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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf lichtbasierte Datenübertragungsverbindungen
und insbesondere auf eine selbstausrichtende Datenübertragungsverbindung
zum Verbinden computerbasierter Vorrichtungen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Infrarot(IR)-Datenübertragungsverbindungen
sind heutzutage in vielen Computern und Vorrichtungen vorgesehen,
die dazu dienen, mit Computern oder untereinander zu kommunizieren.
Eine IR-Datenübertragungsverbindung
verwendet bei jeder Vorrichtung einen IR-Transmitter und einen IR-Empfänger zum
Senden bzw. Empfangen von digitalen Lichtsignalen. Jedes IR-Modul
besteht aus einem IR-Transmitter, typischerweise einer Leuchtdiode,
einer Photodiode zum Empfangen der Lichtsignale und einer elektronischen
Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung und Steuerung. Die drei
Komponenten sind klein, relativ einfach aufgebaut und werden in
Großserie
hergestellt. Somit ist das IR-Modul im allgemeinen eine sehr kostengünstige Komponente.
Um die IR-Verbindung herzustellen, richtet der Benutzer die beiden
Vorrichtungen so aus, daß der IR-Transmitter
in der ersten Vorrichtung mit dem IR-Empfänger in der zweiten Vorrichtung
ausgerichtet ist.
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Im
Prinzip stellen IR-Datenübertragungsverbindungen
sowohl hinsichtlich Kosten als auch Zweckmäßigkeit eine günstige Alternative
zu Drähten
zum Verbinden dieser Vorrichtungen dar. Digitale Kameras enthalten
typischerweise eine IR-Datenübertragungsverbindung, über die
von der Kamera aufgenommene Bilder auf einen Computer geladen werden.
IR-Datenübertragungsverbindungen
werden zudem verwendet, um Computer zu Netzwerken zusammenzuschließen und
Computer mit Druckern zu verbinden.
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Zwar
haben IR-Datenübertragungsverbindungen
großes
Potential, aber sie haben bei Benutzern kaum Anklang gefunden. Wie
oben erwähnt müssen zur
Herstellung einer Verbindung zwischen zwei Vorrichtungen über eine
IR-Datenübertragungsverbindung
der IR-Transmitter und der IR-Empfänger der ersten Vorrichtung
mit dem entsprechenden Transmitter und Empfänger der zweiten Vorrichtung ausgerichtet
werden. In der Praxis müssen
die Vorrichtungen innerhalb eines Bereichs von 20 Grad sowohl horizontal
als auch vertikal ausgerichtet werden. Dies erfordert häufig mehr
Zeit und einen größeren Aufwand,
als die meisten Benutzer bereit sind zu investieren. Daher werden
IR-Datenübertragungsverbindungen
selten verwendet.
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Wenn
zudem die Vorrichtungen über
eine Entfernung miteinander kommunizieren sollen, die mehr als etwa
1 Meter beträgt,
muß die
Ausrichtungstoleranz noch größer sein.
Die zur Erzeugung der IR-Lichtsignale verwendeten Leuchtdioden (LEDs;
LED = Light Emitting Diode) weisen eine Intensitätsverteilung auf, die von dem
Mittelstrahl des Lichtbündels
aus mit dem Winkel abnimmt. Wenn die Vorrichtungen falsch ausgerichtet
werden, nimmt die zum Senden und Empfangen von Signalen zur Verfügung stehende
Lichtintensität
somit ab. Der maximale Datenübertragungsabstand
wird durch die für
jede Vorrichtung zur Verfügung
stehende Lichtintensität bestimmt.
Somit haben falsch ausgerichtete Vorrichtungen eine verringerte
Reichweite. Im Prinzip kann die Intensität der Transmitter in den IR-Vorrichtungen erhöht werden;
diverse Gesichtspunkte wie Sicherheit, Batterielebensdauer und Kosten
begrenzen die maximale Intensität
des Lichtbündels
jedoch. Dementsprechend sind Vorrichtungen, die um 20 Grad falsch
ausgerichtet sind, auf einen Datenübertragungsweg von weniger
als einem Meter begrenzt.
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Die
japanische Patentzusammenfassung („Patent Abstract of Japan") Ausg. 1996, Nr.
08, 30. August 1996, der
JP
08 088602 offenbart eine Einrichtung zur optischen Datenübertragung
im Raum, die eine optische Achse eines beobachteten optischen Systems
stets mit der optischen Achse eines optischen Datenübertragungssystems
ausrichtet.
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Die
EP 0 980 154 offenbart eine
Vorrichtung zur räumlichen
Lichtübertragung,
die eine Übertragungseinrichtung,
eine Lichtempfangseinrichtung und eine die optische Achse korrigierende
Einrichtung zum Steuern des Winkels der optischen Achse des Übertragungs-
und des Empfangslichtbündels umfaßt. Diese
Dokumente offenbaren keine Aktuatoren, die eine Anordnung von Spiegeln
umfassen.
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Es
ist allgemein die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten
IR-Datenübertragungsport
anzugeben.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen IR-Datenübertragungsport
anzugeben, der selbstausrichtend ist.
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Diese
und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann
anhand der folgenden, detaillierten Beschreibung der Erfindung und
den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich.
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Abriß der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist ein optischer Port mit Richtungssteuerung.
Der Port enthält
einen Transmitter, einen Empfänger
und einen ersten Aktuator. Der Transmitter erzeugt ein ausgehendes
Lichtsignal, das sich in Antwort auf ein ausgehendes elektrisches
Signal in einer Übertragungsrichtung
ausbreitet. Der Empfänger
empfängt
ein eingehendes Lichtsignal und erzeugt ein eingehendes elektrisches Signal
aus diesem, wobei der Empfänger
eine Empfangsrichtung hat, die mit der Übertragungsrichtung ausgerichtet
ist. Der erste Aktuator ändert
die Übertragungsrichtung
des ausgehenden Lichtsignals in Antwort auf ein erstes Steuersignal.
Bei einer Ausführung
bestimmt der Aktuator die Richtung des ausgehenden Lichtsignals
in einer ersten Ebene, und ein zweiter Aktuator steuert die Richtung
des ausgehenden Lichtsignals in einem Ausmaß, das durch ein zweites Steuersignal
bestimmt wird. Der zweite Aktuator steuert die Richtung des ausgehenden
Lichtsignals in einer zweiten Ebene, die orthogonal zu der ersten
Ebene ist. Die Aktuatoren können
aus Strahlablenkern bestehen, die bewegliche Spiegel verwenden,
um die Übertragungsrichtung
zu ändern.
Bei einer Ausführung
enthält
der Ablenker eine Anordnung von Spiegeln, wobei jeder Spiegel um
eine Achse durch den Spiegel drehbar ist. Es können Aktuatoren verwendet werden,
die den Transmitter und den Reflektor drehen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
die Intensitätsverteilung,
die von den LEDs erzeugt wird, die zur Erzeugung der von einer IR-Datenübertragungsverbindung übertragenen Lichtsignale
verwendet werden.
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2 ist
eine schematische Ansicht eines IR-Ports 20 gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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3A–B sind
Flußdiagramme,
die das Protokoll zeigen, das zur Herstellung und Optimierung der
Datenübertragungsverbindung
verwendet wird und die verschiedenen Wechselwirkungen und Szenarien
zwischen zwei Vorrichtungen einschließt.
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4 ist
eine Draufsicht eines Abschnitts einer mikromechanischen Spiegelanordnung 30.
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5 ist
eine Querschnittsansicht durch die in 4 gezeigte
Linie 38–39.
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6 ist
eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführung eines Spiegelelements 50 gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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7A ist
eine Draufsicht einer Spiegelanordnung 230.
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7B ist
eine Querschnittsansicht eines Spiegels durch die in 7A gezeigte
Linie 238–239.
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8 ist
eine Draufsicht einer weiteren bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung, bei
der nur die Azimutrichtung optimiert ist.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
LEDs, die zur Erzeugung der von einer IR-Datenübertragungsverbindung übertragenen Lichtsignale
verwendet werden, haben eine Intensitätsverteilung, die in 1 gezeigt
ist. Der Öffnungswinkel 12 des
Lichtkegels einer typischen LED 11 beträgt etwa 20 Grad. Die radiale
Intensitätsverteilung dieses
Kegels ist bei 13 gezeigt. Jede Vorrichtung enthält eine
LED zum Übertragen
von Lichtsignalen und eine Photodiode zum Empfangen von Lichtsignalen,
die von der Vorrichtung an dem anderen Ende der Datenübertragungsverbindung
erzeugt werden.
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2,
die eine schematische Ansicht eines IR-Ports 20 gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, macht deutlich, inwiefern die vorliegende Erfindung vorteilhaft
ist. Der Port 20 enthält
ein Transmitter/Empfänger-Paar 21,
das eine LED 23 und eine Photodiode 22 umfaßt. Das
von der LED 23 erzeugte Licht wird an einem ersten Spiegel 24,
der um eine Achse 25 drehbar ist, und einem zweiten Spiegel 26 reflektiert,
der um eine orthogonale Achse 27 drehbar ist. Durch Steuern
der Winkel, um welche die Spiegel 24 und 26 drehbar
sind, kann das Lichtbündel
von der LED 23 innerhalb eines Bereichs von Ausgangwinkeln
sowohl in die horizontale als auch vertikale Richtung gelenkt werden.
Gleichermaßen
wird Licht, das von dem Spiegel 26 entlang eines durch
die Positionen der Spiegel 24 und 26 definierten
Winkels empfangen wird, auf die Photodiode 22 reflektiert. Der
Aufbau der Spiegel 24 und 26 wird unten detaillierter
beschrieben.
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Im
folgenden wird detaillierter beschrieben, wie eine IR-Verbindung
gemäß der vorliegenden
Erfindung zwischen zwei IR-Ports, wie dem oben genannten IR-Port 20,
hergestellt wird. Zu Beschreibungszwecken wird angenommen, daß jeder
IR-Port eine Steuerung enthält,
welche die verschiedenen Spiegel betätigt und die an dem Empfänger empfangenen
Signale in dem Port überwacht.
Zu Beschreibungszwecken wird angenommen, daß der IR-Port Nummer 1 die
Verbindung veranlaßt.
Der IR-Port Nummer 1 kann beispielsweise mit einem Computer verbunden
werden, auf dem ein Programm abläuft, das
den IR-Port zur Datenübertragung
mit einer anderen Vorrichtung verwendet und das eine Datenübertragung
veranlaßt
hat.
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Das
zur Herstellung und Optimierung der Datenübertragungsverbindung verwendete
Protokoll betrifft mehrere Wechselwirkungen zwischen den beiden
Ports und mehrere Szenarien, die von deren relativen Positionen
abhängen.
Dieser komplexe Algorithmus wird anhand der in 3A–B gezeigten Flußdiagramme
leichter verständlich.
In diesen Flußdiagrammen
sind die logischen Abhängigkeiten
mit durchgezogenen Linien und die optischen Signale zwischen den
Ports mit gestrichelten Linien dargestellt. Das Flußdiagramm
für die
Handlungen des Ports 1 ist bei 101 gezeigt und das Flußdiagramm
für die
Handlungen des Ports 2 ist bei 102 gezeigt. Der erste Teil
des Algorithmus, der in 3A gezeigt
ist, richtet die Ports hinreichend aus, um ein Handshake (eine Quittierung)
zwischen den in Verbindung stehenden Ports herzustellen. Er nimmt
an, daß beide Ports
derart falsch ausgerichtet sind, daß sich jeder außerhalb
des Winkelbereichs des anderen befindet. Das Protokoll fährt im allgemeinen
folgendermaßen fort:
- 1. Port 1 sendet eine Anfrage an den Port 2
und wartet auf eine Bestätigung,
wie es bei 103–106 gezeigt
ist. Port 2 überwacht
seinen Eingangsport hinsichtlich einer Anfrage, wie es bei 107–108 gezeigt
ist. Wenn Port 2 eine Anfrage empfängt, sendet er ein Bestätigungssignal
in alle möglichen Übertragungsrichtungen,
wie es durch die Schleife bei 109–111 gezeigt ist.
Die Wartezeit ist so bemessen, daß Port 2 mögliche Positionen seines Übertragungsbündels zyklisch
durchlaufen kann.
- 2. Wenn keine Bestätigung
empfangen wird, vergrößert Port
1 den Winkel seines Übertragungsbündels, wie
es bei 106 gezeigt ist, und wiederholt Schritt 1.
- 3. Wenn eine Bestätigung
von dem Port 2 empfangen wird, wie es bei 104 gezeigt ist,
sendet Port 1 eine Rückmeldung
und der Handshake ist abgeschlossen.
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Bei
Beendigung des Handshakes fahren die Ports fort, die Verbindung
gemäß dem Algorithmus zu
optimieren, der in 3B gezeigt ist, die ein Flußdiagramm
des Algorithmus ist, der von jedem Port während der Optimierung ausgeführt wird.
Das Flußdiagramm
für die
von Port 1 ausgeführten
Arbeitsschritte ist bei 151 gezeigt und das Flußdiagramm
für die
von Port 2 ausgeführten
Arbeitsschritte ist bei 152 gezeigt. Der Algorithmus fährt wie
folgt fort:
- 1. Port 1 erhöht die Position seines Übertragungsbündels in
einer beliebigen Richtung und sendet ein Testsignal, wie es bei 153 gezeigt
ist. Port 2 sendet einen Code zurück, der angibt, daß sich der
Empfang verbessert oder verschlechtert hat, wie es bei 154–156 gezeigt
ist. Zu Beschreibungszwecken gibt (1) eine Verbesserung und (0)
keine Verbesserung an.
- 2. Ein (1)-Code bewirkt, daß Port
1 seine Bündelposition
in derselben Richtung wie in dem vorhergehenden Schritt inkrementiert;
und ein (0)-Code bewirkt, daß er
seine Bündelposition
in umgekehrter Richtung inkrementiert, wie es bei 161–163 gezeigt
ist.
- 3 Wenn die letzten drei empfangenen Codes eine (101)-Sequenz
darstellen, ist Port 1 in einer optimalen Position und signalisiert
Port 2, daß er
einen ähnlichen
Prozeß in
die entgegengesetzte Richtung veranlassen soll, wie es bei 171–179 gezeigt
ist.
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Es
ist zu beachten, daß das
Signalisierungsprotokoll mit einer relativ geringen Frequenz ausgeführt werden
kann und trotzdem gemessen an der Zeit, die erforderlich ist, um
den Ausrichtungsvorgang zu beenden, noch eine zufriedenstellende
Leistung liefern kann. Wenn beispielsweise jedes Bündel 5 Positionen
hat, benötigt
jeder Port 25 Versuche zum Handshake. Eine Ausrichtungszeit in der
Größenordnung
von einer Sekunde ist für
die meisten Anwendungen mehr als ausreichend. Somit kann das System
ein Signalisierungsprotokoll verwenden, daß 20 Millisekunden pro Handshake-Versuch
benötigt.
Dementsprechend kann das Signal-Rausch-Verhältnis während des Ausrichtungsvorgangs
durch Verwenden langer Pulse für
die Signalisierung verbessert werden.
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Wie
oben erwähnt
ist es das Ziel des Suchalgorithmus, die Spiegelpositionen in jedem
IR-Port zu bestimmen, welche die maximale Signalstärke zur Datenübertragung
zwischen den beiden IR-Ports liefern. Die Anzahl an Spiegelpositionen,
bei denen ein Handshake-Protokoll erfolgreich abgeschlossen werden
kann, hängt
von der Anzahl diskreter Positionen ab, die jeder Spiegel einnehmen
kann. Wenn diese Anzahl relativ gering ist, gibt es nur eine oder
zwei Positionen, an denen das Handshake-Protokoll erfolgreich ist.
Mit sich erhöhender
Anzahl verringert sich die Winkelschrittweite des Suchalgorithmus
und somit kann es eine Reihe „akzeptabler" Positionen geben.
Die akzeptablen Positionen definieren allgemein einen Kegel von
Winkeln, innerhalb dessen die Signalstärke akzeptabel ist. Die Spiegelpositionen
in der Mitte dieses Kegels sind im allgemeinen die Position der
maximalen Signalstärke.
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Die
Winkelbereichsabdeckung des oben beschriebenen IR-Ports und somit
die Effizienz dieser Erfindung hängt
von der Fähigkeit
ab, das Bündel
mit relativ großen
Winkeln abzulenken. Um die Winkelreichweite beispielsweise von den
standardmäßigen 20
Grad auf 60 Grad zu erhöhen,
sollte das Bündel um
20 Grad in jede Richtung abgelenkt werden. Wenn Spiegel zum Ablenken
des Bündels
verwendet werden, erzeugt eine Drehung des Spiegels um 10 Grad die
erforderliche Bündelablenkung
von 20 Grad. Für
diese Anwendung muß jeder
Spiegel einen reflektierenden Bereich von mindestens 1 Quadratmillimeter
haben.
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Da
IR-Module per se kostengünstige
Miniaturvorrichtungen sind, erfordert die vorliegende Erfindung
ein günstiges,
vorzugsweise mikromaschinell hergestelltes Spiegeldesign. Im Stand der
Technik sind eine Reihe von mikromaschinell hergestellte, sich drehenden
Spiegeldesigns bekannt; kostengünstige
Designs sind jedoch auf Spiegelgrößen und Drehwinkel beschränkt, die
weit unter den erforderlichen Werten liegen, während Designs von großer Größe und großen Winkeln
unannehmbar teuer wären,
wenn sie in der vorliegenden Erfindung verwendet würden. Einem
Fachmann auf dem Gebiet der Mikromechanik ist ersichtlich, daß sich die
Anforderungen an große
Spiegel- und Winkelgrößen und kostengünstige,
elektrostatisch betätigte
Spiegeldesigns, die mit angemessenen Betätigungsspannungen arbeiten,
gegenseitig ausschließen.
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Es
wird nun auf 4 und 5 Bezug
genommen. Diese Figuren beschreiben ein neuartiges Spiegeldesign,
das sich die Tatsache zunutze macht, daß bei IR-Datenübertragungen
keine Bündelkohärenz erforderlich
ist und daher ein großer
Spiegel durch mehrere kleine Spiegel ersetzt werden kann, die sich
synchron bewegen. Die Unvereinbarkeit zwischen einer großen Größe und einem
großen
Drehwinkel wird dadurch gelöst,
daß die
von dem Spiegel benötigte
Fläche
in mehrere kleine, längliche
Spiegelelemente geteilt wird, von denen jedes ausreichend schmal
ist, um die nötige
Drehung zu ermöglichen. 4 ist
eine Draufsicht eines Abschnitts einer mikromaschinell hergestellten
Spiegelanordnung 30, und 5 ist eine
Querschnittsansicht durch die in 4 gezeigte
Linie 38–39.
Die Spiegelanordnung 30 besteht aus mehreren mikromaschinell
hergestellten Spiegeln 32, die aus einem Substrat 35 geätzt wurden,
das an ein zweites Substrat 37 gebondet ist. Jeder Spiegel
ist mit dem Substrat 35 über eine flexible Verbindung 31 verbunden,
die es dem Spiegel ermöglicht,
sich um eine Achse durch die flexible Verbindung zu drehen. Die
zur Drehung jedes Spiegelelements erforderliche Kraft wird von einem
elektrostatischen Aktuator 33 erzeugt, der aus zwei leitenden,
sich gegenüberliegenden
Elektroden besteht. Das Betätigungspotential
wird an den geeigneten Aktuator entweder von einer Quelle außerhalb
des Chips oder mit Hilfe einer Steuerschaltungsanordnung 36 angelegt,
die in dem Siliziumsubstrat 37 eingebettet ist, an dem
die Spiegelanordnung montiert ist. Die oberen Oberflächen der
Spiegel sind mit einer stark reflektierenden Beschichtung, typischerweise einem
Film aus Gold mit einer Dicke von etwa 0,2 Mikrometern, überzogen.
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Die
Winkeldrehung des Spiegels um den Biegepunkt wird durch das Potential
bestimmt, das an den Aktuator angelegt wird. Für eine gegebene Betätigungsspannung
V hängt
der Abstand D mit der halben Breite („half-width") ungefähr gemäß der folgenden
Gleichung zusammen: D = (WV√(kk0LT))/2
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Dabei
ist k die Dielektrizitätskonstante,
k0 die Permittivität des freien Raums, L die Länge des
Spiegels und T das erforderliche Drehmoment. Bei praktikablen Spannungs-
und Drehmo mentwerten ist der maximale Versatz D, der erhalten werden
kann, relativ gering, nämlich
in dem Bereich von 2–5
Mikrometer.
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Um
daher einen großen
Winkelversatz zu erzielen, muß die
halbe Breite W jedes Spiegels ebenfalls gering sein. Folglich wäre ein einziger
mikromaschinell hergestellter Spiegel mit einem maximalen Winkelversatz
von ±10
Grad zu klein, um einen wesentlichen Teil des von dem Transmitter
erzeugten IR-Bündels
zu reflektieren. Die vorliegende Erfindung überwindet dieses Problem, indem
ein Spiegel verwendet wird, der aus einer großen Anzahl von kleinen Spiegeln
hergestellt ist. Die Struktur der Spiegelanordnung ist einer Jalousie ähnlich.
Es bewegen sich alle kleinen Spiegel im Einklang. Um den reflektierenden
Bereich weiter zu vergrößern, können mehrere
Jalousieanordnungen kombiniert werden.
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Der
maximale Winkelversatz kann vergrößert werden, indem das Substrat
unter dem Spiegel zu einer Struktur geätzt wird, die spitz ausläuft, wie
es in 6 gezeigt ist, die eine Querschnittsansicht einer
weiteren Ausführung
eines Spiegelelements 50 gemäß der vorliegenden Erfindung
ist. Um die folgende Erörterung
zu vereinfachen, sind diejenigen Elemente, die dieselbe Funktion
erfüllen
wie die in 5 gezeigten Elemente, mit den
gleichen Bezugszeichen versehen. Das Spiegelelement 50 unterscheidet
sich von dem aus den Spiegeln 32 gebildeten Spiegelelement,
das in 5 gezeigt ist, dahingehend, daß das darunterliegende Substrat 54 so
geätzt
wurde, daß es
eine spitz auslaufende Struktur 51 bildet, an der die Aktuatorelektroden 52 und 53 angebracht
sind. Um die Zeichnung zu vereinfachen, ist die Steuerschaltungsanordnung
in 5 weggelassen.
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Die
in den 4, 5 und 6 gezeigten Ausführungen
gehören
zu der allgemeinen Kategorie anziehender elektrostatischer Aktuatoren.
Einem Fachmann ist ersichtlich, daß derartige Vorrichtungen spezielle
Vorkehrungen erfordern, um Zusammenschnappen (Snap-In) und Haftreibung
zu verhindern. Zusammenschnappen ist das Phänomen, bei dem die zwei Elektroden
in Kontakt schnappen, sobald der Zwischenraum auf etwa ein Drittel
seines ursprünglichen
Werts verkleinert wird. Haftreibung ist das Phänomen, bei dem die Aktuatoren
selbst ohne die Betätigungsspannung
miteinander in Kontakt bleiben. Eine Ausführung, die in einem abstoßenden Modus
arbeitet und daher diese Probleme nicht mit sich bringt, ist in 7A–B bei 230 gezeigt. 7A ist
eine Draufsicht einer Spiegelanordnung 230, und 7B ist
eine Querschnittsansicht eines Spiegels durch die Linie 238–239.
Bei dieser Ausführung,
die in 7 gezeigt ist, ist jede Elektrode
des Aktuators 33 in Form von zwei Gruppen von Streifen
mit einem sich räumlich
abwechselnden Spannungsmuster VH und VL strukturiert. Beispielhafte Elektroden,
die mit einer VH-Stromschiene 251 verbunden
sind, sind bei 242 gezeigt, und beispielhafte Elektroden,
die mit einer VL-Stromschiene 252 verbunden
sind, sind bei 243 gezeigt. Eine ähnliche Gruppe von Elektroden
ist an der Unterseite des Spiegels vorgesehen, wie es bei 231 und 232 gezeigt
ist. Die Elektroden an der Unterseite des Spiegels und die Elektroden,
die ihnen an dem darunterliegenden Substrat gegenüberliegen,
müssen
präzise
ausgerichtet sein, damit der Aktuator ordnungsgemäß funktioniert.
Wenn ein Spannungsmuster an die Substratelektroden angelegt wird,
das dem Spannungsmuster an dem Spiegel entspricht, d. h. wenn VH VH gegenüberliegt
und VL VL gegenüberliegt,
befindet sich der Aktuator in einem abstoßenden Modus und wird diese
Seite des Spiegels angehoben. Obwohl dieses Design etwas schwieriger
herzustellen ist, weist es nicht die Probleme des Einrastens bzw.
Zusammenschnappens und der Haftreibung auf und bietet außerdem den
zusätzlichen
Vorteil, daß die
Spiegelposition präzise
gesteuert werden kann.
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Dieser
Aktuator kann zudem in einem Gegentaktmodus („push-pull mode") betrieben werden, in
dem die Substratelektroden auf einer Seite des Spiegels in dem oben
beschriebenen zweipoligen System mit Strom versorgt werden, um in
einem abstoßenden
Modus zu arbeiten, während
die Substratelektroden auf der anderen Seite des Spiegels mit entgegengesetzten
Spannungsmustern mit Strom versorgt werden, d. h. VH an
dem Substrat liegt VL an dem Spiegel gegenüber, und
umgekehrt. Diese Seite des Aktuators arbeitet in dem anziehenden
Modus und der Spiegel wird heruntergezogen. In diesem System können geringere
Spannungen verwendet werden, um eine gegebene Neigung des Spiegels
zu erzielen.
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Dieser
Aktuator kann zudem in einem Gegentaktmodus betrieben werden, in
dem eine Seite des Spiegels von dem Substrat abgestoßen wird, während die
andere Seite von dem Substrat angezogen wird. Diese Ausführung hat
den Vorteil, daß geringere
Antriebsspannungen benötigt
werden, um eine gegebene Neigung des Spiegels zu erzielen.
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Die
oben beschriebenen Ausführungen
verändern
sowohl den Azimut als auch die Elevation des IR-Bündels. Bei
den meisten praktischen Anwendungen haben die Datenübertragungsports
jedoch ungefähr
die gleiche Elevation und werden in einer horizontalen Position
betrieben. Somit sind auch Ausführungen
nützlich,
die nur die Azimutrichtung der IR-Bündel mittels einer Anordnung
mit einem einzigen Spiegel verändern.
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Nun
wird Bezug auf 8 genommen, die eine Draufsicht
einer weiteren bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung ist, in der nur die Azimutrichtung optimiert
wird. Der IR-Port 300 besteht
aus einem Empfänger 303 und
einem Transmitter 302, die an einem mikromaschinell hergestellten Drehschrittmotor 301 montiert
sind, der eine Drehachse senkrecht zu der Zeichnungsebene hat.
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Es
gibt eine Reihe von Designs für
derartige Mikrobewegungseinrichtungen. J. Sniegowski et al. „Monolithic
geared-mechanisms driven by a polysilicon surface-micromachined
on-chip electrostatic microengine", Proc. Solid-State Sensor and Actuator Workshop,
Seite 178–182
(1996) beschreibt beispielsweise einen Mikromotor, der aus dünn abgeschiedenem
Polysilizi um besteht. Ein zweites Beispiel für eine solchen Mikrobewegungseinrichtung
ist in A. A. Yaseen et al. „A
Rotary Electrostatic Micromotor 1X8 Optical Switch", Proc. IEEE 11th Annual International Workshop on Micro
Electro Mechanical Systems, Seite 116 (1998) beschrieben. Zwar ist
diese Vorrichtung robuster als die Vorrichtung, die aus dünnem Polysilizium
hergestellt ist, aber für
ihren Betrieb sind hohe Spannungen erforderlich.
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Die
oben beschriebenen Ausführungen
der vorliegenden Erfindung verwenden IR-Ports. Einem Fachmann ist
jedoch aus der obigen Erörterung
ersichtlich, daß die
Lehren der vorliegenden Erfindung auf einen beliebigen optischen
Port angewendet werden können.
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Verschiedene
Modifikationen der vorliegenden Erfindung werden einem Fachmann
aus der vorhergehenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen
ersichtlich. Dementsprechend soll die vorliegende Erfindung nur
durch den Schutzbereich der folgenden Ansprüche begrenzt sein.