JP6608962B2

JP6608962B2 - マイクロマシン式のばねデバイス及びマイクロマシン式のばねデバイスの製造方法

Info

Publication number: JP6608962B2
Application number: JP2017560273A
Authority: JP
Inventors: シュペヒトヘンドリク; プティニャーノマッシミリアーノ; グルツェックヘルムート; プリュッツオッド−アクセル; ンジカムンジモンツィーフレデリク; ムホフイェルク
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-05-18
Filing date: 2016-04-01
Publication date: 2019-11-20
Anticipated expiration: 2036-04-01
Also published as: CN107635909A; CN107635909B; US20180155185A1; DE102015209030A1; US10737930B2; WO2016184594A1; DE102015209030B4; JP2018520892A

Description

本発明は、マイクロマシン式の装置及びマイクロマシン式の装置の製造方法に関する。

背景技術
マイクロマシン式の各振動装置はしばしば共振して作動し、この場合は装置のばねデバイスが共振駆動され、共振周波数で振動する。これにより、例えばマイクロミラー又は別のアクチュエータを、所望の形式で変位させることができる。

国際公開第２００９０３３９１４号には、マイクロマシン式のばねデバイスが記載されている。

発明の開示
本発明は、特許請求項１記載の特徴を有するマイクロマシン式の装置、及び特許請求項１０記載の特徴を有する、マイクロマシン式の装置の製造方法を開示するものである。

これに対応して、本発明の第１の態様に基づき提供されるマイクロマシン式の装置は、ばねデバイスを備えており、該ばねデバイスの少なくとも１つの結合点は、フレームデバイスに可動に結合可能である又は結合されており、前記ばねデバイスは、前記少なくとも１つの結合点を起点として延在している少なくとも１つのウェブを有しており、該少なくとも１つのウェブは構造化されていて、少なくとも１つの第１の部分と、該第１の部分に比べて拡幅された、前記ばねデバイスの非線形性を低減するための拡幅部分とを有している。

幅とは特に、ウェブの延在方向に対して垂直な方向（直線的に形成されたウェブの場合は例えばウェブの長さに対して垂直な方向、曲線的に形成されたウェブの場合は例えば接線方向に対して垂直な方向）における、１つ若しくは複数のウェブの幾何学的な広がりを意味する。

更に、本発明の第２の態様に基づき提供される、マイクロマシン式の装置の製造方法は、少なくとも１つのフレームデバイスに可動に結合可能である又は結合されているばねデバイスを形成するステップを有しており、前記ばねデバイスは、前記フレームデバイスを起点として延在している少なくとも１つのウェブを有しており、該少なくとも１つのウェブは構造化されていて、少なくとも１つの第１の部分と、該第１の部分に比べて拡幅された、前記ばねデバイスの非線形性を低減するための拡幅部分とを有している。

ばねデバイスは、例えばフレームデバイスと一体的に形成されていてもよい、若しくは形成可能であり、これにより、ばねデバイスはフレームデバイスに永続的に結合されることになる。択一的に、ばねデバイスは、フレームデバイスに接合されていてもよい、若しくは接合可能であり、例えば接着又はボンディングされていてもよい、若しくは接着又はボンディング可能である。

発明の利点
本発明の根底を成す認識は、共振するマイクロマシン式の装置の（略してモードとも云われる）振動モードに影響を及ぼすことにより適合されたばね及び質量体の構成に基づき、装置のより小さな非線形性が達成可能である、という点にある。これにより、有利に低減されたモード結合が得られることになる。

低減されたモード結合は特に、結合されたモードスペクトルにおける望ましくない振動モードの固有振動数がずらされて、所望の振動モードの励振時に全く、又は極僅かにしか、例えば５パーセント未満しか一緒に励振されないこと、を意味する。

モード結合が低減された装置は、プロセス誤差、又は変化する環境／取付け条件、又は外部励振の影響を比較的受けにくい。更に、モード結合が低減された装置は、制御技術により比較的簡単且つ／又は比較的安定して制御可能であり得る。

本発明の根底を成す思想は、前記認識を考慮して、モード結合が低減又は回避されるマイクロマシン式の装置を提供することにある。このことは、特に拡幅部分の形態で、特にばねデバイスに設けられる追加質量により達成される。ばねデバイスのウェブの拡幅部分は、各ウェブのその他の部分に比べ、例えば２０パーセント超広幅であり、好適には５０パーセント超広幅であり、特に１００パーセント超広幅である。

モード結合は、例えば非理想的なサイン形状の振動において生じ得る。非理想的なサイン形状の振動は、特に大きな変位を伴って振動する装置において生じ得る。大きな変位は、有利には例えばマイクロマシン式のミラーデバイスに関しては光線を大きく変向させるためのものであり、又は回転速度センサに関しては十分に大きな測定信号を受け取るためのものである。有利には、マイクロマシン式の振動装置の励振には、矩形パルスが用いられる。矩形パルスは、所定の電子機器により小さな手間で提供、制御及び切換が可能である。

特に、非理想的なサイン形状の振動と、励振パルスとしての矩形パルスとが組み合わされることにより、所望の共振周波数ｆの特に整数の倍数ｎ^*ｆ及び／又は整数ｎの逆数１／ｎと所望の共振周波数ｆとの積１／ｎ^*ｆで以て、周波数成分が生ぜしめられる。生じたこれらの周波数成分は、マイクロマシン式の装置に存在するモードが同じ又は極めて近似した周波数を有していると、これらのモードで励振されることになる。不都合に励振されたモードは、マイクロマシン式の装置の機能を損なう恐れがある。

本発明による製造方法は、特に前記各実施形態のうちの１つに基づいたマイクロマシン式の装置の製造に適用可能であり、特にマイクロマシン式の装置及びばねデバイスの前記全ての改良及び変化形に基づいて適合可能である。

フレームデバイスは、マイクロマシン式の装置の、ばねデバイスと結合された又は結合される構成部材として、任意に形成されていてもよい若しくは形成される。

有利な実施形態及び改良は、各従属請求項並びに図面に関する説明から明らかである。

１つの有利な改良において、少なくとも１つの拡幅部分は、ウェブの第１の部分よりも大きな横断面を有している。この横断面は特に、ウェブの延在方向に対して垂直に位置するものを意味する。

別の有利な改良において、少なくとも１つの拡幅部分は、少なくとも部分的に、ウェブにばねデバイス部分として形成された質量デバイスにより形成されている。質量デバイスは特に、追加質量、即ち、ばねデバイスの剛性には全く又は僅かにしか影響を及ぼさないが、ばねデバイスの総質量は増大させる質量体を意味する。僅かな影響は特に、ばねデバイスの剛性、即ちばね弾性が、１０パーセント未満だけ、好適には５パーセント未満だけ、特に好適には２パーセント未満だけ、相対的に変化することを意味する。これにより、ばねデバイスの固有振動の少なくとも１つの周波数をずらすことができる。

質量デバイスは、有利には各ウェブの局所的な曲率最大部に、例えば各ウェブがヘアピンカーブを描いている領域に、即ち１６０°〜２００°だけ、特に１７０°〜１９０°だけ方向転換が行われている領域に配置されていてもよい。

更に別の有利な改良において、質量デバイスは、ばねデバイスの剛性を変化させない。これにより、マイクロマシン式の装置の別の所望の特性が影響を及ぼされることはなくなっている。

更に別の有利な改良において、質量デバイスは、少なくとも部分的に、好適には全体的に、ウェブと一体的に形成されている。これにより、マイクロマシン式の装置を製造する技術的な手間を減らすことができる。択一的に、質量デバイスは、ウェブに接合、例えば接着又はボンディングされてもよく、このことは具体的に構成する際の効率の理由から有利であり得る。

更に別の有利な改良において、ばねデバイスは、それぞれ第１の部分と少なくとも１つの拡幅部分とを備えた少なくとも２つのウェブを有しており、この場合、少なくとも２つのウェブは互いに対称的に形成されている。更に別の有利な改良において、ばねデバイスには、マイクロマシン式の装置のマイクロミラーが結合されている。好適には、マイクロミラーはばねデバイスを介して、マイクロマシン式の装置のフレームデバイスに可動に結合されている。

以下に本発明を、概略図で示した実施例に基づき、より詳細に説明する。
本発明の１つの実施形態によるマイクロマシン式の装置１０を上から見た概略図である。ばねデバイス１１６の例を示した図である。本発明の別の実施形態によるばねデバイス２１６を示す図である。本発明の更に別の実施形態によるばねデバイス３１６を示す図である。本発明の追加的な実施形態によるばねデバイス４１６を示す図である。本発明のもう１つの追加的な実施形態によるばねデバイス５１６を示す図である。

全ての図において、同一の若しくは機能が同一の部材及び装置には、何も言及しない限りは同一符号が付されている。明瞭にするために用いられる方法ステップの番号は、特に何も言及しない限りは特定の時系列を含むものではない。また、特に複数の方法ステップを同時に実施してもよい。

実施例の説明
図１には、本発明の１つの実施形態によるマイクロマシン式の装置１０を上から見た概略図が示されている。

マイクロマシン式の装置１０は、マイクロミラー１２を有しており、マイクロミラー１２の反射表面は、図１では図面奥に向いている。マイクロミラー１２は脚部を有しており、この脚部は、反射表面が形成されているマイクロミラー１２のミラープレートを、固定点１３に結合している。固定点１３は、ばねデバイス１６を介してフレームデバイス１４に結合されている。

詳細には、固定点１３は、ばねデバイス１６の４つのウェブ１８−１，１８−２，１８−３，１８−４（以下短くまとめて１８−ｉと云う）を介してフレームデバイス１４に結合されている。

各ウェブ１８−ｉは、各２つの第１の部分２０−１，２０−２，２０−３，２０−４と、これら２つの第１の部分２０−１，２０−２，２０−３，２０−４の間に配置された各１つの拡幅部分２２−１，２２−２，２２−３，２２−４とを有している。第１の部分２０−１，２０−２，２０−３，２０−４は、以下短く２０−ｉと云う。拡幅部分２２−１，２２−２，２２−３，２２−４は、以下短く２２−ｉと云う。図１に示した装置１０において、拡幅部分はほぼディスク状であり、この場合、対応するディスクの所定の外周領域は、各ウェブ１８−ｉと結合されている。

拡幅部分２２−ｉはそれぞれ、ばねデバイス１６に追加質量を加えている。よって拡幅部分２２−ｉは、質量要素又は追加質量体と云うこともできる。拡幅部分２２−ｉにより、ばねデバイス１６の剛性は全く又は少ししか変化させられない。有利には、拡幅部分２２−ｉは、ばねデバイス１６の固有振動数及び／又は固有振動数スペクトルを変化させて、望ましくない振動モードの固有振動数を、有利にはばねデバイスの望ましい振動モードの固有振動数から離れるようにずらす。

図１では、フレームデバイス１４は、電流を給電可能な電気的なコイルデバイス３６と固定的に結合されている。コイルデバイス３６が、同様にマイクロマシン式の装置１０の構成部材であってもよい永久磁石の磁界内に配置されると、相応にコイルデバイス３６に交流電流が給電されることにより、コイルデバイス３６の共振運動が生ぜしめられ、このコイルデバイス３６の共振運動は、フレームデバイス１４とウェブ１８−ｉと固定点１３とを介して、マイクロミラー１２の共振運動をもたらす。コイルデバイス３６の重量を減らすために、コイルデバイス３６は、このコイルデバイス３６の巻線の内側に、キャビティ３８を備えて形成されている。

マイクロマシン式の装置１０は、コイルデバイス３６の領域において、第１及び第２の伸縮可能なスペーサ３０−１，３０−２を介して、マイクロマシン式の装置１０の周縁部３４と可動に結合されている。マイクロマシン式の装置１０は、フレームデバイス１４の領域において、第３及び第４の伸縮可能なスペーサ３２−１，３２−２を介して、周縁部３４と可動に結合されている。第１〜第４のスペーサ３０−１，３０−２，３２−１，３２−２は、有利にはそれぞれＳ字形に複数回蛇行して形成されている。

フレームデバイス１４、ウェブ１８−ｉ、固定点１３、第１〜第４のスペーサ３０−１，３０−２，３２−１，３２−２、周縁部３４、及びキャビティ３８は、有利には対称軸線Ａに対して軸対称に形成されている。

図２ａに示すばねデバイス１１６の例は、２つのウェブ１１８−１，１１８−２を有しており、２つのウェブ１１８−１，１１８−２は、各ウェブ１１８−１，１１８−２の各１つの結合点１２４を介して、フレームデバイス（図示せず）に結合可能である、又は結合されている。フレームデバイスは、例えば固定手段、質量体、又はアクチュエータであってもよい。ばねデバイス１１６は、２つのウェブ１１８−１，１１８−２間にそれぞれ延在している第１の横方向ウェブ１１９−１と第２の横方向ウェブ１１９−２とを有している。第２の横方向ウェブ１１９−２は、ウェブ１１８−１，１１８−２の各結合点１２４とは反対の側の各端部を互いに結合している。

第１の横方向ウェブ１１９−１は、各ウェブ１１８−１，１１８−２において、各ウェブ１１８−１，１１８−２の両端部間に形成されており、この場合、第１の横方向ウェブ１１９−１は、結合点１２４よりも第２の横方向ウェブ１１９−２の近くに、特に各ウェブ１１８−１，１１８−２の両端部間の中心よりも第２の横方向ウェブ１１９−２の近くに配置されている。ばねデバイス１１６は、好適には第１及び／又は第２の横方向ウェブ１１９−１，１１９−２に対して平行に配置された機能方向Ｒに沿って振動するように形成されている。

図２ｂには、本発明の別の実施形態によるばねデバイス２１６が示されている。このばねデバイス２１６は、前記ばねデバイス１１６の変化形である。

ばねデバイス２１６のウェブ２１８−１，２１８−２並びに第１及び第２の横方向ウェブ１１９−１，１１９−２は、対称軸線Ｓ１に対して軸対称に形成されている。各ウェブ２１８−１，２１８−２は、各結合点１２４から出発して第１の横方向ウェブ１１９−１に向かって、まず各ウェブ２１８−１，２１８−２の狭幅箇所２２０−１，２２０−２まで先細になり、そこから第２の横方向ウェブ１１９−２まで拡幅している。狭幅箇所２２０−１，２２０−２は、屈曲高さとも云う。狭幅箇所２２０−１，２２０−２に対して、ウェブ２１８−１，２１８−２の他の領域は拡幅領域２２２−１，２２２−２，２２２−３，２２２−４を成しており、これらはまとめて２２２−ｉと云う。ウェブ２１８−１，２１８−２の先細部及び／又は拡幅部は、所定の製造方法で用いられるパターンに応じて、特に段階的に形成されていてもよい。

荷重があまり加えられない又は荷重が加えられない箇所に狭幅箇所２２０−１，２２０−２を形成することにより、ばねデバイス２１６の固有振動数を有利にずらすことができる、即ち適合させることができる。場合により相応の形成に伴って生じ得る、機能方向Ｒに沿ったばねの剛性変化は、ばねデバイス２１６の長さ変化により、即ち特にウェブ２１８−１，２１８−２の長さ変化により相殺可能である。これにより、ばねデバイス２１６の剛性変化、即ちばね弾性の変化が付随することなく、ばねデバイス２１６の固有振動数の有利なずれ及び／又はモード結合の低減を達成することができる。

図２ｃには、本発明の更に別の実施形態によるばねデバイス３１６が示されている。このばねデバイス３１６は、前記ばねデバイス２１６の変化形である。ばねデバイス３１６は、最初はばねデバイス２１６と同様に形成されている。但しばねデバイス３１６のウェブ３１８−１，３１８−２は、ばねデバイス２１６とは異なって形成されていて、第２の横方向ウェブ１１９−２が、ウェブ３１８−１，３１８−２の各端部には形成されていない。その代わりにウェブ３１８−１，３１８−２は、第２の横方向ウェブ１１９−２を越えて更に延び、結合点１２４とは反対の側の端部において第３の横方向ウェブ３１９により結合されている。第３の横方向ウェブ３１９もやはり、対称軸線Ｓ１に対して軸対称に形成されている。

結合点１２４と第３の横方向ウェブ３１９との間の領域では、ばねデバイス３１６は、ばねデバイス２１６と同様に形成されている。第２の横方向ウェブ１１９−２と第３の横方向ウェブ３１９との間で、ウェブ３１８−１，３１８−２の幅は、好適には変化していない。

図２ｄには、本発明の追加的な実施形態によるばねデバイス４１６が示されている。このばねデバイス４１６は、前記ばねデバイス２１６の変化形であり、ばねデバイス２１６とは、第２の横方向ウェブ１１９−２の、結合点１２４とは反対の側の縁部に、やはり対称軸線Ｓ１に対して軸対称に形成された追加質量体４２６が配置されている、という点において相違している。追加質量体４２６は、例えば直方体状又はディスク状に形成されていてもよい。

図２ｅには、本発明のもう１つの追加的な実施形態によるばねデバイス５１６が示されている。このばねデバイス５１６は、前記ばねデバイス１１６の変化形であり、ばねデバイス１１６とは、第１のウェブ５１８−１に追加質量体５２６が形成されていて、（その他の点において第１のウェブ５１８−１はばねデバイス１１６の第１のウェブ１１８−１と同様に形成されている）これにより第１のウェブ５１８−１に拡幅部分５２２が生じている、という点において相違している。追加質量体５２６は、例えば直方体状又はディスク状に形成されていてもよい。特に、追加質量体５２６はウェブ５１８−１，５１８−２の対称軸線Ｓ１に対して、非対称的に形成されている。

上で本発明を好適な各実施例に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、多様な形式で変更可能である。特に本発明は、本発明の核心から逸れることなく、種々様々な形式で変化又は変更され得る。

Claims

マイクロマシン式の装置（１０）であって、
ばねデバイス（１６）を備えており、該ばねデバイス（１６）の複数の結合点（２４−ｉ）は、フレームデバイス（１４）に可動に結合可能である又は結合されており、
前記ばねデバイス（１６）は、前記結合点（２４−ｉ）のそれぞれを起点として延在している複数のウェブ（１８−ｉ）を有しており、
該複数のウェブ（１８−ｉ）はそれぞれ、構造化されていて、
延在方向を変える変向部を有するＵ字状の第１の部分（２０−ｉ；２２０−ｉ）と、
該Ｕ字状の第１の部分（２０−ｉ）の幅に比べて拡幅された、前記ばねデバイス（１６）の非線形性を低減するための拡幅部分（２２−ｉ）とを有し、
前記拡幅部分（２２−ｉ）は、前記ウェブ（１８−ｉ）の変向部に設けられていることを特徴とする、マイクロマシン式の装置。
前記少なくとも１つの拡幅部分（２２−ｉ）は、前記第１の部分（２０−ｉ）よりも大きな横断面を有している、請求項１記載の装置。
前記少なくとも１つの拡幅部分（２２−ｉ）は、少なくとも部分的に、前記ウェブ（１８−ｉ）に前記ばねデバイス（１６）の部分として形成された質量デバイス（２６−ｉ）により形成されている、請求項１又は２記載の装置。
前記質量デバイス（２６−ｉ）は、前記ばねデバイス（１６）の剛性を変化させることがない、請求項３記載の装置。
前記質量デバイス（２６−ｉ）は、少なくとも部分的に、前記ウェブ（１８−ｉ）と一体的に形成されている、請求項３又は４記載の装置。
前記質量デバイス（２６−ｉ）は、ディスク状に形成されている、請求項３から５までのいずれか１項記載の装置。
前記ばねデバイス（１６）は、それぞれ前記第１の部分（２０−ｉ）と前記少なくとも１つの拡幅部分（２２−ｉ）とを備えた少なくとも２つのウェブ（１８−ｉ）を有しており、これらの少なくとも２つのウェブ（１８−ｉ）は、対称軸線（Ｓ１）に対して互いに対称的に形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
前記ばねデバイス（１６）には、当該マイクロマシン式の装置（１０）のマイクロミラー（１２）が結合されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
マイクロマシン式の装置（１０）であって、
ばねデバイス（５１６）を備えており、該ばねデバイス（５１６）の複数の結合点（１２４）は、フレームデバイス（１４）に可動に結合可能である又は結合されており、
前記ばねデバイス（５１６）は、前記複数の結合点（１２４）のそれぞれを起点として延在している複数のウェブ（５１８−１，５１８−２）を有しており、
該複数のウェブ（５１８−１，５１８−２）は構造化されていて、前記複数のウェブ（５１８−１，５１８−２）のうちの一方のウェブ（５１８−１；５１８−２）は、延在方向に対して交差する方向に延びる、前記一方のウェブ（５１８−１；５１８−２）から突出した、前記ばねデバイス（５１６）の非線形性を低減するための少なくとも１つの拡幅部分（５２２）を有していることを特徴とする、マイクロマシン式の装置。
前記少なくとも１つの拡幅部分（５２２）は、少なくとも部分的に、前記ウェブ（５１８−１，５１８−２）に前記ばねデバイス（５１６）の部分として形成された直方体状の質量デバイス（５２６）により形成されている、請求項９記載のマイクロマシン式の装置。
マイクロマシン式の装置（１０）の製造方法であって、
フレームデバイス（１４）に、複数の結合点（２４−ｉ）において可動に結合可能である又は結合されているばねデバイス（１６）を形成するステップを有しており、
前記ばねデバイス（１６）は、前記複数の結合点（２４−ｉ）のそれぞれを起点として延在している複数のウェブ（１８−ｉ）を有しており、
該複数のウェブ（１８−ｉ）は構造化されていて、
延在方向を変える変向部を有するＵ字状の第１の部分（２０−ｉ；２２０−ｉ）と、
該Ｕ字状の第１の部分（２０−ｉ）の幅に比べて拡幅された、前記ばねデバイス（１６）の非線形性を低減するための拡幅部分（２２−ｉ；４２６）とを有し、
前記拡幅部分（２２−ｉ；４２６）は、前記ウェブ（１８−ｉ）の変向部に設けられていることを特徴とする、マイクロマシン式の装置（１０）の製造方法。
マイクロマシン式の装置（１０）の製造方法であって、
フレームデバイス（１４）に、複数の結合点（１２４）において可動に結合可能である又は結合されているばねデバイス（５１６）を形成するステップを有しており、
前記ばねデバイス（５１６）は、前記複数の結合点（１２４）のそれぞれを起点として延在している複数のウェブ（５１８−１，５１８−２）を有しており、
該複数のウェブ（５１８−１，５１８−２）は構造化されていて、前記複数のウェブ（５１８−１，５１８−２）のうちの一方のウェブ（５１８−１；５１８−２）は、延在方向に対して交差する方向に延びる、前記一方のウェブ（５１８−１；５１８−２）から突出した、前記ばねデバイス（５１６）の非線形性を低減するための少なくとも１つの拡幅部分（５２２）を有していることを特徴とする、マイクロマシン装置（１０）の製造方法。