DE102017219442A1

DE102017219442A1 - Spiegelvorrichtung, die eine Blattfeder mit Öffnungen aufweist

Info

Publication number: DE102017219442A1
Application number: DE102017219442.1A
Authority: DE
Inventors: Diederik van Lierop; Kaveh SAMADI KHAH
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2019-05-02
Anticipated expiration: 2037-10-31
Also published as: US10877263B2; US20190129163A1; DE102017219442B8; DE102017219442B4; CN109725414A; CN109725414B

Abstract

Eine Spiegelvorrichtung umfasst einen Rahmen, einen Spiegelkörper, der in dem Rahmen angeordnet ist und um eine Drehachse drehbar ist, Stützträger, die zwischen dem Spiegelkörper und dem Rahmen angebracht sind, und zumindest eine Blattfeder, die Torsionssteifigkeit bezüglich einer Drehung des Spiegelkörpers um die Drehachse bereitstellt. Die Blattfeder weist eine maximale Dicke auf, die kleiner als eine minimale Breite derselben ist, wobei die Blattfeder Öffnungen aufweist, die die Dicke derselben reduzieren oder die Blattfeder in der Dickenrichtung durchdringen.

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Spiegelvorrichtungen wie beispielsweise MEMS-Abtastspiegel (MEMS = Micro Electro Mechanical System, mikroelektromechanisches System).
Hintergrund
MEMS-Abtastspiegel werden in unterschiedlichen Gebieten eingesetzt. MEMS-Abtastspiegel weisen einen Spiegel auf, der um zumindest eine Drehachse drehbar ist, um elektromagnetische Energie, beispielsweise sichtbares oder unsichtbares Licht, in unterschiedliche Richtungen zu reflektieren. MEMS-Abtastspiegel können beispielsweise beim Projizieren zweidimensionaler Bilder auf einen Bildschirm verwendet werden. MEMS-Abtastspiegel können außerdem in LIDAR-Anwendungen verwendet werden. LIDAR kann als eine Abkürzung für Light Imaging, Detection, and Ranging oder als ein Kunstwort, das sich aus den Begriffen Licht und Radar zusammensetzt, verstanden werden. Allgemein kann LIDAR als ein Überwachungsverfahren betrachtet werden, das einen Abstand zu einem Ziel misst, indem dieses Ziel mit einem gepulsten Laserlicht beleuchtet wird und die reflektierten Pulse mit einem Sensor gemessen werden. MEMS-Abtastspiegel können für LIDAR in Automobilanwendungen verwendet werden. Allgemein können MEMS-Abtastspiegel für LIDAR-Anwendungen relativ große Abmessungen sowie große Abtastwinkel für eine hohe optische Leistung aufweisen. Beispielsweise können derartige MEMS-Abtastspiegel eine Erstreckung von 2 bis 4 µm in jeder von zwei senkrechten Richtungen aufweisen, die eine Spiegelebene überspannen. Außerdem sollten derartige MEMS-Abtastspiegel eine hohe Robustheit aufweisen, d. h. sollten gegenüber Vibrationen und thermischen Belastungen unempfindlich sein und sollten geringe mechanische Beanspruchungen entwickeln. Eine Herausforderung besteht darin, einen Entwurfs- und Herstellungsprozess zu finden, der diese Ziele erfüllt.
Um einen MEMS-Abtastspiegel gegenüber Vibrationen robust zu machen, sollte der Spiegel eine geringe Trägheit, d. h. einen leichten und steifen Spiegelkörper, aufweisen. Außerdem sollte der Spiegel hinsichtlich seiner Aufhängung eine hohe Steifigkeit für alle Freiheitsgrade (DOF = Degree of Freedom) des Spiegelkörpers aufweisen.
Um einen leichten und steifen Spiegelkörper zu erzielen, kann der Spiegelkörper einen relativ dünnen Spiegel und eine dickere Verstärkungsstruktur für den Spiegel aufweisen. Der Spiegelkörper kann in einem Spiegelrahmen um eine Drehachse drehbar angeordnet sein, die sich in einer durch den Spiegelrahmen definierten Ebene erstreckt. Die Drehachse kann sich zu ersten und zweiten einander gegenüberliegenden Endabschnitten des Spiegelkörpers erstrecken. Der Spiegel kann auf einer ersten Hauptoberfläche eine reflektierende Ebene und gegenüber der ersten Hauptoberfläche eine zweite Hauptoberfläche aufweisen, die mit der Verstärkungsstruktur bereitgestellt ist.
Um eine hohe Steifigkeit der Aufhängung zu erzielen, kann der Spiegelkörper in dem Spiegelrahmen unter Verwendung von Stützträgern, die sich entlang der Drehachse erstrecken, und von zusätzlichen Freiträger- oder Blattfederanordnungen gestützt sein. Die Freiträgeranordnung kann eine Längsrichtung aufweisen und sich in der durch den Rahmen definierten Ebene erstrecken. Die Stützträger können zwischen dem Spiegelkörper und dem Rahmen an zwei gegenüberliegenden Enden des Spiegelkörpers entlang der Drehachse angebracht sein. Die Freiträgeranordnung kann einen Freiträger aufweisen, der an einem ersten Ende über eine Entlastungsstruktur an den Spiegelrahmen gekoppelt ist und an einem zweiten Ende an dem Spiegelkörper befestigt ist. Der Freiträger kann senkrecht zu einer Ebene des Rahmens eine Dicke aufweisen, die kleiner als die Breite derselben in der Ebene des Rahmens ist.
Ergebnisse der geringen Trägheit und der hohen Aufhängungssteifigkeit des Spiegelkörpers können hohe Resonanzfrequenzen, eine gute dynamische Leistung sein. Diese Eigenschaften sorgen außerdem dafür, dass die Vorrichtung, die bei der Resonanzfrequenz betrieben wird, um die Hauptdrehachse sehr schnell ist. Bei normalem Betrieb, d. h. bei Resonanz, können an den Spiegelspitzen Beschleunigungen von üblicherweise 10000 G erzielt werden. Auf diese Weise wird jegliche externe Vibration unerheblich.
Bei einigen Anwendungen können Spiegel mit einer niedrigeren Resonanzfrequenz wünschenswert sein. Ein leichter Spiegelkörper und eine hohe Aufhängungssteifigkeit können den Entwurf eines Spiegels erschweren, der bei einer niedrigeren Resonanzfrequenz betrieben wird. Beispielsweise kann bei LIDAR-Anwendungen eine niedrigere Resonanzfrequenz wünschenswert sein, da bei einem einzelnen Abtastvorgang mehr Laserpulse abgegeben werden können, um eine bestimmte Verweilzeit zu erzielen, wenn codierte Pulszüge verwendet werden. Niedrigere Resonanzfrequenzen können wünschenswert sein, da die mechanischen Beanspruchungen reduziert sind.
Kurzdarstellung
Beispiele der vorliegenden Offenbarung stellen eine Spiegelvorrichtung bereit, die einen Rahmen, einen Spiegelkörper, der in dem Rahmen angeordnet ist und um eine Drehachse drehbar ist, Stützträger, die zwischen dem Spiegelkörper und dem Rahmen angebracht sind, und zumindest eine Blattfeder aufweist, die Torsionssteifigkeit bezüglich einer Drehung des Spiegelkörpers um die Drehachse bereitstellt. Die Blattfeder weist eine maximale Dicke auf, die kleiner als eine minimale Breite derselben ist, wobei die Blattfeder Öffnungen aufweist, die die Dicke derselben reduzieren oder die Blattfeder in der Dickenrichtung durchdringen. Die Öffnungen weisen Öffnungen auf, die bei Betrachtung in der Richtung der Blattfederdicke vollständig von dem Material der Blattfeder umgeben sind.
Bei Beispielen weist zumindest eine der Öffnungen eine Erstreckung in der Richtung der Blattfederbreite auf, die kleiner als die minimale Breite der Blattfeder ist.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung stellen eine Spiegelvorrichtung bereit, die einen Rahmen, einen Spiegelkörper, der in dem Rahmen angeordnet ist und um eine Drehachse drehbar ist, die sich in einer durch den Rahmen definierten Ebene erstreckt, Stützträger, die entlang der Drehachse zwischen dem Spiegelkörper und dem Rahmen angebracht sind, und zumindest eine Blattfeder aufweist, die Torsionssteifigkeit bezüglich einer Drehung des Spiegelkörpers um die Drehachse bereitstellt. Die zumindest eine Blattfeder weist eine Blattfeder auf, die ein erstes Ende und ein zweites Ende und eine Längsrichtung zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende aufweist, wobei das erste Ende an den Spiegelkörper gekoppelt ist und das zweite Ende an den Rahmen gekoppelt ist. Die Blattfeder weist senkrecht zu der Ebene eine maximale Dicke auf, die kleiner als eine minimale Breite der Blattfeder in der Ebene ist, und die Blattfeder weist Öffnungen auf, die die Dicke derselben reduzieren oder die Blattfeder in der Dickenrichtung durchdringen.
Bei Beispielen weisen die Öffnungen Öffnungen auf, die in der Längsrichtung der Blattfeder eine größere Erstreckung aufweisen als in der Breitenrichtung derselben.
Figurenliste
Beispiele der Offenbarung werden unter Verwendung der angehängten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Draufsicht eines Beispiels einer Spiegelvorrichtung;
2A und 2B schematische Querschnittansichten entlang der Linie s-s in 1 zum Erläutern einer Ablenkung eines Spiegelkörpers;
3 eine schematische dreidimensionale Ansicht der Spiegelvorrichtung von 1;
4 eine schematische dreidimensionale Ansicht der Spiegelvorrichtung von 1 einschließlich einer Basisschicht;
5 eine schematische dreidimensionale ausgeschnittene Ansicht der Spiegelvorrichtung von 1;
6 eine dreidimensionale ausgeschnittene Ansicht der Spiegelvorrichtung von 1 von unten;
7 eine Unteransicht der Spiegelvorrichtung von 3;
8A und 8B schematische Querschnittansichten von Beispielen von Blattfedern;
9A bis 9C schematische Ansichten von Blattfedern gemäß Beispielen der vorliegenden Offenbarung;
10a und 10b Diagramme eines Neigungswinkels und eine Resonanzfrequenz einer Spiegelvorrichtung mit Blattfedern ohne Öffnungen;
11A und 11B Diagramme eines Neigungswinkels und eine Resonanzfrequenz einer Spiegelvorrichtung mit Blattfedern mit Öffnungen;
12A und 12B schematische Veranschaulichungen von Beispielen von Spiegelvorrichtungen, bei denen ein zweites Ende der Blattfeder an einem Spiegelrahmen befestigt ist;
13A bis 13C schematische Veranschaulichungen von Beispielen von Spiegelvorrichtungen, bei denen das erste Ende der Blattfeder an einem Spiegelkörper befestigt ist;
14 eine schematische Ansicht zum Erläutern eines Aktuators gemäß einem Beispiel;
15A bis 15D schematische Veranschaulichungen von Spiegelvorrichtungen mit Aktuatoren an unterschiedlichen Orten;
16A bis 16E schematische Veranschaulichungen unterschiedlicher Entwürfe von elastischen Elementen ohne, mit kleinen oder mit großen Hohlkehlen;
17A bis 17J schematische Veranschaulichungen unterschiedlicher Beispiele von Entlastungsverbindungen mit jeweils einer unterschiedlichen Anzahl von Entlastungsfedern, mit einem unterschiedlichen Ort der Entlastungsfedern oder mit einer unterschiedlichen Verbindung zu der Blattfeder und
18 eine schematische Draufsicht eines anderen Beispiels einer Spiegelvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung.

Ausführliche Beschreibung
Im Folgenden werden Beispiele der vorliegenden Offenbarung unter Verwendung der angehängten Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es ist zu betonen, dass dieselben Elemente oder Elemente mit derselben Funktionalität mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen bereitgestellt sind und dass eine wiederholte Beschreibung von Elementen, die mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen bereitgestellt sind, gewöhnlich entfällt. Deshalb sind Beschreibungen, die für Elemente bereitgestellt sind, die die gleichen oder ähnliche Bezugszeichen aufweisen, untereinander austauschbar. Bei der folgenden Beschreibung wird eine Mehrzahl von Details dargelegt, um eine gründlichere Erläuterung von Beispielen der Offenbarung bereitzustellen. Allerdings wird es für einen Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass andere Beispiele ohne diese spezifischen Details praktiziert werden können. In anderen Fällen werden allgemein bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Form von Blockdiagrammen anstatt im Detail gezeigt, um zu vermeiden, dass die Beispiele der vorliegenden Offenbarung unverständlich gemacht werden. Außerdem können Merkmale der verschiedenen Beispiele der vorliegenden Offenbarung miteinander kombiniert werden, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
Bei Beispielen ist der Spiegelkörper um eine Drehachse drehbar, die sich in einer Ebene erstreckt, die durch den Rahmen, in dem der Spiegelkörper angeordnet ist, definiert ist. Bei anderen Beispielen kann die Drehachse sich oberhalb oder unterhalb einer durch den Rahmen definierten Ebene erstrecken. Bei Beispielen sind die Stützträger zwischen dem Spiegelkörper und dem Rahmen entlang der Drehachse angebracht. Bei anderen Beispielen kann sich ein bzw. können sich mehrere Stützträger in einem Winkel relativ zu der Drehachse erstrecken. Bei Beispielen ist die Dickenrichtung der Blattfeder senkrecht zu der Ebene, die durch den Rahmen definiert ist. Bei Beispielen ist die Breitenrichtung in der Ebene, die durch den Rahmen definiert ist. Bei Beispielen ist die Dickenrichtung der Blattfeder senkrecht zu einer Ebene, die durch eine Spiegeloberfläche eines Spiegels des Spiegelkörpers im Ruhezustand definiert ist. Bei Beispielen ist die Breitenrichtung parallel zu der Ebene, die durch die Spiegelebene des Spiegels im Ruhezustand definiert ist.
Beispiele weisen zumindest eine Blattfederanordnung auf, die die zumindest eine Blattfeder und eine Entlastungsverbindung aufweist, wobei die zumindest eine Blattfeder ein erstes Ende und ein zweites Ende und eine Längsrichtung zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende aufweist, wobei a) das erste Ende an dem Spiegelkörper befestigt ist und das zweite Ende durch die Entlastungsverbindung an den Rahmen gekoppelt ist oder b) das erste Ende durch die Entlastungsverbindung an den Spiegelkörper gekoppelt ist und das zweite Ende an dem Rahmen befestigt ist, wobei die Entlastungsverbindung eine Translation der Blattfeder in der Längsrichtung an dem Ende derselben ermöglicht, das zu der Entlastungsverbindung benachbart ist. Bei anderen Beispielen kann das erste Ende der zumindest einen Blattfeder durch eine Entlastungsverbindung an den Spiegelkörper gekoppelt sein, und das zweite Ende der zumindest einen Blattfeder kann durch eine Entlastungsverbindung an den Rahmen gekoppelt sein. Bei anderen Beispielen kann das erste Ende der Blattfeder an dem Spiegelkörper befestigt sein und das zweite Ende der Blattfeder kann an dem Rahmen befestigt sein.
Mit Bezugnahme auf 1 bis 6 wird nun ein Beispiel einer Spiegelvorrichtung wie beispielsweise ein MEMS-Abtastmikrospiegel erläutert. Die Spiegelvorrichtung weist einen Spiegelkörper 8 auf. Der Spiegelkörper 8 weist einen Spiegel 10 und eine Spiegelstütze 12 auf, wobei die Spiegelstütze 12 in 5 bis 7 am besten gezeigt ist. Die Spiegelvorrichtung weist ferner einen Rahmen 14 auf. Der Spiegelkörper 8 ist in dem Rahmen 14 angeordnet. Der Rahmen definiert eine Ebene, d. h. die (x, y)-Ebene in 1. Die durch den Rahmen definierte Ebene kann parallel zu Ebenen sein, die durch Hauptoberflächen einer Schicht oder einer Mehrzahl von Schichten definiert sind, in denen der Rahmen gebildet ist.
Der Spiegelkörper 8 ist um eine Drehachse 16 drehbar, die sich in der durch den Rahmen definierten Ebene erstreckt. Stützträger 18, die auch als Torsionsträger bezeichnet werden können, sind zwischen dem Spiegelkörper und dem Rahmen 14 entlang der Drehachse 16 angebracht. Genauer gesagt ist ein erster Stützträger 18 zwischen einem ersten Ende des Spiegelkörpers 8 und dem Rahmen 14 angebracht, und ein zweiter Stützträger 18 ist zwischen einem zweiten Ende des Spiegelkörpers 8 und dem Rahmen 14 angebracht, wobei das zweite Ende des Spiegelkörpers dem ersten Ende in der Richtung der Drehachse 16 gegenüberliegt. Eine vergrößerte Ansicht eines der Stützträger 18 ist in dem vergrößerten Abschnitt C auf der rechten Seite von 1 gezeigt. Wie ersichtlich ist, verbinden Stützträger 18 Teile einer Spiegelstütze 12 mit Teilen eines Rahmens 14 und gestatten es, dass der Spiegelkörper um die Drehachse 16 gedreht wird. Die Stützträger 18 können mit der Drehachse 16 kollinear sein.
Wie in 5 bis 6 am besten ersichtlich ist, kann eine Spiegelstütze 12 einen länglichen Stützbalken 20 umfassen, der sich entlang der Drehachse 16 erstreckt. Der Stützbalken 20 kann von dem Spiegel 10 auf beiden Seiten desselben in der Richtung der Drehachse 16 vorstehen. Darüber hinaus kann die Spiegelstütze 12 Verstärkungsträger 22 umfassen. Ein erstes Paar Verstärkungsträger 22 kann sich von einem ersten Endabschnitt des Spiegels in zueinander entgegengesetzten Richtungen weg von der Drehachse 16 erstrecken. Ein zweites Paar Verstärkungsträger 22 kann sich von einem gegenüberliegenden zweiten Endabschnitt des Spiegels in zueinander entgegengesetzten Richtungen weg von der Drehachse 16 erstrecken. Die Verstärkungsträger 22 des ersten Paars können sich zu entsprechenden des zweiten Paars erstrecken. Darüber hinaus kann der Spiegel 10 außerdem strukturiert sein, wie in 6 und 7 desselben erkennbar ist, um die Masse des Spiegels 10 weiter zu reduzieren. Beispielsweise können Ausnehmungen in der Oberfläche des Spiegels 10, die einer Spiegeloberfläche desselben gegenüberliegt, gebildet sein.
Der Spiegel 10 kann auf der Spiegelstütze 12 gebildet sein. Bei einem anderen Beispiel kann der Spiegel 10 an der Spiegelstütze 12 angebracht sein. Die Fläche des Spiegels 10, die der Spiegelstütze 12 gegenüberliegt, definiert eine Spiegelebene des Spiegels 10. Fachleute auf dem Gebiet werden verstehen, dass die Form des Spiegels 10 und der Spiegelstütze 12 unabhängig sind und jede beliebige Form aufweisen können, die für eine bestimmte Anwendung gewünscht ist, z. B. einen Kreis, eine Ellipse, ein Quadrat, ein Rechteck oder eine andere gewünschte Form.
Der Spiegelrahmen 14 definiert eine Spiegelausnehmung 24, in der der Spiegelkörper 8 angeordnet ist. Die Spiegelausnehmung 24 ist durch einen Ausnehmungsumfang 26 des Spiegelrahmens 14 definiert. Der Spiegelrahmen kann außerdem dahin gehend strukturiert sein, weitere Ausnehmungen zu definieren, in denen andere Komponenten wie beispielsweise Aktuatoren und Blattfederanordnungen angeordnet sein können.
Die Spiegelvorrichtung kann zumindest eine Blattfederanordnung 30 aufweisen. Bei dem gezeigten Beispiel weist die Spiegelvorrichtung zwei Paare Blattfederanordnungen 30 auf, wobei die Blattfederanordnung in jedem Paar sich von dem Spiegelkörper 8 in entgegengesetzten Richtungen erstreckt. Bei dem gezeigten Beispiel sind die Blattfederanordnungen 30 symmetrisch bezüglich der Drehachse 16 angeordnet.
Die zumindest eine Blattfederanordnung 30 umfasst eine Blattfeder 32 und eine Entlastungsverbindung 34. Die Entlastungsverbindung 34 kann eine oder mehrere Entlastungsfedern 35 aufweisen. Die Blattfeder 32 weist ein erstes Ende 32a und ein zweites Ende 32b auf, siehe 1. Das erste Ende 32a ist an den Spiegelkörper gekoppelt und das zweite Ende ist an den Rahmen 14 gekoppelt. Die Blattfeder 32 weist eine Längsrichtung oder -erstreckung zwischen dem ersten Ende 32a und dem zweiten Ende 32b auf. Bei dem in 1 bis 7 gezeigten Beispiel ist das erste Ende 32a an der Spiegelstütze 12 befestigt, und das zweite Ende 32b ist über die Entlastungsverbindung 34 an den Rahmen 14 gekoppelt. Bei Beispielen können die ersten Enden von zwei Blattfedern 32, die sich von demselben Abschnitt des Spiegelkörpers 8 in unterschiedlichen Richtungen erstrecken, miteinander verbunden sein.
Wie in 7 am besten gezeigt ist, ist das erste Ende 32a der Blattfeder 32 an einem Stützbalken 20 befestigt. Bei Beispielen ist, in einer Ebenenansicht auf die durch den Rahmen 14 definierten Ebene, das erste Ende 32a an einem Ort außerhalb des Spiegels 10 an dem Stützbalken 20 befestigt. Bei Beispielen kann die Form des Spiegels konkave Abschnitte in der Region der Drehachse 16 aufweisen, wobei Abschnitte der Blattfedern 32 sich in die konkaven Abschnitte des Spiegels 10 erstrecken. Bei Beispielen können Blattfedern 32 und der Spiegel 10 in einer selben Materialschicht gebildet sein und können miteinander benachbart zu der Drehachse 16 verbunden sein.
Bei Beispielen können die Blattfedern in einer Einkristall-Silizium-Schicht implementiert sein, die eine Richtung niedrigerer Materialsteifigkeit aufweist, wobei die Blattfedern ihre Längsrichtung ausgerichtet mit der Richtung niedrigerer Materialsteifigkeit aufweisen. Bei Beispielen können die Blattfedern in einer Siliziumschicht mit einer <100>-Achse implementiert sein, und die Blattfedern weisen ihre Längsrichtung ausgerichtet mit der <100>-Richtung auf, die in diesem Fall die niedrigere Materialsteifigkeit aufweist.
Eine Torsionssteifigkeit um die Drehachse 16 kann unter Verwendung der Blattfederanordnungen 30 festgelegt sein. Das Paar Stützträger 18 stützt den Spiegelkörper vertikal, d. h. senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Rahmens 14 an der Drehachse 16. Dennoch können die vertikalen Stützträger 16 vernachlässigbare Auswirkungen auf die Torsionssteifigkeit haben, so dass die Eigenfrequenz des Spiegelkörpers im Wesentlichen durch die Blattfederanordnungen 30 bestimmt sein kann. Die Eigenfrequenz kann im Wesentlichen unabhängig von den Stützträgern 18 sein. Die Eigenfrequenz wie hierin definiert ist die ungedämpfte Frequenz des Spiegelkörpers um seine Drehachse 16. Die Stützträger 18 können die Außer-Ebene-Schaukelbewegung und die Vertikalmodensteifigkeit für die entsprechenden dynamischen Moden und die entsprechenden Resonanzfrequenzen definieren. Die Torsionssteifigkeit kann von der Außer-Ebene-Schaukelbewegung und der Vertikalmodensteifigkeit entkoppelt sein, so dass die Außer-Ebene-Schaukelbewegung und die Vertikalmodenfrequenz zu gewünschten Werten, beispielsweise höheren Werten, gesetzt werden können, ohne die Torsionsmodensteifigkeit und Resonanzfrequenz zu beeinflussen. Wie hierin definiert ist, verläuft die Y-Achse entlang der Drehachse 16, die X-Achse ist zu der Y-Achse auf der Spiegelebene senkrecht, wenn der Spiegel 10 im Ruhezustand ist, und die Z-Achse ist senkrecht zu und außerhalb der Spiegelebene, wenn der Spiegel 10 im Ruhezustand ist. Die X-, Y- und Z-Achse sind Achsen eines dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystems.
2A zeigt den Spiegelkörper 8 einschließlich des Spiegels 10 und der Spiegelstütze 12 in der Ruheposition. 2B zeigt den Spiegelkörper 8, der um die Drehachse 16 geneigt ist.
Bei den in 1 bis 7 gezeigten Beispielen ist ein Ende der zumindest einen Blattfeder 32 mit dem Spiegelkörper 8 an einem Ort verbunden, der nahe der Drehachse 16 ist. Das andere Ende 32b ist mit der zugeordneten Entlastungsverbindung 34 an einem Ort verbunden, der weiter weg von der Drehachse 16 liegt. Die Blattfederanordnungen 30 können dem Spiegelkörper 8 eine Torsionssteifigkeit um die Drehachse 16 bereitstellen. Die Entlastungsverbindungen 34 können ein nachgebendes oder flexibles Koppeln von den Blattfedern 32 an die Rahmen 14 vorsehen. Die Entlastungsverbindungen können längs der Blattfedern 32, d. h. in der X-Richtung in 1, eine relativ niedrige Steifigkeit aufweisen, wodurch es einem Ende der Blattfedern 32 ermöglicht wird, sich in der Längsrichtung zu bewegen, wenn der Spiegelkörper 8 sich um die Drehachse 16 dreht. Die Entlastungsverbindungen 34 können in der Querrichtung, d. h. in der Z-Richtung und der Y-Richtung in 1, eine relativ hohe Steifigkeit aufweisen.
Die Resonanzfrequenz für eine Drehung des Spiegels 10 um die Drehachse 16 kann hauptsächlich durch die Trägheit des Spiegelkörpers 8 und die Steifigkeit der Blattfederanordnungen 30 definiert sein, die durch die Biegesteifigkeit der Blattfedern 32 und durch die Torsions- und Translationssteifigkeit der Entlastungsverbindungen 32 definiert sein kann. Die Biegesteifigkeit der Blattfedern 32 kann durch die Länge, Breite und insbesondere die Dicke der Blattfedern 32 definiert sein. Die kombinierte Steifigkeit in einer X-Richtung der Stützträger 18 und der Entlastungsverbindungen 74 kann eine Bewegung des Spiegelkörpers 8 senkrecht zu der Drehachse 16 (in der X-Richtung) während des Betriebs verhindern. Weitere Details zu den Entlastungsverbindungen werden weiter unten bereitgestellt.
Die Stützträger 18 sind zwischen dem Rahmen 14 und dem Spiegelkörper 8 entlang der Drehachse 16 angebracht, um den Spiegelkörper 8 in dem Rahmen 14 zu stützen. Bei einem Beispiel weisen die Stützträger 18 schmale rechteckige Querschnitte auf, die senkrecht zu der Drehachse 16 sind, mit der langen Achse des Rechtecks senkrecht zu der Fläche des Spiegels 10 und dem Spiegelkörper 8 und der kurzen Achse des Rechtecks parallel zu der Fläche des Spiegels 10. Die Torsionssteifigkeit, die einer Drehung des Spiegelkörpers um die Drehachse 16 entspricht, kann durch die Blattfederanordnungen 30 bereitgestellt sein. Die Stützträger 18 können lediglich zum Stützen des Spiegelkörpers 8 dienen und können vernachlässigbare Auswirkungen auf die Torsionssteifigkeit haben. Die Stützträger 18 können so dimensioniert sein, dass die Steifigkeit gegenüber einer vertikalen Verschiebung (in der Z-Richtung) des Spiegelkörpers 8 und gegen eine Außer-Ebene-Translation desselben senkrecht zu der Drehachse 16 (der X-Achse) so hoch wie möglich ausfallen kann.
Die Spiegelvorrichtung kann außerdem zumindest einen Aktuator 40 umfassen, um ein Drehmoment bereitzustellen, um den Spiegelkörper 8 um die Drehachse 16 zu treiben. Bei einem Beispiel kann der Aktuator an dem Spiegelkörper 8 angebrachte Spiegelkämme aufweisen, die mit an dem Rahmen 14 angebrachten Rahmenkämmen verzahnt sind. Ein Anlegen einer Differenz des elektrischen Potentials zwischen einem verzahnten Spiegelkamm und einem Rahmenkamm kann eine Antriebskraft zwischen den Spiegelkämmen und den Rahmenkämmen erzeugen, die auf dem Spiegelkörper 8 ein Drehmoment um die Drehachse 16 erzeugen kann. Ein schwingendes elektrisches Potential kann angelegt werden, um die Spiegelvorrichtung mit ihrer Eigenfrequenz anzutreiben. Bei anderen Beispielen können Betätigungsverfahren eine elektromagnetische Betätigung und piezoelektrische Aktuatoren umfassen. Bei der elektromagnetischen Betätigung kann der Mikrospiegel in ein magnetisches Feld „eingetaucht“ sein, und ein elektrischer Wechselstrom durch leitfähige Wege kann das Schwingungsdrehmoment um die Drehachse 16 erzeugen. Piezoelektrische Aktuatoren können in den Blattfedern integriert sein, oder die Blattfedern können aus piezoelektrischem Material hergestellt sein, um ansprechend auf ein elektrisches Signal wechselnde Trägerbiegekräfte zu produzieren und das Schwingungsdrehmoment zu erzeugen.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf Spiegelvorrichtungen, die unter Verwendung von Fotolithografie- und DRIE(Deep Reactive Ion Etch = reaktive Ionentiefenätzung)-Techniken hergestellt werden. Beispiele der Spiegelvorrichtung können in einer Mehrzahl gestapelter und strukturierter Materialschichten gebildet sein.
Beispiele der Spiegelvorrichtung können eine zusätzliche Stützschicht 42 umfassen, wie in 4 und 5 gezeigt ist. Die zusätzliche Stützschicht 42 kann einen Hohlraum 44 umfassen, um eine Drehung des Spiegels 10 um die Drehachse 16 zuzulassen. Dementsprechend kann die zusätzliche Stützschicht 42 als ein Hohlraum-Wafer der Spiegelvorrichtung bezeichnet werden.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf Spiegelvorrichtungen wie beispielsweise MEMS-Abtastmikrospiegel, die dazu geeignet sind, bei niedrigeren Resonanzfrequenzen betrieben zu werden. Allgemein könnten einige Optionen erwogen werden, um einen MEMS-Spiegel langsamer zu machen. Die Trägheit des Spiegelkörpers könnte erhöht werden, jedoch würde dies die Frequenz aller Eigenmoden reduzieren, nicht nur diejenige der Hauptmode, mit der der MEMS-Spiegel betrieben wird. Dies würde die Empfindlichkeit für externe Vibrationen erhöhen. Um die Resonanzfrequenz zu reduzieren, könnte die Steifigkeit der Blattfedern reduziert werden. Allgemein können die Blattfedern, die gelegentlich auch als Freiträger bezeichnet werden, dünner gestaltet werden, aber diese würde ein Herstellen schwieriger werden lassen und würde die Resonanzfrequenz der inneren Freiheitsgrade der Blattfedern reduzieren. Die Blattfedern könnten länger gestaltet werden, aber dies würde die Chipgröße und somit die Kosten erhöhen. Die Blattfedern könnten schmaler gestaltet werden, aber dies würde die Steifigkeit um die Z-Achse, d. h. der optischen Achse, die senkrecht zu der Spiegeloberfläche ist, erheblich reduzieren. Somit würde die Frequenz der entsprechenden Eigenmode reduziert werden und die Kammantriebe würden gegenüber einem Ziehen empfindlicher werden.
Gemäß Beispielen der vorliegenden Offenbarung wird die Steifigkeit der Blattfedern reduziert, indem Löcher oder Öffnungen in denselben erzeugt werden. Das Ziel der Löcher oder Öffnungen besteht darin, die Steifigkeit in einer Richtung zu reduzieren, während sie in der anderen Richtung beibehalten wird, anstatt Gewicht oder Herstellungskosten zu reduzieren. Dies reduziert die Eigenresonanzfrequenz (Hauptresonanzfrequenz) ohne sich stark auf die Frequenz der anderen Eigenmoden auszuwirken, und somit ohne die Robustheit zu beeinträchtigen. Insbesondere kann die Steifigkeit gegen die Drehung um die Z-Achse, die im Wesentlichen durch Biegen der Blattfedern in der XY-Ebene und somit durch die Breite der Blattfedern bestimmt ist, immer noch sehr hoch sein. Dies wäre durch einfaches Reduzieren der Breite der Blattfedern nicht möglich.
Somit umfasst gemäß Beispielen der vorliegenden Offenbarung zumindest eine der Blattfedern 32 Öffnungen 50, wie schematisch in 1 bis 7 gezeigt ist. Es ist festzustellen, dass lediglich einige der Öffnungen mit einem Bezugszeichen 50 bereitgestellt sind, um die Figuren nicht zu überfrachten.
8A und 8B zeigen Querschnittsansichten (entlang der Längsrichtung derselben) von Beispielen von Blattfedern 32. Die Dicke der Blattfeder 32 in der Z-Richtung, d. h. senkrecht zu der durch den Rahmen definierten Ebene, ist kleiner als deren Breite in der durch den Rahmen definierten Ebene. Es ist festzustellen, dass die durch den Rahmen definierte Ebene mit der durch den Spiegel 10 definierten Spiegelebene übereinstimmen kann, wenn der Spiegel 10 in seiner Ruheposition ist. In jedem Fall kann die durch den Rahmen definierte Ebene parallel zu der Spiegelebene sein, falls der Spiegel in seiner Ruheposition ist. Bei dem in 8A gezeigten Beispiel durchdringen die Öffnungen 50 die Blattfeder 32 in der Dickenrichtung, d. h. in der Z-Richtung. Bei dem in 8B gezeigten Beispiel, durchdringen die Öffnungen 52 die Blattfeder in der Dickenrichtung nicht, sondern reduzieren die Dicke derselben in bestimmten Bereichen. Somit kann bei Beispielen die Blattfeder Regionen, in denen dieselbe eine spezifische Dicke aufweist, und andere Regionen aufweisen, in denen die Dicke durch die Öffnungen reduziert wird, die die Blattfeder nicht vollständig durchdringen.
Bei Beispielen sind die Öffnungen angeordnet, um im Vergleich zu einer Blattfeder, die die Öffnungen nicht umfasst, die Torsionssteifigkeit bezüglich einer Drehung des Spiegelkörpers um die Drehachse stärker zu reduzieren als die Drehsteifigkeit bezüglich Drehungen um Achsen, senkrecht zu der Drehachse sind, insbesondere um die Z-Achse. In dieser Hinsicht ist festzustellen, dass die in 1 und 3 bis 7 gezeigten Öffnungen lediglich veranschaulichend sind.
Bei Beispielen können die Öffnungen drei oder mehr Öffnungen, fünf oder mehr Öffnungen oder zehn oder mehr Öffnungen aufweisen. Bei Beispielen ist ein erstes Ende der Blattfeder an den Spiegelkörper gekoppelt und ein zweites Ende der Blattfeder ist an den Rahmen gekoppelt, wobei die Öffnungen eine Öffnung aufweisen, die näher zu dem ersten Ende als zu dem zweiten Ende angeordnet ist. Bei Beispielen weisen die Öffnungen eine Öffnung auf, die näher zu dem zweiten Ende als zu dem ersten Ende angeordnet ist. Bei Beispielen sind die Öffnungen bei Betrachtung in der Richtung der Blattfederdicke über eine Region verteilt, die 50 % oder mehr der Blattfederfläche bedeckt. Bei Beispielen weisen die Öffnungen bei Betrachtung in der Richtung der Blattfederdicke zumindest zwei Öffnungen unterschiedlicher Formen und/oder unterschiedlicher Flächen auf. Bei Beispielen belegen die Öffnungen bei Betrachtung in der Richtung der Blattfederdicke einen Prozentsatz der Blattfederfläche in einem Bereich von 20 % bis 90 %.
Bei Beispielen können die Öffnungen angeordnet sein, um in einer Draufsicht auf die Blattfeder, d. h. auf die durch den Spiegelrahmen 14 definierte Ebene, eine Strebenstruktur der Blattfeder bereitzustellen. Bei Beispielen können die Öffnungen Öffnungen aufweisen, die mit einem kreuzförmigen, einem y-förmigen oder einem x-förmigen Anschlussbereich zwischen denselben angeordnet sind. Bei Beispielen können die Öffnungen in einer Draufsicht dreieckige Öffnungen aufweisen. Bei Beispielen können die Öffnungen längliche rechteckige Öffnungen aufweisen, die sich in der Längsrichtung der Blattfeder erstrecken. Bei Beispielen können die Blattfedern Regionen unterschiedlicher Breite aufweisen, wobei die Öffnungen Paare länglicher rechteckiger Öffnungen aufweisen können, die in der Breitenrichtung nebeneinander in einem Abschnitt der Blattfeder gebildet sind, der eine kleinere Breite als andere Abschnitte derselben aufweist. Bei Beispielen können in einer Draufsicht in den Ecken der Öffnungen Hohlkehlen gebildet sein und die Öffnungen keinen spitzen Ecken umfassen.
Bei Beispielen kann die zumindest eine Blattfeder eine Breite aufweisen, die zu dem Ende derselben hin zunimmt, das entweder an dem Spiegelkörper oder dem Spiegelrahmen befestigt ist. Bei Beispielen kann die Breite der zumindest einen Blattfeder außerdem von einem Mittelabschnitt zu dem Ende derselben hin zunehmen, das über die Entlastungsverbindung an den Spiegelrahmen oder den Spiegel gekoppelt ist. Die Breite an dem Ende, das an dem jeweiligen Gegenstück befestigt ist, kann breiter als die Breite der Blattfeder an dem Ende sein, das über die Entlastungsverbindung an das jeweilige Gegenstück gekoppelt ist. Bei Beispielen ist die Blattfeder spitz zulaufend mit einer breiten Basis und einem schmalen Hals. Es wird Bezug genommen auf die Beispiele der Blattfeder, die beispielsweise in 1 und 3 bis 7 gezeigt ist.
Bei Beispielen können die Öffnungen in der Blattfeder dreieckförmige Löcher aufweisen, die in den drei Ecken der dreieckförmigen Löcher Hohlkehlen aufweisen. Die Struktur der zumindest einen Blattfeder kann auf der robusten Strebenstruktur für Türme basieren, indem dreieckige Löcher verwendet werden, um für eine robuste statische Struktur Strebenträger zwischen denselben bereitzustellen, insbesondere in der Region, die näher zu dem maximalen Rotationsdrehmoment ist. Bei Beispielen umfasst das Ende der Blattfeder, das an dem jeweiligen Gegenstück befestigt ist (d. h. dem Spiegelkörper oder dem Spiegelrahmen), keine ausgenommenen Abschnitte oder Öffnungen. Anders gesagt ist der Abschnitt der Blattfeder, der an den jeweiligen Gegenstücken befestigt ist, fortlaufend, so dass eine stabile Verbindung erzielt wird. Bei Beispielen können alle Ecken der Öffnungen in einer Ebenenansicht zu Kurven geändert werden, um eine Beanspruchungskonzentration an spitzen Ecken zu vermeiden.
9A, 9B und 9C zeigen Draufsichten von Beispielen von Blattfederanordnungen 30, die die Blattfeder 32 und die Entlastungsverbindung aufweisen, Wie in 9A bis 9C gezeigt ist, kann jede Entlastungsverbindung 34 eine Anzahl von Entlastungsfedern 35 umfassen, die parallel zueinander angeordnet sind. Die Blattfedern 32 sind zu einem Mittelteil derselben hin spitz zulaufend, wobei die Breite an dem ersten Ende 32a größer als die Breite an dem zweiten Ende 32b ist. Das erste Ende 32a kann an dem Spiegelrahmen befestigt sein.
9A bis 9C zeigen unterschiedliche Konfigurationen (Muster) von Öffnungen. Die unterschiedlichen Konfigurationen wurden für das optimale Ergebnis simuliert. Um eine niedrige Frequenz erreichen zu können, sollten die eingeführten Öffnungsmuster auf der zumindest einen Blattfeder eine gewünschte Stresswertgrenze erfüllen, die durch eine Entwurfsbibliothek gegeben sein kann. Außerdem können die Auswirkungen von Eigenmoden einer höheren Ordnung, insbesondere eine Drehung um die Z-Achse, gesteuert werden, um den dynamischen Betrieb der Spiegelvorrichtung dahin gehend zu sichern, dass eine niedrigere Resonanzfrequenz erreicht werden kann.
Die in 9A bis 9C gezeigten Entwürfe ähneln einem Eiffelturm, und deshalb können die Öffnungsmuster so bezeichnet werden, dass sie eine Eiffelturmstruktur bereitstellen.
Der Entwurf, der in 9A gezeigt ist, umfasst jeweilige Gruppen von vier dreieckförmigen Öffnungen 50a. Die dreieckförmigen Öffnungen 50a können mit jeweiligen zueinander ausgerichteten Spitzen angeordnet sein, so dass ein kreuz- oder x-förmiger Anschlussbereich 54 zwischen denselben gebildet ist. Diese Gruppen von dreieckigen Öffnungen 50a können in Abschnitten der Blattfeder 32a mit reduzierter Breite gebildet sein. Bei dem in 9A gezeigten Beispiel sind zwei zusätzliche dreieckförmige Öffnungen 50b und eine trapezförmige Öffnung 50c, die zwischen denselben angeordnet ist, in dem breiteren Abschnitt der Blattfeder 32a bereitgestellt. Eine zusätzliche dreieckige Öffnung 50d kann benachbart zu dem zweiten Ende 32b der Blattfeder 32a bereitgestellt sein. Die in 9A gezeigte Blattfeder kann zufriedenstellende Stabilität und ausreichendes dynamisches Verhalten aufweisen. Andere Entwürfe können schmalere Blattfedern ermöglichen. Darüber hinaus können unterschiedliche Entwürfe für unterschiedliche Frequenzbereiche geeignet sein.
9B zeigt ein Öffnungsmuster, das Paare länglicher Öffnungen 50e in einem schmaleren Abschnitt der Blattfeder und dreieckige Öffnungen in dem sich erweiternden Abschnitt derselben zeigt. Genauer gesagt weisen die dreieckigen Öffnungen eine Gruppe von vier dreieckigen Öffnungen 50f, die einen x-förmigen Anschlussbereich zwischen denselben aufweisen, und eine Gruppe von drei dreieckigen Öffnungen 50g auf, bei der eine größere dreieckige Öffnung zwischen zwei kleineren dreieckigen Öffnungen angeordnet ist.
9C zeigt ein anderes Muster von Öffnungen, die auch Paare länglicher Öffnungen 50b aufweisen, in einem schmaleren Abschnitt der Blattfeder. Dreieckige Öffnungen 50h mit gerundeten Ecken sind in dem sich erweiternden Abschnitt der Blattfeder gebildet. Einige der dreieckigen Öffnungen sind derart angeordnet, dass ein y-förmiger Anschlussbereich zwischen denselben gebildet ist.
Simulationen haben gezeigt, dass zumindest für einige Anwendungen der 9c gezeigte Entwurf die besten Ergebnisse einschließlich des dynamischen Verhaltens zeigen kann. Bei einem derartigen Entwurf können die Strukturen der Öffnungen in der Form von Dreiecken sein, mit gerundeten Ecken in der Region, die näher zu der Drehachse ist, um eine Beanspruchung zu reduzieren, und mit geschlitzten Löchern in der Region mit der geringeren Beanspruchung.
Es ist festzustellen, dass die Blattfedern, die bezüglich der unterschiedlichen Beispiele hierin beschrieben werden, Öffnungen aufweisen können, wie sie in 9A bis 9C gezeigt sind. Bei anderen Beispielen können die Öffnungen unterschiedliche Formen und unterschiedliche Anordnungen umfassen.
10A zeigt das Rückstellmoment eines Spiegelkörpers gegenüber dem Neigungswinkel desselben für eine Spiegelvorrichtung, die Blattfedern mit der in 9C gezeigten Form aufweist, jedoch keine Öffnungen umfasst. 10B zeigt den Neigungswinkel gegenüber der Resonanzfrequenz für einen derartigen Spiegelkörper. 11A und 11B zeigen die jeweiligen Krümmungen für eine Spiegelvorrichtung, die die in 9C gezeigte Blattfeder aufweist, die die Öffnungen umfasst. Ein Vergleich von 10A und 11A zeigt einen Drehmomentabfall bezüglich des Drehwinkels. 11A und 11B zeigen den Drehwinkel der Spiegelvorrichtung bezüglich der Frequenz, zeigen außerdem die nichtlineare Frequenzantwortkurve. Es kann hergeleitet werden, dass ein Bereitstellen der Blattfeder mit Öffnungen die entsprechende Resonanzfrequenz verringern kann, beispielsweise um ca. 25 %.
Dementsprechend ermöglichen Beispiele der vorliegenden Offenbarung ein Entwerfen und Herstellen von langsameren Spiegelvorrichtungen wie beispielsweise MEMS-Spiegelvorrichtungen, indem die Steifigkeit zumindest einer Blattfeder um die Hauptdrehachse in einem stärkeren Maße reduziert wird als die Steifigkeit um die optische Achse (Z-Achse). Es wäre wünschenswert, die Steifigkeit um die optische Achse überhaupt nicht zu reduzieren. Bei Beispielen findet bei Betrieb eine Drehung um die Y-Achse bei Resonanz statt, d. h. es gibt einen Freiheitsgrad. Bei Beispielen sollten höhere Moden bei den anderen Freiheitsgraden unterdrückt werden. Beispielsweise sollte eine Drehung um die Z-Achse (R_Z) unterdrückt werden, da dies Kammantriebe beschädigen könnte. Dies gilt in geringerem Ausmaß auch für Translationen in der X-Richtung (T_X). Translationen in der Z-Richtung (T_Z) sollten dahin gehend gesteuert werden, dass eine sogenannte „Lautsprechermode“ unterdrückt wird. Drehungen um die X-Achse (R_X) sollten gesteuert werden, um ein „Wobbeln“ der Abtastleitung zu verhindern. Außerdem sollte eine Spiegelvorrichtung gegenüber Vibrationen robust sein. Beispiele der vorliegenden Offenbarung ermöglichen es, einige oder alle dieser Ziele zu erreichen.
Beispiele hierin umfassen vier Blattfedern. Bei anderen Beispielen kann eine andere Anzahl von Blattfedern vorgesehen sein. Bei Beispielen können alle Blattfedern mit Öffnungen vorgesehen sein. Bei anderen Beispielen können einige der Blattfedern einer Spiegelvorrichtung mit Öffnungen vorgesehen sein, während andere Blattfedern der Spiegelvorrichtung nicht mit Öffnungen vorgesehen sind. Hierin offenbarte Beispiele lassen es zu, dass die Breite der Blattfeder (in Y-Richtung) beibehalten wird, um eine hohe Steifigkeit gegen eine Drehung um die Z-Achse beizubehalten, wobei die Biegesteifigkeit (R_Y) durch ein Einfügen von Löchern reduziert wird. Gemäß Beispielen wird eine Strebenkonstruktion verwendet, um die Steifigkeit in einer Richtung zu reduzieren, während sie in den anderen Richtungen beibehalten wird. Bei Beispielen ist eine einzige Maskenänderung bezüglich vorheriger Entwürfe beim Herstellen einer Spiegelvorrichtung durchzuführen.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf eine Spiegelvorrichtung, bei der der Spiegel in einer Dimension schwingt. Andere Beispiele können sich auf Spiegelvorrichtungen beziehen, die in zwei Dimensionen schwingen, beispielsweise Spiegel, die bei zweidimensionalen Laserscannern verwendet werden, und sich somit auf Spiegelvorrichtungen beziehen, die ein Abtasten in zwei Dimensionen unter Verwendung von zwei orthogonalen Drehachsen ermöglichen. Die vorliegende Offenbarung kann auf derartige zweidimensionale Scanner angewendet werden, indem ein Lager für den Spiegelrahmen bereitgestellt wird, das beispielsweise um eine Drehachse drehbar ist, die senkrecht zu der Drehachse 16 ist. Beispiele können sich auf MEMS-Spiegelvorrichtungen mit einer Eigenresonanzfrequenz von 1 bis 3 kHz beziehen. Beispiele können sich auf eine Spiegelvorrichtung beziehen, die einen Spiegel mit Abmessungen in der X-Richtung und der Y-Richtung (d. h. in der Spiegelebene) von 2 bis 4 mm aufweist.
Bei dem Beispiel, das in 1 bis 7 gezeigt ist, ist das erste Ende 32a der zumindest einen Blattfeder 32 an dem Spiegelrahmen 14 befestigt. Der Begriff „befestigt“ wird in der vorliegenden Offenbarung in der üblichen Bedeutung verwendet, insofern als eine steife Verbindung zwischen den Komponenten besteht, die miteinander befestigt sind. Wie in 1 bis 7 gezeigt ist, können die ersten Enden 32a jeweiliger Blattfedern 32 miteinander verbunden sein. Dennoch bleibt das jeweilige Ende 32a an dem Spiegelrahmen 14 befestigt. Bei anderen Beispielen kann die Spiegelvorrichtung eine abweichende Konstruktion aufweisen.
12A zeigt ein Beispiel einer Spiegelvorrichtung, die zumindest eine Blattfeder 62 aufweist. Die Blattfeder weist ein erstes Ende 62a und ein zweites Ende 62a auf. Das erste Ende 62a ist an dem Spiegelkörper 8 befestigt, und das zweite Ende 62b ist an dem Rahmen 14 befestigt. Das zweite Ende 62b ist an einer Position, die relativ nah zu der Drehachse 16 ist, an dem Rahmen 14 befestigt, und das erste Ende 62a ist an einem Ort, der relativ weiter entfernt von der Drehachse 16 ist, an dem Spiegelkörper 8 befestigt. Die Blattfedern 62 können gemäß der vorliegenden Offenbarung konfiguriert sein, d. h. können mit Öffnungen vorgesehen sein. Die Öffnungen können Öffnungen aufweisen, die in der Längsrichtung der Blattfeder 62 eine größere Erstreckung aufweisen als in der Breitenrichtung derselben.
12B zeigt ein Beispiel, bei dem Blattfederanordnungen 30 zwischen dem Spiegelkörper 8 und dem Rahmen 14 angebracht sind, wobei das erste Ende 32a der Blattfeder 32 über die Entlastungsverbindung 34 mit dem Spiegelkörper 8 verbunden ist und das zweite Ende 32b der Blattfeder 32 an dem Rahmen 14 befestigt ist.
13A zeigt eine schematische Ansicht eines Beispiels einer Spiegelvorrichtung, die zumindest eine Blattfederanordnung aufweist. Die Blattfederanordnung weist die Blattfeder 32 und die Entlastungsverbindung 34 auf. Das erste Ende 32a der Blattfeder 32 ist an einem Ort 70, der relativ nahe zu der Drehachse 16 ist, an dem Spiegelkörper 8 befestigt. Das zweite Ende 32b der Blattfeder 32 ist an einem Ort, der weiter entfernt von der Drehachse 16 ist, mit der Entlastungsverbindung 34 derselben verbunden. Das zweite Ende 32b der Blattfeder ist über die Entlastungsverbindung 34 mit dem Rahmen 14 verbunden.
13B zeigt ein Beispiel einer Spiegelvorrichtung, die zumindest eine Blattfederanordnung 30 aufweist, die die Blattfeder 32 und die Entlastungsverbindung 34 umfasst. Das zweite Ende 32b der Blattfeder 32 ist an einem Ort, der relativ nahe zu der Drehachse 16 ist, mit der Entlastungsverbindung 34 derselben verbunden, und das erste Ende 32a der Blattfeder 32 ist an einem Ort, der relativ weiter entfernt von der Drehachse 16 ist, an dem Spiegelkörper 8 befestigt. Das zweite Ende 32b ist über die Entlastungsverbindung 34 mit dem Rahmen 14 verbunden.
13C zeigt eine schematische Draufsicht einer Spiegelvorrichtung, bei der die Blattfedern 32 der Blattfederanordnungen 30 parallel zu einer Drehachse 16 ausgerichtet sind. Das erste Ende 32a der zumindest einen Blattfeder 32 ist an dem Spiegelkörper 8 befestigt, und das zweite Ende 32b der zumindest einen Blattfeder ist über die Entlastungsverbindung 34 mit dem Rahmen 14 verbunden. Bei einem anderen Beispiel könnte die zumindest eine Blattfeder so angeordnet sein wie in 13C gezeigt ist, jedoch könnte das erste Ende 32a der Blattfeder über eine Entlastungsverbindung mit dem Spiegelkörper 8 verbunden sein und das zweite Ende 32b könnte an dem Rahmen 14 befestigt sein, oder das erste Ende 32a könnte an dem Rahmen befestigt sein und das zweite Ende 14 könnte an dem Spiegelkörper 8 befestigt sein. Das in 13C gezeigte Beispiel veranschaulicht, dass die Blattfedern 32 anders als senkrecht zu der Drehachse 16 ausgerichtet sein können. Beispielsweise kann eine parallele Anordnung verwendet werden, um die Gesamtabmessungen der Spiegelvorrichtung zu reduzieren, kann jedoch zu einer Torsion der Blattfedern 32 führen, welche die mechanische Beanspruchung erhöht.
Bei Beispielen kann die Spiegelvorrichtung durch eine Mehrzahl von Konstruktionsschichten gebildet sein. Bei Beispielen kann eine erste Konstruktionsschicht eine erste Dicke aufweisen, eine zweite Konstruktionsschicht kann eine zweite Dicke aufweisen, die größer als die erste Dicke ist, und eine dritte Konstruktionsschicht kann eine dritte Dicke aufweisen, die größer als die zweite Dicke ist. Bei Beispielen kann die erste Konstruktionsschicht eine obere Konstruktionsschicht sein, die zweite Konstruktionsschicht kann eine Zwischenkonstruktionsschicht sein und die dritte Konstruktionsschicht kann eine untere Konstruktionsschicht sein. Die Konstruktionsschichten können aus einem Halbleiter wie beispielsweise Silizium gebildet sein. Dünne Isolierschichten können zwischen den Konstruktionsschichten oder einem Teil der Konstruktionsschicht gebildet sein. Der Spiegel 10, die Blattfedern 32 und Teile der Entlastungsverbindungen 34 und der Aktuatoren 30 können in der ersten Konstruktionsschicht gebildet sein. Teile der Spiegelstütze 12 mit der zweiten Dicke können in der zweiten Konstruktionsschicht gebildet sein, wie beispielsweise in 6 ersichtlich ist. Darüber hinaus können Teile der Entlastungsverbindungen 34 und der Aktuatoren 40 in der zweiten Konstruktionsschicht gebildet sein. Dementsprechend können die Entlastungsverbindung und die Aktuatoren eine Dicke in der Z-Richtung aufweisen, die größer als die Dicke des Spiegels und der Blattfedern ist. Teile der Spiegelstütze 12, beispielsweise der Stützbalken 20 und die Verstärkungsträger 22, können in der dritten Konstruktionsschicht gebildet sein. Teile des Rahmens 14 können in der ersten, zweiten und dritten Konstruktionsschicht gebildet sein, wobei die jeweiligen Schichten dahin gehend strukturiert sind, dass sie die in 1 bis 7 gezeigten Ausnehmungen, beispielsweise die Spiegelausnehmung 24, umfassen. Die Stützträger 18 können in der ersten und zweiten Konstruktionsschicht gebildet sein und können deshalb eine Dicke aufweisen, die der kombinierten Dicke der ersten und zweiten Konstruktionsschicht und, falls vorhanden, einer Schicht zwischen der ersten und zweiten Konstruktionsschicht entspricht.
Bei Beispielen können die Spiegelvorrichtungen aus Einkristall-Silizium oder einem Polysiliziummaterial unter Verwendung von Fotolithografie- und DRIE(Dry Reactive Ion Etching)-Techniken hergestellt werden. Bei Beispielen kann die Spiegelvorrichtung unter Verwendung von SOI-Substraten (SOI = Silicon on Insulator, Silizium auf einem Isolator) hergestellt werden.
14 ist eine detaillierte perspektivische Ansicht von Kammfingern für einen Aktuator eines Beispiels einer Spiegelvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Ein Kammfinger 90 eines Spiegelkamms 92 und zwei Kammfinger 94 eines Rahmenkamms 96 sind in 14 gezeigt. Die Kammfinger 90 des Spiegelkamms 92 sind mit den Kammfingern 94 des Rahmenkamms 96 verzahnt. Bei einem Beispiel kann die Spiegelvorrichtung aus einem SOI-Wafer, der eine obere Siliziumschicht und eine untere Siliziumschicht aufweist, mit einer Isolierschicht zwischen der oberen Siliziumschicht und der unteren Siliziumschicht hergestellt sein. Bei Beispielen kann die obere Siliziumschicht durch die erste Konstruktionsschicht gebildet sein, und die untere Siliziumschicht kann durch die zweite Konstruktionsschicht gebildet sein. Bei einem Beispiel können der Spiegelkamm 92 und der Rahmenkamm 96 so hergestellt sein, dass die Isolierschicht die Kämme parallel zu der Spiegeloberfläche teilt, wodurch elektrisch isolierte obere elektrische Abschnitte und untere elektrische Abschnitte in jedem der Kammfinger erzeugt werden. Die Kammfinger 90 des Spiegelkamms 92 umfassen erste elektrische Abschnitte 102 und zweite elektrische Abschnitte 104, die durch eine Isolierschicht 106 getrennt sind. Die Kammfinger 94 des Rahmenkamms 96 umfassen erste elektrische Abschnitte 112 und zweite elektrische Abschnitte 114, die durch eine Isolierschicht 116 getrennt sind.
Ein Anlegen einer Differenz des elektrischen Potentials zwischen den oberen elektrischen Abschnitten in dem Spiegelkamm 90 und den unteren elektrischen Abschnitten in dem Rahmenkamm 96 oder umgekehrt kann verwendet werden, um eine anfängliche Treibkraft zwischen den Spiegelkämmen 92 und den Rahmenkämmen 96 zu erzeugen, wenn die Spiegelkämme 92 und die Rahmenkämme 96 ausgerichtet sind und der Spiegelkörper 8 in einer Ruheposition ist. Die Trennung der Kammfinger in zwei (obere und untere) Teile ermöglicht es, indem zwischen gegenüberliegenden Schichten geschaltet wird, das Antriebspotential (und letztendlich das Drehmoment, abhängig von der Geometrie der Kammfinger) für eine Dauer anzuwenden, die größer als die Hälfte einer Schwingungsdauer pro Schwingungszyklus ist. Bei einem Beispiel können die Blattfedern in der oberen Siliziumschicht eines SOI-Wafers hergestellt sein und können das elektrische Potential zu den oberen ersten elektrischen Abschnitten der Spiegelkämme 92 bringen. Bei einem anderen Beispiel können die Blattfedern in der unteren Siliziumschicht des SOI-Wafers hergestellt sein und können das elektrische Potential zu den unteren zweiten elektrischen Abschnitten 104 der Spiegelkämme 92 bringen. Bei einem anderen Beispiel können die Stützträger 18 in der unteren Siliziumschicht des Silizium-auf-Isolator-Wafers hergestellt sein und können das elektrische Potential zu den unteren zweiten elektrischen Abschnitten 104 der Spiegelkämme 92 bringen. Bei einem anderen Beispiel können die Stützträger 18 in der oberen Siliziumschicht des SOI-Wafers hergestellt sein und können das elektrische Potential zu den oberen ersten elektrischen Abschnitten 102 der Spiegelkämme 92 bringen. Bei einem noch weiteren Beispiel können die Stützträger 18 sowohl in der unteren Siliziumschicht des SOI-Wafers als auch in der oberen Siliziumschicht des SOI-Wafers hergestellt sein und können das elektrische Potential zu beiden, den unteren zweiten Elektrodenabschnitten 104 der Spiegelkämme 92 und den oberen ersten elektrischen Abschnitten 102 der Spiegelkämme 92, bringen. Bei einem Beispiel sind die oberen ersten elektrischen Abschnitte 102 der Spiegelkämme 92 mit den unteren zweiten elektrischen Abschnitten 104 der Spiegelkämme 92 mittels eines leitfähigen Drahts, eines Drahtbonds oder einer zusätzlichen Metallabscheidung kurzgeschlossen.
15A bis 15D zeigen unterschiedliche Beispiele von Spiegelvorrichtungen, jedes mit einem abweichenden Ort des Aktuators 40. In 15A befindet sich der Aktuator 40 an jeder Seite des Spiegelkörpers nahe zu der Drehachse 16 und zwischen dem Spiegelkörper und den Blattfederanordnungen 30. In 15B befindet sich der Aktuator 40 an jeder Seite des Spiegelkörpers nahe zu der Drehachse 16, aber zwischen den Blattfederanordnungen 30 und dem Rahmen 14. In 15C ist der Aktuator 40 gekrümmt und befindet sich an dem Umfang des Spiegelkörpers 8. In 15D ist der Aktuator 40 nicht gekrümmt und befindet sich an dem Umfang des Spiegelkörpers 8, jedoch mit einem größeren Abstand von der Drehachse 16.
Bei Beispielen kann die Spiegelvorrichtung zumindest drei unterschiedliche Typen von nachgebenden Elementen umfassen, d. h. die Entlastungsfedern 25, die Blattfedern 32 und die Stützträger 18. Um die mechanische Robustheit all dieser nachgebenden Elemente zu verbessern, können die mechanischen Beanspruchungen reduziert werden. Beanspruchungskonzentrationen werden an jeder der Ecken 746 erwartet, wo diese Beanspruchungen einen Riss veranlassen können, der zu mechanischem Versagen führt. Dies gilt insbesondere für scharfe Ecken 746, wie in 16A veranschaulicht ist. 16A bis 16E zeigen eine Entlastungsfeder 35 als ein Beispiel für ein nachgebendes Element, bei dem Enden 745a und 745b desselben mit Stützstrukturen verbunden sind. Dies kann behoben werden, indem an jeder der Ecken eine Hohlkehle hinzugefügt wird, wobei die Hohlkehle gewöhnlich einen konstanten Radius R_s aufweist und die Hohlkehle gewöhnlich zu beiden Kanten tangential ist, 16B. Je größer der Radius R_m ist, desto geringer sind die Beanspruchungskonzentrationen, 16C. Das Verwenden eines großen Radius fügt jedoch auch eine Menge zusätzlichen Materials hinzu, wodurch die Steifigkeit erhöht wird und zusätzliche Fläche hinzugefügt wird. Beide Nachteile können durch Verwenden einer Hohlkehle mit einem großen Radius R_l gelöst werden, die lediglich zu der Kante des nachgebenden Elements tangential ist und nicht zu der Kante des steifen Körpers 742, 16D. Dies kann Beanspruchungskonzentrationen erheblich reduzieren, während die hinzugefügte Steifigkeit und die zusätzliche Fläche reduziert werden. Zwischen der Hohlkehle und der steifen Stützstruktur ergibt sich eine spitze Ecke, was immer noch gewisse Beanspruchungskonzentration bewirken kann. Dies kann jedoch behoben werden, indem eine zweite Hohlkehle mit einem kleinen Radius hinzugefügt wird, 16E. In 16E weist das Ende 745a des nachgebenden Elements 35 Ecken 746 auf, die einen Krümmungsradius R_vs aufweisen, der kleiner als ein Krümmungsradius R_l ist, mit dem sich das zumindest eine Element zu dem Ende hin erweitert, und mit einem Bogen von weniger als 90 Grad.
Wie oben erläutert ist, sieht die Entlastungsverbindung 34 eine gewisse Nachgiebigkeit in der Längsrichtung der Blattfedern 32 vor (X-Richtung in 1), um Zugbelastung und -beanspruchung in den Blattfedern 32 zu reduzieren. Translationen sollten jedoch in den Querrichtungen der Blattfedern 32 (Z-Richtung und Y-Richtung in 1) so stark wie möglich unterdrückt werden, um unerwünschte Bewegung zu vermeiden. Die einzige zulässige Bewegung ist das Neigen des Spiegelkörpers 8 um die Drehachse 16. Die Entlastungsverbindung sollte eine relativ geringe Längstranslation zulassen, beispielsweise eine Längstranslation von weniger als 30 Mikrometern. Dies ist weitaus weniger als die maximale Translation des Aktuators 40 und des Spiegelkörpers 8. Die Entlastungsverbindung kann deshalb entworfen sein, um auch in der Längsrichtung der Blattfedern 32 relativ steif zu sein, wodurch lediglich ein geringfügiger Hub in der Längsrichtung bereitgestellt wird. Dies ermöglicht eine hohe Translationssteifigkeit in den anderen Richtungen.
17A bis 17J zeigen unterschiedliche Beispiele von Entlastungsverbindungen. Gemäß 17A bis 17C weist die Entlastungsverbindung eine oder mehrere Entlastungsfedern auf, die mit einem Ende 32b der Blattfeder 32 verbunden sind. Um eine hohe Translationssteifigkeit in allen Richtungen außer der Längsrichtung aufrechtzuerhalten und eine nachgebende Verbindung der Entlastungsverbindung 34 mit der Blattfeder 32 zu vermeiden, kann ein zusätzlicher steifer Körper 742 zwischen den Entlastungsfedern 35 und der Blattfeder 32 verwendet werden, wie in 17D gezeigt ist. Dieser steife Körper 742 kann die Verbindung der Entlastungsfedern 35 mit den Blattfedern 32 ermöglichen. Die Entlastungsfedern 35 können ihre dünnste Abmessung in der Längsrichtung der Blattfedern 32 aufweisen. Auf diese Weise können die Entlastungsfedern 35 eine hohe Translationssteifigkeit in Richtungen aufweisen, die quer zu der Längsrichtung der zugeordneten Blattfeder derselben sind. Anhand eines Beispiels können die 9A bis 9C gezeigten Entlastungsfedern 35 eine geringste Dicke in der Längsrichtung (der Blattfedern) von 5 µm aufweisen, während ihre Höhe, d. h. die Abmessung in der Z-Richtung, ungefähr 55 µm betragen kann. Zum Vergleich kann die zugeordnete Blattfeder 32 ihre dünnste Abmessung (ungefähr 10 µm) senkrecht zu der Ebene des Spiegels 52 aufweisen und kann eine kleinste Breite in dieser Ebene und quer zu ihrer senkrechten Richtung von etwa 300 µm aufweisen. Der steife Körper 742 kann U-förmig sein, so als ob er um das Ende 32b der Blattfeder 32 gefaltet wäre, wie in 17E gezeigt ist. Die Blattfeder 32 kann mit einem Mittelabschnitt 743 des steifen Elements 742 verbunden sein, und die Entlastungsfedern 35 können mit den Außenseiten von Umfangsabschnitten 744 des U-förmigen steifen Elements 742 verbunden sein. Dieses Beispiel kann insofern wirksam sein, dass die Entlastungsverbindung eine geringe Fläche an dem Ende 32b der zugeordneten Blattfeder 32 belegt. Auf diese Weise sind mehr Freiheitsgrade für ein Dimensionieren der Blattfeder 32 und ihrer Entlastungsverbindung 34 verfügbar.
Bei den Beispielen von 17D und 17E weist das steife Element 742 eine Dicke auf, die im Wesentlichen größer ist, d. h. zumindest doppelt so groß wie eine Dicke der zugeordneter Blattfeder desselben. Bei Beispielen kann dies realisiert werden, indem die Spiegelvorrichtung in mehreren Konstruktionsschichten implementiert wird, beispielsweise unter Verwendung eines SOI-Wafers. Eine obere Konstruktionsschicht kann eine Dicke von ungefähr 10 µm aufweisen, und eine untere Konstruktionsschicht kann eine Dicke von ungefähr 300 µm aufweisen. Die Konstruktionsschichten können durch eine Isolierschicht mit einer Dicke von ungefähr 1 µm getrennt sein. Das steife Element 742 kann in der oberen Schicht, der Isolierschicht und einem Teil der unteren Schicht gebildet sein, was zu einer Dicke von ungefähr 55 µm führt, und die zugeordnete Blattfeder 32 kann in der oberen Schicht gebildet sein. Dementsprechend kann bei Beispielen das steife Element 742 eine Dicke aufweisen, die ungefähr das 5,5-Fache derjenigen der Blattfeder beträgt.
Bei anderen Beispielen, beispielsweise bei denen, die in 17F und 17G dargestellt sind, können die Entlastungsfedern 741 zickzackförmig oder mäanderförmig sein. In 17H bis 17J wurden die Entlastungsfedern 35 um 90 Grad um die X-Achse gedreht.
Um die mechanische Robustheit der Entlastungsverbindungen 34 zu erhöhen und das Risiko eines mechanischen Versagens zu reduzieren, sollten die mechanischen Beanspruchungen in den Entlastungsfedern 35 reduziert oder minimiert werden. Dies kann verwirklicht werden, indem die Länge (in Y-Richtung in 1) erhöht wird, jedoch beeinträchtigt dies die Steifigkeit in Y- und Z-Richtung in einem gewissen Ausmaß. Eine andere Möglichkeit zum Reduzieren mechanischer Beanspruchungen besteht darin, die Entlastungsfedern 35 (in X-Richtung in 1) dünner zu gestalten, da für eine gegebene Verschiebung die mechanischen Biegebeanspruchungen sich auf die Dicke der Entlastungsfedern 35 beziehen. Um den Verlust an Steifigkeit (in allen Richtungen) auszugleichen, können mehrere Entlastungsfedern 35 verwendet werden, die mechanisch parallel angeordnet sind, siehe z. B. 17C bis 17E und 17J. Wenn mehrere Entlastungsfedern 35 mechanisch parallel verwendet werden, addiert sich deren Steifigkeit und führt zu einer höheren Gesamtsteifigkeit der Entlastungsverbindung. Auf diese Weise kann die mechanische Biegebeanspruchung in den Entlastungsfedern 35 reduziert werden, ohne die mechanische Steifigkeit der Entlastungseinrichtung 34 zu reduzieren. Gleichzeitig kann das Verhältnis der Translationssteifigkeit in Z-Richtung (in 1) zu der Translationssteifigkeit in X-Richtung verbessert werden, indem die Länge der Entlastungsfedern 35 so gering wie möglich gehalten wird, was zu einer besseren Unterdrückung unerwünschter Bewegung führt. Außerdem kann die Drehsteifigkeit (um eine Achse, die parallel zu der Y-Achse ist, wie in 1 definiert ist) an dem Ende der Blattfedern 32 oder des steifen Körpers 742 an dem Ende der Blattfedern 32 erheblich erhöht werden. Dies ist nicht möglich, falls zum Beispiel eine einzelne Entlastungsfeder 35, siehe 17A, oder zum Beispiel mehrere kolineare Entlastungsfedern 35, siehe 17B, verwendet werden.
Bei Beispielen sind die Blattfedern 32 über die Entlastungsverbindungen 34 an den Rahmen 14 gekoppelt. Auf diese Weise ist es den Blattfedern 32 möglich, sich in ihrer Längsrichtung zusammenzuziehen und auszudehnen, während eine Zunahme der Rotationsträgheit des Spiegelkörpers 8 vermieden wird. Bei anderen Beispielen können Entlastungsverbindungen 34 vorgesehen sein, um die Blattfedern mit dem Spiegelkörper zu verbinden. Bei Beispielen können Entlastungsverbindungen 34 vorgesehen sein, um eine Blattfeder mit beiden, dem Rahmen 14 und dem Spiegelkörper 8, zu verbinden.
18 zeigt eine schematische Draufsicht eines anderen Beispiels einer Spiegelvorrichtung. Bei dem in 18 gezeigten Beispiel ist das zweite Ende 32b der Blattfeder 32 nicht erweitert. Die Entlastungsverbindung weist Entlastungsfedern auf beiden Seiten der jeweiligen Blattfeder 32 auf. Öffnungen 50 sind in der zumindest einen Blattfeder 32 gebildet. Die Öffnungen sind in 18 auf eine rein schematische Weise gezeigt. Bei anderen Beispielen kann die Blattfeder bei Draufsicht eine rechteckige Form haben.
Bei Beispielen umfasst die Spiegelvorrichtung einen Treiber, um ein Drehmoment magnetisch oder elektrisch an den Spiegelkörper um die Abtastachse anzulegen, ohne physikalischen Kontakt mit dem Spiegelkörper, um den Spiegelkörper mit einer Resonanzfrequenz anzutreiben. Bei Beispielen ist der Aktuator ein elektrostatischer Kammantriebsaktuator, der ein Paar von wechselseitig zusammenwirkenden Kämmen aufweist, von denen ein erster steif mit dem Spiegelkörper verbunden ist und ein zweiter steif mit dem Rahmen verbunden ist. Bei Beispielen weist der Aktuator zumindest ein zusätzliches Paar wechselseitig zusammenwirkender Kämme auf, von denen ein erster steif mit dem Spiegelkörper verbunden ist und ein zweiter steif mit dem Rahmen verbunden ist, wobei das zumindest eine zusätzliche Paar von Kämmen in einem Abstand von der Drehachse angeordnet ist, der kleiner oder größer als der Abstand zwischen dem Paar wechselseitig zusammenwirkender Kämmen und der Drehachse ist.
Obwohl manche Aspekte als Merkmale im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass eine derartige Beschreibung auch als eine Beschreibung entsprechender Merkmale eines Verfahrens betrachtet werden kann. Obwohl manche Aspekte als Merkmale im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben wurden, versteht es sich, dass eine derartige Beschreibung auch als eine Beschreibung entsprechender Merkmale bezüglich der Funktionalität einer Vorrichtung verstanden werden kann.
In der vorgenannten ausführlichen Beschreibung ist ersichtlich, dass zahlreiche Merkmale zum Zweck der Vereinfachung der Offenbarung zusammen in Beispielen gruppiert sind. Dieses Verfahren einer Offenbarung ist nicht als Reflexion einer Absicht zu verstehen, dass die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale erfordern, als ausdrücklich in jedem Anspruch erwähnt sind. Vielmehr kann, wie die folgenden Ansprüche reflektieren, der erfindungsgemäße Gegenstand in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Beispiels liegen. Somit werden die folgenden Ansprüche hierdurch in die ausführlichen Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch eigenständig als ein separates Beispiel für sich stehen kann. Während jeder Anspruch als ein separates Beispiel für sich kann, ist festzustellen, dass, obwohl ein abhängiger Anspruch in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen verweisen kann, andere Beispiele ebenfalls eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder eine Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen können. Derartige Kombinationen sind hierin vorgeschlagen, sofern nicht festgestellt wird, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Darüber hinaus ist beabsichtigt, auch Merkmale eines Anspruchs zu einem anderen unabhängigen Anspruch zu umfassen, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch ist.
Die oben beschriebenen Beispiele dienen lediglich der Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Offenbarung. Es versteht sich, dass Modifizierungen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Details anderen Fachleuten auf dem Gebiet offenkundig sein werden. Eine Einschränkung ist daher lediglich durch den Schutzumfang der folgenden Patentansprüche, und nicht durch die mittels Beschreibung und Erläuterung der angeführten Ausführungsbeispiele dargelegten spezifischen Details beabsichtigt.

Claims

Eine Spiegelvorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: einen Rahmen; einen Spiegelkörper, der in dem Rahmen angeordnet ist und um eine Drehachse drehbar ist; Stützträger, die zwischen dem Spiegelkörper und dem Rahmen angebracht sind; und zumindest eine Blattfeder, die Torsionssteifigkeit bezüglich einer Drehung des Spiegelkörpers um die Drehachse bereitstellt, wobei die Blattfeder eine maximale Dicke aufweist, die kleiner als eine minimale Breite derselben ist, wobei die Blattfeder Öffnungen aufweist, die die Dicke derselben reduzieren oder die Blattfeder in der Dickenrichtung durchdringen, und wobei die Öffnungen Öffnungen aufweisen, die bei Betrachtung in der Richtung der Blattfederdicke vollständig von dem Material der Blattfeder umgeben sind.
Die Spiegelvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der zumindest eine der Öffnungen eine Erstreckung in der Richtung der Blattfederbreite aufweist, die kleiner als die minimale Breite der Blattfeder ist.
Die Spiegelvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Öffnungen zumindest eines der Folgenden aufweisen: - drei oder mehr Öffnungen, - fünf oder mehr Öffnungen und - zehn oder mehr Öffnungen.
Die Spiegelvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der ein erstes Ende der Blattfeder an den Spiegelkörper gekoppelt ist und ein zweites Ende der Blattfeder an den Rahmen gekoppelt ist, wobei die Öffnungen eine Öffnung aufweisen, die näher zu dem ersten Ende als zu dem zweiten Ende angeordnet ist.
Die Spiegelvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der bei Betrachtung in der Richtung der Blattfederdicke die Öffnungen über eine Region verteilt sind, die 50 % oder mehr der Blattfederfläche bedeckt.
Die Spiegelvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der bei Betrachtung in der Richtung der Blattfederdicke die Öffnungen zumindest zwei Öffnungen unterschiedlicher Formen und/oder unterschiedlicher Flächen aufweisen.
Die Spiegelvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der bei Betrachtung in der Richtung der Blattfederdicke die Öffnungen einen Prozentsatz der Blattfederfläche in einem Bereich von 20 % bis 90 % belegen.
Die Spiegelvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der Öffnungen angeordnet sind, um im Vergleich zu einer Blattfeder, die die Öffnungen nicht umfasst, die Torsionssteifigkeit bezüglich einer Drehung des Spiegelkörpers um die Drehachse stärker zu reduzieren als die Torsionssteifigkeit bezüglich Drehungen um Achsen, die senkrecht zu der Drehachse sind.
Die Spiegelvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Öffnungen angeordnet sind, um eine Strebenstruktur der Blattfeder bereitzustellen.
Die Spiegelvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Öffnungen Öffnungen aufweisen, die mit zumindest einem eines kreuzförmigen, eines y-förmigen oder eines x-förmigen Anschlussbereichs zwischen denselben angeordnet sind.
Die Spiegelvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der bei Betrachtung in der Richtung der Blattfederdicke die Öffnungen dreieckige Öffnungen aufweisen.
Die Spiegelvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Öffnungen längliche rechteckige Öffnungen aufweisen, die sich in einer Längsrichtung zwischen einem ersten Ende der Blattfeder und einem zweiten Ende der Blattfeder erstrecken.
Die Spiegelvorrichtung gemäß Anspruch 12, bei der Paare länglicher rechteckiger Öffnungen in der Breitenrichtung nebeneinander in einem Abschnitt der Blattfeder gebildet sind, der eine kleinere Breite als andere Abschnitte derselben aufweist.
Die Spiegelvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der bei Betrachtung in der Dickenrichtung der Blattfeder in den Ecken der Öffnungen Hohlkehlen gebildet sind und die Öffnungen keine spitzen Ecken umfassen.
Die Spiegelvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, die zumindest eine Blattfederanordnung aufweist, die die zumindest eine Blattfeder und eine Entlastungsverbindung aufweist, wobei die zumindest eine Blattfeder ein erstes Ende und ein zweites Ende und eine Längsrichtung zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende aufweist, wobei a) das erste Ende an dem Spiegelkörper befestigt ist und das zweite Ende durch die Entlastungsverbindung an den Rahmen gekoppelt ist oder b) das erste Ende durch die Entlastungsverbindung an den Spiegelkörper gekoppelt ist und das zweite Ende an dem Rahmen befestigt ist, wobei die Entlastungsverbindung eine Translation der Blattfeder in der Längsrichtung an dem Ende derselben ermöglicht, das zu der Entlastungsverbindung benachbart ist.
Die Spiegelvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der der Spiegelkörper eine Spiegelstütze und einen Spiegel aufweist, der auf der Spiegelstütze angeordnet ist, wobei die Spiegelstütze einen Stützbalken aufweist und wobei bei Betrachtung in der Richtung der Blattfederdicke die zumindest eine Blattfeder an dem Stützbalken außerhalb des Spiegels befestigt ist.
Die Spiegelvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, die ein erstes Paar Blattfedern und ein zweites Paar Blattfedern aufweist, wobei die Blattfedern in jedem Paar sich von dem Spiegelkörper aus in entgegengesetzten Richtungen erstrecken.
Die Spiegelvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, bei der die Blattfeder eine Breite aufweist, die von einem Mittelabschnitt derselben zu einem ersten Ende hin, das an den Spiegelkörper gekoppelt ist, und zu einem zweiten Ende hin, das an den Rahmen gekoppelt ist, zunimmt, wobei die Breite an dem ersten Ende größer als die Breite an dem zweiten Ende ist.
Eine Spiegelvorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: einen Rahmen; einen Spiegelkörper, der in dem Rahmen angeordnet ist und um eine Drehachse drehbar ist, die sich in einer durch den Rahmen definierten Ebene erstreckt; Stützträger, die entlang der Drehachse zwischen dem Spiegelkörper und dem Rahmen angebracht sind; und zumindest eine Blattfeder, die Torsionssteifigkeit bezüglich einer Drehung des Spiegelkörpers um die Drehachse bereitstellt, wobei die zumindest eine Blattfeder ein erstes Ende und ein zweites Ende und eine Längsrichtung zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende aufweist, wobei das erste Ende an den Spiegelkörper gekoppelt ist und das zweite Ende an den Rahmen gekoppelt ist, wobei die Blattfeder senkrecht zu der Ebene eine maximale Dicke aufweist, die kleiner als eine minimale Breite der Blattfeder in der Ebene ist, und wobei die Blattfeder Öffnungen aufweist, die die Dicke derselben reduzieren oder die Blattfeder in der Dickenrichtung durchdringen.
Die Spiegelvorrichtung gemäß Anspruch 19, bei der die Öffnungen Öffnungen aufweisen, die in der Längsrichtung der Blattfeder eine größere Erstreckung aufweisen als in der Breitenrichtung derselben.
Die Spiegelvorrichtung gemäß Anspruch 19 oder 20, bei der das erste Ende der Blattfeder an dem Spiegelkörper befestigt ist, wobei das zweite Ende der Blattfeder keine ausgenommenen Abschnitte oder Öffnungen umfasst.
Die Spiegelvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21, bei der die Öffnungen angeordnet sind, um im Vergleich zu einer Blattfeder, die die Öffnungen nicht umfasst, die Torsionssteifigkeit bezüglich einer Drehung des Spiegelkörpers um die Drehachse stärker zu reduzieren als die Drehsteifigkeit bezüglich Drehungen um Achsen, die senkrecht zu der Drehachse sind.
Die Spiegelvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 19 bis 22, bei der die Öffnungen angeordnet sind, um eine Strebenstruktur der Blattfeder bereitzustellen.
Die Spiegelvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 19 bis 23, bei der die Öffnungen Öffnungen aufweisen, die mit einem kreuzförmigen oder einem x-förmigen Anschlussbereich zwischen denselben angeordnet sind.
Die Spiegelvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 19 bis 24, bei der die Öffnungen bei einer Draufsicht dreieckige Öffnungen aufweisen.
Die Spiegelvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 25, bei der bei Draufsicht in den Ecken der Öffnungen Hohlkehlen gebildet sind.