hergestellt werden.
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US-A-6000280
beschreibt eine Torsionsträgerstruktur
mit einem Übergabe-Stützträger, der
an jedem seiner Enden an einem Trägermaterial befestigt ist.
Die Torsions-Stützträgerstruktur
umfasst zwei parallele Segmente auf gegenüberliegenden Seiten der Achse
der Schiene, wo die Torsionskraft aufgebracht wird. Beide dieser
Segmente sind Schienen mit einem rechteckigen Querschnitt, die an
den Seitenwänden
von Mesas befestigt sind und durch seitliche Segmente verbunden
sind.
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Die
Verbindungsfläche
zwischen den parallelen Segmenten und den seitlichen Segmenten ist
rechteckig.
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Dementsprechend
besteht ein Merkmal eines Ausführungsbeispieles
der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer Torsionsfeder
für eine
MEMS-Struktur mit
einer Biegesteifigkeit, die größer ist
als die Torsionssteifigkeit derselben und die ein vereinfachtes
Fertigungsverfahren ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele
sind Gegenstand der abhängigen
Patentansprüche.
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Vorzugsweise
sind die Vielzahl von Schienen parallel. Weiterhin sind die Vielzahl
von Schienen ein Paar Schienen. Das Paar Schienen ist vorzugsweise
mit einer Vielzahl von Verbindungsstangen verbunden, die in gleichmäßigen Abständen angeordnet
werden.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist eine Verbindungsfläche, die
zwischen dem Paar Schienen und der Vielzahl von Verbindungsstangen
ausgebildet wird, rund.
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Vorzugsweise
ist ein Abstand zwischen der Vielzahl von Verbindungsstangen gleich
der oder größer als
eine Breite einer der Vielzahl von Schienen. Indem der Abstand gesteuert
wird, kann ein Verhältnis
von Biegesteifigkeit zu Torsionssteifigkeit größer werden. Eine Torsionsfeder
gemäß der vorliegenden
Erfindung kann eine Biegesteifigkeit aufweisen, die größer ist
als die Torsionssteifigkeit, was einfachere Torsion ermöglicht.
Zusätzlich
kann die Torsionsfeder gut in einem einzelnen Ätzvorgang hergestellt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
oben genannten und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden für
den Durchschnittsfachmann aus der folgenden ausführlichen Be schreibung von bevorzugten
Ausführungsbeispielen
derselben unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen ohne Weiteres
erkennbar werden.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen:
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1 veranschaulicht
eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Torsionsfeder für eine MEMS-Struktur.
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Die 2A und 2B veranschaulichen
eine perspektivische Ansicht beziehungsweise eine Seitenansicht
einer anderen herkömmlichen
Torsionsfeder für
eine MEMS-Struktur.
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3 veranschaulicht
eine perspektivische Ansicht einer Torsionsfeder für eine MEMS-Struktur.
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4 veranschaulicht
eine Ansicht eines Torsions-Zustandsdiagramms in einer Richtung
der x-Achse der Torsionsfeder aus 3.
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5 veranschaulicht
eine Ansicht, die schematisch einen konzeptionellen Abschnitt einer
Torsionsfeder zeigt, die zur Berechnung der Steifigkeit der Torsionsfeder
aus 3 herangezogen wird.
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Die 6A und 6B veranschaulichen
eine perspektivische Ansicht beziehungsweise eine Draufsicht eines
anderen bevorzugten Ausführungsbeispieles
der Torsionsfeder für
eine MEMS-Struktur gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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7 ist
ein Diagramm einer geregelten Kennlinie der Torsionsfeder aus 3 im
Vergleich zu einer herkömmlichen
Torsionsfeder, und
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8 ist
ein Diagramm eines geregelten Steifigkeitsverhältnisses der Torsionsfeder
zu der Größe einer
Bohrung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
am 7. Februar 2002 eingereichte koreanische Patentanmeldung Nr.
2002-07052 unter
dem Titel „Torsion
Spring for MEMS Structure" (Torsionsfeder
für MEMS-Struktur – nicht
autorisierte Übersetzung – d. Übers.) wird
hiermit per Verweis vollständig
in die vorliegende Anmeldung eingearbeitet.
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Die
vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die anhängenden
Zeichnungen, in denen die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung
gezeigt werden, ausführlicher
beschrieben werden. Die Erfindung kann jedoch in unterschiedlichen
Formen ausgeführt
werden und soll nicht als auf die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt
verstanden werden. Die genannten Ausführungsbeispiele werden vielmehr
bereitgestellt, damit die vorliegende Offenlegung gründlich und
vollständig
ist, und werden den Gedanken der Erfindung für den Durchschnittsfachmann
umfassend erkennbar werden lassen. Gleiche Verweisziffern bezeichnen
in der gesamten Beschreibung gleiche Teile und Elemente.
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3 veranschaulicht
eine perspektivische Ansicht einer Torsionsfeder für eine MEMS-Struktur.
Die Torsionsfeder 30 umfasst ein Paar Schienen 31 und
vier Verbindungsstangen 33, die mit den Schienen 31 verbunden
sind.
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Die
Schienen 31 werden in einer axialen Torsionsrichtung angeordnet,
mit anderen Worten in der Richtung der x-Achse. Eine jede Schiene 31 ist
ein Blech mit zwei Enden und einem viereckigen Querschnitt. Die Schienen 31 sind
parallel angeordnet und beide Enden der Schienen 31 sind
mit einer vorgegebenen Fläche verbunden,
wie zum Beispiel mit einem Anker oder mit einer Masse auf einem
Trägermaterial
(nicht gezeigt).
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Die
Verbindungsstangen 35 sind Bleche, die im rechten Winkel
zu der Längsrichtung,
das heißt
zu der Richtung der x-Achse, der Schienen 31 angeordnet
sind. Mit anderen Worten sind die Verbindungsstangen 33 Bleche,
die eine Normallinie entsprechend der x-Achse aufweisen. Die Verbindungsstangen 33 sind
in gleichmäßigen Abständen zwischen
den Schienen 31 angeordnet. Wenn die Verbindungsstangen 33 wie
oben beschrieben angeordnet werden, weist die Torsionsfeder 30 drei
Löcher 40 auf,
die in einer vertikalen Richtung (der Richtung der z-Achse) eindringen.
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Vorzugsweise
soll der Abstand zwischen einer jeden der Verbindungsstangen 33 gleich
der oder größer als
die Breite der Schienen 31 sein. Indem der Abstand gesteuert
wird, kann das Verhältnis
der Biegesteifigkeit zu der Torsionssteifigkeit größer werden.
Darüber
hinaus soll die Breite einer jeden der Schienen 31 vorzugsweise
zwischen etwa 1 μm
und 25 μm
liegen.
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Die
Torsionsfeder hat ein Paar Schienen 31 und vier Verbindungsstangen 33,
jedoch können
die Anzahl der Schienen 31, die Anzahl der Verbindungsstangen 33 und
der Abstand zwischen den Verbindungsstangen 33 geändert werden.
Zum Beispiel können
drei oder mehr Schienen parallel angeordnet werden oder die Anzahl
der Verbindungsstangen kann eins, zwei oder mehr sein. Der Abstand
zwischen den Verbindungsstangen kann ebenfalls gleich oder verändert sein.
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Die
herkömmliche
Torsionsfeder 10 aus 1 umfasst
eine einzelne Schiene mit einem viereckigen Querschnitt. In der
Torsionsfeder 30 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sind jedoch mehr als zwei Schienen 31 durch
die Verbindungsstangen 33 verbunden. Wenn daher, wie in 4 gezeigt
wird, ein Torsionsmoment (T) gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung auf die Torsionsfeder 30 wirkt,
weist eine jede Schiene 31 eine z-Richtungs-Verschiebung (δ0)
und einen x-Richtungs-Drehwinkel (θ0)
aufgrund eines Biegemomentes für
die y-Achse beziehungsweise ein Torsionsmoment (TO)
für die
x-Achse auf, die erzeugt werden, um die Kompatibilitätsbedingung
zwischen den Schienen 31 zu erfüllen.
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Die 6A und 6B zeigen
ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf die 6A und 6B weist
eine Torsionsfeder 30' sechs
Verbindungsstangen 33 auf, so dass fünf Löcher 40 ausgebildet
werden. In den 6A und 6B werden
Teilen, die im Wesentlichen gleich mit Teilen aus den 3 und 4 sind,
der besseren Übersichtlichkeit
der Beschreibung wegen die gleichen Verweisziffern zugeordnet.
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Wenn
die Torsionsfeder 30' mit
fünf Löchern 40 wie
in den 6A und 6B gezeigt
ausgebildet wird, das heißt
wenn ein Paar Schienen 31 unter Verwendung von sechs Verbindungsstangen 33 verbunden werden,
sind folgende Werte die bevorzugten numerischen Werte. Eine Breite
(w) einer jeden Schiene 31 beträgt 5 μm, eine Höhe (h) einer jeden Schiene 31 beträgt 40 μm und eine
Länge (L)
einer jeden Schiene 31 beträgt 200 μm. Darüber hinaus ist eine Breite
(wc) einer jeden Verbindungsstange 33 gleich
5 μm, eine
Länge (Lc) einer jeden Verbindungsstange 33 ist
5 μm und
eine Höhe
(hc) einer jeden Verbindungsstange 33 ist
40 μm, was
die gleiche Höhe
(h) der Schiene 31 ist. Eine Breite (wH)
eines jeden Loches 40 beträgt zusätzlich 5 μm, was gleich der Länge (Lc) der Verbindungsstangen 33 ist.
Eine Länge
(LH) eines jeden Loches beträgt 34 μm.
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Die
Torsionssteifigkeit einer Torsionsfeder 30 mit den oben
genannten Abmessungen kann unter Verwendung einer Finite-Elemente-Methode
(FEM) ermittelt werden. Weiterhin kann die Torsionssteifigkeit der herkömmlichen
Torsionsfeder 10 durch die Annahme ermittelt werden, dass
die Breite der herkömmlichen
Torsionsfeder 10 gleich der Summe der Breite der beiden
Schienen 31 aus 3 ist, welche 10 μm beträgt. Danach
kann die Länge
der herkömmlichen
Torsionsfeder 10 ermittelt werden, die es ermöglicht,
dass die herkömmliche
Torsionsfeder 10 die gleiche Torsionssteifigkeit wie die
Torsionsfeder 30 aus 3 aufweist.
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Darüber hinaus
werden die Biegesteifigkeit KBYO für die y-Achse,
das heißt
die Richtung der Breite der herkömmlichen
Torsionsfeder 10, beziehungsweise die Biegesteifigkeit
KBZO für
die z-Achse, das heißt
die Richtung der Höhe
der herkömmlichen
Torsionsfeder 10, ermittelt. Danach werden die Biegesteifigkeit
KBY für die
y-Achse, das heißt die Richtung
der Breite der Torsionsfeder 30 gemäß der vorliegenden Erfindung,
beziehungsweise die Biegesteifigkeit KBZ für die z-Achse,
das heißt
die Richtung der Höhe
der Torsionsfeder 30, ermittelt.
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Die
Biegesteifigkeit K
BZ für die z-Achse wird durch den
folgenden mathematischen Ausdruck 1 wie bei der herkömmlichen
Torsionsfeder
10 ermittelt:
und die Biegesteifigkeit
K
BY für
die y-Achse wird unter Verwendung der konzeptuellen Torsionsfeder
30a der vorliegenden
Erfindung wie in
5 gezeigt ermittelt. Mit anderen
Worten, wenn davon ausgegangen wird, dass die beiden Schienen
31a,
die die Torsionsfeder
30a bilden, mit einem imaginären Blech
33a verbunden werden,
wird die Biegesteifigkeit K
BY für die y-Achse
durch den folgenden mathematischen Ausdruck 2 ermittelt und die
Biegesteifigkeit K
BY nimmt mit der Zunahme
des Trägheitsmomentes
zu. Der mathematische Ausdruck 2 lautet:
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Die
Torsionssteifigkeit K
T wird durch den folgenden
mathematischen Ausdruck 3 ermittelt:
wobei k eine Torsionskonstante
entsprechend einem Schnittverhältnis,
c = b + L
c, ist, E ein Elastizitätsmodul ist
und G ein Schermodul ist.
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Die
Biegesteifigkeit KBY für die Torsion in der Richtung
der y-Achse ist jedoch schwer zu berechnen, wobei es sich um die
in 5 dargestellte Messung handelt, wenngleich die
beiden Schienen 31 verbunden sind. Um weiterhin die geeignetste
und genaueste Messung zu erhalten, wird eine geeignete Struktur
ermittelt, indem die Steifigkeit entsprechend der Anzahl der Verbindungsstangen 33 durch
Finite-Elemente-Berechnung ermittelt
wird.
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7 ist
ein Diagramm und zeigt das Verhältnis
eines jeden Wertes der Kennlinie L, KBY und
KBZ, ermittelt durch die Torsionsfeder 30 entsprechend
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, und LO, KBY und KBZO der herkömmlichen
Torsionsfeder 10, die ermittelt werden, wenn die Breite
der Torsionsfeder 10 allmählich von 10 μm auf 5 μm reduziert
wird.
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Wie
in 7 gezeigt wird, ist, wenn die Summe der Breite
(w) einer jeden Schiene 31 der Torsionsfeder 30 gleich
der Breite (wO) der herkömmlichen Torsionsfeder 10 ist,
mit anderen Worten, wenn bO/2b = 1, die Biegesteifigkeit
in der Richtung der y-Achse der Torsionsfeder 30 der vorliegenden
Erfindung 3,4 Mal so groß wie
die der herkömmlichen
Torsionsfeder 10 (mit anderen Worten: KBY/KBYO = 3,4), und ist die Biegesteifigkeit in
der Richtung der z-Achse der Torsionsfeder 30 1,5 Mal so
groß wie
die der herkömmlichen
Torsionsfeder 10 (mit anderen Worten: KBZ/KBZO = 1,5). Weiterhin ist bO/2b
= 1, das Verhältnis
der Länge
(L) der Torsionsfeder 30 zu der Länge (LO)
der herkömmlichen
Feder 10, gleich 0,86. Dementsprechend nimmt die Biegesteifigkeit KBY und KBZ zu der
Torsionssteifigkeit KT im Vergleich zu der
herkömmlichen
Torsionsfeder 10 zu, wenngleich die Torsionsfeder 30 mit
einer kürzeren
Länge im
Vergleich zu der herkömmlichen
Feder 10 hergestellt wird.
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Wenn
weiterhin bO/2b ≥ 0,78 gilt, ist die Biegesteifigkeit
der Torsionsfeder 30 für
die y-Achse größer als
die Biegesteifigkeit der herkömmlichen
Torsionsfeder 10. Wenn analog dazu bO/2b ≥ 0,9 gilt,
sind sowohl die Biegesteifigkeit für die y-Achse als auch die
Biegesteifigkeit für
die z-Achse der vorliegenden Erfindung größer als die entsprechenden
Biegefestigkeiten der herkömmlichen
Torsionsfeder 10.
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Wenn
andererseits bO/2b = 0,5 gilt, das heißt, wenn
die Breite (wO) der herkömmlichen Torsionsfeder 10 und
die Breite (w) einer der Schienen 31 der Torsionsfeder 30 gleich
sind, ist die Biegesteifigkeit der herkömmlichen Torsionsfeder 10 größer als
die der Torsionsfeder 30. In diesem Fall wird die Länge (LO) der herkömmlichen Torsionsfeder 10 weitaus
kürzer
als die Länge
(L) der Torsionsfeder 30 (ULO =
5). Daher ist die Struktur der herkömmlichen Torsionsfeder 10 aufgrund
der kurzen Länge
und der schmalen Breite sehr instabil. Weiterhin ist die Fähigkeit
der Herstellung einer solchen herkömmlichen Torsionsfeder 10 begrenzt.
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8 ist
ein Diagramm und zeigt das Verhältnis
der Steifigkeit, das sich mit der Änderung der Anzahl der Löcher 40 von
zehn auf eins auf der Grundlage eines Falles, dass die Torsionsfeder 30' ausgebildet
ist, um fünf
Löcher 40 aufzuweisen
(Länge
des Loches 40 LH = 34 μm), wie oben
beschrieben, verändert.
Die horizontale Achse ist das Verhältnis der Länge (L) der Torsionsfeder 30 zu
der Länge
(LH) des Loches 40. Der Grundwert
ist 200 μm/34 μm = 5,88.
Mit steigender Anzahl der Löcher 40 erhöht sich
das Steifigkeitsverhältnis
von der Größenordnung
der Biegesteifigkeit (KBZ) in der Richtung
der z-Achse. Analog dazu erhöhen
sich die Biegesteifigkeit (KBY) in der Richtung
der y-Achse und die Torsionssteifigkeit KT).
Jedoch verändert
sich die Biegesteifigkeit (BZ) in der Richtung
der z-Achse nur wenig.
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Wie
in den 6A und 6B gezeigt
wird, werden die Verbindungsflächen
der Schienen 31 und der Verbindungsstangen 33 vorzugsweise
rund ausgebildet. Wenn die Verbindungsflächen der Schienen 31 und der
Verbindungsstangen 33 winkelig ausgebildet werden, wie
in 3, kann ein Riss erzeugt werden oder eine Spannungskonzentration;
somit können
gerundete Löcher
die Erzeugung von Rissen oder von Spannungskonzentrationen verhindern.
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Wie
in den 7 und 8 gezeigt wird, hat sich als
bevorzugtes Auslegungsbeispiel der Torsionsfeder 30, wenn
das Verhältnis
der Länge
(L) der Torsionsfeder 30 zu der Länge (LH)
des Loches 40 gleich 5,71 ist und die Summe der Breite
(2b) der Torsionsfeder 30 der vorliegenden Erfindung
gleich der Breite (wO) der herkömmlichen
Torsionsfeder 10 ist, die Biegesteifigkeit der Torsionsfeder 30,
die die gleiche Torsionssteifigkeit wie die herkömmliche Torsionsfeder 10 aufweist,
um das 3,4-fache beziehungsweise um das 1,5-fache für die y-Achse
beziehungsweise für
die z-Achse erhöht.
Wenn weiterhin das Verhältnis
der Breite (wO) der herkömmlichen Feder 10 zu
der Summe (2b) der Breite der Torsionsfeder 30 gleich
0,78 ist, ist die Biegesteifigkeit für die Torsion der y-Achse größer als
die der herkömmlichen
Torsionsfeder 10. Wenn das Verhältnis der Breite (wO) der herkömmlichen Feder 10 zu
der Summe (2b) der Breite der Torsionsfeder 30 gleich
0,9 ist, ist die Biegesteifigkeit der Torsion der z-Achse ebenfalls
größer als
im Vergleich zu der der herkömmlichen
Torsionsfeder 10.
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Dementsprechend
weist eine Torsionsfeder 30 bei Aufrechterhaltung der gleichen
Torsionssteifigkeit wie eine herkömmliche ringförmige Torsionsfeder 10 eine
hohe Steifigkeit in einer unerwünschten
Richtung auf. Darüber
hinaus kann durch die Struktur erzeugte Spannung reduziert werden.
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Wie
in 2A gezeigt wird, erfordert die herkömmliche
Torsionsfeder 20 ein komplexeres Fertigungsverfahren, wobei
das Ätzen
einen Block mit darin ausgebildeten vertikalen Löchern ausbildet.