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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kammantrieb mit einem verschwenkbaren Spiegelelement.
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Solche Kammantriebe kennt man von Mikrospiegeln, die immer häufiger bei Projektoren, Scannern oder Ähnlichem eingesetzt werden. Gegenüber den meisten Antriebsarten, wie z.B. den magnetischen und piezoelektrischen Antrieben, hat ein elektrostatisches Antriebskonzept den Vorteil, dass einfach über das Anlegen einer Spannung (im statischen Fall im Wesentlichen ohne Energieverlust) eine Spiegelauslenkung erzielt werden kann. Bei kleinen Auslenkungen erlaub meist eine nahezu lineare Antriebscharakteristik ein besonders einfaches Ansteuern des Mikrospiegels.
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Nachteil des elektrostatischen Antriebskonzepts ist, dass bei einer für den Kammantrieb vorgegebenen Fläche nur eine geringe Kraft aufbringbar ist, wobei die vorgegebene Fläche meist durch die gewünschte bauraumsparende Ausgestaltung des Mikrospiegels limitiert wird. Sollen beispielsweise mehrere Spiegel als Array kombiniert werden, ist es günstig den Antrieb unter die Spiegel zu positionieren, um so die einzelnen Spiegel möglichst flexibel miteinander kombinieren zu können. Als Resultat einer solchen Anordnung ist der für den Kammantrieb zur Verfügung stehende Bauraum durch die Größe der Spiegelfläche festgelegt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Kammantrieb mit einem verschwenkbaren Spiegelelement zur Verfügung zu stellen, wobei der Kammantrieb trotz des limitierten Bauraums unterhalb des Spiegels eine möglichst große Kraft zum Verschwenken des Spiegelelements aufbringen kann. Es wäre dabei zudem wünschenswert, dass eine lineare Antriebscharakteristik ein besonders einfaches Ansteuern des Kammantriebs erlaubt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch einen Kammantrieb mit einem verschwenkbaren Spiegelelement gelöst, wobei der Kammantrieb eine erste Kammelektrode und eine zweite Kammelektrode aufweist. Es ist dabei erfindungsgemäß vorgesehen, dass die zweite Kammelektrode von einer minimalen Versatzposition in eine maximale Versatzposition entlang einer Versatzrichtung relativ zur ersten Kammelektrode überführbar ist. Um das Spiegelelement zu schwenken, ist die zweite Kammelektrode mit dem Spiegelelement über einen um eine Schwenkachse verschwenkbaren Hebelarm verbunden. Dadurch lässt sich ein Versatz der zweiten Kammelektrode relativ zur ersten Kammelektrode in eine Schwenkbewegung des Spiegelelements übertragen. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die erste Kammelektrode und die zweite Kammelektrode derart ineinandergreifend angeordnet sind, dass ein erster Kammzahn der ersten Kammelektrode und ein zweiter Kammzahn der zweiten Kammelektrode entlang einer senkrecht zur Versatzrichtung verlaufenden Projektionsrichtung benachbart zueinander angeordnet sind. Insbesondere sind die erste und die zweite Kammelektrode derart angeordnet, dass sich beim Übergang von der minimalen Versatzposition in die maximale Versatzposition der Überlapp von erstem und zweitem Kammzahn entlang der Projektionsrichtung verändert. Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der erste Kammzahn und/oder der zweite Kammzahn derart ausgebildet ist, dass ein mittlerer Abstand zwischen dem ersten Kammzahn und dem zweiten Kammzahn entlang der Projektionsrichtung, also senkrecht zur Versatzrichtung, bei der Überführung der zweiten Kammelektrode aus der minimalen Versatzrichtung in die maximale Versatzposition abnimmt. Als mittlerer Abstand ist der über die Erstreckung des ersten bzw. zweiten Kammzahns (entlang der Versatzrichtung) gemittelte Abstand zwischen erstem und zweitem Kammzahn (entlang der Projektionsrichtung) zu verstehen.
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Die vorliegende Erfindung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch die Abnahme des mittleren Abstands ein beim Überführen der zweiten Kammelektrode von der minimalen Versatzposition in die maximale Versatzposition entstandener Überlappverlust kompensiert werden kann. Ein solcher Überlappverlust ist direkte Folge eines Verkippens der zweiten Kammelektrode, hervorgerufen durch die Schwenkbewegung, die die zweite Kammelektrode auf Grunde ihrer Verbindung mit dem Hebelarm vollzieht. Der Überlappverlust resultiert in einem Flächenverlust an Fläche, die zur Kapazitätsbildung zwischen der ersten und der zweiten Kammelektrode zur Verfügung steht. Dadurch ist eine zwischen der ersten und der zweiten Kammelektrode angelegte Spannung nicht in der Lage, die erforderliche bzw. gewünschte Kraft aufzubringen. Dies trifft verstärkt mit zunehmendem Versatz, d.h. zunehmender Auslenkung des Spiegelelements, auf. Um ein weiteres bzw. zusätzliches Auslenken zu realisieren, müsste man daher die Spannung weiter erhöhen. Die Folge wäre ein nichtlineare Antriebscharakteristik und ein erhöhter Energiebedarf, insbesondere für große Auslenkungen. Die vorliegende Erfindung wirkt diesem Problemen entgegen, indem der erste Kammzahn und/oder der zweite Kammzahn in ihrer geometrischen Form derart angepasst werden, dass der durch die Überführung (der zweiten Kammelektrode) von der minimalen Versatzposition in die maximale Versatzposition hervorgerufene Überlappverlust kompensiert wird. Vorzugsweise ist die geometrische Form der ersten und/oder der zweiten Kammelektode an den durch den Versatz bzw. durch die Auslenkung hervorgerufenen Überlappverlust angepasst. Durch die Abnahme des mittleren Abstands bei der Überführung lässt sich in vorteilhafter Weise die Kapazität zwischen dem ersten und dem zweiten Kammzahne derart manipulieren, dass eine durch den Überlappverlust verursachte Kapazitätsminderung wieder kompensiert werden kann. Das positive Ergebnis der Ausgestaltung des ersten und/oder des zweiten Kammzahns ist beispielsweise eine lineare Antriebscharakteristik, durch die ein einfaches Ansteuern des Kammantriebs zum Verschwenken des Spiegelelements realisierbar ist. Zusätzlich ist der Energiebedarf bei den erfindungsgemäßen Kammantrieben im Vergleich zu denen reduziert, die den Überlappverlust durch eine Erhöhung der Spannung kompensieren. Vorzugsweise weist der Kammantrieb neben der ersten Kammelektrode eine weitere erste Kammelektrode auf, wobei die zweite Kammelektrode zwischen der ersten und der weiteren ersten Kammelektrode angeordnet ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der zweite Kammzahn in Versatzrichtung und/oder der erste Kammzahn entgegengesetzt zur Versatzrichtung verjüngt. In der maximalen Versatzposition, also bei maximaler Auslenkung, sind die Kräfte im elektrischen Feld flächenbezogen näherungsweise gleich, wodurch in einer Spitze des zweiten Kammzahns geringere Kräfte als in der Nähe eines Aufhängungspunkts wirken, wobei sich der zweite Kammzahn im Wesentlichen von dem Aufhängungspunkt zur Spitze entlang der Versatzrichtung erstreckt. Es erweist sich hierbei als Vorteil, dass durch die Verjüngung mehr Kammzähne entlang der Projektionsrichtung benachbart zueinander angeordnet werden können. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die vom Kammantrieb zur Verfügung gestellte Kraft erhöht. Es ist dabei vorstellbar, dass Kanten des ersten und/oder des zweiten Kammzahns zumindest teilweise geschwungen oder geradlinig verlaufen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass
- – der erste Kammzahn entlang einer zur Versatzrichtung entgegengesetzt verlaufenden Richtung und/oder
- – der zweite Kammzahn entlang der Versatzrichtung eine mittlere Verjüngung von mehr als 8% aufweist. Als mittlere Verjüngung ist die über die Erstreckung des ersten bzw. zweiten Kammzahn (entlang der Versatzrichtung) gemittelte Verjüngung zu verstehen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen,
- – dass entlang einer durch einen generellen Verlauf des Hebelarms vorgegebenen Richtung der Abstand zwischen Schwenkachse und erster und/oder zweiter Kammelektrode größer ist als das Doppelte einer Erstreckung der ersten Kammelektrode und/oder
- – dass der Abstand zwischen Schwenkachse und erster und/oder zweiter Kammelektrode größer ist als das Doppelte einer Erstreckung der zweiten Kammelektrode entlang der durch den generellen Verlauf des Hebelarms vorgegebenen Richtung. Insbesondere ist die zweite Kammelektrode nicht über die gesamte Länge des Hebelarms angeordnet, sondern nur in einem unteren Bereich des Hebelarms. Der untere Bereich trägt in vorteilhafter Weise deutlich mehr zur Gesamtkraftbildung bei als ein oberer Bereich des Hebelarms. Für eine verkürzte zweite Kammelektrode lässt sich in der Herstellung ein Kammanrieb mit einem möglichst kleinen Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Kammzahn realisieren, wodurch in vorteilhafter Weise die Kapazität und infolgedessen die potenziell zur Verfügung stehende elektrostatische Kraft erhöht werden kann. Zudem lassen sich mehr erste und zweite Kammzähen realisieren. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die zur Verfügung stehende elektrostatische Kraft weiter erhöht werden. Bei verkürzten zweiten Kammelektroden tritt der Überlappverlust, hervorgerufen durch die Überführung der zweiten Kammelektrode von der minimalen Versatzposition in die maximale Versatzposition, verstärkt auf. In vorteilhafter Weise lässt sich durch die Ausgestaltung des ersten und des zweiten Kammzahns der Überlappverlust sogar für verkürzte Kammelektroden kompensieren.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der erste Kammzahn und/oder der zweite Kammzahn derart ausgestaltet sind, dass sich der mittlere Abstand zwischen dem ersten Kammzahn und dem zweiten Kammzahn um mehr als 5% bei der Überführung der zweiten Kammelektrode aus der minimalen Versatzrichtung in die maximale Versatzposition abnimmt. Dabei ist vorstellbar, dass der erste und der zweite Kammzahn komplementär zueinander ausgestaltet sind.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen,
- – dass ein erstes Seitenverhältnis einer entlang einer parallel zum generellen Verlauf des Hebelarms verlaufenden Seite der ersten Kammelektrode zu einer parallel zum generellen Verlauf des Hebelarms verlaufenden Seite des Hebelarms größer ist als das Vierfache eines maximalen Auslenkungswinkels im Bogenmaß zum Quadrat und/oder
- – dass ein zweites Seitenverhältnis einer entlang einer parallel zum generellen Verlauf des Hebelarms verlaufenden zweiten Seite der zweiten Kammelektrode zu der parallel zum generellen Verlauf des Hebelarms verlaufenden Seite des Hebelarms größer ist als das Vierfache des maximalen Auslenkungswinkels im Bogenmaß zum Quadrat.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass eine Torsionsfeder entlang der Schwenkachse angeordnet ist. Durch die Torsionsfeder lässt sich eine Schwenkachse realisieren, die in vorteilhafter Weise dafür sorgt, dass die zweite Kammelektrode wieder aus der maximalen Versatzposition in die minimale Versatzposition rückführbar ist. Insbesondere bedarf es zur Rückführung keiner zusätzlichen elektrostatischen Kraft.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass eine elektrische Spannung zwischen der ersten Kammelektrode und der zweiten Kammelektrode einstellbar ist. Durch die angelegte Spannung lässt sich die elektrostatische Kraft zwischen dem ersten und dem zweiten Kammzahn steuern. Durch dieses Ansteuern lässt sich der Versatz zwischen dem ersten und dem zweiten Kammzahn und schließlich das Maß der Verschwenkung des Spiegelelements in besonders einfacher Weise festlegen.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Mikrospiegel aufweisend einen Kammantrieb mit einem verschwenkbaren Spiegelelement wie sie oben beschrieben wurden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen Kammantrieb mit einem unausgelenkten Spiegel gemäß dem Stand der Technik.
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2 zeigt einen Kammantrieb mit einem ausgelenkten Spiegel gemäß dem Stand der Technik.
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3 zeigt den Kraft- und Kapazitätsverlauf für einen Kammantrieb mit einem verschwenkbaren Spiegelelement in Abhängigkeit von einer durch die Auslenkung verursachten Neigung einer zweiten Kammelektrode gegenüber der ersten Kammelektrode.
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4 zeigt einen Kammantrieb in eine perspektivische Darstellung und als Seitenansicht.
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5 zeigt einen Kammantrieb mit einem ausgelenkten Spiegel gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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6 zeigt einen Kammantrieb mit einem unausgelenkten Spiegel gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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7 zeigt verjüngende zweite Kammzähne mit dazu korrespondierenden ersten Kammzähnen gemäß einer zweiten, einer dritten und einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist ein Kammantrieb 1 mit einem verschwenkbaren Spiegelelement 30 in einer aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsform dargestellt, wobei sich das Spiegelelement 30 in einer Nulllage angeordnet ist, d.h das Spiegelelement 30 ist nicht ausgelenkt. Der Kammantrieb 1 weist vorzugsweise eine feste erste Kammelektrode 10 und eine relativ zur ersten Kammelektrode 10 bewegbare zweite Kammelektrode 20 auf. Insbesondere sind die erste Kammelektrode 10 und die zweite Kammelektrode 20 derart ineinandergreifend angeordnet, dass sich ein Überlapp von erster Kammelektrode 10 und zweiter Kammelektrode 20 entlang einer parallel zur Schwenkachse 22 verlaufenden Richtung ändert, wenn die zweite Kammelektrode 20 relative zur ersten Kammelektrode 10 entlang einer Versatzrichtung bewegt wird. Die zweite Kammelektrode 20 ist typischerweise über einen um eine Schwenkachse 22 verschwenkbaren Hebelarm 25 mit dem Spiegelelement 30 verbunden, wobei sich die zweite Kammelektrode 20 im Wesentlichen entlang des gesamten Teils des Hebelarms 25 erstreckt, der sich auf der dem Spiegelelement 25 abgewendeten Seite von der Schwenkachse 22 aus erstreckt. Durch die Verbindung über den Hebelarm 25 wird das Spiegelelement 30 verschwenkt, wenn die zweite Kammelektrode 20 relativ zur ersten Kammelektrode 10 bewegt wird. Zur Steuerung des Überlapps von erster und zweiter Kammelektrode entlang einer senkrecht zur Versatzrichtung verlaufenden Projektionsrichtung und damit zur Steuerung der Bewegung der zweiten Kammelektrode 20 relativ zur ersten Kammelektrode 10 wird vorzugsweise eine Spannung zwischen der ersten Kammelektrode 10 und der zweiten Kammelektrode 20 angelegt. Weiterhin weist der Kammantrieb 1 eine weitere erste Kammelektrode 10 auf, die entlang der Versatzrichtung gegenüber der ersten Kammelektrode 10 angeordnet ist.
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In 2 ist ein Kammantrieb 1 mit einem verschwenkbaren Spiegelelement 30 in der aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsform mit einem ausgelenkten Spiegelelement 30 dargestellt. Obwohl es vorgesehen ist, dass die erste Kammelektrode 10 und die zweite Kammelektrode 20 entlang der Versatzrichtung ineinander verfahren werden, wird – verursacht durch die Anlenkung der zweiten Kammelektrode 20 über den Hebelarm 25 an die Schwenkachse 22 – durch die gezielt herbeigerufene Versatzbewegung der zweiten Kammelektrode 20 (gegenüber der ersten Kammelektrode) eine Verdrehung der zweiten Kammelektrode 20 gegenüber der ersten Kammelektrode 10 initiiert. Als Resultat dieser Verdrehung rutschen Teile 15 der zweiten Kammelektrode 20 aus dem Überlappbereich mit der ersten Kammelektrode 10 und Teile 15 der ersten Kammelektrode aus dem Überlappbereich mit der zweiten Kammelektrode heraus. Die sich daraus ergebenden Konsequenzen sind in 3 dargestellt. Auf der linken Seite der 3 sind sieben verschiedene Auslenkungspositionen dargestellt, die sich durch Verkippungswinkel A = –6°, B = –4°, C = –2°, D = 0°, E = 2°, F = 4° und G = 6° der zweiten Kammelektrode 20 relativ zur ersten Kammelektrode 10 voneinander unterscheiden. Auf der rechten Seite der 3 sind oben die für die jeweilige Auslenkung berechneten elektrostatischen Kräfte 201 in µN aufgetragen, wobei eine Abnahme der elektrostatischen Kraft mit zunehmender Auslenkung sowohl in einem ersten Kraftverlauf 110 als auch in deinem zweiten Kraftverlauf feststellbar ist. Auf der rechten Seite der 3 ist unten ein Kapazitätsverlauf 301 in pF in Abhängigkeit vom Verkippungswinkel 100 dargestellt. Insbesondere lässt sich feststellen, dass die elektrostatische Kraft 201 nicht linear mit der zwischen erster und zweiter Kammelektrode 10 und 20 angelegten Spannung zu- bzw. abnimmt. Mit anderen Worten: Für große Auslenkung ist für eine weitere bzw. zusätzliche Auslenkung eine größere Spannung erforderlich als es ohne Überlappverlust notwendig wäre. Die Zunahme bei G = 6° ist darauf zurückzuführen, dass die zweite Kammelektrode 20 die erste Kammelektrode 10 fast berührt. Ein solch starker nichtlinearer Effekt lässt sich durch ein entsprechend Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Kammelektrode 11 und 21 vermeiden.
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In 4 ist ein Kammantrieb 1 in einer perspektivischen Darstellung und als Seitenansicht dargestellt. Dabei umfasst die erste Kammelektrode 10 entlang einer ersten Erstreckungsrichtung erste Kammzähne 11 und die zweite Kammelektrode 20 entlang einer zweiten Erstreckungsrichtung zweite Kammzähne 21. Typischerweise werden die erste Kammelektrode 10 und die zweite Kammelektrode 20 derart angeordnet, dass die erste und die zweite Kammelektrode 10 und 20 ineinandergreifend angeordnet sind. Vorzugsweise sind die ersten Kammzähne 11 und die zweiten Kammzähne 21 derart angeordnet, dass bei einem Ineinandergreifen der ersten und der zweite Kammelektrode 10 und 20 die ersten und die zweiten Kammzähne 11 und 21 abwechselnd benachbart entlang einer im Wesentlichen senkrecht zur Versatzrichtung verlaufenden Projektionsrichtung angeordnet sind. Insbesondere weisen die ersten Kammzähne 11 entlang der ersten Erstreckungsrichtung eine erste Erstreckungslänge auf und die zweiten Kammzähen weisen entlang der zweiten Erstreckungsrichtung eine zweite Erstreckungslänge auf. Insbesondere legen die erste Erstreckungslänge und die zweite Erstreckungsläng fest, wieweit die erste Kammelektrode 10 in die zweite Kammelektrode 20 hineinfahrbar ist.
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In 5 ist ein Kammantrieb 1 mit einem verschwenkbaren Spiegelelement 30 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei das verschwenkbare Spiegelelement 30 in der Nulllage angeordnet ist. Es ist dabei vorgesehen, dass entlang einer durch den generellen Verlauf des Hebelarms 25 vorgegebenen Richtung der Abstand zwischen Schwenkachse 22 und zweiter Kammelektrode 20 größer ist als die Erstreckung der zweiten Kammelektrode 20 entlang derselben Richtung, vorzugsweise größer als das Doppelte der Erstreckung der zweiten Kammelektrode 20 entlang derselben Richtung. Insbesondere ist die zweite Kammelektrode 20 am Ende des Hebelarms 25 angeordnet. Diese Anordnung hat gegenüber der in 1 dargestellten Anordnung den Vorteil, dass es einem Herstellungsverfahren der ersten bzw. zweiten Kammelektrode möglich ist, möglichst kleine Abstände zwischen zwei ersten bzw. zwei zweiten Kammzähnen 11 bzw. 21 zu realisieren. Die Reduktion dieser Abstände hat zur Folge, dass die elektrostatischen Kräfte erhöht werden können. Zudem können bei gleichem Bauraumbedarf mehr Kammzähne im Kammantrieb 1, insbesondere in der zweiten Kammelektrode 20, realisiert werden, wodurch die vom Kammantrieb 1 aufbringbare Kraft weiter erhöht wird.
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In 6 ist der Kammantrieb 1 mit einem verschwenkbaren Spiegelelement 30 gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform mit einem ausgelenkten Spiegelelement 30 der vorliegenden Erfindung dargestellt. Durch die Verminderung der Erstreckung der zweiten Kammelektrode 20 entlang einer im Wesentlichen durch den generellen Verlauf des Hebelarm 25 vorgegebenen Richtung macht sich eine Reduktion des Überlapps bei der Verkippung der zweiten Kammelektrode 20 gegenüber der ersten Kammelektrode 10 deutlicher bemerkbar als bei einer Anordnung, wie sie in 1 und 2 dargestellt ist.
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In 7 sind erste und zweite Kammzähne 11 und 21 gemäß einer zweiten, dritten und einer vierten beispielhaften Ausführungsform dargestellt. In allen in 7 dargestellten Ausführungsformen wird jeweils links die erste Kammelektrode 10 und rechts die zweite Kammelektrode 20 illustriert. In der zweiten Ausführungsform (oben) verjüngt der zweite Kammzahn 21 der zweiten Kammelektrode 20 nicht, wohingegen die erste Kammelektrode 10 derart ausgestaltet ist, dass sich der Abstand zwischen zwei Kammzähne 11 entlang einer entgegengesetzt zur Versatzrichtung verlaufenden Richtung vergrößert. Wird der zweite Kammzahn 21 entlang der Versatzrichtung und damit in Richtung der zweiten Kammzähne 21 bewegt, wird sich der mittlere Abstand zwischen dem ersten und jeweils dem zweiten Kammzahn 11 und 21 reduzieren. Der reduzierte Abstand hätte zur Folge, dass die elektrostatische Kraft im Vergleich zu der Situation zunimmt, bei der sich der mittlere Abstand zwischen erstem und zweitem Kammzahn 11 und 12 nicht ändert. In der dritten Ausführungsform (mittlere Abbildung) ist es vorgesehen, dass zusätzlich der zweite Kammzahn 21 in Richtung der ersten Kammelektrode 10, insbesondere entlang der Versatzrichtung, verjüngt. Dabei ist es gemäß der dritten Ausführungsform vorgesehen, dass der zweite Kammzahn 21 wie ein gleichschenkliges Dreieck geformt ist. In der vierten Ausführungsform (unten) ist die Verjüngung des zweiten Kammzahns 21 derart ausgestaltet, dass die Seitenflächen bzw. Kanten des zweiten Kammzahns 21 geschwungen sind. Durch die geschwungene Form lässt sich die Zunahme der elektrostatischen Kraft so einstellen, dass sich möglichst eine lineare Antriebscharakteristik realisieren lässt.
