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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Mikrospiegelanordnung und eine Mikroprojektionsvorrichtung mit der Mikrospiegelanordnung.
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Das Dokument
WO 2013/055210 A1 beschreibt eine Mikrospiegelanordnung, die vier mit einem Rahmen verbundene Biegebalken und einen mit den dem Rahmen abgewandten Enden der Biegebalken über eine starre Aufhängung verbundenen Mikrospiegel umfasst. An zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Mikrospiegels ist jeweils ein elektromagnetischer Aktuator mit ineinandergreifenden spiegelseitigen Kammstrukturen und rahmenseitigen Kammstrukturen angeordnet. Die Aktuatoren sind dazu ausgelegt, den Mikrospiegel durch Torsion um eine Drehachse zu kippen.
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Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine Mikrospiegelanordnung und Mikroprojektionsvorrichtung zu entwickeln, dessen Aufbau kompakter ist und somit weniger Platz benötigt.
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Offenbarung der Erfindung
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Mikrospiegelanordnung gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Die Mikrospiegelanordnung umfasst hierbei einen Mikrospiegel, einen ersten Biegebalken, einen dem ersten Biegebalken zugeordneten ersten Aktuator und einen Rahmen. Der Mikrospiegel ist mit dem ersten Biegebalken fest verbunden ist. Die Befestigung an dem ersten Biegebalken erfolgt hierbei beispielsweise über eine stoffschlüssige Verbindung. Hierzu ist zum Beispiel ein Grundsubstrat des Mikrospiegels, wie auch des Biegebalkens aus einem gemeinsamen Material mit großem E-Modul, wie zum Beispiel Keramik oder Silizium gefertigt. Der erste Biegebalken ist wiederum, insbesondere unmittelbar, fest mit dem Rahmen verbunden. Es handelt sich hierbei insbesondere um eine feste Einspannung des ersten Biegebalkens in dem Rahmen. Bei dem Rahmen handelt es sich beispielsweise um einen MEMS-Rahmen. Bei dem Rahmen kann es sich aber auch beispielsweise um ein sonstiges MEMS-Bauteil handeln, mit welchem der erste Biegebalken fest verbunden ist. Der erste Aktuator der Mikrospiegelanordnung ist dazu ausgebildet, den ersten Biegebalken derart zu verbiegen, dass der Mikrospiegel um eine erste Drehachse des Mikrospiegels ausgelenkt wird. Mit der ersten Drehachse ist beispielsweise eine Drehachse des Mikrospiegels gemeint, welche sich in einer Ebene des Mikrospiegels in einer Ruhelage des Mikrospiegels erstreckt. Insbesondere handelt es sich bei der ersten Drehachse um eine Drehachse, die sich in Achsenrichtung quer, insbesondere senkrecht, zur Längsachse des ersten Biegebalkens erstreckt. Der erste Aktuator der Mikrospiegelanordnung ist auf dem Biegebalken, insbesondere einer Oberfläche des Biegebalkens, angeordnet. Somit muss keine separate Anordnung des Aktuators zur Verbiegung des Biegebalkens in der Mikrospiegelanordnung vorgesehen werden, sondern der erste Aktuator steht direkt in Verbindung mit dem ersten Biegebalken.
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Vorzugsweise weist die Mikrospiegelanordnung zusätzlich einen zweiten Biegebalken auf, welcher in Haupterstreckungsrichtung des zweiten Biegebalkens parallel zu dem ersten Biegebalken in dessen Haupterstreckungsrichtung angeordnet ist. Der Mikrospiegel ist hierbei auf einer der festen Verbindung mit dem ersten Biegebalken gegenüberliegenden Seite mit dem zweiten Biegebalken fest verbunden. Auch hierbei kann für die Befestigung des zweiten Biegebalkens mit dem Mikrospiegel beispielsweise eine stoffschlüssige Verbindung verwendet werden. Hierzu ist zum Beispiel ein Grundsubstrat des Mikrospiegels, wie auch des Biegebalkens aus einem Material mit großem E-Modul, wie zum Beispiel Keramik oder Silizium gefertigt. Der zweite Biegebalken ist, insbesondere unmittelbar, fest mit dem Rahmen verbunden. Ein zweiter, dem zweiten Biegebalken zugeordneter Aktuator der Mikrospiegelanordnung ist dazu ausgebildet, den zweiten Biegebalken derart zu verbiegen, dass der Mikrospiegel um die erste Drehachse des Mikrospiegels ausgelenkt wird. Der zweite Aktuator ist auf dem zweiten Biegebalken, insbesondere auf einer Oberfläche des zweiten Biegebalkens, angeordnet. Somit ergibt sich eine stabilere Mikrospiegelanordnung.
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Bevorzugt weist die Mikrospiegelanordnung zusätzlich einen dritten Biegebalken auf, welcher in Haupterstreckungsrichtung des dritten Biegebalkens quer, insbesondere senkrecht, zu dem ersten und/oder zweiten Biegebalken in Haupterstreckungsrichtung des ersten und/oder zweiten Biegebalkens ausgerichtet ist. Die drei Biegebalken liegen in einer Ruhelage der Biegebalken insbesondere in einer gemeinsamen Ebene. Der dritte Biegebalken ist wiederum, insbesondere unmittelbar, fest mit dem Rahmen verbunden. Der erste und/oder zweite Biegebalken ist über ein Verbindungselement und den dritten Biegebalken fest mit dem Rahmen verbunden. Die Befestigung des ersten und/oder zweiten Biegebalkens mit dem Rahmen erfolgt hierbei beispielsweise mittelbar über ein Befestigungsmittel, welches den ersten und/oder zweiten Biegebalken an dem dritten Biegebalken befestigt. Ein dritter, dem dritten Biegebalken zugeordneter Aktuator der Mikrospiegelanordnung ist dazu ausgebildet, den dritten Biegebalken derart zu verbiegen, dass der Mikrospiegel um eine zweite Drehachse des Mikrospiegels ausgelenkt wird. Mit der zweiten Drehachse ist insbesondere eine Drehachse gemeint, die senkrecht zu der ersten Drehachse angeordnet ist. Insbesondere verläuft die zweite Drehachse parallel zu der Längsachse des ersten und zweiten Biegebalkens. Der dritte Aktuator ist auf dem dritten Biegebalken, insbesondere einer Oberfläche des dritten Biegebalkens, angeordnet. Es ergibt sich somit eine platzsparende Mikrospiegelanordnung mit zweidimensionaler Drehung des Mikrospiegels, Weiterhin vorzugsweise weist die Mikrospiegelanordnung zusätzlich einen vierten Biegebalken auf, welcher in Haupterstreckungsrichtung des vierten Biegebalkens parallel zu dem dritten Biegebalken in Haupterstreckungsrichtung des dritten Biegebalkens angeordnet ist. Der vierte Biegebalken ist über das Verbindungselement mit dem ersten und/oder zweiten und dritten Biegebalken, insbesondere mittelbar, verbunden. Der vierte Biegebalken ist auf einer der festen Verbindung des dritten Biegebalkens mit dem Rahmen gegenüberliegenden Seite, insbesondere unmittelbar, fest mit dem Rahmen verbunden. Ein vierter, dem vierten Biegebalken zugeordneter Aktuator der Mikrospiegelanordnung ist dazu ausgebildet, den vierten Biegebalken derart zu verbiegen, dass der Mikrospiegel um die zweite Drehachse des Mikrospiegels ausgelenkt wird. Der vierte Aktuator ist auf dem vierten Biegebalken, insbesondere auf einer Oberfläche des vierten Biegebalkens, angeordnet. Somit ergibt sich eine stabilere Mikrospiegelanordnung zur zweidimensionalen Auslenkung des Mikrospiegels.
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Vorzugsweise ist der erste und/oder zweite und/oder dritte und/oder vierte Aktuator dazu ausgebildet, einen dem jeweiligen Aktuator zugeordneten Biegebalken in eine Richtung senkrecht zu der Haupterstreckungsrichtung des jeweiligen Biegebalkens zu verbiegen. Der jeweilige Biegebalken wird somit also in Längsrichtung verbogen. Somit kann eine Auslenkung des Mikrospiegels um die erste und/oder zweite Drehachse einfach erreicht werden.
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Bevorzugt ist der erste und/oder zweite und/oder dritte und/oder vierte Aktuator auf einer Oberseite und/oder Unterseite, insbesondere einer Oberfläche der Oberseite und/oder Unterseite, des jeweils zugeordneten Biegebalkens angeordnet. Mit der Oberseite und Unterseite des Biegebalkens sind die Seiten des Balkens gemeint, die eine Haupterstreckungsebene aufweisen, die sich in einer Ebene mit der Ebene des Mikrospiegels in einer Ruhelage des Mikrospiegels erstreckt. Vorzugsweise ist der Aktuator vollständig auf der Oberseite und/oder Unterseite des Aktuators angeordnet. Somit ergibt sich eine maximale Verbiegung eines jeweiligen Biegebalkens und somit auch eine maximale Auslenkung des Mikrospiegels. Alternativ ist der Aktuator nur teilweise auf der Oberseite und/oder Unterseite des Biegebalkens angeordnet. Hierbei reicht es aus, dass der Biegebalken nur in dem Verbindungsstück mit dem Mikrospiegel mit dem Aktuator bedeckt ist, sodass der Biegebalken in diesem Bereich verbogen und somit der Mikrospiegel ausgelenkt wird.
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Vorzugweise ist der Mikrospiegel an einem freien Ende des ersten und/oder zweiten Biegebalkens mit dem ersten und/oder zweiten Biegebalken fest verbunden. Mit dem freien Ende ist das Ende des jeweiligen Biegebalkens gemeint, welches nicht fest mit dem Rahmen verbunden ist. An diesem Ende kann möglichst einfach eine Auslenkung des Mikrospiegels durch Verbiegung des Biegebalkens erreicht werden.
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Bevorzugt ist der Mikrospiegel exzentrisch mit dem ersten und/oder zweiten Biegebalken fest verbunden. Durch diese außermittige Aufhängung des Mikrospiegels an dem ersten und/oder zweiten Mikrospiegel ergibt sich die Möglichkeit einer platzsparenden Mikrospiegelanordnung.
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Bevorzugt ist der erste und/oder zweite und/oder dritte und/oder vierte Aktuator als piezoelektrischer Aktuator ausgebildet. Ein piezoelektrischer Aktuator kann sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung Ausdehnen oder Zusammenziehen. Diese erzeugte mechanische Bewegung des Piezoaktuators wird bei der Mikrospiegelanordnung dazu verwendet, den zugehörigen Biegebalken zu verbiegen und somit den Mikrospiegel auszulenken. Alternativ ist der erste und/oder zweite und/oder dritte und/oder vierte Aktuator als elektrostatischer Aktuator ausgebildet. Elektrostatische Aktuatoren benutzen elektrostatische Felder um mechanische Teile, wie beispielsweise Biegebalken zu bewegen und somit zu verbiegen.
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Bevorzugt ist der erste und/oder zweite und/oder dritte und/oder vierte Aktuator dazu ausgebildet, den jeweils zugeordneten Biegebalken derart zu verbiegen, dass der Mikrospiegel resonant um die erste und/oder zweite Drehachse des Mikrospiegels ausgelenkt wird. Durch die resonante Drehung des Mikrospiegels um die erste und/oder zweite Drehachse können größere Auslenkungswinkel des Mikrospiegels mit einem geringen Energieaufwand erreicht werden. Alternativ hierzu ist der erste und/oder zweite und/oder dritte und/oder vierte Aktuator dazu ausgebildet, den jeweils zugeordneten Biegebalken derart zu verbiegen, dass der Mikrospiegel quasistatisch um die erste und/oder zweite Drehachse des Mikrospiegels ausgelenkt wird. Somit kann die Auslenkung des Mikrospiegels durch die Verbiegung der Biegebalken sehr genau vorgegeben werden.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Mikroprojektionsvorrichtung mit der zuvor beschriebenen Mikrospiegelanordnung. Bei einer solchen Mikroprojektionsvorrichtung wird der Mikrospiegel dazu verwendet, Licht, welches von beispielsweise einer Lasereinheit auf den Mikrospiegel gestrahlt wird, auf einen Bildschirm zu projizieren.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Mikrospiegelanordnung.
- 2 zeigt einen Biegebalken mit einem piezoelektrischen Aktuator.
- 3 zeigt einen ersten verbogenen Biegebalken und die resultierende Drehung eines Mikrospiegels.
- 4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Mikrospiegelanordnung.
- 5 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Mikrospiegelanordnung.
- 6 zeigt eine Ausführungsform einer Mikroprojektionsvorrichtung mit einer Mikrospiegelanordnung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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1 zeigt in der Draufsicht eine erste Ausführungsform einer Mikrospiegelanordnung 10a, die einen Mikrospiegel 2, einen ersten Biegebalken 14a, einen, dem ersten Biegebalken 14a zugeordneten ersten Aktuator 11a und einen Rahmen 1a aufweist.
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Der Mikrospiegel 2 ist hierbei über eine erste starre Aufhängung 102 mit dem ersten Biegebalken 14a fest verbunden. Der erste Biegebalken 14a ist wiederum fest in dem Rahmen 1a eingespannt. Der erste Aktuator 11a ist in diesem Ausführungsbeispiel als elektrostatischer Aktuator ausgebildet und ist auf der Oberseite des ersten Biegebalkens 14a angeordnet. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes wandelt der elektrostatische Aktuator elektrische Arbeit in mechanische Arbeit um, sodass der erste Biegebalken 104 senkrecht zu der Haupterstreckungsrichtung 104 des ersten Biegebalkens 14a verbogen wird und somit der Mikrospiegel 2 um eine erste Drehachse 6a des Mikrospiegels 2 ausgelenkt wird.
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In diesem ersten Ausführungsbeispiel der Mikrospiegelanordnung 10a ist zusätzlich auf einer, der festen Verbindung mit dem ersten Biegebalken 14a gegenüberliegenden Seite des Mikrospiegels 2 ein zweiter Biegebalken 14b über eine zweite starre Aufhängung 101 mit dem ersten Biegebalken 14a fest verbunden. Die Haupterstreckungsrichtung 105 des zweiten Biegebalkens 14b ist hierbei parallel zu der Haupterstreckungsrichtung 104 des ersten Biegebalkens 14a angeordnet. Der zweite Biegebalken 14b ist wiederum fest in dem Rahmen 1a eingespannt. Ein zweiter Aktuator 11b, welcher hierbei ebenfalls als elektrostatischer Aktuator ausgebildet ist, ist auf der Oberseite des zweiten Biegebalkens 14b angeordnet. Der zweite Aktuator 11b ist dazu ausgebildet, den zweiten Biegebalken 14b in eine Richtung senkrecht zu der Haupterstreckungsrichtung 105 des zweiten Biegebalkens 14b zu verbiegen, sodass der Mikrospiegel 6 um die erste Drehachse 6 ausgelenkt wird.
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Der Mikrospiegel 2 ist hierbei an einem freien Ende 16a des ersten Biegebalkens 14a mit dem ersten Biegebalken 14a und an einem freien Ende 16b des zweiten Biegebalkens 14b mit dem zweiten Biegebalken fest verbunden. Am freien Ende des jeweiligen Biegebalkens 14a und 14b ist die Balkenbiegung in vertikaler Richtung maximal, sodass eine maximale Verdrehung des Mikrospiegels 2 um die erste Achse 6a erreicht werden kann.
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Der Mikrospiegel 2 ist in dieser Ausführung exzentrisch, also außerhalb der ersten Drehachse 6a des Mikrospiegels 2, mit dem ersten und zweiten Biegebalken 14a und 14b fest verbunden. Somit entsteht eine Mikrospiegelanordnung 10a, die in Bezug auf die Ausstreckung in XY-Ebene platzsparend ist.
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Der erste und zweite Biegebalken 14a und 14b sind in der Ruhelage in der gemeinsamen XY-Ebene angeordnet.
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2 zeigt in der Seitenansicht einen Biegebalken 21, welcher fest in einen Rahmen 1b eingespannt ist. Auf der Oberseite 19a des Biegebalkens 21 ist ein Aktuator 12a angeordnet, welcher hierbei als piezoelektrischer Aktuator ausgebildet ist. Der piezoelektrische Aktuator bedeckt die Oberseite 19a des Biegebalkens 21 mit Ausnahme der Randbereiche 22a und 22b vollständig. Die nicht bedeckten Randbereiche 22a und 22b sind häufig für eine optimale Prozessführung beim Aufbringen der piezoelektrischen Aktuator-Schicht erforderlich. Der piezoelektrische Aktuator kann sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung (hier nicht gezeigt) Ausdehnen oder Zusammenziehen. Diese erzeugte mechanische Bewegung des Piezoaktuators führt dazu, dass sich der Biegebalken 21 verbiegt. Die Verbiegung des Biegebalkens erfolgt in dieser Ausführung in eine Richtung senkrecht zu der Haupterstreckungsrichtung 23 des Biegebalkens 21. Dies entspricht hierbei einer vertikalen Richtung in Z-Achsenrichtung.
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3 zeigt beispielhaft in einer Seitenansicht einen in einem Rahmen 1c fest eingespannten Biegebalken 26, welcher mittels eines auf der Oberseite 19b des Biegebalkens 26 angeordneten Aktuators 12b verbogen wird. Die Balkenbiegung des Biegebalkens 26 erfolgt hierbei in eine Richtung 27 senkrecht zu der Haupterstreckungsrichtung 28 des Biegebalkens 26. Der Mikrospiegel 2, welcher hierbei exzentrisch an dem freien Ende 28 des Biegebalkens 26 befestigt ist, wird durch die Balkenbiegung um die erste Drehachse 6b des Mikrospiegels 2 gedreht. Am freien Ende 30 des Biegebalkens 26 wird der Biegebalken 26 maximal um eine Auslenkung 17 gegenüber der Ausgangslage 29 verbogen, sodass auch eine maximale Verdrehung des Mikrospiegels 2 um die erste Drehachse 6b erreicht wird.
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4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Mikrospiegelanordnung 10b, bei welcher im Unterschied zu der ersten Ausführungsform zusätzlich ein dritter Biegebalken 15a vorgesehen ist, dessen Haupterstreckungsrichtung 107 senkrecht zu der Haupterstreckungsrichtung 104 des ersten Biegebalkens 14a und senkrecht zu der Haupterstreckungsrichtung 105 des zweiten Biegebalkens ausgerichtet ist. Der dritte Biegebalken 15a ist an einem ersten Ende 109a fest in den Rahmen 20 eingespannt und an einer Außenseite an einem freien Ende 109 über eine dritte starre Aufhängung als Verbindungselement 103 des dritten Biegebalkens 15a mit dem ersten Biegebalken 14a und zweiten Biegebalken 14b fest verbunden. Alle Biegebalken 14a, 14b und 15a sind in der Ruhelage in der gemeinsamen XY-Ebene angeordnet. Ein dritter Aktuator 31a, der auf der Oberseite des dritten Biegebalkens 15a angeordnet ist, dient dazu, den dritten Biegebalken 15a in Richtung der Haupterstreckungsrichtung 107 zu verbiegen, sodass der Mikrospiegel 2 um eine zweite Drehachse 7 des Mikrospiegels 2 ausgelenkt wird. Mit der zweiten Drehachse 7 ist hierbei die Drehachse des Mikrospiegels 2 gemeint, welche senkrecht zu der ersten Drehachse 6 in der gemeinsamen XY-Ebene ausgerichtet ist. Eine zweidimensionale Auslenkung des Mikrospiegels 2 wird somit ermöglicht.
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5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Mikrospiegelanordnung 10c, bei welcher im Unterschied zu der zweiten Ausführungsform der Mikrospiegelanordnung 10b, ein zusätzlicher vierter Biegebalken 15b vorgesehen ist, dessen Haupterstreckungsrichtung 108 parallel zu der Haupterstreckungsrichtung 107 des dritten Biegebalkens 15a auf der gemeinsamen XY-Ebene ausgerichtet ist. Der vierte Biegebalken 15b ist über das Verbindungselement 50 mit dem ersten Biegebalken 14a, dem zweiten Biegebalken 14b und dem dritten Biegebalken 15a fest verbunden. Alle Biegebalken 14a, 14b, 15a und 15b sind in der Ruhelage in der gemeinsamen XY-Ebene angeordnet. Auf einer der festen Verbindung des dritten Biegebalkens 15a mit dem Rahmen 20 gegenüberliegenden Seite ist der vierte Biegebalken 15b ebenfalls fest mit dem Rahmen 20 verbunden. Auf einer Oberseite des vierten Biegebalkens 15a ist ein vierter Aktuator 31b angeordnet, der dazu dient, den vierten Biegebalken 15b in Richtung der Haupterstreckungsrichtung 108 zu verbiegen, sodass der Mikrospiegel 2 um die zweite Drehachse 7 des Mikrospiegels 2 ausgelenkt wird.
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6 zeigt beispielhaft schematisch eine Mikroprojektionsvorrichtung 220 mit einer Mikrospiegelanordnung 200. Neben der Mikrospiegelanordnung 200 weist eine solche Mikroprojektionsvorrichtung eine Lasereinheit 190 auf, welche dazu ausgebildet, Licht wenigstens einer Wellenlänge auf die Mikrospiegelanordnung 200 zu strahlen. Die Mikrospiegelanordnung 200 wiederum ist dazu ausgebildet, das Licht wenigstens einer Wellenlänge in Abhängigkeit einer Auslenkung des Mikrospiegels der Mikrospiegelanordnung 200 auf eine Projektionseinheit 210 abzulenken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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