DE4224599C2 - Elektrostatische Ablenkeinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ablenkeinheit der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Eine Ablenkeinheit der vorgenannten Gattung ist aus der EP 0 040 302 B1 bekannt. Hier ist eine eindimensionale optische Ablenkeinheit beschrieben, bei der ein schwenkbares Element aus einem Plättchen besteht, welches mittels zweier eine Drehachse bildender Torsionsbänder schwenkbar befestigt ist. Die das Plättchen antreibende Kraft wird elektrostatisch mittels zweier unterhalb des schwenkbaren Plättchens angebrachter Elektroden erzeugt. Die bekannte Ablenkeinheit ist durch anisotropes Ätzen aus einkristallinem Silizium erzeugt. Als optisch wirksame Fläche ist bei der bekannten Ablenkeinheit eine Reflexionsschicht vorgesehen, so daß die Beeinflußung eines Lichtstrahls als Ablenkung nach Art eines Spiegelgalvanometers erfolgen kann.

Die bekannte Ablenkeinheit ist für dynamischen Betrieb mittels oszillatorischer Schwingungen bestimmt. Damit ist sie mit der vorgesehenen Antriebsfrequenz betreibbar - abhängig von dieser Frequenz kann eine freie Postionierung jedoch nur mit recht geringer Einstellgeschwindigkeit erfolgen, so daß die bekannte Anordnung relativ träge - und damit ungeeignet ist, wenn vorgegebene Winkeleinstellungen zu bestimmten Zeiten in sehr schneller Folge erreicht werden sollen.

Aus der DE 41 00 358 A1 ist eine weitere Schwingspiegelanordnung bekannt, bei der ein schwenkbares Element mit Torsionsarmen in einem Rahmen aufgehängt ist. Auch diese Ablenkeinheit ist relativ träge und zur Ausführung hochfrequenter Schwingungen nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Ablenkeinheit der eingangs genannten Gattung die Positionierung für unterschiedliche Strahlenablenkungen in schneller Folger präzise zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, daß durch Ver­ ringerung des Massenträgheitsmoments bei Aufrechterhaltung der Steifigkeit des an einer seiner Oberflächen optisch wirksamen Plättchens gerade im Bereich der Mikromechanik wesentliche Verbesserungen erzielbar sind, da hier zwar die Wirkung elektrostatischer Kräfte durch Verringerung der maßgeblichen geometrischen Abstände und Körpern mit relativ kleiner Masse von vorn herein wesentlich erhöht ist, so daß ein derartiger Antrieb überhaupt erst prak­ tisch einsetzbar ist. Trotz dieser gegenüber Antrieben normaler Größenordnung insoweit wesentlich veränderten Voraussetzungen, ist es jedoch zusätzlich von besonderer Bedeutung, die beweglichen Massen weiterhin zu verringern, um die notwendigen Postitionierungszeiten noch zu ver­ kleinern. Damit lassen sich dann optische Strahlauslenkun­ gen erzielen, die auch bezüglich der dazu notwendigen Zei­ ten in einen "Mikrobereich" vordringen, so daß Ablenkge­ schwindigkeiten mit mechanischen Mitteln erzielbar sind, die bisher rein elektronischen Ablenkmitteln vorbehalten waren.

Dadurch, daß das schwenkbare Element bei Aufrechterhaltung seiner mechanischen Festigkeit in seiner Masse - und damit in seinem auf die geometrische Achse bezogenen Flächen­ trägheitsmoment - verringert ist, ist auch der für eine Winkelpositionierung aufzubringene Drehimpuls kleiner, wo­ durch andererseits die Torsionseigenfrequenz vergrößert ist. Wenn an der den Elektroden zugewandten Oberfläche des schwenkbaren Elementes Ausnehmungen zwischen verbleibenden stegartigen Bereichen vorgesehen sind, welche sich in Richtung der größten Abmessungen des plättchenförmigen Elements erstrecken, so bedeutet dies, daß an der der op­ tisch wirksamen Oberfläche gegenüberliegenden Seite des schwenkbaren Plättchens eine Struktur vorgesehen ist, wel­ che eine Art Versteifungsgerippe der im wesentlichen ebe­ nen optisch wirksamen Fläche bildet, die insgesamt aber nur eine Dicke aufweist, wie sie für ihre Wirksamkeit not­ wendig ist. Sie kann also auf die Dicke einer Folie im Mi­ krobereich beschränkt sein. Die Versteifungstruktur in Form von Stegen nimmt dabei die dynamischen Kräfte auf, welche durch die Beschleunigungen und Verzögerungen des plättchenförmigen Elements hervorgerufen werden, und ver­ hindert dabei eine wesentliche Verformung der optisch wirksamen Oberfläche. Eine derartige Struktur läßt sich durch chemisches Abtragen von Material zwischen den ver­ bleibenden von Seitenkante zu Seitenkante durchgehenden Stegen in Form von Materialabtrag erzielen.

Ein anderer Weg der Versteifung des Plättchens bei gleich­ zeitiger Masseverringerung besteht darin, daß das schwenk­ bare Element eine Sandwichstruktur aufweist. Dabei schließt an die - ebenfalls auf die Dicke einer Mikrofolie reduzierte - optische wirksame Fläche eine Schicht geringer spezifischer Masse an, die rückseitig wiederum mit einer Schicht versehen ist, die in diesem Fall leitend ausge­ führt und - isoliert gegenüber den feststehenden Elektro­ den - den Belag für den elektrostatischen Antrieb bildet.

Insbesondere vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Lösung ist, daß sich vorbestimmte Positionen des plättchenförmi­ gen schwenkbaren Elements der Ablenkeinheit mittels einer Regelung mit geeigneten Mit- oder Gegenkopplungsmaßnahmen mit hoher Einstellgeschwindigkeit erreichen lassen, da große Beschleunigungs- und Verzögerungswerte erzielbar sind.

Gemäß anderer vorteilhafter Weiterbildungen sind die Materialschwächungen zwischen Stegen vorgesehen, welche eine geometrisch regelmäßige Struktur bilden, welche rechteck-, dreieck- oder rautenförmige Grundelemente auf­ weisen kann. Auch bei dieser Ausführung kann der elektro­ statisch wirksame galvanisch leitende Kondensatorbelag an der den Elektroden zugewandten Seite in Form einer ebenen Folie erzeugt sein, welche zur Festigkeitserhöhung mit den stegartigen Bereichen verbunden - dazwischen aber freitra­ gend ist. Zum anderen kann aber auch die strukturierte Oberfläche mit einer leitenden Schicht versehen sein, die sich dieser Oberfläche anpaßt - also beispielsweise durch Bedampfen oder eine ähnliche Oberflächenbehandlung ent­ standen ist.

Als Material für die tragende Struktur des schwenkbaren Plättchens kommt Keramik, Glas, Silizium oder sonstiges nichtleitendes Material in Betracht, während die optisch wirksame Oberfläche gegebenenfalls entsprechend den gefor­ derten Eigenschaften zusätzlich bearbeitet wird. So kann hier eine Reflexionsschicht ebenfalls durch Metallbedamp­ fung oder durch das Aufbringen bestimmter optischer Schichten erzeugt werden. Günstig sind hier chemische oder physikalische Oberflächenbeschichtungsverfahren mit Materialübergang im Vakuum.

Dadurch, daß die Torsionselemente als Aufhängung des schwenkbaren Plättchens dessen einzige mechanische Unter­ stützung bilden, werden die erreichbaren Beschleunigungen und Verzögerungen wegen der entfallenden Reibkräfte im Vergleich zu bekannten Anordnungen weiter vergrößert. Schneidenlagerungen und andere Auflagen können dabei des­ halb entfallen, weil mit der verringerten Masse des plätt­ chenförmigen schwenkbaren Elements auch dessen Reaktions­ kräfte in den Lagerungen verringert sind. Durch eine er­ findungsgemäße Ausgestaltung der mechanischen Abmessungen ist eine Beeinflussung der mechanischen Eigenfrequenzen des Elements derart möglich, daß nicht gewünschte Eigen­ frequenzen "hinter" die Torsionsfrequenz geschoben werden.

Um das Flächenträgheitsmoment des schwenkbaren Elements weiter zu verringern, werden vorteilhafterweise die Torsionselemente derart vorgesehen, daß sie an diagonalen Ecken des schwenkbaren Elements angreifen. Auf diese Weise bleibt die Größe der optisch wirksamen Fläche trotzdem er­ halten.

Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfin­ dung ist die Oberfläche der Elektroden jeweils parallel zur Oberfläche des schwenkbaren Elements in seinen extre­ men Schwenkstellungen ausgerichtet. Damit ist die gesamte wirksame Oberfläche der Elektroden den entsprechenden Oberflächenbereichen des schwenkbaren Elements bei allen Positionen, die dieses einnehmen kann, und für alle wirk­ samen Oberflächenelemente in der Summe optimal dicht be­ nachbart, so daß die Summe der wirksamen elektrostatischen Antriebskräfte maximiert ist. Hierzu sind die Oberflächen der Elektroden - ausgehend von der geometrischen Drehachse des schwenkbaren Elements - in senkrechter Richtung dazu fortschreitend - rampenartig abfallend ausgebildet.

Bevorzugterweise weist das Grundelement einen Rahmen auf, an dem Stabilierungselemente vorgesehen sind, welche das jeweilige Torsionselement am Rahmen an quer zur Richtung des Schnittpunkts von geometrischer Drehachse des Tor­ sionselements und Rahmen entfernt davon gelegenen Berei­ chen abstützen. Diese Stabilierungselemente sind insbeson­ dere gabel- oder dreieckförmig flächig ausgestaltet. Auf diese Weise ist einerseits die geometrische Drehachse des plättchenförmigen Elements in horizontaler Richtung genü­ gend fixiert, während - gegenbenenfalls mittels weiterer Elektroden - eine zusätzliche Antriebskomponente in ver­ tikaler Richtung oder eine Schwenkbewegung um eine weitere parallel zur größeren Flächenerstreckung des Plättchens und senkrecht zur ersten geometrischen Drehachse gerichte­ ten Achse erfolgen kann. Dies hängt davon ab, ob die dreieckigen Stabilisierungselemente um eine parallel zum benachbarten Rahmenteil gerichtete Achse gleich- oder gegensinnig geschwenkt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zu­ sammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Draufsicht,

Fig. 2 das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 im Schnitt sowie

Fig. 3 dasselbe Ausführungsbeispiel in perspektivischer Darstellung bei schräger Draufsicht.

In Fig. 1 ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ablenkeinheit in Draufsicht dargestellt. Innerhalb eines Rahmens 1 ist ein einen optisch wirksamen - beispielsweise reflektierenden - Belag tragendes plätt­ chenförmiges Element 2 schwenkbar gelagert. Es dient zur gesteuerten Ablenkung von elektromagnetischen Wellen, ins­ besondere Lichtstrahlen, und ist in mikrominiaturisierter Ausführung erzeugt auf einem ein Grund- oder Trägerelement 3 bildenden Substrat, welches den Rahmen 1 trägt und in Fig. 2 zusammen mit den weiteren Elementen im Schnitt dargestellt ist.

Das plättchenförmige schwenkbare Element 2 ist an Tor­ sionselementen 4 und 5 in Bezug auf das Grundelement 3 um eine geometrische Achse G schwenkbar gelagert ist, die sich im wesentlichen parallel zum Grundelement in Richtung der Torsionselemente erstreckt.

Die Schnittdarstellung gemäß Fig. 2 (entlang der strich­ punktierten Linie A-A in Fig. 1) zeigt zwei jeweils in radialer Entfernung von der geometrischen Achse G an dem Grundelement 3 vorgesehen Elektroden 6 und 7, denen das schwenkbare Element benachbart gehalten ist. Ein elektro­ statisches Feld zwischen den Elektroden 6 und 7 sowie dem schwenkbarem Element 2 bildet den Antrieb für dessen Dreh­ bewegung.

Wie aus Fig. 2 weiterhin ersichtlich ist das an seiner den Elektroden 6 und 7 abgewandten Fläche mit einem re­ flektierenden Belag 8 versehene schwenkbare Element 2 bei Aufrechterhaltung seiner mechanischen Festigkeit in seiner Masse - und damit in seinem auf die geometrische Achse be­ zogenen Flächenträgheitsmoment - durch Ausnehmungen zwi­ schen verbleibenden Stegen 9 verringert. Diese Ausnehmun­ gen erstrecken sich in Richtung der größten Abmessungen des plättchenförmigen Elements. Ein ebener leitender Belag 10 ist den Elektroden 6 und 7 benachbart angeordnet und diesen gegenüber galvanisch getrennt. Der Belag 10 bildet mit den Elektroden 6 und 7 zusammen den elektrostatischen Antrieb. Das schwenkbare Element weist damit eine Sand­ wichstruktur auf, welche auch in der Weise abgewandelt sein kann, daß die stegartigen Bereiche 9 einschließlich der dazwischen befindlichen Ausnehmungen durch einen homo­ genen nichtleitenden Werkstoff geringen spezifischen Ge­ wichts ersetzt ist, der Druck- und Scherkräfte ertragen kann, jedoch - im Gegensatz zu den Werkstoffen der Deck­ flächen des plättchenförmigen Elements - kaum Zugkräfte aufzunehmen braucht.

Die Ausnehmungen zwischen den Stegen 9 können eine geome­ trisch regelmäßige Struktur bilden, welche (in der Drauf­ sicht) rechteck-, dreieck- oder rautenförmige Grundelemen­ te aufweisen. Auch bei dieser Ausführung kann der elektro­ statisch wirksame galvanisch leitende Kondensatorbelag an der den Elektroden zugewandten Seite in Form einer ebenen Folie erzeugt sein, welche zur Festigkeitserhöhung mit den stegartigen Bereichen verbunden - dazwischen aber freitra­ gend ist. Zum anderen kann aber auch die strukturierte Oberfläche mit einer leitenden Schicht versehen sein, die sich dieser Oberfläche anpaßt - also beispielsweise durch Bedampfen oder eine ähnliche Oberflächenbehandlung ent­ standen ist.

Die tragende Struktur des Plättchens 2 besteht aus Kera­ mik, Glas, Silizium oder einem sonstigen nichtleitenden Material, während die optisch wirksame reflektierende Oberfläche aus aufgedampftem Metall oder speziellen opti­ schen Schichten besteht. Gegebenenfalls kann diese ent­ sprechend den geforderten Eigenschaften zusätzlich bear­ beitet sein und beispielsweise ein Linienraster aufweisen.

Dadurch, daß die Torsionselemente als Aufhängung des schwenkbaren Plättchens dessen einzige mechanische Unter­ stützung bilden, sind die erreichbaren Beschleunigungen und Verzögerungen wegen der entfallenden Reibkräfte weiter vergrößert. Schneidenlagerungen oder andere Auflagen ent­ fallen, so daß mit der verringerten Masse des plättchen­ förmigen schwenkbaren Elements 2 auch dessen Reaktions­ kräfte in den Lagerungen verringert sind.

Die Torsionselemente 4 und 5, welche feine Torsionsfeder­ stäbe bilden, greifen an diagonalen Ecken des quadrati­ schen oder auch rautenförmigen schwenkbaren Elements 2 an. Auf diese Weise bleibt die Größe der optisch wirksamen Fläche trotz stark verringerten Flächenträgheitsmoments im Vergleich zu einer Lagerung im Bereich der Seitenmitte er­ halten.

Die wirksamen Oberflächen der Elektroden 6 und 7 sind so ausgerichtet, daß jeweils parallel zur ihnen benachbarten Oberfläche des schwenkbaren Elements 2 in seinen extremen Schwenkstellungen verlaufen. Damit ist die gesamte wirksa­ me Oberfläche der Elektroden den entsprechenden Oberflä­ chenbereichen des schwenkbaren Elements bei allen Positio­ nen, die dieses einnehmen kann, und für alle wirksamen Oberflächenelemente in der Summe optimal dicht benachbart, so daß die Summe der wirksamen elektrostatischen Antriebs­ kräfte maximiert ist. Hierzu sind die Oberflächen der Elektroden 6 und 7 - ausgehend von der geometrischen Dre­ hachse des schwenkbaren Elements - in senkrechter Rich­ tung dazu fortschreitend - rampenartig abfallend ausgebil­ det.

Wie insbesondere aus der schrägen perspektivischen Drauf­ sicht gemäß Fig. 3 erkennbar ist, weist das Grundelement 3 einen Rahmen 1 auf, an dem dreieckförmige Stabilie­ rungselemente 11 und 12 vorgesehen sind, welche das jewei­ lige Torsionselement am Rahmen an quer zur Richtung des Schnittpunkts von geometrischer Drehachse des Torsionsele­ ments und Rahmen entfernt davon gelegenen Bereichen ab­ stützen. An die Stelle der dreieckig geschlossenen Form kann auch eine gabelförmige Ausgestaltung treten.

Damit ist einerseits die geometrische Drehachse des plätt­ chenförmigen Elements in horizontaler Richtung genügend fixiert, während - gegenbenenfalls mittels weiterer Elek­ troden - eine zusätzliche Antriebskomponente in vertikaler Richtung oder eine Schwenkbewegung um eine weitere paral­ lel zur größeren Flächenerstreckung des Plättchens und senkrecht zur ersten geometrischen Drehachse gerichteten Achse erfolgen kann. Dies hängt davon ab, ob die dreiecki­ gen Stabilisierungselemente um eine parallel zum benach­ barten Rahmenteil gerichtete Achse gleich- oder gegensin­ nig geschwenkt werden. Hierbei tritt dann eine entspre­ chende gleich- oder gegensinnige Hubbewegung an den den Torsionselementen 4 und 5 benachbarten Ecken der Stabili­ sierungselemente 11 und 12 auf. Die Stabilisierungselemen­ te sind dazu gegebenenfalls scharnierartig um ihre paral­ lel zum Rahmen 1 verlaufenden Seitenkanten beweglich, wo­ bei diese Bewegung auch durch eine entsprechende Durchbie­ gung oder Wölbung der Flächen der Stabilisierungselemente 11 bzw. 12 erreicht werden kann.

Eine kontrollierte beschleunigte Einstellung der Winkel­ stellung des Plättchens 2 kann gegebenenfalls durch Feed­ back erreicht werden. Dazu wird ein auf die reflektierende Fläche fallenender und von dieser reflektierter Referenz­ lichtstrahl auf eine Detektorfläche geleitet, welche einen oder mehrere lichtempfindliche Bereiche aufweist, welche ein Signal abgeben, das über das korrekte Auftreffen des Referenzstrahls auf die Detektorfläche Aufschluß gibt. Zum anderen besteht die Möglichkeit, die Kapazität zwischen den Elektroden als Regelgröße zu nutzen. Bei einer räumli­ chen Fehleinstellung läßt sich auf diese Weise ein Korrek­ tursignal erzeugen, das der Steuerspannung der Elektroden überlagert wird und die Neigung des Plättchens 2 entspre­ chend berichtigt. Durch eine entsprechende Regelverstär­ kung läßt sich bei einem nach der Erfindung ausgestalteten Anordnung auf diese Weise sowohl eine hohe Einstellge­ schwindigkeit als auch eine große Einstellgenauigkeit er­ zielen.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei­ spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.

Claims (12)

1. Ablenkeinheit mit einem plättchenförmigen schwenkbaren Element (2), zur gesteuerten Ablenkung von elektromagnetischen Wellen, insbesondere Lichtstrahlen, in mikrominiaturisierter Ausführung angeordnet auf einem ein Grundelement (3) bildenden Substrat, wobei das schwenkbare Element (2)
an Torsionselementen (4, 5) in Bezug auf das Grundelement (3) um eine geometrische Achse (G) schwenkbar gelagert ist, die sich im wesentlichen parallel zum Grundelement (3) erstreckt,
mindestens zwei jeweils in radialer Entfernung von der geometrischen Achse (G) an dem Grundelement (3) vorgesehenen Elektroden (6, 7) benachbart ist und ein elektrostatisches Feld zwischen Elektroden (6, 7) und schwenkbarem Element (2) den Antrieb für dessen Drehbewegung bildet,
an seiner den Elektroden (6, 7) abgewandten Oberfläche drehwinkelabhängig optisch wirksam ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
das plättchenförmige schwenkbare Element (2) bei im wesentlichen aufrechterhaltener mechanischer Festigkeit in seiner Masse - und damit in seinem auf die geometrische Achse bezogenen Flächenträgheitsmoment - verringert ist, wobei
an seiner den Elektroden (6, 7) zugewandten Oberfläche Ausnehmungen zwischen verbleibenden stegartigen Bereichen (9) vorgesehen sind, welche sich in Richtung der größten Abmessungen des plättchenförmigen Elements (2) erstrecken und/oder
das schwenkbare Element (2) eine Sandwichstruktur aufweist.

2. Ablenkeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (9) eine gleichmäßige Struktur bilden.

3. Ablenkeinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (9) eine Rechteck-, Dreieck- oder Rautenstruktur bilden.

4. Ablenkeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das plättchenförmige Element (2) an seiner den Elektroden benachbarten Seite metallisiert ist.

5. Ablenkeinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierung Teil der Sandwichstruktur ist.

6. Ablenkeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern des plättchenförmigen Elements (2) aus Keramik, Glas, Silizium oder einem sonstigen nichtleitenden Material besteht.

7. Ablenkeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionselemente (4, 5) die einzige mechanische Unterstützung des plättchenförmigen schwenkbaren Elements (2) bilden.

8. Ablenkeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionselemente (4, 5) an diagonalen Ecken des quadratischen oder rautenförmigen schwenkbaren Elements (2) angreifen.

9. Ablenkeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionselemente (4, 5) an einander gegenüberliegenden Bereichen des scheibenförmig runden oder ellipsoiden plättchenförmigen Elements (2) angreifen.

10. Ablenkeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Elektroden (6, 7) jeweils parallel zur Oberfläche des schwenkbaren Elements (2) in seinen extremen Schwenkstellungen ausgerichtet ist.

11. Ablenkeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundelement (3) einen Rahmen aufweist, an dem Stabilisierungselemente (11, 12) vorgesehen sind, welche das jeweilige Torsionselement (4, 5) am Rahmen an quer zur Richtung des Schnittpunkts von geometrischer Drehachse des Torsionselements (4, 5) und Rahmen (1) entfernt davon gelegenen Bereichen abstützen.

12. Ablenkeinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungselemente (11, 12) gabelförmig oder dreieckförmig flächig ausgestaltet sind.