CN102570766A - 磁性致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有板(3)和磁体弓形件的磁性致动器，板绕至少一个第一旋转轴线(4)可旋转地被支承，磁体弓形件设置在板(3)下方，其中，板(3)具有主延伸平面，旋转轴线(4)平行于主延伸平面，板(3)平行于主延伸平面具有至少一个导体回线(10，10a，10b)，磁体弓形件具有U形的、传导磁通的轨(1)和硬磁体(2)，硬磁体的磁化垂直于U形开口，磁体弓形件和板(3)相互对齐，使得磁体弓形件的开口指向板(3)的主延伸平面，U形的、传导磁通的轨(1)具有平行于第一旋转轴线(4)的主延伸方向，板(3)通过对至少一个导体回线(10，10a，10b)的通电能绕至少一个旋转轴线(4)偏转。本发明此外涉及一种具有这样的磁性致动器的微镜以及一种具有至少一个这样的微镜的双镜系统。

Description

磁性致动器
技术领域
本发明涉及一种具有一绕至少一个旋转方向可旋转地被支承的板的磁性致动器。
背景技术
存在各种附件用于磁性地驱动微镜。磁性驱动装置相对于静电式驱动装置的重要优点在于，通过磁性的洛伦兹力在技术上可达到的转矩高于借助静电力可实现的转矩。
在专利文献EP 778657B1中建议一种万向节式悬挂的镜，该镜绕两个旋转轴线、即一个内部和一个外部的旋转轴线可旋转地被支承。这些旋转轴线相互垂直。在两个万向节式悬挂的振动体上为内轴线和外轴线各设有一个线圈。磁场在整个芯片上近似均匀并且具有相对两个旋转轴线的、分别为45°的角度。为了生成磁场，建议两种结构。在第一变型中微镜以45°角度布设在两个硬磁体(永磁体)之间。在第二变型中使用四个具有相反极性的磁体。可供各个轴线使用的有效磁场通过45°角度以因子
Figure BDA0000117044020000011
减小。产生磁场的这两个变型意味着体积非常大的构造。
在文献WO 2005/078509A2中同样建议一种万向节式悬挂的镜，该镜绕两个轴线可旋转地被支承。然而在该装置中为绕两个轴线的驱动设有仅一个线圈。在该线圈上不仅给出低频的准静态的信号而且给出高频的谐振信号。谐振信号通过所谓的“摇摆模式(rocking mode)”激励出内轴线的旋转。
不同极性的永磁体和用于在45°方向上产生磁场的磁通传导层的相对复杂的构造在文献WO 2010/065340A2中公开。垂直于各个轴线的有效磁场同样以因子
Figure BDA0000117044020000012
减小。
在文献DE 102008042346A1中和在EP 1858141 A2中建议一些结构，以便产生垂直于准静态轴线的磁场分量或者说力矩，使得在施加高频交变场时激发出围绕垂直于准静态轴线的轴线4b的谐振运动。
在一个通过洛伦兹力驱动的微镜的该实施方式中实现单向的磁场，这些磁场在芯片表面的平面中延伸。从优选方向的偏离是不完美的实施方案。技术上的努力集中在减小这些不完美的实施方式。为了实现具有尽可能高的单向性的高磁场，所使用的磁体-磁通导体结构体积比较大。
在出版文献“Silicon scanning mirror of two DOF with compensationcurrent routing”；Si-Hong Ahn and Yong-Kweon Kim；J.Micromech.Microeng.14(2004)1455-1461中建议一种径向对称的磁场，以便实现双轴的微扫描器。该径向对称的场通过一个磁体实现，该磁体的磁化方向垂直于芯片平面。该构造由此比较简单，这在制造成本方面是个优点。磁力线的喷泉形的走向含有在芯片平面中延伸的径向分量。仅仅这些分量在技术上是可利用的，而其它分量一部分不可利用，一部分甚至导致不希望的横向力。在该出版文献中证明可利用的磁场强度为0.1T。
在出版文献“Electromagnetic Two-Dimensional Scanner Using RadialMagnetic Field；Chang-Hyeon Ji，Member，IEEE，Moongoo Choi，Sang-CheonKim，Ki-Chang Song，Jong-Uk Bu，Member，IEEE，and Hyo-Jin Nam；JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS，VOL.16，NO.4，AUGUST 2007”中通过两个磁体的结构提高了磁场。中间的圆柱形的磁体在此被一个极性相反的环形磁体包围，该圆柱形的磁体的磁化方向垂直于芯片表面。两个磁体固定在盘形的铁板上，由此磁通量的一部分被引回。通过该结构将可利用的磁场提高直到0.5T。但是该构造与在基于单向磁场工作的扫描器中相似地是费劲的。
在求取微镜的制造价格时要考虑封装。在组装期间磁体的装配在此被当成是非常耗费成本的。尤其是不同极性的磁体的装配由于相互排斥而导致在装配期间的较高的耗费。
如果使用具有一个磁化方向的硬磁体，例如在磁轭的情况下，磁化可以在装配之后进行，这将显著地减小耗费和由此降低成本。
发明内容
所建议的结构的目的是，使悬挂在至少一个弹簧上的板绕至少一个旋转轴线从一个平面中旋转出来。在该板上可以例如设置微镜。力的产生通过洛伦兹力实现。
一方面，为了实现用于这些结构的驱动的足够力，可利用的磁场应当尽可能高。可利用的磁场应当在此尽可能地贴近在整个印制导体上方。为了产生相同的力，较小的磁场必须通过较高的电流、更多的印制导体或者印制导体至旋转轴线的更大距离来补偿，这本身隐含了不同缺点。过高的电流会导致过度的加热，至旋转轴线的过大距离与较大的结构形式是相同的，过大数量的匝提高了内电阻。
另一方面，首先装配成本应当低，因为装配成本占整个价值创造的份额高。因为在插装过程期间磁体的操纵是非常费劲且易受干扰的，所以一定需要的是，仅使用一个磁体，该磁体能够在制造工艺结束时被磁化。
问题的重点是准静态地工作的系统的开发。因为在准静态的偏转时所需的力视系统的品质而定在谐振偏转的数量级之上多个数量级，所以该实现方式根据经验明显更困难。原则上也应当能够通过所建议的磁体驱动装置谐振地激励该结构。
包括磁体在内的整个结构应当具有尽可能小的结构大小。包括磁通导体在内的磁体单元的高度应当位于几个毫米的数量级中。该结构的结构大小和简单度应当能够实现成批的、尤其是在晶片复合体中的制造。
根据本发明为此建议一种具有绕至少一个旋转轴线可旋转地被支承的板的磁性致动器和一种设置在板下方的磁体结构。该磁体结构在此包括一由磁通传导材料制成的U形轨和一硬磁体，该硬磁体位于该轨中并且该硬磁体的磁化方向垂直于轨开口。磁体结构的主延伸方向位于轨的纵向上。该磁体结构在这里被称为磁体弓形件。该板具有主延伸平面。该旋转轴线平行于主延伸平面。板平行于主延伸平面具有至少一个导体回线。磁体结构以轨开口向着板定向，两个主延伸方向相互重合。板通过导体回线的通电而可绕至少一个旋转轴线偏转。
有利地，在根据本发明的结构中，在同时简单且由此成本有利的构造中通过高的磁场强度实现高的驱动转矩。除了使用仅一个具有磁化方向的磁体之外，在这里磁通传导材料的U形轨的制造可容易地且成本有利地大批量实现。
本发明优选地涉及实现单轴的镜。
微镜应当用在移动电话中，在移动电话中存在对磁场敏感的元件例如磁通量闸门罗盘。因此要尽可能在很大程度上减小漏磁场。与已知的设计方案相比，通过带有磁通导体的硬磁体的U形的屏蔽至少在三侧上将磁场降低到非临界的程度。在端侧上仅排出小的磁场，因为磁化方向平行于开口延伸。因此基本上仅保留垂直地从弓形件开口排出的磁场方向。因为漏磁场仅在一个方向上排出，所以可以将漏磁场定位在一个非临界的方向上，在该非临界的方向上不存在敏感的构件。变换地或附加地，可以通过简单的屏蔽将漏磁场降低到可接受的程度。
为了实现最大的转矩，有利的是，首先导体回线具有至旋转轴线的最大距离，其次磁场在该位置上最大。与通过圆形或环形的磁体实现的径向对称的场相比，所建议的结构形式具有可利用的磁场，该磁场在整个长度上在至旋转轴线的距离相同时具有均匀的大的值。尤其由此附加地得到设计自由度。通过该结构的简单延长能够增大转矩。
本发明的其它有利的设计方案写在从属权利要求中。
附图说明
图1a示意地示出现有技术中的、具有可旋转的板的磁轭。
图1b示意地示出现有技术中的具有用于电驱动的导体回线的可旋转的板。
图2a和2b示意地示出根据本发明的磁性致动器的第一实施例，该磁性致动器具有一磁体弓形件和一在一轴线上可旋转的板。
图3示意地示出带有两个导体回线的、在一轴线上可旋转的板。
图4示出在一轴线上可旋转的板在电流流过的导体回线上的力作用的情况下的倾斜。
图5在图表中示出在至旋转轴线的不同距离中在磁体上方的磁通量。
图6示出在敞开侧具有磁通传导块的磁体弓形件。
图7示出根据本发明的磁性致动器，该磁性致动器具有一磁体弓形件并且具有设有中心弹簧悬挂装置的可旋转的板。
图8示出具有根据本发明的磁性致动器和磁通导体屏蔽装置的双镜系统的构造。
具体实施方式
图1a示意地示出一在现有技术中的具有可旋转的板的磁轭。一种在现有技术中已知的结构形成磁轭，能实现用于基于洛伦兹力工作的微镜的磁场30。图1a示出由软磁性磁通导体制成的、具有单一间隙的常规磁轭20。在该间隙中存在一可旋转的板3，镜和一个导体回线位于该板上。如果导体回线被通电，即被电流流过，则在由磁轭产生的单向磁场中一转矩作用在该板上。因为电流方向在轴线的两侧具有不同的方向，所以人们获得一个绕该轴线的相同指向的力矩。图1b为此示意性地示出现有技术中的具有用于电驱动的导体回线10的可旋转的板3。在该板的简单实施方案中，磁轭允许镜绕一轴线4倾斜。该轴线在现有技术中已知的实施方案中准静态地工作。
人们从轭-结构形式出发，由不同的边界条件得到该结构的垂直于旋转轴线的最小宽度。为了使该轭能够承载磁通量，侧臂20的最小壁厚是必须的。为了使磁场在希望的方向上转向，极靴21的一定程度的最小宽度是必须的。为了固定该可旋转的板，需要一个框架。该框架具有一最小宽度，以便保证所需的坚固性。如果必须保护该镜免受腐蚀，或者为了使该镜在谐振运行模式中由于所希望的高品质而在负压中运行，需要一个更宽的框架。为了达到所需的转矩，印制导体至旋转轴线的最小距离是必须的。
图2示意地示出根据本发明的磁性致动器的第一实施例，该磁性致动器具有一磁体弓形件和一在一轴线上可旋转的板。一在芯片平面中、即在板的主平面中轴对称的磁场能够以显著更紧凑的结构形式、例如在磁体弓形件中实现，该板优选由半导体材料、特别优选由硅制成。磁体2位于芯片下方，其磁化方向垂直于芯片表面。该磁体位于由磁通传导材料制成的U形轨1内。磁力线30以两个离散辊的形式延伸远离磁体表面。在xy平面中、即在可旋转的板的主平面中延伸的力线的分量对于z方向上的力是可用的。通过U形轨1的精确形状能够操纵磁力线。为了实现最大的转矩，在xy平面中延伸的力线份额在芯片边缘上最大化，因为印制导体10定位在该区域中，以便实现最大的可能的转矩。图2b补充地、示意性地以俯视图示出磁体弓形件和一通过磁体弓形件产生的轴对称的离散磁场。
为了产生使板3从该平面中旋转出来的转矩，两个印制导体回线实施在该板的关于旋转轴线相对置的半边上并且在颠倒的、即相反的旋转方向上被通电。图3示意性地示出具有两个导体回线的、在一轴线4上可旋转的板。通过两个导体回线10a、10b分别产生一个向上的力和一个关于旋转轴线4相对置地向下的力。
回线10a和10b的端侧20在此不在该板上作用垂直力，因为在这里磁场和电流方向平行地延伸。引回至该板中心的印制导体引起一个力，该力与所希望的垂直地作用在该板上的力起反作用。但是由于至旋转轴线的距离小并且在xy平面中的磁场明显更小，量值是可忽略的。在所建议的由一个轴对称的B场(B-Feld)和板上的两个导体回线组成的结构中总体上与在一个导体回线和一个单向B场时一样得到一个绕轴线4的、在第一级近似中相同大小的转矩。如果两个导体回线在相同的旋转方向上被通电，则端侧20引起一个总转矩，该总转矩绕第二旋转轴线30作用在板上。
所建议的结构的另一个重要优点是与敞开的磁体相比更小的漏磁场。除弓形件的开口的方向之外，磁体通过磁通导体屏蔽，这显著地减小了漏磁场。因为漏磁场仅在一个方向上出现，存在通过精心设计的定向或者通过有针对性的屏蔽使漏磁场的不利作用最小化的可能性。与敞开的磁体相比，弓形件开口的方向上的漏磁场也减小，因为场的大部分已经被引入到磁通导体中。
图4示出在电流流过的导体回线上的力作用下在一轴线上可旋转的板的倾斜。在横截面中示意性地示出在磁场中倾斜的板和力线的走向。可看到的是，力线密度随着至磁体表面的距离的减小而增大，即洛伦兹力随着印制导体至磁体表面的距离减小而上升。
如果取一个具有4mm宽度且绕旋转轴线振动7°的板，则印制导体向上移动约200μm并且在相对置的侧向下移动约200μm。在计算最大偏转点的力时必须从零位出发考虑上方和下方200μm处的场强。所建议的结构的优点在于，在板的靠近磁体的部分上的力的增加比在板的其它部分上的力的减小更强烈。由此，有效的转矩在总体上随着偏转的增加而增加。
图5以图表示出在至旋转轴线的不同距离时磁体上方的磁通。示出了沿着感兴趣的x方向直接在磁体上方和在磁体上方300μm、600μm和900μm的距离上的磁通密度。正负号的变化意味着磁体方向改变。
图6示出一个在敞开侧上具有磁通传导块的磁体弓形件。磁体的上表面上的磁体传导块23增加从极核排出的场强。在力线离开极核的表面上能够实现2特斯拉，因为软磁性材料能够被磁化直至该磁通密度。与之相反，由硬磁性材料制成的永磁体最多能以最大1.4T饱和。通过增加的磁化强度在从材料排出时能够增加印制导体位置上的场强。同时该磁场导致在x方向上的更高的份额，这导致在可旋转的板的平面中的磁场分量增加。
以下计算包含对根据本发明的具有磁体弓形件和可运动的板的磁性致动器的内电阻和最大功率的估计。
IWindung            ＝2＊(4e-3m+2e-3m)                    12e-3m
w＊t               ＝50e-6＊4e-6                          2e-10m2
R      ＝2nrI/wt   ＝2＊5＊1,7e-8Wm＊12e-3m/2e-10m2       10W
F      ＝nIBI      ＝5＊5e-2A＊5e-1T＊4e-3m               +0,5mN
Fgegen ＝nIBI      ＝5＊5e-2A＊0,5e-1T＊4e-3m             -0,05mN
M                 ＝+0,5mN＊3.5e-3m                      1.75μNm
Mgegen            -0,05mN＊0.5e-3m                       -0,025μNm
Wmax/mittel       ＝5e-2A2＊10W                          25/8mW
在以上段落中描述了内电阻和最大功率(在最大角偏差时)的概略计算。这由0.5T的平均磁场出发。还假设具有5匝的铜(Cu)线圈，其中，印制导体的高度假设为4μm并且宽度假设为50μm。对于这些假设，人们对于两个线圈得到10Ω的输入电阻和25mW的最大功率。平均功率为约8mW。
具有磁体弓形件和可运动的板的磁性致动器的所述实施方案可以作为驱动器用于准静态的镜以及用于谐振镜。对于通常在较高频率中工作的谐振镜的设计，必须使用更加刚性的弹簧并且质量或者说惯性矩必须相适配。
产生抵抗板从平面中旋转的反力的弹簧可以构造为不同类型。最简单的形式是扭转弹簧。但是此外也可以使用其它弹簧，例如曲折形弹簧、弯曲弹簧或者渐进式弹簧，只要它们允许板绕轴线4旋转即可。
本发明的一个方面是漏磁场的减小。具有3mm棱边尺寸的敞开磁体在1mm的距离上在其磁化方向上具有约0.5T的漏磁场。通过磁通导体引导磁场，即磁通导体外部的漏磁场被减小。磁体弓形件就此而言是用于减小漏磁场的适当结构，因为其屏蔽了除弓形件的敞开侧之外的所有侧。在单一的磁体弓形件时求得的漏磁场在1mm的距离上在被屏蔽的底部区域中为1mT并且在弓形件的敞开区域上方为20mT。
如在图6中所示，通过磁体2的敞开侧上的一个磁通导体层23能够减小磁力线的排出。磁通导体层23可以整面地或者结构化地涂覆在极核2上。换言之，从磁体的端侧排出的力线被磁通导体块聚集并且在磁体弓形件1的方向上引导。
通过所建议的结构能够在数量级上减小漏磁场。
图7示出根据本发明的具有磁体弓形件且具有可旋转的、带有中心弹簧悬挂装置的板的磁性致动器。可旋转的板3的支承结构的可能形式例如是中心的弹簧悬挂装置40，例如在该实施例中所示那样。这样的中心的弹簧悬挂装置可以设计成使得板3在一个方向上或者在多个方向上的倾斜是可能的。板3例如也通过一个自己的壳体50包围。壳体材料选择成使得其可以被致动器的磁场穿过并且由此可驱动设置在壳体50中的板3继续作倾斜运动或旋转运动。
本发明的一个附加的方面是创造一个具有作为驱动器的致动器的、至少在一轴线上可运动的、可驱动的微镜。为此，在根据本发明的磁性致动器的上述实施例中描述的板3构造为具有镜反射表面的板或者至少在板3的背对磁体弓形件开口的侧上设有镜元件或者布设有镜反射材料。在图7的实施例中在此附加地将壳体50的材料选择为对于要反射的光束是可透过的。
本发明的一个附加的方面是创造一种用于驱动微镜的磁性致动器。图8示出具有根据本发明的磁性致动器和磁通导体屏蔽装置的双镜系统。示出了一个激光器100形式的光源，该光源发出光束110。光束110被第一镜200反射。镜200根据本发明被磁性地驱动并且为此具有一磁体弓形件、一磁性驱动的镜元件220和一磁通导体屏蔽装置230。光束110随后被一受驱动的第二镜300反射。这些可运动的镜反射光束110，使得能够在投影面上绘出一个二维的光图案120。由此可以例如实现一个光学的成像系统或者一个所谓的光学的2D扫描器。
从双镜结构出发，如其在图8中所示，可以减小第一镜的向着磁体弓形件的敞开侧的漏磁场，其方式是一个屏蔽板形式的磁通导体块230固定在相对置的印制电路板400上，在那里有第二镜，该第二镜具有一个垂直于第一镜的旋转轴线的旋转轴线。磁通导体块230阻止例如力线排出到例如对于漏磁场敏感的电子构件500所在的区域中。距离保持装置27阻止磁力导致磁体弓形件和屏蔽装置230的相互吸引。

Claims (9)

1.磁性致动器，具有一板(3)和一磁体弓形件，所述板绕至少一个第一旋转轴线(4)可旋转地被支承，所述磁体弓形件设置在所述板(3)下方，
其中，所述板(3)具有一主延伸平面，
其中，所述旋转轴线(4)平行于所述主延伸平面，
其中，所述板(3)平行于所述主延伸平面具有至少一个导体回线(10，10a，10b)，
其中，所述磁体弓形件具有一U形的、传导磁通的轨(1)和一硬磁体(2)，该硬磁体的磁化垂直于U形开口，
其中，所述磁体弓形件和所述板(3)相互对齐，使得所述磁体弓形件的开口指向所述板(3)的主延伸平面，
其中，所述U形的、传导磁通的轨(1)具有一平行于所述第一旋转轴线(4)的主延伸方向，
其中，所述板(3)通过对所述至少一个导体回线(10，10a，10b)的通电能绕所述至少一个旋转轴线(4)偏转。
2.根据权利要求1所述的磁性致动器，其特征在于，所述板(3)平行于所述主延伸平面具有两个导体回线(10a，10b)，其中，所述板(3)通过所述旋转轴线(4)分开地具有两个在所述主延伸平面中的面区域，一个导体回线(10a)设置在其中一个面区域中并且另一个导体回线(10b)设置在另一个面区域中。
3.根据权利要求2所述的磁性致动器，其特征在于，通过使两个导体回线在相反的方向上通电，在所述可旋转地被支承的板(3)上能产生一绕所述第一旋转轴线(4)的转矩。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的磁性致动器，其特征在于，所述磁体弓形件具有一硬磁体(2)，其中，在所述硬磁体(2)的敞开侧上涂覆有一整面的或一结构化的磁通传导层(23)。
5.根据以上权利要求中任一项所述的磁性致动器，其特征在于，一屏蔽装置(230)通过一距离保持装置(27)固定地设置成与所述磁体弓形件的开口相对，使得向着所述磁体弓形件的敞开侧的漏磁场由此减小。
6.根据以上权利要求中任一项所述的磁性致动器，其特征在于，所述板(3)借助扭转弹簧、曲折形弹簧、弯曲弹簧或渐进式弹簧绕所述至少一个旋转轴线(4)可旋转地被支承。
7.根据以上权利要求中任一项所述的磁性致动器，其特征在于，所述板(3)通过一中心的弹簧悬挂装置(40)固定，该中心的弹簧悬挂装置允许所述板(3)在至少一个方向上倾斜。
8.具有根据权利要求1至7中任一项所述的致动器的微镜，其中，可旋转地被支承的所述板(3)在所述主延伸平面中配设有一镜反射表面或至少在所述板(3)的背对所述磁体弓形件的开口的侧上设有一镜元件或布设有镜反射材料。
9.具有至少一个根据权利要求8的第一微镜和一第二镜的双镜系统，其中，该结构是一2D扫描器，其中，所述第二镜具有一垂直于所述第一微镜的第一旋转轴线(4)的旋转轴线，其中，所述第二镜设置成与所述第一微镜相对，使得照射所述镜的激光束能在两个方向上偏转。
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