DE19650895C2 - Control for micromechanical and electrostatically operated mirror arrangements - Google Patents
Control for micromechanical and electrostatically operated mirror arrangementsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Ansteuerung für mikromechanische und elektrostatisch betriebene Spiegelanordnungen.The invention relates to a control for micromechanical and electrostatically operated mirror assemblies.
Schaltungen bei denen höhere Ausgangsspannungen erzeugt werden sind allgemein bekannt.Circuits in which higher output voltages are generated are generally known.
Dazu zählen unter anderem Spannungsvervielfacherschaltungen. So sind Greinacher-Schaltungen bekannt, wobei eine dem dop pelten Scheitelwert einer zugeführten Wechselspannung propor tionale Gleichspannung abgegeben wird. Eine Verdopplung der Spannung wird durch eine Reihenschaltung der Ladekondensatoren zweier entgegengesetzt gepolter Spitzenwertgleichrichter er reicht. Damit steigt der Aufwand proportional der Verviel fachung pro Kaskade nach Villard, so daß der Einsatz derartiger Schaltungen für eine hohe Spannungsvervielfachung nicht in Frage kommen.These include voltage multiplier circuits. Greinacher circuits are known, one of which is the dop peln peak value of a supplied AC voltage propor tional DC voltage is delivered. A doubling of the Voltage is created by connecting the charging capacitors in series two oppositely polarized peak rectifiers enough. The effort increases proportionally to the amount fold per cascade according to Villard, so that the use of such Circuits for high voltage multiplication not in Question come.
Eine weitere Möglichkeit besteht mit dem Einsatz von Schalt reglern, wobei die Spannungstransformation beim Transformator durch die magnetische Kopplung der Windungen erfolgt. Derartige Schaltungen werden dem Einsatz entsprechend angepaßt.Another option is to use switching regulators, the voltage transformation in the transformer by the magnetic coupling of the turns. Such Circuits are adapted to the application.
In G 296 03 924 wird eine Ansteuerung für Aktoren mit dem Auf bau eines Differentialkondensators beschrieben. Dabei wird die Netzspannung um den Betrag größer 1 vervielfacht. Damit ist nur ein netzabhängiger Betrieb möglich, so daß der Einsatz be schränkt ist. Weiterhin sind besondere Vorkehrungen zum Berührungsschutz vorzusehen.G 296 03 924 describes a control for actuators with the open Construction of a differential capacitor described. The Grid voltage multiplied by an amount greater than 1. That is only a network-dependent operation possible, so that the use be is limited. Furthermore, special precautions are to be taken Protection against accidental contact.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Ansteuerung für mikromechanische und elektro statisch betriebene Spiegelanordnungen mit einer anzulegenden Kleinspannung zu realisieren. The invention specified in claim 1 is the problem based on a control for micromechanical and electro statically operated mirror arrangements with one to be created Realize low voltage.
Dieses Problem wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.This problem is with those listed in claim 1 Features resolved.
Die Ansteuerung für mikromechanische und elektrostatisch be triebene Spiegelanordnungen zeichnet sich besonders durch ihre einfache Realisierbarkeit unter Verwendung weniger elektro nischer Bauelemente aus. Daraus ergibt sich ein geringer Platz bedarf, so daß in Verbindung mit der Spiegelanordnung ein kom pakter und kleiner Aufbau möglich ist.The control for micromechanical and electrostatic be Driven mirror arrangements are particularly characterized by their easy to implement using less electrical African components. This results in a small space required, so that in connection with the mirror arrangement a com compact and small structure is possible.
Eine extern einzuspeisende und gegen Berührung zu schützende Spannung ist nicht notwendig, so daß keine besonderen Anfor derungen an die Spannungsklemmstellen zu stellen sind. Die Er zeugung der Spannung der Ansteuerung der Spiegelanordnung er folgt durch die erfindungsgemäße Lösung selbst, so daß dieser Teil problemlos vor einer Berührung abgesichert werden kann. Dazu wird dieser Teil z. B. mit beispielsweise einem Epoxidharz vergossen oder in einem Gehäuse untergebracht.An externally fed and to be protected against touch Tension is not necessary, so that no special requirements changes to the voltage terminal points are to be made. The he generation of the voltage of the control of the mirror arrangement he follows itself through the solution according to the invention, so that this Part can be easily secured against touch. For this part z. B. with, for example, an epoxy resin potted or housed in a housing.
Die Ansteuerung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, daß ein Batteriebetrieb gegeben ist. Mit dem Einsatz von Transvertern ist ein Betrieb mit 3 V möglich.The control is further characterized in that a Battery operation is given. With the use of transverters operation with 3 V is possible.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patent ansprüchen 2 bis 8 angegeben.Advantageous embodiments of the invention are in the patent claims 2 to 8 specified.
Die Weiterbildungen nach den Patentansprüchen 2 bis 6 enthalten besondere Ausgestaltungen und Realisierungen einzelner Bestand teile der Ansteuerung für mikromechanische und elektrostatisch betriebene Spiegelanordnungen.The developments according to claims 2 to 6 included special designs and realizations of individual stocks parts of the control for micromechanical and electrostatic operated mirror arrangements.
Durch den Kondensator zwischen dem ersten und zweiten Anschluß der Sekundärwicklung des Übertragers nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 wird die Resonanzfrequenz des Übertragers festgelegt. Through the capacitor between the first and second connection the secondary winding of the transformer after further training of the Claim 7 is the resonance frequency of the transmitter fixed.
Die Weiterbildung des Patentanspruchs 8 ermöglicht eine Ein stellung der Parameter für die Spiegelanordnung von Hand oder als Ergebnis der Positionserfassung des abgelenkten Licht strahles. Damit ist es möglich, die Ansteuerung in ein Regel system einzubinden.The development of claim 8 enables a Setting the parameters for the mirror arrangement by hand or as a result of the position detection of the deflected light radiant. This makes it possible to control in one rule system.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is in the drawing shown. Embodiments of the invention are in following described in more detail.
Die Figur zeigt den prinzipiellen Aufbau der Ansteuerung für mikromechanische und elektrostatisch betriebene Spiegelanord nungen.The figure shows the basic structure of the control for micromechanical and electrostatically operated mirror arrangement mentions.
Die Figur zeigt den prinzipiellen Aufbau der Ansteuerung für mikromechanische und elektrostatisch betriebene Spiegelanord nungen 6 mit zwei nebeneinander angeordneten und feststehenden Elektroden E1 und E2 und einer darüber beweglich angeordneten und eine Elektrode darstellenden Schwenkspiegelplatte 7. Ein Oszillator 1 liefert eine Rechteck-Spannungsfolge mit einer einstellbaren Frequenz und Pulsweite. Die Frequenz läßt sich über einen Bereich von 20 kHz bis 1 MHz und die Pulsweite im Bereich von 5% bis 95% einstellen. Ein Generator 2 erzeugt eine Rechteck-Spannungsfolge in einem Frequenzbereich von 20 Hz bis 100 kHz. Die Amplituden der Spannungsfolgen des Oszillators 1 und des Generators 2 sind gleich.The figure shows the basic structure of the drive for micromechanical and electrostatically operated Spiegelanord voltages E1 and E2 and 6 arranged above a movable and an electrode constituting with two adjacently arranged and fixed electrodes oscillating mirror plate. 7 An oscillator 1 supplies a square-wave voltage sequence with an adjustable frequency and pulse width. The frequency can be set in a range from 20 kHz to 1 MHz and the pulse width in the range from 5% to 95%. A generator 2 generates a square-wave voltage sequence in a frequency range from 20 Hz to 100 kHz. The amplitudes of the voltage sequences of the oscillator 1 and the generator 2 are the same.
Die Ausgänge des Oszillators 1 und des Generators 2 sind mit je einem Eingang eines Mischers 3 zusammengeschaltet.The outputs of the oscillator 1 and the generator 2 are connected together with one input of a mixer 3 .
Der Oszillator 1, der Generator 2 und der Mischer 3 besitzen Massepotential GND und werden mit der Betriebsspannung UB be trieben.The oscillator 1 , the generator 2 and the mixer 3 have ground potential GND and are operated with the operating voltage U B be.
Am Ausgang des Mischers 3 steht eine Rechteck-Spannungsfolge zur Verfügung, bei der die Rechteck-Spannungsfolge des Genera tors 2 mit der des Oszillators 1 frequenzmoduliert ist. Der Ausgang des Mischers 3 ist mit dem Tor eines Feldeffekt-Transistors 4 verbunden.At the output of the mixer 3 there is a square wave voltage sequence in which the square wave voltage sequence of the generator 2 is frequency modulated with that of the oscillator 1 . The output of the mixer 3 is connected to the gate of a field effect transistor 4 .
Die Quelle des Feldeffekt-Transistors 4 ist mit Massepotential GND und die Senke des Feldeffekt-Transistors 4 über die Primär wicklung L1 eines Übertragers 5 mit der Betriebsspannung UB von 12 V zusammengeschaltet. Damit wird die Primärwicklung L1 des Übertragers 5 mit der frequenzmodulierten Rechteck-Spannungs folge des Ausgangs des Mischers 3 beaufschlagt.The source of the field effect transistor 4 is connected to ground potential GND and the sink of the field effect transistor 4 via the primary winding L1 of a transformer 5 with the operating voltage U B of 12 V. The primary winding L1 of the transformer 5 is thus subjected to the frequency-modulated square-wave voltage sequence of the output of the mixer 3 .
Der Übertrager 5 besitzt ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 90, so daß in der Sekundärwicklung L2 des Übertragers 5 eine Span nung mit der Spannungsfolge des Ausgangs des Mischers 3 mit einer Spannungsamplitude von ca. 1000 V induziert wird. Der erste Anschluß der Sekundärwicklung L2 des Übertragers 5 stellt das Bezugspotential der mikromechanischen Spiegelanordnung 6 dar und ist mit der ersten Elektrode E1 der mikromechanischen Spiegelanordnung 6 verbunden. Der zweite Anschluß der Sekundär wicklung L2 des Übertragers 5 ist zum ersten mit der Anode einer ersten Diode D2 verbunden. Die Katode dieser ersten Diode D1 ist mit der zweiten Elektrode E2 der Spiegelanordnung 6 zusammengeschaltet und zwischen dieser Verbindung und dem Bezugspotential befindet sich ein Kondensator C1. Der parallel zum Kondensator C1 angeordnete Kondensator, der sich aus der Spiegelanordnung 6 ergibt, ist vernachlässigbar. Die erste Diode D1 stellt eine Einweggleichrichtung und der Kondensator C1 einen Ladekondensator dar. Dadurch entsteht ein Spitzenwert gleichrichter, der eine dem Scheitelwert der Spannungsfolge der Sekundärwicklung L2 des Übertragers 5 proportionale Gleich spannung bereitstellt. Diese beträgt ca. 800 V.The transformer 5 has a transmission ratio of 1:90, so that a voltage is induced in the secondary winding L2 of the transformer 5 with the voltage sequence of the output of the mixer 3 with a voltage amplitude of approximately 1000 V. The first connection of the secondary winding L2 of the transformer 5 represents the reference potential of the micromechanical mirror arrangement 6 and is connected to the first electrode E1 of the micromechanical mirror arrangement 6 . The second connection of the secondary winding L2 of the transformer 5 is connected to the anode of a first diode D2. The cathode of this first diode D1 is connected to the second electrode E2 of the mirror arrangement 6 and a capacitor C1 is located between this connection and the reference potential. The capacitor arranged parallel to the capacitor C1, which results from the mirror arrangement 6 , is negligible. The first diode D1 is a one-way rectification and the capacitor C1 is a charging capacitor. This produces a peak rectifier which provides a direct voltage which is proportional to the peak value of the voltage sequence of the secondary winding L2 of the transformer 5 . This is approximately 800 V.
Der zweite Anschluß der Sekundärwicklung L2 des Übertragers 5 ist zum zweiten mit der Anode einer zweiten Diode D2 verbunden. Die Katode dieser zweiten Diode D2 ist mit der beweglich ange ordneten und eine Elektrode darstellenden Schwenkspiegelplatte 7 zusammengeschaltet und zwischen dieser Verbindung und dem Bezugspotential befindet sich ein Widerstand R. An der Katode der zweiten Diode D2 liegt eine Spannungsfolge des Ausgangs des Mischers 3 an. Die Spannungsamplitude beträgt dabei ca. 800 V. Der Kondensator der Spiegelanordnung 6 stellt wiederum einen Ladekondensator dar. Durch seine Kapazität von beispielsweise 3 pF erfolgt allerdings nur eine geringe Absenkung des Schei telwertes gegenüber der Spannungsamplitude, die sich an der Sekundärwicklung L2 des Übertragers 5 ergibt. In Verbindung mit einem Widerstand R, der der Entladung des Kondensators zwischen den Elektroden E1 und E2 und der Schwenkspiegelplatte 7 dient, wird die Schwenkspiegelplatte 7 mit der Frequenz der Spannungs folge des Generators 2 und der Spannungsamplitude der Sekundär wicklung L2 des Übertragers 5 beaufschlagt.The second connection of the secondary winding L2 of the transformer 5 is connected to the anode of a second diode D2. The cathode of this second diode D2 is connected to the movably arranged and an electrode-forming swivel mirror plate 7 and between this connection and the reference potential there is a resistor R. A voltage sequence of the output of the mixer 3 is present at the cathode of the second diode D2. The voltage amplitude is approximately 800 V. The capacitor of the mirror arrangement 6 in turn represents a charging capacitor. However, due to its capacitance of, for example, 3 pF, there is only a slight reduction in the value of the voltage compared to the voltage amplitude that results at the secondary winding L2 of the transformer 5 . In connection with a resistor R, which serves to discharge the capacitor between the electrodes E1 and E2 and the pivoting mirror plate 7, the pivoting mirror plate 7 is at the frequency of the voltage follow the generator 2 and the voltage amplitude of the secondary winding L2 of the transformer 5 applied.
Damit wird die Schwenkspiegelplatte 7 mit einer Spannungsfolge der Frequenz von beispielsweise 470 Hz und der Amplitude von ca. 800 V angesteuert. Der Wert des Widerstandes R in Verbin dung mit dem Kondensator, der durch die Elektroden E1 und E2 und der Schwenkspiegelplatte 7 gebildet wird, bestimmt maß geblich die maximale Kippfrequenz der Schwenkspiegelplatte 7 und den Stromfluß, der durch die Sekundärwicklung L2 des Über tragers 5 bereitgestellt werden muß. Danach richtet sich weiterhin der Drahtquerschnitt der Sekundärwicklung L2 des Übertragers 5 und damit die mechanischen Abmessungen des Übertragers 5 selbst.The swivel mirror plate 7 is thus driven with a voltage sequence of the frequency of, for example, 470 Hz and the amplitude of approximately 800 V. The value of the resistance R in conjunction with the capacitor, which is formed by the electrodes E1 and E2 and the swivel mirror plate 7 , significantly determines the maximum tilting frequency of the swivel mirror plate 7 and the current flow, which are provided by the secondary winding L2 of the transformer 5 got to. After that, the wire cross section of the secondary winding L2 of the transformer 5 and thus the mechanical dimensions of the transformer 5 itself continue to be determined.
Die Sekundärwicklung L2 stellt eine Spule mit einer parasitären Kapazität dar. Ein Kondensator C2 zwischen dem ersten und zweiten Anschluß der Sekundärwicklung L2 des Übertragers 5 bestimmt die Resonanzfrequenz, so daß die parasitäre Kapazität der Sekundärwicklung L2 des Übertragers 5 vernachläßigbar wird. Die Rechteck-Spannungsfolgen des Oszillators 1 und des Genera tors 2 sind einstellbar, so daß die Ansteuerung an unterschied lich ausgeführte Spiegelanordnungen leicht anpaßbar ist.The secondary winding L2 represents a coil with a parasitic capacitance. A capacitor C2 between the first and second connection of the secondary winding L2 of the transformer 5 determines the resonance frequency, so that the parasitic capacitance of the secondary winding L2 of the transformer 5 becomes negligible. The square-wave voltage sequences of the oscillator 1 and the generator 2 are adjustable, so that the control of differently executed mirror arrangements is easily adaptable.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Position des durch die Schwenkspiegelplatte 7 abgelenkten Lichtstrahles optisch erfaßt. Das kann dadurch geschehen, daß unter anderem nur ein Teilbereich des Lichtstrahles auf eine Sensorplatte, die mehrere in Zeilen angeordnete Foto-Transistoren oder -Dioden enthält, fällt. Der dadurch erfaßte und in eine elektrische Größe gewandelte Meßwert dient der Steuerung der Frequenz und der Pulsweite der Rechteck-Spannungsfolge des Oszillators 1 und der Frequenz der Rechteck-Spannungsfolge des Generators 2.In a second embodiment, the position of the light beam deflected by the swivel mirror plate 7 is optically detected. This can be done in that, among other things, only a partial area of the light beam falls on a sensor plate which contains several photo transistors or diodes arranged in rows. The measurement value thus acquired and converted into an electrical variable serves to control the frequency and the pulse width of the square wave voltage sequence of the oscillator 1 and the frequency of the square wave voltage sequence of the generator 2 .
Der grundsätzliche Aufbau des Oszillators 1 und des Generators 2 und der Aufbau der gesamten weiteren Ansteuerung für mikro mechanische und elektrostatisch betriebene Spiegelanordnungen mit zwei feststehenden Elektroden und einer darüber oder da zwischen beweglich angeordneten und eine Elektrode darstel lenden Schwenkspiegelplatte entspricht dem ersten Ausführungs beispiel, wie dieser grundsätzlich in der Figur dargestellt ist.The basic structure of the oscillator 1 and the generator 2 and the structure of the entire further control for micro-mechanical and electrostatically operated mirror arrangements with two fixed electrodes and one above or there between movably arranged and an electrode depicting swivel mirror plate corresponds to the first embodiment, for example, like this one is basically shown in the figure.
In einem dritten Ausführungsbeispiel erfolgt die Bereitstellung der Betriebsspannung UB der gesamten Ansteuerung für mikro mechanische und elektrostatisch betriebene Spiegelanordnungen mit zwei feststehenden Elektroden und einer darüber oder da zwischen beweglich angeordneten und eine Elektrode darstel lenden Schwenkspiegelplatte in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Batterie oder Akkumulator oder mehreren Batterien oder Akkumulatoren mit einer Spannung von beispielsweise 3 V. Dazu werden die Ansteuerungen des ersten oder zweiten Ausführungs beispiels durch den Einsatz eines Transverters ergänzt. Der Eingang des Transverters ist mit der Batterie und der Ausgang mit den Betriebsspannungsanschlüssen UB der Schaltungen ent sprechend des ersten oder zweiten Ausführungsbeispiels und der Darstellung in der Figur verbunden. Der Transverter dieses Ausführungsbeispiels wird mit der Batteriespannung von 3 V gespeist und liefert eine Ausgangsspannung von 12 V.In a third embodiment, the operating voltage U B of the entire control for micro-mechanical and electrostatically operated mirror assemblies is provided with two fixed electrodes and a swivel mirror plate arranged above or there between movably and an electrode in this embodiment by a battery or accumulator or several batteries or batteries with a voltage of, for example, 3 V. For this purpose, the controls of the first or second embodiment are supplemented, for example, by the use of a converter. The input of the converter is connected to the battery and the output to the operating voltage connections U B of the circuits in accordance with the first or second exemplary embodiment and the illustration in the figure. The transverter of this exemplary embodiment is supplied with the battery voltage of 3 V and supplies an output voltage of 12 V.
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Patent Citations (1)
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DE29603924U1 (en) * | 1996-03-02 | 1996-04-25 | Cms Mikrosysteme Gmbh Chemnitz | Controls for actuators with the construction of a differential capacitor |
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DE-LIT.: Dieter Nührmann "Das große Werkbuch Elektronik", Bd. 3, S. 2944, 1993 * |
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