DE102005034927B4

DE102005034927B4 - Gelenkkonstruktion für eine Mikrospiegelvorrichtung

Info

Publication number: DE102005034927B4
Application number: DE102005034927A
Authority: DE
Inventors: Rogerio Jun Mizuno
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2004-07-26
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2025-07-27
Also published as: US20060018049A1; DE102005034927A1; US7356880B2

Abstract

Gelenkkonstruktion, umfassend:
ein drehbares Plattenelement (11);
ein Rahmenelement (12); und
ein Federelement (12X), das das Plattenelement (11) über zwei auf einer Drehachse (α) liegende Verbindungsstellen so mit dem Rahmenelement (12) verbindet, dass das Plattenelement (11) um die Drehachse (α) bezüglich des Rahmenelementes (12) drehbar ist,
wobei das Federelement (12X) umfasst:
einen ersten axialen Abschnitt (h3) und einen zweiten axialen Abschnitt (h1), wobei ein Ende des ersten axialen Abschnittes (h3) mit dem Rahmenelement (12) und ein Ende des zweiten axialen Abschnittes (h1) mit dem Plattenelement (11) verbunden ist und zwischen dem anderen Ende des ersten axialen Abschnittes (h3) und dem anderen Ende des zweiten axialen Abschnittes (h1) ein vorbestimmter Abstand ausgebildet ist,
einen auf einer Seite der Drehachse (α) angeordneten ersten Zickzack-Abschnitt (K2) und einen auf der anderen Seite der Drehachse (α) angeordneten zweiten Zickzack-Abschnitt (K1), wobei die beiden Zickzack-Abschnitte jeweils zueinander und zur Drehachse...

Description

Die Erfindung betrifft eine Gelenkkonstruktion zum drehbaren Lagern einer Spiegelfläche einer Mikrospiegelvorrichtung, mit der eine Strahlabtastung vorgenommen wird.
Mikrospiegelvorrichtungen finden weitläufige Anwendung in verschiedenen technischen Gebieten, wie in zu Kommunikationszwecken eingesetzten optischen Schaltern, Messinstrumenten, Abtastgeräten etc. Beispielsweise ist in einer Mikrospiegelvorrichtung vom Kapazitätstyp eine Spiegelfläche, die mit einem auf sie fallenden Strahl eine Abtastung vornimmt, mit einer elastischen Gelenkkonstruktion drehbar gelagert, wobei auf einem unter der Spiegelfläche befindlichen Substrat mehrere Elektroden angeordnet sind. Indem Spannung an eine geeignete Elektrode angelegt wird, tritt zwischen dieser Elektrode und der Spiegelfläche eine elektrostatische Anziehung auf, durch welche die Spiegelfläche in eine gewünschte Richtung gekippt wird. In den vergangenen Jahren ist es erforderlich geworden, den Strahlabtastbereich von Mikrospiegelvorrichtungen aufzuweiten, indem die Spiegelfläche um einen größeren Kippwinkel bewegt wird. Aus diesem Grund muss die Federleistung der Gelenkkonstruktion verbessert werden, d. h. es muss dafür gesorgt werden, dass sich die Gelenkkonstruktion mit höherer Flexibilität biegt oder verwindet. Zu diesem Zweck wurden in jüngerer Vergangenheit nicht nur einfache stangenartige Gelenkkonstruktionen, sondern auch andere Arten von Gelenkkonstruktionen vorgeschlagen, wie sie beispielsweise in der japanischen Patentveröffentlichung JP 2003-29172 A beschrieben sind.
Eine Untersuchung herkömmlicher Gelenkkonstruktionen zum Beispiel unter Anwendung der Methode der finiten Elemente ergab, dass sich die Federleistung umgekehrt proportional zur Größe der Gelenkkonstruktion ändert. Beispielsweise muss in einer in der oben genannten Veröffentlichung beschriebenen Gelenkkonstruktion, die durch ein Material, das abwechselnd in Richtungen senkrecht zu einer Achse geknickt ist, gebildet ist und als sogenannte kontinuierlich z-geknickte Gelenkkonstruktion bezeichnet wird, die in Richtung senkrecht zur Drehachse der Spiegelfläche gemessene Abmessung der Gelenkkonstruktion vergrößert werden, um die Federleistung zu verbessern. Jedoch kann eine zu große Bemessung der Gelenkkonstruktion dazu führen, dass die Festigkeit der gesamten Spiegelschicht, in der die Spiegelfläche ausgebildet ist, abnimmt.
Zum Stand der Technik wird ferner auf die CA 2 429 508 A1 und die EP 1 197 779 A2 verwiesen, aus denen Gelenkkonstruktionen mit geknickten Federelementen bekannt sind
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gelenkkonstruktion zum drehbaren Lagern einer Spiegelfläche einer zur Strahlabtastung vorgesehenen Mikrospiegelvorrichtung anzugeben, die bei kleiner Baugröße eine hohe Federleistung erzielt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht, die den Gesamtaufbau einer Mikrospiegelvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
2 eine perspektivische Ansicht, welche die Bestandteile der Mikrospiegelvorrichtung im auseinandergenommenen Zustand zeigt,
3 eine vergrößerte Draufsicht auf eine Spiegelschicht der Mikrospiegelvorrichtung,
4 eine vergrößerte Ansicht, die den Gesamtaufbau der Gelenkkonstruktion in dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,
5A eine Querschnittsansicht eines oberen Substrats der in 2 gezeigten Mikrospiegelvorrichtung längs der diagonalen Linie A-A,
5B eine Unteransicht auf das obere Substrat von der Seite der Spiegelschicht her betrachtet,
5C eine Draufsicht auf das obere Substrat von der Lichteintrittsseite her betrachtet,
6A und 6B Querschnittsansichten, die das Funktionsprinzip der Mikrospiegelvorrichtung erläutern,
7A eine Draufsicht auf die Gelenkkonstruktion des ersten Ausführungsbeispiels mit optimierten Abmessungen,
7B eine Draufsicht auf eine Gelenkkonstruktion eines Vergleichsbeispieles mit optimierten Abmessungen,
8 einen Graphen, der den Zusammenhang zwischen dem Kippwinkel einer Spiegelfläche und der Steuerspannung sowohl für die Gelenkkonstruktion des ersten Ausführungsbeispieles als auch die Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles zeigt, das die gleichen Abmessungen wie die Gelenkkonstruktion des ersten Ausführungsbeispieles hat,
9 einen Graphen, der den Zusammenhang zwischen dem Verdrehungswinkel (d. h. dem Kippwinkel der Spiegelfläche) und dem Drehmoment für das erste Ausführungsbeispiel und das Vergleichsbeispiel zeigt, wenn die Gelenkkonstruktionen des ersten Ausführungsbeispieles und des Vergleichsbeispieles so ausgebildet sind, dass sie gleiche Abmessungen haben,
10 einen Graphen, der den Zusammenhang zwischen der Kraft, die gegen die jeweilige Gelenkkonstruktion in Richtung der Elektroden wirkt, und der Auslenkung der jeweiligen Gelenkkonstruktion in Richtung der Elektroden zeigt,
11 einen Graphen der den Zusammenhang zwischen der Kraft, die gegen die jeweilige Gelenkkonstruktion des ersten Ausführungsbeispieles, eines Referenzbeispiels 1 und eines Referenzbeispiels 2 in Richtung der Elektroden wird, und der Auslenkung der jeweiligen Gelenkkonstruktion in Richtung der Elektroden zeigt,
12A und 12B Frequenzgangfunktionen für die Gelenkkonstruktion des ersten Ausführungsbeispiels,
13A und 13B Frequenzgangfunktionen für die Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles,
14 eine vergrößerte Draufsicht, die eine Spiegelschicht einer Mikrospiegelvorrichtung zeigt, die eine Gelenkkonstruktion nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,
15 eine vergrößerte Darstellung, die den Gesamtaufbau der Gelenkkonstruktion des zweiten Ausführungsbeispiels zeigt,
16A eine Draufsicht auf die Gelenkkonstruktion des zweiten Ausführungsbeispieles mit optimierten Abmessungen,
16B eine Draufsicht auf eine Gelenkkonstruktion nach einem Vergleichsbeispiel mit optimierten Abmessungen,
17 einen Graphen, der den Zusammenhang zwischen dem Kippwinkel einer Spiegelfläche und der Steuerspannung für die Gelenkkonstruktion des zweiten Ausführungsbeispieles und die Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles zeigt, die die gleichen Abmessungen wie die Gelenkkonstruktion des zweiten Ausführungsbeispieles hat,
18 einen Graphen, der den Zusammenhang zwischen dem Verdrehungswinkel (d. h. dem Kippwinkel der Spiegelfläche) und dem Drehmoment für das zweite Ausführungsbeispiel und das Vergleichsbeispiel zeigt, wenn die Gelenkkonstruktionen des zweiten Ausführungsbeispieles und des Vergleichsbeispieles so ausgebildet sind, dass sie gleiche Abmessungen haben,
19 einen Graphen, der den Zusammenhang zwischen der Kraft, die gegen die jeweilige Gelenkkonstruktion in Richtung der Elektroden wird, und der Auslenkung der jeweiligen Gelenkkonstruktion in Richtung der Elektroden zeigt,
20 einen Graphen, der den Zusammenhang zwischen der Kraft, die gegen die jeweilige Gelenkkonstruktion des zweiten Ausführungsbeispieles, eine Referenzbeispieles 3 und eines Referenzbeispieles 4 in Richtung der Elektroden wirkt, und der Auslenkung der jeweilgen Gelenkkonstruktion in Richtung der Elektroden zeigt,
21A und 21B Frequenzgangfunktionen für die Gelenkkonstruktion des zweiten Ausführungsbeispieles und
22A und 22B Frequenzgangfunktionen für die Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles.
Unter Bezugnahme auf die Figuren wird im Folgenden ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail erläutert.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die den Gesamtaufbau einer Mikrospiegelvorrichtung 10 zeigt, die eine erfindungsgemäße Gelenkkonstruktion nach einem ersten Ausführungsbeispiel enthält. 2 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Bestandteile der Mikrospiegelvorrichtung 10 im auseinandergenommenen Zustand zeigt. Die Mikrospiegelvorrichtung nach den 1 und 2 ist eine biaxiale Vorrichtung, die den Spiegel um zwei Achsen drehen kann, nämlich um eine erste Achse (im Folgenden als X-Achse bezeichnet), die in eine erste Richtung (x-Richtung) weist, und eine zweite Achse (im Folgenden als Y-Achse bezeichnet), die in eine zur ersten Richtung senkrechte zweite Richtung (y-Richtung) weist. Eine in 2 gezeigte dritte Richtung (z-Richtung) ist senkrecht zur ersten und zur zweiten Richtung.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, umfasst die Mikrospiegelvorrichtung 10 ein oberes Substrat 2 und ein unteres Substrat 3, die zu einer Schicht-Sandwichstruktur mit einer dazwischenliegenden Spiegelschicht 1 gestapelt sind. Das obere Substrat 2 ist über einen Abstandshalter 4 auf die Spiegelschicht 1 gestapelt. Die Mikrospiegelvorrichtung 10 umfasst demnach von ihrer Lichteintrittsseite her betrachtet das obere Substrat 2, den Abstandshalter 4, die Spiegelschicht 1 und das untere Substrat 3. In der folgenden Beschreibung wird der auf der Lichteintrittsseite liegende Teil der Mikrospiegelvorrichtung 10 als oberer Teil und der andere Teil als unterer Teil bezeichnet.
3 ist eine vergrößerte Draufsicht, die die Spiegelschicht 1 zeigt. Wie in den 2 und 3 gezeigt, umfasst die Spiegelschicht 1 eine in ihrem zentralen Teil angeordnete kreisförmige Spiegelfläche 11, einen ringförmigen Rahmen 12, der den Umfang der Spiegelfläche 11 umgibt, sowie einen äußeren Rahmen 13, der den Rahmen 12 umgibt. Der Rahmen 12 hat ein Paar erste Gelenkkonstruktionen 12X, die in x-Richtung angeordnet sind, sowie ein Paar zweite Gelenkkonstruktionen 12Y, die in y-Richtung angeordnet sind.
Jede erste Gelenkkonstruktion 12X ist mit einem Ende mit der Spiegelfläche 11 verbunden, während sie mit dem anderen Ende mit dem Rahmen 12 verbunden ist. Die ersten Gelenkkonstruktionen 12X halten so die Spiegelfläche 11 drehbar um die X-Achse, die in der x-Richtung liegt. Jede zweite Gelenkkonstruktion 12Y ist mit einem Ende mit dem Rahmen 12 und mit dem anderen Ende mit dem äußeren Rahmen 13 verbunden. Die zweiten Gelenkkonstruktionen 12Y halten so den Rahmen 12 und die Spiegelfläche 11 drehbar um die in der y-Richtung liegende Y-Achse. In 3 sind die X- und die Y-Achse durch gestrichelte Linien (wie auch in 2) dargestellt. Der Schnittpunkt dieser beiden Achsen, d. h. der Mittelpunkt der Spiegelfläche 11, ist mit C1 bezeichnet.
Im Folgenden wird die erste Gelenkkonstruktion 12X im Detail erläutert. 4 ist eine vergrößerte Ansicht, welche die erste Gelenkkonstruktion 12X zeigt, wobei die X-Achse durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Wie in 4 gezeigt, ist die erste Gelenkkonstruktion 12X dadurch ausgebildet, dass ein Federelement in eine vorgeschriebene geometrische Form gebogen ist.
Das Federelement ist so ausgebildet, dass seine Breite W [μm] (vgl. 4) und seine Dicke T [μm] (vgl. 6A) folgende Bedingungen (1) bzw. (2) erfüllen: 2 ≤ W ≤ 4 (1) 7 ≤ T ≤ 13 (2)
In diesem Ausführungsbeispiel ist die erste Gelenkkonstruktion 12X aus einem Federelement gebildet, das eine Breite W von 3 μm und eine Dicke T von 10 μm hat. Indem die erste Gelenkkonstruktion 12X aus einem Federelement gebildet ist, das die Bedingungen (1) und (2) erfüllt, erzielt sie eine hohe Federleistung.
Die aus einem einzelnen Federelement gebildete erste Gelenkkonstruktion 12X wird im folgenden der Einfachheit halber in drei Abschnitte unterteilt, nämlich eine erste geknickte Federstruktur K1, eine zweite geknickte Federstruktur K2 und einen Verbindungs- oder Gelenkabschnitt S. In 4 ist zur Unterscheidung der einzelnen Abschnitte der Verbindungsabschnitt S schraffiert dargestellt.
Die erste Federstruktur K1 entsteht durch mehrmaliges Knicken oder Umbiegen des Federelementes derart, dass dessen Längsrichtung im Wesentlichen parallel zur Drehachse α liegt. Diejenigen Abschnitte in der ersten Federstruktur K1, die parallel zur Drehachse α liegen, werden im Folgenden als parallele Abschnitte h bezeichnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Federelement in einer Zickzack-Anordnung mehrfach orthogonal (rechtwinklig) hin und her geknickt und bildet so die erste Federstruktur K1. Die parallelen Abschnitte h sind demnach längs einer Richtung gruppiert oder ausgerichtet, die parallel zur orthogonalen Achse β liegt. Die parallelen Abschnitte h haben alle die gleiche Länge. In der ersten geknickten Federstruktur K1 sind die beiden parallelen Abschnitte, die von den parallelen Abschnitten h am weitesten außen liegen, als erster bzw. zweiter äußerer paralleler Abschnitt h1 bzw. h2 bezeichnet. Der erste äußere parallele Abschnitt h1 ist auf der Drehachse α angeordnet, wobei ein Ende (d. h. eines der Enden des Federelementes) mit der drehbaren Spiegelfläche 11 verbunden ist. Der in der ersten Federstruktur K1 vorhandene zweite äußere parallele Abschnitt h2 ist am weitesten von der Drehachse α entfernt, und eines seiner Enden ist mit dem Verbindungsabschnitt S verbunden.
Die zweite geknickte Federstruktur K2 weist den gleichen Aufbau wie die erste Federstruktur K1 auf. Jedoch ist die Richtung, längs der die parallelen Abschnitte h in der zweiten Federstruktur K2 gruppiert oder ausgerichtet sind, bezüglich der Drehachse α entgegengesetzt zur Richtung, längs der die parallelen Abschnitte h in der ersten Federstruktur K1 ausgerichtet sind. In der zweiten Federstruktur K2 sind die beiden parallelen Abschnitte, die von den parallelen Abschnitten h am weitesten außen liegen, als dritter bzw. vierter äußerer paralleler Abschnitt h3 bzw. h4 bezeichnet. Der dritte äußere parallele Abschnitt h3 ist auf der Drehachse α angeordnet, wobei eines seiner Enden (das andere Ende des Federelementes) mit dem Rahmen 12 verbunden ist, der nicht drehbar ist. In der zweiten Federstruktur K2 ist der vierte äußere parallele Abschnitt h4 am weitesten von der Drehachse α entfernt, und eines seiner Enden ist mit dem Verbindungsabschnitt S verbunden.
Um die mechanische Beanspruchung oder Spannung, die beim Kippen der Spiegelfläche erzeugt wird, gleichmäßig zu verteilen, sind die durch das Knicken des Federelementes entstehenden Abstände, d. h. die Abstände s zwischen jeweils zwei parallelen, in Richtung der orthogonalen Achse β nebeneinander liegenden Abschnitten h, gleich. Dieser jeweilige Abstand s [μm] ist so bemessen, dass folgende Bedingungen (3) erfüllt sind: 4 ≤ s ≤ 8 (3)
Ist Bedingung (3) erfüllt, so erhält man eine kleine Gelenkkonstruktion, indem die auf die Torsion oder Verdrehung bezogene Federkonstante optimiert wird. In der ersten Gelenkkonstruktion 12X dieses Ausführungsbeispieles ist der Abstand s auf 6 μm eingestellt. In beiden Federstrukturen K1 und K2 ist jeweils der Abstand zwischen zwei benachbarten parallelen Abschnitten h so bemessen, dass die Bedingung (3) erfüllt ist.
Der Verbindungsabschnitt S ist ein geradliniges Segment, das auf und längs der orthogonalen Achse β angeordnet ist. Dadurch ist die gesamte erste Gelenkkonstruktion 12X gut im Gleichgewicht gehalten und weist hohe Leistungsfähigkeit auf. Die beiden Enden des Verbindungsabschnittes S sind mit den jeweiligen Enden des zweiten äußeren parallelen Abschnittes h2 bzw. des vierten äußeren parallelen Abschnittes h4 verbunden, wodurch die geknickten Federstrukturen K1 und K2 miteinander gekoppelt sind.
Um einen Kontakt zwischen der Spiegelfläche 11 und der ersten geknickten Federstruktur K1 zu vermeiden, weist der erste äußere parallele Abschnitt h1 eine Verlängerung auf, die sich um eine vorbestimmte Länge m1 bis zur Spiegelfläche 11 erstreckt, wodurch der erste Abschnitt h1 um diese vorbestimmte Länge m1 länger als die übrigen parallelen Abschnitte h ist. Um einen Kontakt zwischen dem Rahmen 12 und der zweiten geknickten Federstruktur K2 zu vermeiden, weist entsprechend der dritte äußere parallele Abschnitt h3 eine Verlängerung auf, die sich um eine vorbestimmte Länge m1 bis zum Rahmen 12 erstreckt, wodurch der dritte äußere Abschnitt h3 um diese vorbestimmte Länge m1 länger als die übrigen parallelen Abschnitt h ist. Um einen Kontakt zwischen dem Verbindungsabschnitt S und jeder Federstruktur K1, K2 zu vermeiden, haben der zweite und der vierte äußere parallele Abschnitt h2, h4 jeweils eine Verlängerung, die sich um eine vorbestimmte Länge m2 bis zur orthogonalen Achse β erstreckt, wodurch der jeweilige äußere Abschnitte h2 bzw. h4 um diese vorbestimmte Länge m2 länger als die jeweiligen übrigen parallelen Abschnitte h ist.
Die wie oben beschrieben aufgebaute erste Gelenkkonstruktion 12X ist, wie in 4 gezeigt, symmetrisch bezüglich des Mittelpunktes Px geformt. Dadurch weist die erste Gelenkkonstruktion 12X einen weiten Kippwinkelbereich und hohe Festigkeit auf.
Vorstehend wurde die erste Gelenkkonstruktion 12X beschrieben. Die zweite Gelenkkonstruktion 12Y hat den gleichen Aufbau wie die erste Gelenkkonstruktion 12X, wobei zu berücksichtigen ist, dass bei der zweiten Gelenkkonstruktion 12Y der Mittelpunkt Py auf der Y-Achse angeordnet ist und die parallelen Abschnitte h parallel zur Y-Achse liegen.
In einem dem unteren Substrat 3 zugewandten Randabschnitt des äußeren Rahmens 13 ist ein erhabener (konvexer) Teil ausgebildet, der um eine vorbestimmte Strecke gegenüber dem zentralen Teil der Spiegelschicht 1, in dem die Spiegelfläche 11 angeordnet ist, nach unten absteht, wie in den 6A und 6B gezeigt ist. Der erhabene Teil ist an dem äußeren Rahmen 13 ausgebildet, um zwischen der Spiegelfläche 11 und dem unteren Substrat 3 einen vorbestimmten Raum sicherzustellen, der im Folgenden auch als unterer Raum bezeichnet wird.
Die oben beschriebene Spiegelschicht 1 wird hergestellt, indem ein SOI-Wafer (Silicium-auf-Isolator-Wafer) durch Trockenätzen, z. B. reaktives Ionenätzen (RIE) oder durch verschiedene Nassätztechniken bearbeitet wird. Dabei besteht der SOI-Wafer aus drei Schichten, nämlich aus einer aktiven Schicht oder Vorrichtungsschicht (Si), einer Kastenschicht (SiO₂) und einer Handhabungsschicht (Si). Indem auf die Oberfläche der, wie in 3 gezeigt, durch RIE bearbeiteten aktiven Schicht eine Metallschicht (Al, Au etc.) oder mehrere dielektrische Schichten aufgedampft werden, erhält man die Spiegelschicht 1, welche die mit hohem Reflexionsvermögen versehene Spiegelfläche 11 aufweist.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 5A bis 5C das obere Substrat 2 beschrieben. 5A ist eine Querschnittsansicht des in 2 gezeigten oberen Substrats längs der diagonalen Linie A-A. 5B ist eine Unteransicht des oberen Substrats 2, von der Seite der Spiegelschicht 11 her betrachtet. 5C ist eine Draufsicht auf das obere Substrat 2, von der Lichteintrittsseite her betrachtet.
Das obere Substrat 2 wird hergestellt, indem ein Glassubstrat 2a bearbeitet wird, das ausreichend durchsichtig ist, um einen von außerhalb kommenden Strahl auf die Spiegelfläche 11 fallen zu lassen. Wie in den 5A und 5B gezeigt, sind auf einer der Spiegelschicht 1 zugewandten ebenen Fläche 2b des oberen Substrats 2 vier Antriebselektroden T1 bis T4 ausgebildet. Jede Antriebselektrode T1 bis T4 ist als durchsichtige Elektrode, z. B. als Indium-Zinnoxid-Film (ITO-Film) ausgebildet, so dass sie den Einfall des Strahls auf die Spiegelfläche 11 nicht verhindert. Die Antriebselektroden T1 bis T4 sind in Form von Sektoren gleicher Größe ausgebildet. Die erste und die zweite Antriebselektrode T1 und T2 sind bezüglich einer Grenzlinie, die durch den Mittelpunkt C2 des oberen Substrats 2 geht und in y-Richtung verläuft (erste Grenzlinie entsprechend der Y-Achse der Spiegelschicht 1), symmetrisch zueinander angeordnet. Die dritte und die vierte Antriebselektrode T3 und T4 sind bezüglich einer Grenzlinie, die durch den Mittelpunkt C2 geht und in x-Richtung verläuft (zweite Grenzlinie entsprechend der X-Achse der Spiegelschicht 1), symmetrisch zueinander angeordnet. Wie in den 5A und 5C gezeigt, sind auf einer Fläche 2c des oberen Substrats 2, die von der der Spiegelschicht 1 zugewandten Fläche 2b abgewandt ist, eine erste bis vierte Verdrahtungs- oder Anschlusselektrode t1 bis t4 ausgebildet, über die von außerhalb der Mikrospiegelvorrichtung 10 Spannung an die Antriebselektroden T1 bis T4 angelegt werden kann.
Das Glassubstrat 2a ist ferner mit Leiterteilen 2d versehen, welche die Anschlusselektroden t1 bis t4 mit den Antriebselektroden T1 bis T4 elektrisch verbinden. Dabei ist jedes Leiterteil 2d in der Weise ausgebildet, dass in dem Glassubstrat 2a beispielsweise durch Sandstrahlen ein Durchgangsloch erzeugt und dieses Durchgangsloch mit leitendem Material gefüllt wird. Das Ausbilden der Leiterteile 2d durch Sandstrahlen ist lediglich beispielhaft zu verstehen. Es können auch andere Techniken angewandt werden, nach denen die Leiterteile 2d, d. h. die Durchgangslöcher, ausgebildet werden. In der oben beschriebenen Ausführungsform wird also von außerhalb der Mikrospiegelvorrichtung 10 die Spannung über die Leiterteile 2d an die Antriebselektroden T1 bis T4 angelegt.
Das untere Substrat 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel so wie das oben beschriebene obere Substrat 2 ausgebildet. Die gleiche Substratkonfiguration für das obere und das untere Substrat 2, 3 führt zu einer Kostenverringerung und zu einer Steigerung der Montageeffizienz. Außerdem befinden sich unter den Elektroden, die einander über die Spiegelschicht 1, d. h. die Spiegelfläche 11, zugewandt sind, diejenigen, die diagonal bezüglich der X-Achse oder der Y-Achse angeordnet sind, in symmetrischer Beziehung zueinander bezüglich des Mittelpunkts C1 der Spiegelfläche 11. So tritt unabhängig davon, an welche Elektrode eine vorbestimmte Spannung angelegt, im Wesentlichen die gleiche elektrostatische Kraft auf.
Der Abstandshalter 4 dient dazu, einen vorgeschriebenen freien Raum zwischen dem oberen Substrat 2 und der Spiegelschicht 1 sicherzustellen, im Folgenden als ”oberer Raum” bezeichnet. Der Abstandshalter 4 besteht aus Silizium und hat im Wesentlichen die gleiche Höhe wie der oben genannte erhabene Teil 14 der Spiegelschicht 1. Dies bedeutet, dass in der Mikrospiegelvorrichtung 10 gemäß Ausführungsbeispiel der durch den Abstandshalter 4 bereitgestellte obere Raum im Wesentlichen die gleiche Höhe wie der durch den erhabenen Teil 14 bereitgestellte untere Raum hat. So ist die auf die Spiegelfläche 11 wirkende elektrostatische Kraft unabhängig davon, an welche der Elektroden gerade Spannung angelegt wird, im Wesentlichen gleich, und das Anlegen einer Vorspannung verursacht keine Auslenkung oder Verschiebung der Spiegelfläche 11.
Beim Stapeln der Bestandteile 1 bis 4 können verschiedenartige Verbindungstechniken zum Einsatz kommen. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Bestandteile 1 bis 4 durch Anodenverbindung miteinander gekoppelt. Da der Abstandshalter 4 und die Spiegelschicht 1, die beide aus Silizium bestehen, nicht direkt durch Anodenverbindung miteinander gekoppelt werden können, ist zwischen dem Abstandshalter 4 und der Spiegelschicht 1 eine dünne Glasschicht angeordnet, so dass die beide in Rede stehenden Schichten über die Glasschicht durch Anodenverbindung miteinander gekoppelt sind. Dabei wirkt sich der durch die Glasschicht verursachte Fehler in der Höhe des oberen Raums praktisch nicht aus, da die Glasschicht bei weitern dünner als jeder der Bestandteile 1 bis 4 ist.
Werden die Bestandteile 1 bis 4 im letzten Prozessschritt zur Fertigung der Mikrospiegelvorrichtung 10 vakuumverpackt, so ist die Verwendung eines Abstandshalters 4 aus Pyrex-Glas wünschenswert. Teile, die nicht durch Anodenverbindung miteinander gekoppelt werden können, können auch mittels Polyimid-Klebstoffen wie ”Photoneece” miteinander verbunden werden.
Das Funktionsprinzip der oben beschriebenen Mikrospiegelvorrichtung 10 wird im Folgenden an Hand der 6A und 6B beschrieben. Dabei zeigt 6A den Zustand der Mikrospiegelvorrichtung 10 vor Anlegen einer Spannung an die Antriebselektroden T1 bis T4, während 6B den Zustand der Mikrospiegelvorrichtung zeigt, in dem eine vorgeschriebene Spannung an die Antriebselektroden T1 bis T4 angelegt ist. Um die Antriebselektroden T1 bis T4, die an dem oberen Substrat 2 und dem unteren Substrat 3 vorgesehen sind, voneinander zu unterscheiden, werden in den 6A und 6B die Antriebselektroden des oberen Substrats als obere Antriebselektroden T1u bis T4u und diejenigen des unteren Substrats 3 als untere Antriebselektroden T1d bis T4d bezeichnet.
Um die Spiegelfläche 11 um die Y-Achse zu drehen, wird eine vorgeschriebene Spannung (+V) an die untere Antriebelektrode T1d und die obere Antriebselektrode T2u angelegt, wie in 6A gezeigt ist. Durch Anlegen dieser Spannung wird zwischen der Spiegelfläche 11 und jeder Antriebselektrode T1d, T2u eine elektrostatische Kraft (Anziehungskraft) hervorgerufen, die in 6A durch die ausgefüllten Pfeile dargestellt ist und durch die sich die Spiegelfläche 11 und der Rahmen 12 um die Y-Achse drehen, die durch die beiden zweiten Gelenkkonstruktionen 12Y (vgl. 2) gegeben ist, wie in 6B gezeigt ist. Um die Spiegelfläche 11 in eine Richtung, die der in 6B gezeigten Richtung entgegengesetzt ist, um die Y-Achse zu drehen, wird die vorgeschriebene Spannung (+V) an die untere Antriebselektrode T2d und die obere Antriebselektrode T1u angelegt.
Wie oben beschrieben, dreht die Mikrospiegelvorrichtung 10 gemäß Ausführungsbeispiel die Spiegelfläche 11 (den Rahmen 12) um die Y-Achse, indem sie gleichzeitig die gleiche Spannung an das Paar Antriebselektroden T1d, T2u oder an das Paar Antriebselektroden T2d, T1u anlegt, die diagonal bezüglich der Y-Achse angeordnet sind. Die durch das Anlegen der Spannung auf die Spiegelfläche 11 wirkende elektrostatische Kraft stellt im Wesentlichen ein reines Biege- oder Drehmoment dar, wie durch die ausgefüllten Pfeile in 6B angedeutet ist. Die mit der Spiegeldrehung auf die zweiten Gelenkkonstruktionen 12Y und die Spiegelfläche 11 wirkende Belastung kann so verglichen mit einer herkömmlichen Mikrospiegelvorrichtung verringert werden.
Da ferner sowohl das obere Substrat 2 als auch das untere Substrat 3 mit Antriebselektroden versehen sind, wird eine große Elektrodenfläche für die Spiegeldrehung bereitgestellt. Ferner stellen der Abstandshalter 4 und der erhabene Teil 14 der Spiegelschicht 1 ausreichend Räume, nämlich den oberen Raum und den unteren Raum, zur Verfügung. Mit der Mikrospiegelvorrichtung 10 gemäß Ausführungsbeispiel kann deshalb ein großer Kippwinkel erreicht werden, selbst wenn die an jede Elektrode angelegte Spannung vergleichsweise gering ist.
Vorstehend wurde die Funktionsweise der Mikrospiegelvorrichtung 10 beschrieben. Dabei wurde lediglich die Drehung der Spiegelfläche 11 um die Y-Achse beschrieben. Die Drehung der Spiegelfläche 11 um die X-Achse erfolgt im Wesentlichen nach dem gleichen Prinzip, abgesehen von folgenden Punkten. Bei der Drehung um die X-Achse wird die Spannung an ein Paar Antriebselektroden (obere Antriebselektrode T3u und untere Antriebselektrode T4d oder obere Antriebselektrode T4u und untere Antriebselektrode T3d) angelegt, die diagonal bezüglich der X-Achse angeordnet sind. Da die ersten Gelenkkonstruktionen 12X als Drehachse dienen, dreht sich in diesem Fall der Rahmen 12 nicht.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der Mikrospiegelvorrichtung 10, die mit den Gelenkkonstruktionen 12X und 12Y gemäß Ausführungsbeispiel arbeitet, mit einer Mikrospiegelvorrichtung (Vergleichsbeispiel) verglichen, die mit kontinuierlich z-geknickten Gelenkkonstruktionen arbeitet, die jeweils so ausgebildet sind, dass ein den oben angegebenen Bedingungen (1) und (2) genügender lang gestreckter Körper, nämlich das Federelement, abwechselnd in Richtungen senkrecht zur Achse geknickt oder umgebogen wird. In diesem Vergleich wurden die in den Figuren angegebenen, das jeweilige Betriebsverhalten zeigenden Graphen nach der Methode der finiten Elemente berechnet. Im Allgemeinen zielt der Entwurf einer Gelenkkonstruktion (und einer mit dieser Gelenkkonstruktion versehenen Mikrospiegelvorrichtung) darauf ab, ein hohes Leistungsvermögen hauptsächlich hinsichtlich der folgenden vier Eigenschaften zu erzielen: Haltbarkeit und Flexibilität der Gelenkkonstruktion beim Kippen der Spiegelfläche; Auslenken der Gelenkkonstruktion zu den Elektroden hin bei Anlegen einer eine Vorspannung beinhaltenden Spannung an die Elektroden; und Beziehung zwischen den auf die verschiedenen Drehachsen bezogenen Resonanzfrequenzen.
Die Mikrospiegelvorrichtung 10 mit ihrer zwischen dem oberen und dem unteren Substrat 2, 3 angeordneten Spiegelschicht 1 verbessert sowohl die vorstehend genannten vier Eigenschaften als auch die Gelenkkonstruktion selbst. Die in diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Gelenkkonstruktion ist jedoch nicht nur auf die oben beschriebene Mikrospiegelvorrichtung 10 anwendbar. Sie ist vorteilhaft auch auf eine herkömmliche Mikrospiegelvorrichtung anwendbar, die aus einer Spiegelschicht und einem einzigen mit Elektroden versehenen Substrat besteht. Um das hohe Leistungsvermögen der in diesem Ausführungsbeispiel beschriebenen Gelenkkonstruktion selbst deutlich zu machen, wird im Folgenden ein Vergleich angestellt, in dem die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles sowie die Gelenkkonstruktion eines Vergleichsbeispieles auf eine herkömmliche Mikrospiegelvorrichtung angewandt werden, die aus einer Spiegelschicht und einem einzigen mit Elektroden versehenen Substrat besteht. Im Folgenden werden die erfindungsgemäße Konstruktion und die Konstruktion des Vergleichsbeispieles im Hinblick auf jede einzelne der oben genannten vier Eigenschaften verglichen.
Haltbarkeit der Gelenkkonstruktion beim Kippen der Spiegelfläche
Die Haltbarkeit der Gelenkkonstruktion wird im Folgenden anhand eines Vergleichs der Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles mit der Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles untersucht, wobei beide Gelenkkonstruktionen so optimiert sind, dass der Betrag der auf die jeweiligen Elektroden gerichteten Auslenkung minimiert ist. Die 7A und 7B zeigen die optimierten Abmessungen der Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles (vertikale Abmessung (y-Richtung): 147 μm, horizontale Abmessung (x-Richtung): 226 μm) bzw. die optimierten Abmessungen der Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles (vertikale Abmessung: 523 μm, horizontale Abmessung: 280 μm). Sind die Beträge der auf die Elektroden gerichteten Auslenkungen der beiden Gelenkkonstruktionen so optimiert, dass sie im wesentlichen gleich sind, so ist die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles deutlich kleiner als die Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles, wie es in 7A und 7B hervorgeht. Die in den 7A und 7B gezeigte kreisförmige Spiegelfläche hat einen Durchmesser von 500 μm. In den 7A und 7B ist der Einfachheit halber nur die auf eine Achse bezogene Gelenkkonstruktion gezeigt.
Wird die Spiegelfläche um 7,5° um die Drehachse gekippt, so wird für die in 7A gezeigte Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles eine maximale innere mechanische Spannung von 43 MPa und für das in 7B gezeigte Vergleichsbeispiel eine maximale innere mechanische Spannung von 33 MPa erfasst. Richtet man in dieser Weise das Augenmerk auf die innere mechanische Spannung, so scheinen bei der Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles die beim Kippen der Spiegelfläche auftretenden Belastungen kleiner zu sein. Jedoch wird bei der Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles die innere mechanische Spannung gleichmäßig über die ganze Konstruktion erzeugt, während bei der Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles die innere mechanische Spannung lokal an jedem zentralen Abschnitt CL erzeugt wird, der die drehbare Fläche (Spiegelfläche MR) oder die nicht drehbare Fläche mit der Gelenkkonstruktion selbst verbindet. Die Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles wird deshalb leichter beschädigt. Dies bedeutet, dass die Gelenkkonstruktion des Ausführungsbeispieles eine höhere Haltbarkeit aufweist.
Wird die Gelenkkonstruktion in oben beschriebener Weise nach den verschiedenartigen Ätzverfahren hergestellt, so sind die Knickabschnitte und die Verbindungsabschnitte jeder Federstruktur den gleichen Bedingungen ausgesetzt, wenn ihre Kanten durch Ätzen abtragend oder glättend bearbeitet werden. Bei einer Gelenkkonstruktion mit solch bearbeiteten Kanten wird eine Konzentration mechanischer Spannung an den Knickabschnitten vermieden, wodurch die Haltbarkeit verbessert wird.
Flexibilität der Gelenkkonstruktion beim Kippen der Spiegelfläche
8 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Kippwinkel der Spiegelfläche MR und der Steuerspannung sowohl für die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles nach 7A als auch die Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles, das die gleiche Form wie die in 7B gezeigte Konstruktion und die gleichen Abmessungen wie die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles aufweist. In 8 gibt die horizontale Achse die Steuerspannung (Einheit: V) und die vertikale Achse den Kippwinkel der Spiegelfläche MR (Einheit: °) an.
Ferner gibt in 8 die durchgezogene Linie die Eigenschaften für die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles und die gestrichelte Linie die Eigenschaften für die Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles an. Gleiches gilt entsprechend für 9. Wie aus 8 hervorgeht, erzielt man bei einer vorgegebenen Spannung bei der Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles einen weitaus größeren Kippwinkel als bei der Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles. Berechnet man den Kippwinkel in Abhängigkeit der Spannung anhand des in 8 gezeigten Graphen, so ergibt sich für dieses Ausführungsbeispiel einen Wert von etwa 0,04°/V und für das Vergleichsbeispiel einen Wert von etwa 0,01°/V.
9 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Verdrehungs- oder Torsionswinkel (d. h. dem Kippwinkel der Spiegelfläche MR, Einheit: °) und dem Drehmoment (Einheit: μN·μm) für das Ausführungsbeispiel und das Vergleichsbeispiel, wenn die Gelenkkonstruktion des Ausführungsbespieles und die des Vergleichsbeispieles so ausgebildet sind, dass sie gleiche Abmessungen haben. Wie in 9 gezeigt, erhält man in dem Ausführungsbespiel einen vorbestimmten Verdrehungswinkel mit einem geringeren Drehmoment als in dem Vergleichsbeispiel. Berechnet man die Federkonstanten anhand des in 9 gezeigten Graphen, so ergibt sich für das Ausführungsbeispiel eine Federkonstante von etwa 46 μN·μm/° und für das Vergleichsbeispiel eine Federkonstante von etwa 151 μN·μm/°. Dies bedeutet, dass die Federkonstante des Vergleichsbeispieles drei Mal größer als die des Ausführungsbeispieles ist. Die in den 8 und 9 dargestellten Eigenschaften machen deutlich, dass die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles deutlich flexibler als die des Vergleichsbeispiels ist.
Auslenkung der Gelenkkonstruktion in Richtung der Elektroden bei Anlegen der die Vorspannung beinhaltenden Spannung an die Elektroden
Unter Bezugnahme auf 10 wird im Folgenden untersucht, wie sich die Gelenkkonstruktionen dieses Ausführungsbeispieles und des Vergleichsbeispieles im Hinblick auf die Auslenkung der jeweiligen Konstruktion zu den Elektroden hin voneinander unterscheiden. 10 zeigt den Zusammenhang zwischen der Kraft, die auf die jeweilige Gelenkkonstruktion in Richtung der Elektroden wird, und der Auslenkung der jeweiligen Gelenkkonstruktion in Richtung der Elektroden. In 10 bezeichnet die horizontale Achse die wirkende Kraft (Einheit: μN) und die vertikale Achse die Auslenkung (Einheit: μm). In 10 bezieht sich die durchgezogene Linie auf die in 7A gezeigte Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles, die gestrichelte Linie auf das in 7B gezeigte Vergleichsbeispiel und die strickpunktierte Linie auf ein anderes Vergleichsbeispiel, das dahingehend optimiert ist, dass das Verhältnis von vertikaler Abmessung zu horizontaler Abmessung der Gelenkkonstruktion etwa 1:1 beträgt (vertikal: 359 μm, horizontal: 360 μm).
Berechnet man anhand des in 10 gezeigten Graphen die wirkenden Kräfte, die zur Erzielung einer Auslenkung von 1 m benötigt werden, so ergibt sich für das Ausführungsbeispiel ein Wert von 0,958 N/m, für das in 7B gezeigte Vergleichsbeispiel ein Wert von 0,042 N/m und für das andere Vergleichsbeispiel ein Wert von 0,034 N/m. Die Gelenkkonstruktion des Ausführungsbeispieles erfordert demnach eine größere Kraft, um eine vorbestimmte, auf die Elektroden gerichtete Auslenkung zu erzielen. Bei der Gelenkkonstruktion des Ausführungsbeispieles ist also die Auslenkung kleiner als bei den Gelenkkonstruktionen der Vergleichsbeispiele.
11 zeigt für dieses Ausführungsbeispiel, für ein Referenzbeispiel 1 und für ein Referenzbeispiel 2 jeweils den Zusammenhang zwischen der Kraft, die gegen die jeweilige Gelenkkonstruktion in Richtung der Elektroden wirkt, und der Auslenkung der jeweiligen Gelenkkonstruktion in Richtung der Elektroden. Die Gelenkkonstruktion des Referenzbeispieles ist so ausgebildet, dass sie die gleiche vertikale Abmessung (147 μm) wie die des Ausführungsbeispieles hat und eine Struktur aufweist, die das gleiche Drehmoment wie die Gelenkkonstruktion des Ausführungsbeispiel erfordert, um eine vorbestimmte Verdrehung zu erzielen (horizontale Abmessung: 676 μm, 30 Mal geknickt). Die Gelenkkonstruktion des Referenzbeispieles 2 ist so ausgebildet, dass sie die gleiche horizontale Abmessung (226 μm) wie die des Ausführungsbeispieles hat und eine Struktur aufweist, die das gleiche Drehmoment wie die Gelenkkonstruktion des Ausführungsbeispieles erfordert, um eine vorbestimmte Verdrehung zu erzielen (vertikale Abmessung: 703 μm, 10 Mal geknickt). In 11 sind die Eigenschaften der Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles sowie die der Referenzbeispiele 1 und 2 durch die durchgezogene Linie, die gestrichelte Linie bzw. die strichpunktierte Linie angegeben. Berechnet man anhand des in 11 gezeigten Graphen die wirkenden Kräfte, die zum Erzielen einer Auslenkung von 1 m benötigt werden, so ergibt sich für das Referenzbeispiel 1 ein Wert von 0,014 N/m und das Referenzbeispiel 2 ein Wert von 0,038 N/m. Die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles erfordert demnach eine größere Kraft, um eine vorbestimmte Auslenkung in Richtung der Elektroden zu erzielen. Die Auslenkung der Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles ist also kleiner als die in den Referenzbeispielen.
In den 10 und 11 sind auch Auslenkungen von mehr als 50 μm als berechnete Ergebnisse dargestellt. Tritt jedoch in einer realen Mikrospiegelvorrichtung eine Auslenkung von mehr als 30 μm in Richtung der Elektroden auf, so kommt es mit hoher Wahrscheinlichkeit zu Störungen, z. B. dem so genannten Pull-In- oder Mitnahmeeffekt sowie einem Zusammenbruch der Gelenkkonstruktion. Da die Auslenkungen, die in dem in 7B gezeigten Vergleichsbeispiel sowie in den Referenzbeispielen auftreten, sind die entsprechenden Gelenkkonstruktionen ohne praktischen Wert. Dagegen weist die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles ein ausgezeichnetes Leistungsvermögen auf, so dass die vorstehend genannten Störungen vermieden werden.
Beziehung zwischen den auf die verschiedenen Drehachsen bezogenen Resonanzfrequenzen
Die 12A und 12B zeigen Frequenzgangfunktionen für die Gelenkkonstruktion des Ausführungsbeispieles. Die 13A und 13B zeigen Frequenzgangfunktionen für die Gelenkkonstruktion des in 7B gezeigten Vergleichsbeispiels. In den 12A und 13A bezeichnen jeweils die durchgezogene Linie, die gestrichelte Linie und die strichpunktierte Linie die Frequenzgangfunktionen für die Drehung um die X-Achse, die Drehung um die Y-Achse bzw. die Drehung um die Z-Achse, die senkrecht zur X-Achse und zur Y-Achse liegt. In den 12B und 13B bezeichnen jeweils die durchgezogene Linie, die gestrichelte Linie und die strichpunktierte Linie die Frequenzgangfunktion für die Schwingung in der x-Richtung, die Schwingung in der y-Richtung bzw. die Schwingung in der z-Richtung. In den genannten Figuren stellt die horizontale Achse die Frequenz Hz dar, während die vertikale Achse die Verstärkung darstellt, d. h. in den 12A und 13A den Winkel (rad) und in den 12B und 13B die Auslenkung (m).
Wie in den 13A und 13B gezeigt, sind in den Frequenzgangfunktionen für die Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispiels die Resonanzfrequenzen für die Drehungen um die X-, die Y- und die Z-Achse sowie für die Schwingungen in der x-, der y- und der z-Richtung (insbesondere in der y- und der z-Richtung) in einem bestimmten Bereich konzentriert. Wird demnach die Spiegelfläche MR, die mit der Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles gelagert ist, um die X- oder die Y-Achse gedreht, so werden auch die Drehungen um die anderen Achsen sowie die Schwingungen in der x-, der y- und der z-Richtung angeregt. Wird eine Mikrospiegelvorrichtung, die eine Spiegelfläche fein und präzise einstellen muss, so angesteuert, dass sie die Spiegelfläche um eine bestimmte Achse dreht, so die Antriebsfrequenz häufig in einem Frequenzbereich eingestellt, der sich geringfügig von der Resonanzfrequenz der Drehung um diese bestimmte Achse unterscheidet. Bei Verwendung der Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispiels wird also die Mikrospiegelvorrichtung instabil angesteuert, und es ist schwierig, die Spiegelfläche fein und präzise einzustellen.
Dagegen hat die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles die in den 12A und 12B gezeigten Resonanzfrequenzen für die Drehungen um die K-, die Y- und die Z-Achse sowie für die Schwingungen in der x-, der y- und der z-Richtung. Diese Resonanzfrequenzen sind in Relation zu dem Vergleichsbeispiel relativ weit über die X-Achse verteilt. Dementsprechend tritt bei der Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispiel auch nicht das oben für das Vergleichsbeispiel beschriebene Problem auf. Die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles ermöglicht es also, die Spiegelfläche fein und präzise anzusteuern.
Wie die oben beschriebene vergleichende Untersuchung zeigt, weisen die Gelenkkonstruktionen 12X und 12Y dieses Ausführungsbeispieles eine hohe Federleistung auf, auch wenn sie im Vergleich zu den herkömmlichen Konstruktionen klein gebaut sind. Die Gelenkkonstruktionen nehmen deshalb nur einen geringen Teil der Spiegelfläche ein. Wird mit anderen Worten die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles auf die Mikrospiegelvorrichtung angewendet, so ist für die Festigkeit der gesamten Spiegelschicht gesorgt, und die Lebensdauer der gesamten Mikrospiegelvorrichtung wird verlängert.
Im Folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel beschrieben.
14 zeigt eine Draufsicht auf die Spiegelschicht 1 einer Mikrospiegelvorrichtung 10 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie in 14 gezeigt, ist das zweite Ausführungsbeispiel mit Ausnahme der Gelenkkonstruktionen 112X und 112Y wie das erste Ausführungsbeispiel aufgebaut.
Im Folgenden wird die erste Gelenkkonstruktion 112X im Detail beschrieben. Wie in 15 gezeigt, wird die erste Gelenkkonstruktion 112X durch Biegen oder Knicken eines Federelementes in eine vorgeschriebene geometrische Form ausgebildet. Um den konkreten Aufbau der ersten Gelenkkonstruktion 112X zu erläutert, wird im folgenden der Einfachheit halber die in 15 gezeigte Drehachse α mit der in den 2 und 3 gezeigten X-Achse gleichgesetzt. Zudem wird der auf der Drehachse α angeordnete Mittelpunkt des geradlinigen Segments, das von dem Verbindungspunkt der Spiegelfläche 11 mit der ersten Gelenkkonstruktion 112X bis zum Verbindungspunkt des Rahmens 12 mit der ersten Gelenkkonstruktion 112X reicht, als Mittelpunkt der Gelenkkonstruktion 112X betrachtet. Dieser Mittelpunkt ist in 15 mit P bezeichnet. Die Achse, die durch diesen Mittelpunkt P geht und senkrecht zur Drehachse α liegt, bezeichnet eine orthogonale Achse β.
Das Federelement ist so ausgebildet, dass seine Breite W [μm] (vgl. 15) und seine Dicke T [μm] (vgl. 6A) die folgenden Bedingungen (1') bzw. (2') erfüllt: 2 ≤ W ≤ 4 (1') 7 ≤ T ≤ 13 (2')
Die erste Gelenkkonstruktion 112X dieses Ausführungsbeispieles ist aus einem Federelement mit einer Breite W von 3 μm und einer Dicke T von 10 μm gebildet. Indem die erste Gelenkkonstruktion 112X aus einem den Bedingungen (1') und (2') genügenden Federelement gebildet ist, wird eine hohe Federleistung der ersten Gelenkkonstruktion 112X erzielt.
Zur Beschreibung der aus dem einzigen Federelement bestehenden ersten Gelenkkonstruktion 112X wird letztere im Folgenden in 11 Abschnitte unterteilt: nämlich einen ersten zentralen Abschnitt B1, einen zweiten zentralen Abschnitt B2, einen ersten bis fünften Verbindungsabschnitt Si bis S5 sowie einer ersten bis vierten geknickten Federstruktur K1 bis K4. Zur Unterscheidung der jeweiligen Abschnitte sind in 15 die Verbindungsabschnitte Si bis S5 schraffiert dargestellt.
Ein Ende des ersten zentralen Abschnittes B1 (d. h. ein Ende des Federelementes) ist mit der drehbaren Spiegelfläche 11 verbunden. Ferner ist ein Ende des zweiten zentralen Abschnittes B2 (d. h. das andere Ende des Federelementes) mit dem nicht drehbaren Rahmen 12 verbunden. Die zentralen Abschnitte B1 und B2 sind geradlinige Elemente gleicher Länge und auf der Drehachse α angeordnet. Die Verbindungsabschnitte S1 bis S5 koppeln die miteinander zu verbindenden Abschnitte im Wesentlichen orthogonal. Dabei weisen die Verbindungsabschnitte S1 bis S5 jeweils mindestens einen Teil auf, der sich parallel zur orthogonalen Achse β erstreckt.
Die erste und die zweite Federstruktur K1, K2 sind zwischen der orthogonalen Achse β und der Spiegelfläche 11 angeordnet. Die dritte und die vierte Federkonstruktion K3, K4 sind zwischen der orthogonalen Achse β und dem Rahmen 12 angeordnet. Die vier Federstrukturen K1 bis K4 sind bezüglich der Drehachse α oder bezüglich der orthogonalen Achse β im Wesentlichen achsensymmetrisch zueinander angeordnet.
Die vier Federstrukturen K1 bis K4 werden gebildet, indem das Federelement mehrere Male so geknickt oder umgebogen wird, dass die Längsrichtungen der geknickten Abschnitte im Wesentlichen parallel zur Drehachse α liegen. In jeder der vier Federstrukturen K1 bis K4 werden diejenigen Abschnitte, die parallel zur Drehachse α liegen, im Folgenden als parallele Abschnitte h bezeichnet. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Federelement sequentiell rechtwinklig geknickt oder umgebogen, um so die erste geknickte Federstruktur K1 auszubilden. Demnach sind die parallelen Abschnitte h längs einer Richtung parallel zur orthogonalen Achse β gruppiert oder ausgerichtet. Die parallelen Abschnitt h haben alle die gleiche Länge. Von den parallelen Abschnitten h der vier Federstrukturen K1 bis K4 wird derjenige, der der Drehachse α am nächsten ist, als innerer paralleler Abschnitt hi und derjenige, der von der Drehachse α am weitesten entfernt ist, als äußerer paralleler Abschnitt he bezeichnet. Um die beim Kippen der Spiegelfläche auftretende mechanische Spannung gleichmäßig zu verteilen, sind die Abstände, die durch Knicken des Federelementes erzeugt werden, d. h. die Abstände s zwischen zwei in Richtung der orthogonalen Achse β nebeneinander liegenden Abschnitten h, gleich groß. Der jeweilige Abstand s [μm] ist so bemessen, dass er folgende Bedingungen (3') erfüllt: 4 ≤ s ≤ 8 (3')
Durch den Gelenkaufbau gemäß Bedingung (3') ist die auf die Verdrehung bezogene Federkonstante optimiert, wodurch sich eine Gelenkkonstruktion kleiner Baugröße und hoher Federleistung angeben lässt. In der ersten Gelenkkonstruktion 112X dieses Ausführungsbeispieles ist der Abstand s auf 6 μm eingestellt. In allen vier Federstrukturen K1 bis K4 ist jeweils der Abstand zwischen zwei benachbarten parallelen Abschnitten h so bemessen, dass er die Bedingung (3') erfüllt.
Ein Ende des inneren parallelen Abschnittes hi der ersten geknickten Federstruktur K1 ist über den zur orthogonalen Achse β parallelen, ein geradliniges Segment bildenden ersten Verbindungsabschnitt S1 mit einem Ende des ersten zentralen Abschnittes B1 verbunden, nämlich dem Ende des ersten zentralen Abschnittes B1, das von dem mit der Spiegelfläche 11 verbundenen Ende abgewandt ist. Der Abstand s' zwischen dem inneren parallelen Abschnitt hi der ersten Federstruktur K1 und dem ersten zentralen Abschnitt B1 ist so bemessen, dass er die Bedingung (3') erfüllt. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Abstand s' so bemessen, dass er gleich dem Abstand s (6 μm) ist. Der Abstand s' zwischen dem inneren parallelen Abschnitt hi der vierten Federstruktur K4 und dem zweiten zentralen Abschnitt B2 ist in gleicher Weise festgelegt.
Ein Ende des äußeren parallelen Abschnittes he der ersten Federstruktur K1 ist durch den zweiten Verbindungsabschnitt S2 mit einem Ende des inneren parallelen Abschnittes hi der zweiten Federstruktur K2 verbunden. Um einen Kontakt mit der ersten Federstruktur K1 zu vermeiden, ist der zweite Verbindungsabschnitt S2 wie folgt geformt: Die Längsrichtung des zweiten Verbindungsabschnittes S2 ist parallel zur orthogonalen Achse β. Der zweite Verbindungsabschnitt S2 hat an seinen beiden Enden jeweils eine Verlängerung, die sich vom jeweiligen Ende des zweiten Verbindungsabschnittes S2 um eine vorbestimmte Länge m1 parallel zur Drehachse α erstreckt.
Ein Ende des äußeren parallelen Abschnittes he der zweiten Federstruktur K1 ist durch den dritten Verbindungsabschnitt S3 mit einem Ende des äußeren parallelen Abschnittes he der dritten Federstruktur K3 verbunden. Um einen Kontakt mit den Verbindungsabschnitten S2 und S4 und den Federstrukturen K1 bis K4 zu vermeiden, ist der dritte Verbindungsabschnitt S3 wie folgt geformt: Der dritte Verbindungsabschnitt S3 hat einen Teil in Form eines linearen Segmentes, der auf und entlang der orthogonalen Achse β angeordnet ist, sowie zwei Verlängerungen, die sich jeweils von einem der beiden Enden des vorstehend genannten Teils parallel zur Drehachse α erstrecken; diese beiden Verlängerungen erstrecken sich in entgegengesetzter Richtung und sind jeweils so ausgebildet, dass sie eine Länge m2 aufweisen, die länger als m1 ist. Außerdem sorgt das auf und entlang der orthogonalen Achse β angeordnete geradlinige Segment vorteilhaft dafür, dass das Gleichgewicht der gesamten Gelenkkonstruktion 12X gehalten sowie deren Federleistung gewährleistet ist.
Ein Ende des inneren parallelen Abschnittes hi der dritten Federstruktur K3 ist durch den vierten Verbindungsabschnitt S4 mit einem Ende des äußeren parallelen Abschnittes he der vierten Federstruktur K4 verbunden. Um einen Kontakt mit der vierten Federstruktur K4 und dem dritten Verbindungsabschnitt S3 zu vermeiden, ist der vierte Verbindungsabschnitt S4 wie folgt geformt: Die Längsrichtung des vierten Verbindungsabschnittes S4 ist parallel zur orthogonalen Achse β, und der vierte Verbindungsabschnitt S4 hat zwei Verlängerungen, die sich jeweils von dem zugehörigen der beiden Enden des vierten Verbindungsabschnittes S4 um eine vorbestimmte Länge m3 parallel zur Drehachse α erstrecken. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Länge m3 gleich der Länge m1 gewählt, um das Gleichgewicht der gesamten ersten Gelenkkonstruktion sowie deren Federleistung vorteilhaft zu gewährleisten.
Ein Ende des inneren parallelen Abschnittes hi der vierten Federstruktur K4 ist durch den geradlinigen fünften Verbindungsabschnitt S5, der parallel zur orthogonalen Achse β ist, mit einem Ende des zweiten zentralen Abschnittes B2 verbunden, genauer gesagt mit demjenigen Ende, das von dem mit dem Rahmen 12 verbundenen Ende des zweiten zentralen Abschnitts B2 abgewandt ist.
Der Abstand zwischen dem ersten Verbindungsabschnitt S1 und der orthogonalen Achse β und der Abstand zwischen den der orthogonalen Achse β nahen Knickpunkten der ersten und der zweiten Federstruktur K1, K2 und der orthogonalen Achse β sind gleich. Entsprechend sind der Abstand zwischen dem fünften Verbindungsabschnitt S5 und der orthogonalen Achse β und der Abstand zwischen den der orthogonalen Achse β nahen Knickpunkten der dritten und der vierten Federstruktur K3, K4 und der orthogonalen Achse β gleich. Ferner sind die Abstände zwischen Teilen der ersten und der zweiten Verbindungsabschnitte S1 und S2, die parallel zur orthogonalen Achse β liegen, zwischen Teilen des zweiten und des dritten Verbindungsabschnittes S2 und S3, die parallel zur orthogonalen Achse β liegen, zwischen Teilen des dritten und des vierten Verbindungsabschnittes S3 und S4, die parallel zur orthogonalen Achse β liegen, sowie zwischen Teilen des vierten und des fünften Verbindungsabschnittes S4 und S5, die parallel zur orthogonalen Achse β liegen, gleich groß bemessen. In diesem Ausführungsbeispiel sind all diese Abstände auf 6 μm eingestellt.
Ferner sind in jeder der Federstrukturen K1 bis K4 die Abstände zwischen den auf der Seite der Spiegelfläche 11 oder der Seite des Rahmens 12 liegenden Knickpunkte und der orthogonalen Achse β gleich groß.
Die erste Gelenkkonstruktion 112X mit dem in 15 gezeigten Aufbau hat eine zum Mittelpunkt P symmetrische Form. Diese Gestaltung sorgt dafür, dass die erste Gelenkkonstruktion 112X einen weiten Kippwinkelbereich sowie hohe Festigkeit aufweist.
Vorstehend wurde die erste Gelenkkonstruktion 112X beschrieben. Die zweite Gelenkkonstruktion 112Y hat den gleichen Aufbau wie die erste Gelenkkonstruktion 112X, abgesehen davon, dass bei der zweiten Gelenkkonstruktion 112Y die zentralen Abschnitte B1 und B2 längs der Y-Achse angeordnet sind und die parallelen Abschnitte h parallel zur Y-Achse liegen.
Die Mikrospiegelvorrichtung, die mit den Gelenkkonstruktionen des zweiten Ausführungsbeispieles arbeitet, gleicht der mit den Gelenkkonstruktionen des ersten Ausführungsbeispieles arbeitenden Mikrospiegelvorrichtung im Hinblick auf grundlegenden Aufbau, Herstellungsverfahren und Funktionsweise.
Im folgenden wird das Leistungsvermögen der mit den Gelenkkonstruktionen 112X und 112Y dieses Ausführungsbeispieles arbeitenden Mikrospiegelvorrichtung 10 mit dem einer Mikrospiegelvorrichtung (Vergleichsbeispiel) verglichen, die mit Gelenkkonstruktionen arbeitet, die jeweils dadurch ausgebildet werden, dass ein Federelement entsprechend den oben genannten Bedingungen (1') und (2') in Richtungen, die orthogonal zu einer Achse liegen, geknickt wird. In diesem Vergleich wurden die jeweiligen Leistungseigenschaften unter Anwendung der Methode der finiten Elemente berechnet. Im Allgemeinen wird eine Gelenkkonstruktion (und eine mit dieser Gelenkkonstruktion ausgestattete Mikrospiegelvorrichtung) so entworfen, dass sie hauptsächlich im Hinblick auf die folgenden vier Eigenschaften ein gutes Leistungsvermögen zeigt: Haltbarkeit und Flexibilität der Gelenkkonstruktion beim Kippen der Spiegelfläche; Auslenkung der Gelenkkonstruktion in Richtung der Elektroden bei Anlegen einer eine Vorspannung beinhaltenden Spannung an die Elektroden; und Beziehung zwischen den auf die verschiedenen Drehachsen bezogenen Resonanzfrequenzen.
Die oben beschriebene Struktur der Mikrospiegelvorrichtung 10 mit ihrer zwischen dem oberen und dem unteren Substrat 12,3 angeordneten Spiegelschicht 1 sorgt für eine Verbesserung der vorstehend genannten vier Eigenschaften sowie für eine Verbesserung der Gelenkkonstruktion selbst. Die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles ist jedoch nicht nur auf eine Mikrospiegelvorrichtung mit oben angegebenem Aufbau anwendbar. Sie kann auch auf eine herkömmliche Mikrospiegelvorrichtung angewandt werden, die aus einer Spiegelschicht und einem einzigen mit Elektroden versehen Substrat besteht. Um das hohe Leistungsvermögen, das durch die in diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Gelenkkonstruktion selbst erzielt wird, deutlich zu machen, wird in dem folgenden Vergleich davon ausgegangen, dass die Gelenkkonstruktionen dieses Ausführungsbeispieles und eines Vergleichsbeispieles jeweils auf eine herkömmliche Mikrospiegelvorrichtung angewandt werden, die aus einer Spiegelschicht und einem einzigen mit Elektroden versehenen Substrat besteht. Der Vergleich zwischen der Erfindung und dem Vergleichsbeispiel wird im Folgenden für jede der oben genannten vier Eigenschaften angestellt.
Haltbarkeit der Gelenkkonstruktion beim Kippen des Spiegels
Im Folgenden wird die Haltbarkeit der Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles mit der Haltbarkeit der Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles verglichen, wobei davon ausgegangen wird, dass beide Gelenkkonstruktionen dahingehend optimiert sind, dass die Auslenkungen in Richtung der jeweiligen Elektroden minimiert sind. Die 16A und 16B zeigen die optimierten Abmessungen für die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles (vertikale Abmessung (y-Richtung): 147 μm, horizontale Abmessung (x-Richtung): 148 μm) bzw. die optimierten Abmessungen für die Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles (vertikale Abmessung: 523 μm, horizontale Abmessung: 280 μm). Wie in den 16A und 16B gezeigt, ist für den Fall, dass die Auslenkungen der beiden Gelenkkonstruktionen in Richtung der Elektroden auf weitgehend gleiche Werte optimiert sind, die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles beträchtlich kleiner als die Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles. Dabei ist die kreisförmige Spiegelfläche MR, die in den 16A und 16B gezeigt ist, so gestaltet, dass sie einen Durchmesser von 500 μm hat. Der Einfachheit halber ist in den 16A und 16B jeweils nur die auf eine Achse bezogene Gelenkkonstruktion gezeigt.
Wird die Spiegelfläche um einen Winkel von 7,5° um die Drehachse gekippt, so wird für die innere mechanische Spannung der in 16A gezeigten Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles ein Wert von 83 MPa und für das in 16B gezeigte Vergleichsbeispiel ein Wert von 33 MPa erfasst. Legt man auf die innere mechanische Spannung das Augenmerk in dieser Weise, so scheinen die beim Kippen der Spiegelfläche MR auftretenden Belastungen bei der Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles geringer zu sein. Jedoch wird bei der Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles die innere mechanische Spannung im wesentlichen gleichmäßig über die gesamte Konstruktion erzeugt, während bei der Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispiels die innere mechanische Spannung lokal an dem jeweiligen zentralen Abschnitt CL auftritt, der die drehbare Fläche (Spiegelfläche MR) oder die nicht drehbare Fläche mit der Gelenkkonstruktion selbst verbindet. Die Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles wird so leichter beschädigt. Demnach hat die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles eine höhere Haltbarkeit.
Wird die Gelenkkonstruktion in oben beschriebener Weise nach den verschiedenartigen Ätzverfahren hergestellt, so sind die Knickabschnitte und die Verbindungsabschnitte jeder Federstruktur den gleichen Bedingungen ausgesetzt, wenn ihre Kanten durch Ätzen abtragend oder glättend bearbeitet werden. Bei einer Gelenkkonstruktion mit solch bearbeiteten Kanten wird eine Konzentration mechanischer Spannung an den Knickabschnitten vermieden, wodurch die Haltbarkeit verbessert wird.
Flexibilität der Gelenkkonstruktion beim Kippen der Spiegelfläche
17 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Kippwinkel der Spiegelfläche MR und der Steuerspannung für die in 16A gezeigte Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles und die Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles, die die in 16B gezeigte Form hat und die gleichen Abmessungen wie die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles aufweist. In 17 gibt die horizontale Achse die Steuerspannung (Einheit: V) und die vertikale Achse den Kippwinkel der Spiegelfläche MR (Einheit: °) an. In 17 zeigt die durchgezogene Linie die Eigenschaften für die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles und die gestrichelte Linie die Eigenschaften für die Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles. Entsprechendes gilt für 18. Wie aus 17 hervorgeht, erhält man mit einer vorbestimmten Spannung bei der Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles einen weitaus größeren Kippwinkel als bei der Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles. Berechnet man anhand des in 17 gezeigten Graphen die Kippwinkel in Abhängigkeit der Spannung, so ergibt sich für dieses Ausführungsbeispiel ein Wert von etwa 0,04°/V und für das Vergleichsbeispiel ein Wert von etwa 0,007°/V.
18 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Verdrehungswinkel (d. h. dem Kippwinkel der Spiegelfläche MR, Einheit: °) und dem Drehmoment (Einheit: μm μm) für das Ausführungsbeispiel und das Vergleichsbeispiel, wenn die jeweiligen Gelenkkonstruktionen so ausgebildet sind, dass sie gleiche Abmessungen haben. Wie aus 18 hervorgeht, erhält man in diesem Ausführungsbeispiel einen vorbestimmten Drehwinkel mit einem geringeren Drehmoment als in dem Vergleichsbeispiel. Berechnet man die Federkonstanten anhand des in 18 gezeigten Graphen, so ergibt sich für dieses Ausführungsbeispiel ein Wert von etwa 46 μm μm/° und für das Vergleichbeispiel ein Wert von 242 μm μm/°. Dies bedeutet, dass die Federkonstante in dem Vergleichsbeispiel 5 Mal größer als in diesem Ausführungsbeispiel ist. Die beiden aus den 17 und 18 hervorgehenden Eigenschaften machen deutlich, dass die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles bei weitem flexibler als die des Vergleichsbeispieles ist.
Auslenkung der Gelenkkonstruktion in Richtung der Elektroden bei Anwendung einer eine Vorspannung beinhaltenden Spannung an die Elektroden
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 19 ein Vergleich dahingehend angestellt, wie unterschiedlich die Gelenkkonstruktionen dieses Ausführungsbeispieles und des Vergleichsbeispieles in Richtung der Elektroden ausgelenkt werden. 19 zeigt den Zusammenhang zwischen der Kraft, die gegen die jeweilige Gelenkkonstruktion in Richtung der Elektroden wirkt, und der Auslenkung der jeweiligen Gelenkkonstruktion in Richtung der Elektroden. In 19 bezeichnet die horizontale Achse die wirkende Kraft (Einheit: μN) und die vertikale Achse, die Auslenkung (Einheit: μm). Ferner zeigen in 19 die durchgezogene Linie, die gestrichelte Linie und die strichpunktierte Linie die Eigenschaften der in 16 angezeigten Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles, der in 16B gezeigten Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles bzw. der Gelenkkonstruktion eines anderen Vergleichsbeispieles, das dahingehend optimiert ist, dass das Verhältnis von vertikaler Abmessung zu horizontaler Abmessung dieser Gelenkkonstruktion im wesentlichen 1:1 ist (vertikal: 359 μm, horizontal 360 μm).
Berechnet man anhand des in 19 gezeigten Graphen die wirkenden Kräfte, die für eine Auslenkung von 1 m benötigt werden, so ergibt sich für dieses Ausführungsbeispiel ein Wert von 1,018 N/m, für das in 16B gezeigte Vergleichsbeispiel ein Wert von 0,042 N/m und für das andere Vergleichsbeispiel ein Wert von 0,034 N/m. Die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles erfordert demnach eine größere Kraft, um eine vorbestimmte Auslenkung in Richtung der Elektroden zu erzielen. Deshalb ist die Auslenkung der Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles kleiner als in den Vergleichsbeispielen.
20 zeigt den Zusammenhang zwischen der Kraft, die gegen die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles, eines Referenzbeispieles 3 sowie eines Referenzbeispieles 4 in Richtung der Elektroden wirkt, und der Auslenkung der jeweiligen Gelenkkonstruktion in Richtung der Elektroden. Die Gelenkkonstruktion des Referenzbeispieles 3 ist so ausgebildet, dass sie die gleiche vertikale Abmessung (147 μm) wie die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles hat und eine Struktur aufweist, die das gleiche Drehmoment wie die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles erfordert, um eine vorbestimmte Verdrehung zu erzielen Horizontalabmessung: 676 μm, 35 Mal geknickt). Die Gelenkkonstruktion des Referenzbeispieles 4 ist so ausgebildet, dass sie die gleiche horizontale Abmessung (148 μm) wie die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles hat und eine Struktur aufweist, die das gleiche Drehmoment wie die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles erfordert, um eine vorbestimmte Verdrehung zu erzielen (vertikale Abmessung: 1228 μm, 10 Mal geknickt). In 20 sind die Eigenschaften der Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles sowie die der Referenzbeispiele 3 und 4 durch die durchgezogene Linie, die gestrichelte Linie bzw. die strichpunktierte Linie angegeben. Berechnet man anhand des in 20 gezeigten Graphen die zur Erzielung einer Auslenkung von 1 m erforderlichen Kräfte, so erhält man für das Referenzbeispiel 3 einen Wert von 0,014 N/m und für das Referenzbeispiel 4 einen Wert von 0,018 N/m. Die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles erfordert demnach eine größere Kraft, um eine vorbestimmte Auslenkung in Richtung der Elektroden zu erzielen. Die Auslenkung der Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles ist deshalb kleiner als die der Referenzbeispiele.
In den 19 und 20 ergeben sich als berechnete Ergebnisse auch Auslenkungen von mehr als 50 μm. Tritt jedoch in einer tatsächlich eingesetzten Mikrospiegelvorrichtung eine Auslenkung von mehr als 30 μm in Richtung der Elektroden auf, so kommt es mit hoher Wahrscheinlichkeit zu Störungen, wie z. B. dem so genannten Mitnahmeeffekt oder einem Zusammenbruch der Gelenkkonstruktion. Die in dem Vergleichsbeispiel nach 16B und den Referenzbeispielen auftretenden Auslenkungen sind deshalb zu groß, so dass die entsprechenden Gelenkkonstruktionen für den praktischen Einsatz ungeeignet sind. Demgegenüber weist die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles ein ausgezeichnetes Leistungsvermögen auf, wodurch die vorstehend genannten Störungen vermieden werden.
Beziehung zwischen den auf die verschiedenen Rotationsachsen bezogenen Resonanzfrequenzen
Die 21A und 21B zeigen Frequenzgangfunktionen für die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles. Die 22A und 22B zeigen Frequenzgangfunktionen für die Gelenkkonstruktion des in 16B gezeigten Vergleichsbeispieles. In den 21A und 22A bezeichnen die durchgezogene Linie, die durchgezogene Linie und die strichpunktierte Linie die Frequenzgangfunktionen für die Drehung um die X-Achse, die Drehung um die Y-Achse bzw. die Drehung um die Z-Achse, die senkrecht zur X- und zur Y-Achse liegt. In den 21B und 22B bezeichnen die durchgezogene Linie, die gestrichelte Linie und die strichpunktierte Linie die Frequenzgangfunktionen für die Schwingung in x-Richtung, die Schwingung in y-Richtung bzw. die Schwingung in z-Richtung. In den 21A bis 22B bezeichnet jeweils die horizontale Achse die Frequenz (Hz) und die vertikale Achse die Verstärkung, d. h. in den 21A und 22A den Winkel (rad) und in den 21B und 22B die Auslenkung (m).
Wie aus den 22A und 22B hervorgeht, sind in den Frequenzgangfunktionen der Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles die Resonanzfrequenzen für die Drehung um die X-, die Y- und die Z-Achse sowie die Schwingungen in x-, y- und z-Richtung (insbesondere in y- und z-Richtung) in einem bestimmten Bereich konzentriert. Wird die durch die Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles gelagerte Spiegelfläche MR um die X- oder die Y-Achse gedreht, so werden deshalb auch die Drehungen um andere Achsen sowie die Schwingungen in x-, y- und z-Richtung angeregt. Wird eine Mikrospiegelvorrichtung, die eine Spiegelfläche fein und präzise ansteuern muss, so betrieben, dass die Spiegelfläche um eine bestimmte Achse gedreht wird, so kommt es häufig vor, dass die Antriebsfrequenz in einem Frequenzbereich eingestellt wird, der geringfügig von der Resonanzfrequenz für die Drehung um diese bestimmte Achse abweicht. Bei Verwendung der Gelenkkonstruktion des Vergleichsbeispieles kommt es deshalb vor, dass die Mikrospiegelvorrichtung instabil gesteuert wird. In diesem Falle ist es schwierig, die Spiegelfläche fein und präzise anzusteuern.
Demgegenüber hat die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles die in den 21A und 21B gezeigten Resonanzfrequenzen für die Drehungen um die X-, Y- und Z-Achse sowie für die Schwingungen in x-, y- und z-Richtung (insbesondere in y- und z-Richtung), die in Relation zu dem Vergleichsbeispiel vergleichsweise weit über die X-Achse verteilt sind. Bei der Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles tritt deshalb nicht das oben für das Vergleichsbeispiel beschriebene Problem auf. Die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles ermöglicht es demnach, die Spiegelfläche fein und präzise anzusteuern.
Wie obiger Vergleich zeigt, erzielen die Gelenkkonstruktionen 112X und 112Y dieses Ausführungsbeispieles eine hohe Federleistung, obgleich sie im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen klein gebaut sind. Die Fläche, die die Gelenkkonstruktionen in der Spiegelschicht einnehmen, kann deshalb klein gehalten werden. Wird die Gelenkkonstruktion dieses Ausführungsbeispieles auf eine Mikrospiegelvorrichtung angewandt, so ist deshalb die Festigkeit der gesamten Spiegelschicht sichergestellt. Außerdem wird die Lebensdauer der gesamten Mikrospiegelvorrichtung verlängert.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die erfindungsgemäße Gelenkkonstruktion ist jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. So werden die Gelenkkonstruktionen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele vorteilhaft auf eine Mikrospiegelvorrichtung des Kapazitättyps angewandt. Die erfindungsgemäße Gelenkkonstruktion ist jedoch auch auf andere Typen von Mikrospiegelvorrichtungen anwendbar, z. B. solche, die mit elektromagnetischer Kraft, durch piezoelektrische Elemente etc. angetrieben werden.
Vorzugsweise wird die für die jeweilige Federstruktur vorgesehene Knickzahl so festgelegt, dass ein Ausgleich zwischen der Flexibilität der Gelenkkonstruktion sowie deren Gesamtabmessung gefunden wird. Um beispielsweise die gleiche Federleistung wie in den Ausführungsbeispielen zu erhalten, ist es möglich, die für die jeweilige Federstruktur vorgesehene Knickzahl zu erhöhen und gleichzeitig die horizontale Abmessung (Länge des jeweiligen parallelen Abschnitts) zu verringern.

Claims

Gelenkkonstruktion, umfassend: ein drehbares Plattenelement (11); ein Rahmenelement (12); und ein Federelement (12X), das das Plattenelement (11) über zwei auf einer Drehachse (α) liegende Verbindungsstellen so mit dem Rahmenelement (12) verbindet, dass das Plattenelement (11) um die Drehachse (α) bezüglich des Rahmenelementes (12) drehbar ist, wobei das Federelement (12X) umfasst: einen ersten axialen Abschnitt (h3) und einen zweiten axialen Abschnitt (h1), wobei ein Ende des ersten axialen Abschnittes (h3) mit dem Rahmenelement (12) und ein Ende des zweiten axialen Abschnittes (h1) mit dem Plattenelement (11) verbunden ist und zwischen dem anderen Ende des ersten axialen Abschnittes (h3) und dem anderen Ende des zweiten axialen Abschnittes (h1) ein vorbestimmter Abstand ausgebildet ist, einen auf einer Seite der Drehachse (α) angeordneten ersten Zickzack-Abschnitt (K2) und einen auf der anderen Seite der Drehachse (α) angeordneten zweiten Zickzack-Abschnitt (K1), wobei die beiden Zickzack-Abschnitte jeweils zueinander und zur Drehachse (α) parallele, gleich lange Abschnitte (h) sowie Knickabschnitte aufweisen, die einander benachbarte parallele Abschnitte (h) miteinander verbinden und senkrecht zur Drehachse (α) angeordnet sind, ein Ende des ersten Zickzack-Abschnittes (K2) mit dem anderen Ende des ersten axialen Abschnittes (h3) verbunden ist, ein Ende des zweiten Zickzack-Abschnittes (K1) mit dem anderen Ende des zweiten axialen Abschnittes (h1) verbunden ist, und das andere Ende des ersten Zickzack-Abschnittes (K2) mit dem anderen Ende des zweiten Zickzack-Abschnittes (K1) verbunden ist, wobei der vorbestimmte Abstand kleiner als die Länge jedes der parallelen Abschnitte (h) ist.
Gelenkkonstruktion nach Anspruch 1, deren Geometrie symmetrisch bezüglich eines Punktes (Px) ist, an dem das andere Ende des ersten Zickzack-Abschnittes (K2) mit dem anderen Ende des zweiten Zickzack-Abschnittes (K1) verbunden ist.
Gelenkkonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die parallelen Abschnitte (h) jedes Zickzack-Abschnittes (K1, K2) in einem vorbestimmten Abstand s voneinander angeordnet sind.
Gelenkkonstruktion nach Anspruch 3, bei der der vorbestimmte Abstand s folgende Bedingung erfüllt: 4 μm ≤ s ≤ 8 μm.
Gelenkkonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gebildet aus einem SOI-Wafer.
Gelenkkonstruktion nach Anspruch 5, bei der die Breite W des Federelementes (12X) folgende Bedingung erfüllt: 2 μm ≤ W ≤ 4 μm.
Gelenkkonstruktion nach Anspruch 5 oder 6, bei der die Dicke T des Federelementes (12X) folgende Bedingung erfüllt: 7 μm ≤ T ≤ 13 μm.
Gelenkkonstruktion, umfassend: ein drehbares Plattenelement (11); ein Rahmenelement (12); und ein Federelement (112X), das das Plattenelement (11) über zwei auf einer Drehachse (α) liegende Verbindungsstellen so mit dem Rahmenelement (12) verbindet, dass das Plattenelement (11) um die Drehachse (α) bezüglich des Rahmenelementes (12) drehbar ist, wobei das Federelement (112X) umfasst: einen ersten axialen Abschnitt (B2) und einen zweiten axialen Abschnitt (B1), wobei ein Ende des ersten axialen Abschnittes (B2) mit dem Rahmenelement (12) und ein Ende des zweiten axialen Abschnittes (B1) mit dem Plattenelement (11) verbunden ist und zwischen dem anderen Ende des ersten axialen Abschnittes (B2) und dem anderen Ende des zweiten axialen Abschnittes (B1) ein vorbestimmter Abstand ausgebildet ist, einen ersten Zickzack-Abschnitt (K4) und einen zweiten Zickzack-Abschnitt (K3), die auf beiden Seiten des ersten axialen Abschnittes (B2) angeordnet sind, einen dritten Zickzack-Abschnitt (K2) und einen vierten Zickzack-Abschnitt (K1), die auf beiden Seiten des zweiten axialen Abschnittes (B1) angeordnet sind, wobei die Zickzack-Abschnitte (K1, K2, K3, K4) jeweils mehrere zueinander und zur Drehachse (α) parallele, gleich lange Abschnitte (h) sowie Knickabschnitte aufweisen, die einander benachbarte parallele Abschnitte (h) miteinander verbinden und senkrecht zur Drehachse (α) angeordnet sind, ein Ende des ersten Zickzack-Abschnittes (K4) mit dem anderen Ende des ersten axialen Abschnittes (B2) verbunden ist, ein anderes Ende des ersten Zickzack-Abschnittes (K4) mit einem Ende des zweiten Zickzack-Abschnittes (K3) verbunden ist, ein anderes Ende des zweiten Zickzack-Abschnittes (K3) mit einem Ende des dritten Zickzack-Abschnittes (K2) verbunden ist, ein anderes Ende des dritten Zickzack-Abschnittes (K2) mit einem Ende des vierten Zickzack-Abschnittes (K1) verbunden ist, und ein anderes Ende des vierten Zickzack-Abschnittes (K1) mit dem anderen Ende des zweiten axialen Abschnittes (B1) verbunden ist, wobei der vorbestimmte Abstand kleiner als die Länge jedes der parallelen Abschnitte (h) ist.
Gelenkkonstruktion nach Anspruch 8, deren Geometrie punktsymmetrisch ist.
Gelenkkonstruktion nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei der die parallelen Abschnitte (h) jedes Zickzack-Abschnittes (K1, K2, K3, K4) in einem vorbestimmten Abstand s voneinander angeordnet sind.
Gelenkkonstruktion nach Anspruch 10, bei der der vorbestimmte Abstand s folgende Bedingung erfüllt: 4 μm ≤ s ≤ 8 μm.
Gelenkkonstruktion nach einem der Ansprüche 8 bis 11, gebildet aus einem SOI-Wafer.
Gelenkkonstruktion nach Anspruch 12, bei der die Breite W des Federelementes folgende Bedingung erfüllt: 2 μm ≤ W ≤ 4 μm.
Gelenkkonstruktion nach Anspruch 12 oder 13, bei der die Dicke T des Federelementes (112X) folgende Bedingung erfüllt: 7 μm ≤ T ≤ 13 μm.