DE102005033800B4

DE102005033800B4 - Mikromechanisches optisches Element mit einer reflektierenden Fläche sowie dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102005033800B4
Application number: DE102005033800.3A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Wolter Alexander; Dipl.-Ing. Klose Thomas
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2016-09-15
Anticipated expiration: 2025-07-14
Also published as: CN1896791A; DE102005033800A1; US7369288B2; CN1896791B; US20070017994A1

Abstract

Mikromechanisches optisches Element mit einer reflektierenden Fläche, das mittels elektrostatischer oder elektromagnetischer Kräfte auslenkbar und mittels Federelementen gehalten ist, wobei das auslenkbare Element (1) an sich gegenüberliegenden Seiten mit jeweils mindestens zwei voneinander unabhängigen Federelementen (2) gehalten ist, deren mehrere Angriffspunkte über den Umfang des auslenkbaren Elementes (1) verteilt angeordnet sind, und jeweils ein zentrales in der Rotationsachse ausgerichtetes Federelement (2) vorhanden ist, das jeweils an zwei in einem Abstand zu dieser angeordneten Punkten am Element (1) angreift und jeweils zwei sich gegenüberliegend angeordnete Federelemente (2) miteinander verbunden sind und das auslenkbare Element (1) an seinem äußeren Rand umgreifen, wobei jeweils zwei Angriffspunkte am Element (1) vorhanden sind, die symmetrisch zur orthogonal zur Rotationsachse ausgerichteten Achse angeordnet sind, und die Federelemente (2) unter Berücksichtigung des Abstandes ihrer jeweiligen Angriffspunkte von der Rotationsachse des auslenkbaren Elementes (1) unterschiedliche Federkonstanten aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft mikromechanische optische Elemente mit einer reflektierenden Fläche, die in an sich bekannter Form mittels elektrostatischer oder elektromagnetischer Kräfte ausgelenkt werden können, so dass einfallende elektromagnetische Strahlung in Abhängigkeit der jeweiligen Auslenkung des Elementes reflektiert werden kann. Die erfindungsgemäßen Elemente können vorteilhaft in Ablenkeinheiten für Laser oder Lichtstrahlen, Barcode-Lasern, Projektionsdisplays, Retina Scanning Displays, Lesegeräten für Muster und Bilder, Messgeräte, Laserdrucker oder Direkt-Belichter verwendet werden.
Solche Mikrospiegel werden dabei sowohl translatorisch, als auch rotatorisch ausgelenkt und dann als „Pump- bzw. Kippspiegel” bezeichnet. Die Auslenkung wird dabei mit sehr hoher Frequenz durchgeführt, so dass entsprechende Beschleunigungen auftreten. Da die ausgelenkten Elemente üblicherweise plattenförmig mit unterschiedlicher Umfangsgeometrie ausgebildet sind kommt es infolge ihrer Massenträgheit und der begrenzten Festigkeit und Steifigkeit zu dynamischen Deformationen, die wiederum zu Verformungen der reflektierenden Oberfläche führen. Bei der üblichen Dimensionierung der auszulenkenden Elemente führen aber bereits Verformungen im Nanometerbereich zu einer unerwünschten Beeinflussung des Reflexionsverhaltens.
Dieser negative Einfluss steigt bei Erhöhung der jeweiligen Oszillationsfrequenz an. Dem kann zwar durch Erhöhung der Festigkeit und Steifigkeit eines auslenkbaren Elementes entgegengetreten werden. Eine Erhöhung der Masse ist dabei aber die Folge, so dass zumindest die für die Auslenkung erforderlichen Kräfte erhöht werden müssen.
In 1 ist dabei eine herkömmliche Lösung dargestellt, bei der ein plattenförmiges Element mit zwei gegenüberliegend angeordneten Torsionsfedern gehalten ist und das Element um die Rotationsachse, in der die Torsionsfedern angeordnet sind, hin und her verschwenkt werden kann. In der unteren Darstellung ist schematisch die dynamische Deformation des Elementes an einem Umkehrpunkt der Schwenkbewegung gezeigt. Die reflektierende Fläche wird dabei partiell konvex und konkav verformt, so dass einfallendes Licht entsprechend der Verformung unterschiedlich reflektiert wird.
Die dynamische Deformation kann aber auch mit einer Lösung, wie sie in 2 gezeigt ist nur geringfügig reduziert werden. Diese entspricht im Wesentlichen den in US 2005/0045727 A1 beschriebenen Scannerspiegeln. Dabei soll eine Torsionsbalkenfeder an mehreren Punkten am Spiegel befestigt werden, wobei im konkreten Fall eine Lösung nach 2, mit lediglich zwei Befestigungspunkten, ausgeführt ist. Zusätzlich sollen am Torsionsbalken aber weitere Federelemente entlang seiner Längsachse ausgebildet werden und dort angeordnet sein. Dies erfordert einen erheblichen Fertigungsaufwand, da diese Federelemente sehr klein dimensioniert werden müssen. Eine gezielte Kompensation der am beschleunigten Spiegel massenträgheitsbedingt lokal unterschiedlich wirkender Kräfte und Momente, insbesondere der durch die Torsionsfeder initiierten Rückstellkräfte und -momente, ist so ebenfalls nicht möglich.
Aus DE 199 63 382 A1 ist es bekannt, dass ein Mikrospiegel von zwei sich gegenüberliegenden Seiten mit jeweils zwei parallelen Federelementen gehalten ist.
Eine ähnliche Lösung ist in US 2003/0007262 A1 beschrieben, wobei die Federelemente nicht parallel sondern in einem Winkel zueinander ausgerichtet sind.
Die DE 10 2004 037 833 A1 betrifft Abtastspiegel mit verteilten Gelenken. Dabei können flexible Gelenke mit mehreren Serpentinenfedern gebildet werden.
Auslenkbare Elemente, die um eine Rotationsachse verschwenkbar sind, sind auch aus US 5 661 591 A bekannt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein mikromechanisches optisches Element zur Verfügung zu stellen, das kostengünstig herstellbar ist und ein verbessertes dynamisches Deformationsverhalten erreicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Element, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Verwendungen betrifft der Anspruch 11. Solche Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Bei der Erfindung ist das oszillierend auslenkbare Element, was mittels elektrostatischer oder elektromagnetischer Kräfte in an sich bekannter Weise erfolgt, an sich gegenüberliegenden Seiten mit jeweils mindestens zwei von einander unabhängigen Federelementen gehalten. Die Auslenkung kann translatorisch, bevorzugt aber rotatorisch innerhalb eines vorgebbaren Schwenkwinkelbereiches durchgeführt werden. Im letztgenannten Fall kann dies mittels eines an sich bekannten Kammantriebes elektrostatisch erfolgen.
Dabei sollte mindestens eines dieser Federelemente an mindestens zwei in einem Abstand zueinander angeordneten Punkten angreifen. Dies kann aber auch bei allen Federelementen der Fall sein.
In einer Ausführungsform können aber auch jeweils ein Federelement in einer Achse, die dann die Rotationsachse sein kann, und mindestens zwei weitere Federelemente an mindestens zwei in einem Abstand zueinander angeordneten Punkten am auslenkbaren Element angreifen.
Günstig kann es auch sein, dass die Angriffspunkte von Federelementen äquidistant und/oder symmetrisch angeordnet sind.
Die Angriffspunkte sind aber auch über den gesamten äußeren Umfang verteilt angeordnet, so dass Federelemente auch im Stirnseitenbereich des auslenkbaren Elementes angeordnet sind, der maximal verschwenkt werden kann. So können beispielsweise zusätzlich zur erhöhten Rückstellkraft, die Momente zu einer verbesserten Planarität bzw. Ebenheit der reflektierenden Fläche des auslenkbaren Elementes beitragen.
Federelemente können aber auch an Versteifungselementen, die auf der Rückseite von auslenkbaren Elementen ausgebildet sind, angreifen, so dass die jeweiligen vorteilhaften Wirkungen in Kombination ausgenutzt werden können.
Die Federelementauswahl ist nicht auf Torsionsfedern und ganz besonders nicht auf Torsionsbalkenfedern begrenzt. Es können auch reine Biegefedern und Torsionsbiegefedern allein oder in Kombination eingesetzt werden.
Unter Berücksichtigung der jeweiligen Hebelverhältnisse, also der jeweiligen Abstände der Angriffspunkte von Federelementen am auslenkbaren Element, sollen die einzelnen Federelemente auch unterschiedliche entsprechend angepasste Federkonstanten aufweisen.
In einer Alternative können aber auch sämtliche Angriffspunkte so angeordnet sein, dass kein Angriffspunkt eines Federelementes in der Rotationsachse angeordnet ist
Durch die erfindungsgemäß erreichbare lokale Verteilung der durch die Federelemente am auslenkbaren Element wirkenden Kräfte und Momente kann das Gesamtmoment und insbesondere in Verbindung mit der Anpassung der Federkonstanten bzw. Federsteifigkeiten der eingesetzten Federelemente die dynamische Deformation deutlich reduziert werden.
Außerdem hat sich herausgestellt, dass bei einem erfindungsgemäßen Element Federelemente, die in der Rotationsachse angeschlossen sind, nur einen kleinen Beitrag zum Gesamtrückstellmoment leisten. Es kann also auch auf eine solche Ausbildung verzichtet werden und es sollten dann Angriffspunkte von Federelementen mit geringeren Abständen zur Rotationsachse gewählt werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 ein Beispiel nach dem Stand der Technik, in schematischer Darstellung;
2 eine weiteres Beispiel nach dem Stand der Technik;
3 eine schematische Darstellung eines Beispiels, das nicht zur Erfindung gehört;
4 eine schematische Darstellung eines weiteren nicht unter die Erfindung fallenden Beispiels,
5 ein weiteres nicht erfindungsgemäßes Beispiel in schematischer Darstellung;
6 eine schematische Darstellung eines Beispiels gemäß der Erfindung und
7 ein Beispiel eines nicht erfindungsgemäßen Elementes.
Bei den in den 1 und 2 gezeigten Beispielen nach dem Stand der Technik ist genauso, wie auch bei dem in 3 gezeigten Beispiel, in der unteren Darstellung die jeweilige dynamische Deformation eines durch Verschwenkung ausgelenkten Elementes 1 deutlich.
Bei dem Beispiel nach 3 sind an den beiden sich gegenüberliegenden Seiten eines auszulenkenden Elementes 1, hier mit rechteckiger Gestalt, jeweils fünf Federelemente 2 vorhanden. Ein mittig angeordnetes Federelement 2 ist in der Rotationsachse angeordnet, um die das Element 1 innerhalb eines vorgebbaren Winkelbereiches hin und her verschwenkt werden kann. Es ist als reine Torsionsfeder ausgebildet und greift jeweils nur an einem Punkt am Element 1 an.
Die jeweils vier anderen Federelemente 2 greifen dann immer mit entsprechenden Abständen und Hebelarmen an jeweils zwei Punkten am Element 1 an, wobei symmetrische Verhältnisse in Bezug zur Rotationsachse eingehalten worden sind.
In der unteren Darstellung wird die reduzierte dynamische Deformation deutlich.
Bei dem in 4 gezeigten Beispiel sind an den beiden gegenüberliegenden Seiten eines auslenkbaren Elementes 1 jeweils drei Federelemente 2 angeordnet. Dabei hat das innenliegend angeordnete Federelement 2 zwei Angriffspunkte und die beiden äußeren jeweils einen Angriffspunkt am auslenkbaren Element 1, wobei keiner der Angriffspunkte in der Rotationsachse sondern in einem Abstand zu dieser angeordnet ist. Die Angriffspunkte der äußeren Federelemente 2 sind in jeweils gleichen Abständen zur Rotationsachse angeordnet.
Bei dem in 5 gezeigten Beispiel sind jeweils an den beiden Seiten eines auslenkbaren Elementes 1 fünf Federelemente 2 angeordnet. Das in der Rotationsachse mittig zwischen den anderen Federelementen 2 angeordnete Federelement 2 ist mit einem einzigen Angriffspunkt lediglich eine einfache Torsionsfeder.
Die jeweils vier weiteren Federelemente 2 greifen wieder lediglich jeweils an einem Punkt am Element 2 mit entsprechenden Abständen analog zu den Aussagen, die zu dem Beispiel nach 4 getroffen worden sind, an.
Bei dem in 6 gezeigten Beispiel ist wieder ein zentrales in der Rotationsachse ausgerichtetes Federelement 2 vorgesehen, das jeweils an zwei in einem Abstand zu dieser angeordneten Punkten am Element 1 angreift.
Die beiden weiteren Federelemente 2 bilden quasi einen Halbkreis bzw. sich gegenüberliegende Federelemente 2 sind miteinander verbunden und umgreifen das auslenkbare Element 1 an seinem äußeren Rand. Dabei sind jeweils zwei Angriffspunkte am Element 1 vorhanden, die symmetrisch zur orthogonal zur Rotationsachse ausgerichteten Achse angeordnet sind. In nicht dargestellter Form könnte aber auch lediglich ein Angriffspunkt in dieser Achse angeordnet sein.
Bei dem in 7 gezeigten Beispiel ist ein Federelement 2 als Torsionsfeder in der Rotationsachse angeordnet. Zusätzlich sind bei diesem Beispiel sechs Federelemente 2', als Biegefedern vorhanden, deren Angriffspunkte am auslenkbaren Element 1 jeweils mit gleichen Winkelabständen zueinander und jeweils symmetrisch in Bezug zur Rotationsachse oder der orthogonal zu dieser ausgerichteten Mittenachse des Elementes 1 angeordnet sind.
In 7 ist auch eine mögliche Gestaltungsform für solche Federelemente 2' dargestellt, wobei jedoch auch andere Geometrien möglich sind.
In nicht dargestellter Form könnte beispielsweise auch bei diesem Beispiel auf die Federelemente 2 verzichtet werden und dann eine oszillierende translatorische Auslenkung des Elementes 1 vorgenommen werden.

Claims

Mikromechanisches optisches Element mit einer reflektierenden Fläche, das mittels elektrostatischer oder elektromagnetischer Kräfte auslenkbar und mittels Federelementen gehalten ist, wobei das auslenkbare Element (1) an sich gegenüberliegenden Seiten mit jeweils mindestens zwei voneinander unabhängigen Federelementen (2) gehalten ist, deren mehrere Angriffspunkte über den Umfang des auslenkbaren Elementes (1) verteilt angeordnet sind, und jeweils ein zentrales in der Rotationsachse ausgerichtetes Federelement (2) vorhanden ist, das jeweils an zwei in einem Abstand zu dieser angeordneten Punkten am Element (1) angreift und jeweils zwei sich gegenüberliegend angeordnete Federelemente (2) miteinander verbunden sind und das auslenkbare Element (1) an seinem äußeren Rand umgreifen, wobei jeweils zwei Angriffspunkte am Element (1) vorhanden sind, die symmetrisch zur orthogonal zur Rotationsachse ausgerichteten Achse angeordnet sind, und die Federelemente (2) unter Berücksichtigung des Abstandes ihrer jeweiligen Angriffspunkte von der Rotationsachse des auslenkbaren Elementes (1) unterschiedliche Federkonstanten aufweisen.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, mindestens eines der Federelemente (2) an mindestens zwei Punkten am auslenkbaren Element (1) in einem Abstand zueinander angreift.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Federelement (2) in einer Achse am auslenkbaren Element (1) und mindestens zwei weitere Federelemente (2') in konstanten Abständen dazu am auslenkbaren Element (1) angreifen.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (1) um eine Achse verschwenkbar ist.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auslenkung ein elektrostatischer Kammantrieb vorhanden ist.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Angriffspunkte von Federelementen (2) äquidistant zueinander angeordnet sind.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Angriffspunkte von Federelementen (2) symmetrisch angeordnet sind.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Angriffspunkte von Federelementen (2) an rückseitigen Versteifungselementen des auslenkbaren Elementes (1) angreifen.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (2) als Biegefedern und/oder Biege-Torsionsfedern ausgebildet sind.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass kein Angriffspunkt sämtlicher Federelemente (2) in der Rotationsachse des auslenkbaren Elementes (1) angeordnet ist.
Verwendung eines Elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 10, für Ablenkeinheiten für Laser- oder Lichtstrahlen, in Barcode-Lesegeräten, in Projektionsdisplays, Retina Scanning Displays, Lesegeräten für Muster und Bilder, in Messgeräten, in Laserdruckern oder Direkt-Belichtern.