JP2019500638A - マイクロメカニカルデバイス、および変位可能要素を変位させるための方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、マイクロメカニカルデバイスに関し、前記マイクロメカニカルデバイスは、アクチュエータ手段を有し、前記アクチュエータ手段は、変位可能要素(10)が、第1の回転軸線(20)を中心とした第1の変位運動(20a)を実施するように、かつ前記第1の回転軸線(20)に対して傾斜して方向付けられた第2の回転軸線(28)を中心として第2の変位運動(28a)を実施するように構成されており、前記アクチュエータ手段は、第1のばね要素(12a)に配置された少なくとも1つの第1の永久磁石(16a)と、第2のばね要素(12b)に配置された少なくとも1つの第2の永久磁石(16b)とを含み、前記少なくとも1つの第1の永久磁石(16a)は、前記第1の回転軸線(20)に対して傾斜方向の、かつ前記第2の回転軸線(28)に対して傾斜方向の第1の並進運動を実施するように励振可能であり、前記少なくとも1つの第2の永久磁石(16b)は、前記第1の並進運動とは逆向きの第2の並進運動を実施するように励振可能であり、これによって、前記第2の回転軸線(28)を中心とした前記変位可能要素(10)の前記第2の変位運動(28a)を引き起こすことができる。本発明は、変位可能要素を変位させるための方法にも関する。
Description
本発明は、マイクロメカニカルデバイスに関する。本発明は、変位可能要素を変位させるための方法にも関する。
従来技術
米国特許第8508098号明細書には、マイクロミラー装置が記載されており、このマイクロミラー装置のミラー要素を、保持体に対して第1の回転軸線を中心として準静的に変位可能にし、かつ第2の回転軸線を中心として共振的に変位可能にすることが意図されている。第1の回転軸線に沿って延在する2つの外側のねじりばねのねじりによって、第1の回転軸線を中心としてミラー要素を変位させるために、マイクロミラー装置は、位置固定された電磁石を有する電磁アクチュエータと、2つの外側のねじりばねに取り付けられた別の磁石とを含む。第2の回転軸線に沿って延在する2つの内側のねじりばねのねじりによって、第2の回転軸線を中心としてミラー要素を共振的に変位させるために、マイクロミラー装置は、複数の電極コームを有する静電アクチュエータも含む。
米国特許第8508098号明細書には、マイクロミラー装置が記載されており、このマイクロミラー装置のミラー要素を、保持体に対して第1の回転軸線を中心として準静的に変位可能にし、かつ第2の回転軸線を中心として共振的に変位可能にすることが意図されている。第1の回転軸線に沿って延在する2つの外側のねじりばねのねじりによって、第1の回転軸線を中心としてミラー要素を変位させるために、マイクロミラー装置は、位置固定された電磁石を有する電磁アクチュエータと、2つの外側のねじりばねに取り付けられた別の磁石とを含む。第2の回転軸線に沿って延在する2つの内側のねじりばねのねじりによって、第2の回転軸線を中心としてミラー要素を共振的に変位させるために、マイクロミラー装置は、複数の電極コームを有する静電アクチュエータも含む。
発明の開示
本発明は、請求項1に記載の特徴を有するマイクロメカニカルデバイスと、請求項10に記載の特徴を有する変位可能要素を変位させるための方法とを提供する。
本発明は、請求項1に記載の特徴を有するマイクロメカニカルデバイスと、請求項10に記載の特徴を有する変位可能要素を変位させるための方法とを提供する。
発明の利点
本発明は、例えばマイクロミラーのような変位可能要素を、相互に傾斜した2つの回転軸線を中心として変位させるための手段を提供するものであり、この場合、回転軸線を中心とした両方の変位運動を引き起こすために、静電アクチュエータ手段は必要とされない。その代わりに、両方の回転軸線を中心とした変位運動を、磁気的な相互作用(のみ)によって引き起こすことができる。従来のマイクロミラー装置の静電アクチュエータのためにしばしば必要とされていた駆動コームは、これによって不要となる。
本発明は、例えばマイクロミラーのような変位可能要素を、相互に傾斜した2つの回転軸線を中心として変位させるための手段を提供するものであり、この場合、回転軸線を中心とした両方の変位運動を引き起こすために、静電アクチュエータ手段は必要とされない。その代わりに、両方の回転軸線を中心とした変位運動を、磁気的な相互作用(のみ)によって引き起こすことができる。従来のマイクロミラー装置の静電アクチュエータのためにしばしば必要とされていた駆動コームは、これによって不要となる。
したがって、本発明を実施するために、駆動コームを用いることなく変位可能要素を使用することができ、したがって、変位可能要素を変位させるために、駆動コームによる不所望な減衰も、駆動コームに起因して増加する慣性モーメントも克服する必要がなくなる。したがって、本発明は、比較的大きな振れで良好な有効性で変位可能要素を変位させるための手段を提供する。さらに、本発明では、駆動コームの電気的なコンタクトのために配線を構成する必要性が省略される。したがって、本発明によるマイクロメカニカルデバイスの製造において使用されるマスクレイヤーの数を大幅に削減することができる。
静電的な励振を省略するために本発明によって提供される手段は、静電アクチュエータ手段の動作中に電圧(約150ボルト)を印加することによって発生し得るフラッシュオーバーを回避する。このようなフラッシュオーバーは、通常、塵粒子または湿気に起因して発生するだけでなく、空気のイオン化だけでも引き起こされる可能性がある。さらに、ハード信号パルスでの静電アクチュエータ手段の動作中には、材料除去が生じる可能性がある。しかしながら、ここに記載された欠点は、本発明によって回避される。
好ましくは、前記変位可能要素の前記第2の変位運動は、共振振動数を有する前記第2の回転軸線を中心とした前記変位可能要素の高調波振動であり、前記磁界との前記磁気的な相互作用に基づいて、前記少なくとも1つの第1の永久磁石を、前記共振振動数によって前記第1の並進運動を実施するように励振させることができ、前記少なくとも1つの第2の永久磁石を、前記共振振動数によって前記第2の並進運動を実施するように励振させることができる。したがって、静電アクチュエータの使用が完全に省略された状態で、永久磁石の並進運動の励振によって変位可能要素の共振的な励振がトリガされて、変位可能要素が高調波振動する。従来の方式では、共振的な励振を静電的に引き起こすために、例えば少なくとも150ボルトの電圧のような比較的高い電圧を、マイクロメカニカルデバイスに印加して制御しなければならないが、一方で、本明細書に記載されるマイクロメカニカルデバイスの実施形態は、制御システムのこのような高いコストなしに動作可能である。
好ましくは、前記第1の回転軸線を中心とした前記少なくとも1つの第1の永久磁石の前記第1の回転運動は、前記第1の回転軸線を中心とした前記少なくとも1つの第2の永久磁石の前記第2の回転運動と同相である。これにより、永久磁石同士の同相での回転運動によって、第1の回転軸線を中心とした変位可能要素の所望の第1の変位運動を確実に引き起こすことができる。
マイクロメカニカルデバイスの有利な実施形態では、前記磁気手段によって引き起こすことができる前記磁界は、前記少なくとも1つの第1の永久磁石において、前記第1の回転軸線に対して垂直に方向付けられた磁界成分を有し、前記少なくとも1つの第2の永久磁石において、前記第1の回転軸線に対して垂直に方向付けられた前記磁界成分を有する。このような磁界は、有利には、永久磁石同士の同相での回転運動を引き起こすために適している。
さらに、前記磁気手段によって引き起こすことができる前記磁界は、前記少なくとも1つの第1の永久磁石において、半径方向の磁界成分を有することができ、前記少なくとも1つの第2の永久磁石においても、半径方向の磁界成分を有することができる。半径方向の磁界成分は、有利には、永久磁石同士の互いに逆向きの並進運動を引き起こすために適している。とりわけ、前記磁気手段は、前記第1の回転軸線に対して垂直に方向付けられた前記磁界成分を、少なくとも1つの第1の振動数によって変調し、前記半径方向の磁界成分を、前記第1の振動数とは異なる少なくとも1つの第2の振動数によって変調するように構成することができる。
さらなる有利な実施形態では、前記少なくとも1つの第1の永久磁石は、前記第1の回転軸線に対して垂直に方向付けられた第1の極性を有し、前記少なくとも1つの第2の永久磁石は、前記第1の極性とは逆向きの第2の極性を有する。この場合、前記磁気手段によって引き起こすことができる前記磁界が、前記少なくとも1つの第1の永久磁石および前記少なくとも1つの第2の永久磁石の両方において、前記第1の回転軸線に対して垂直に方向付けられた磁界強度勾配を有すると有利である。このようにしても、第2の回転軸線を中心とした変位可能要素の第2の変位運動をトリガするために、永久磁石同士の所望の互いに逆向きの並進運動を引き起こすことができる。
前記マイクロメカニカルデバイスは、中間フレーム構成部材を含み、前記中間フレーム構成部材は、前記第1の回転軸線に沿って延在する第1のばね要素および前記第1の回転軸線に沿って延在する第2のばね要素を介して前記保持体に接続されている。好ましくは、前記中間フレーム構成部材は、前記第1のばね要素と前記第2のばね要素との間で前記保持体に懸架されている。この場合、前記中間フレーム構成部材は、前記変位可能要素と共に、前記保持体に対して前記第1の回転軸線を中心とした前記第1の変位運動を実施可能である。これに加えて、前記マイクロメカニカルデバイスは、少なくとも1つの第3のばね要素も含み、前記変位可能要素は、前記中間フレーム構成部材および前記保持体に対して前記第2の回転軸線を中心とした前記第2の変位運動が実施可能となるように、前記第3のばね要素を介して前記中間フレーム構成部材に接続されている。したがって、中間フレーム構成部材を有するマイクロメカニカルデバイスの構成は、第2の回転軸線を中心とした変位可能要素の共振振動数を殆ど阻害しない。さらに、第2の回転軸線を中心とした変位可能要素の共振振動数は、少なくとも1つの第3のばね要素を相応に構成することによって、第1のばね要素および第2のばね要素のばね特性とは無関係に設定することができる。
1つの可能な実施形態では、前記マイクロメカニカルデバイスは、マイクロミラーを含む前記変位可能要素を有するマイクロミラー装置である。このようなマイクロメカニカルデバイスは、汎用性があり、例えばプロジェクタ(レーザプロジェクタ)、および車両/自動車用の(アダプティブ)ヘッドライト(レーザヘッドライト)において使用可能である。しかしながら、マイクロメカニカルデバイスの構成可能性は、マイクロミラー装置、またはマイクロミラーを備えた装備に限定されていないことに留意すべきである。
上で説明した利点は、変位可能要素を変位させるための対応する方法を実施する際にも提供される。本方法は、マイクロメカニカルデバイスの上で説明した実施形態に基づいてさらに発展させることができる。
図面の簡単な説明
以下、本発明のさらなる特徴および利点を図面に基づいて説明する。
以下、本発明のさらなる特徴および利点を図面に基づいて説明する。
発明を実施するための形態
図1a〜1eは、マイクロメカニカルデバイスの第1の実施形態およびその機能を説明するための概略図を示す。
図1a〜1eは、マイクロメカニカルデバイスの第1の実施形態およびその機能を説明するための概略図を示す。
図1aおよび図1cに概略的に図示されたマイクロメカニカルデバイスは、単なる一例であるが、マイクロメカニカルデバイスの変位可能要素10の少なくとも一部としてマイクロミラー10を有するマイクロミラー装置として構成されている。しかしながら、マイクロメカニカルデバイスの構成可能性は、このような変位可能要素10に限定されていない。
マイクロミラーである変位可能要素10は、少なくとも第1のばね要素12aおよび第2のばね要素12bを介してマイクロメカニカルデバイスの保持体14に懸架されている。マイクロメカニカルデバイスはさらに、第1のばね要素12aに配置/固定された少なくとも1つの第1の永久磁石16aと、第2のばね要素12bに配置/固定された少なくとも1つの第2の永久磁石16bとを有する。マイクロメカニカルデバイスはさらに、それぞれ少なくとも1つの第1の永久磁石16aおよび少なくとも1つの第2の永久磁石16bにおいて磁界18を引き起こすように構成された磁気手段を有する。図1aおよび図1cでは、より見やすくするために磁気手段の図示が省略されている。しかしながら、使用可能な磁気手段に関して考えられる例が以下でさらに記載される。
少なくとも1つの第1の永久磁石16aおよび少なくとも1つの第2の永久磁石16bにおいて、少なくとも1つの第1の永久磁石16aが(磁界18との磁気的な相互作用に基づいて)変位可能要素10の第1の回転軸線20を中心とした第1の回転運動を実施可能となるように/実施するように、かつ少なくとも1つの第2の永久磁石16bが(磁界18との磁気的な相互作用に基づいて)第1の回転軸線20を中心とした第2の回転運動を実施可能となるように/実施するように、磁界18の少なくとも1つの磁界成分Bsを引き起こすことができる。少なくとも1つの第1の永久磁石16aの第1の回転運動と、少なくとも1つの第2の永久磁石16bの第2の回転運動は、図1aに図示されている。
図1bには、永久磁石16aおよび16bの回転運動が引き起こされる様子が図解されている。少なくとも1つの第1/第2の永久磁石16aまたは16bは、線路ループ22の磁気双極子として図示されており、この線路ループ22は、第1の回転軸線20に対して平行に方向付けられた部分区分24aと、第1の回転軸線20に対して垂直に方向付けられた部分区分24bと、線路ループ22を通って流れる電流強度Iとを有する。第1の回転軸線20に対して垂直に方向付けられた磁界成分Bsは、第1の回転軸線20に対して平行に方向付けられた線路ループ22のそれぞれの部分区分24aに対して、互いに逆向きの力Fs−1およびFs−2を引き起こし、これらの互いに逆向きの力Fs−1およびFs−2は、相応にして、第1の回転軸線20の両側に位置する、少なくとも1つの第1/第2の永久磁石16aまたは16bの半分に対して作用する。
その結果として生じるトルクMは、以下の方程式(式1):
(式1) M=I*B*l*b
にしたがって得られ、なお、Iは、第1の回転軸線20に沿った少なくとも1つの第1/第2の永久磁石16aまたは16bの長さであり、bは、第1の回転軸線20に対して垂直の方向における少なくとも1つの第1/第2の永久磁石16a,16bの幅である。これにより、永久磁石16aおよび16bが小型に形成されていて、磁界18の磁界強度が最大で10mT(ミリテスラ)である場合であっても、永久磁石16aおよび16bを確実に回転させるために十分なトルクMを引き起こすことが可能となる。
(式1) M=I*B*l*b
にしたがって得られ、なお、Iは、第1の回転軸線20に沿った少なくとも1つの第1/第2の永久磁石16aまたは16bの長さであり、bは、第1の回転軸線20に対して垂直の方向における少なくとも1つの第1/第2の永久磁石16a,16bの幅である。これにより、永久磁石16aおよび16bが小型に形成されていて、磁界18の磁界強度が最大で10mT(ミリテスラ)である場合であっても、永久磁石16aおよび16bを確実に回転させるために十分なトルクMを引き起こすことが可能となる。
図1aにおいて見て取れるように、少なくとも1つの第1/第2の永久磁石16aまたは16bの両方の半分に対する互いに逆向きの力Fs−1およびFs−2は、第1/第2の回転運動として、少なくとも1つの第1/第2の永久磁石16aまたは16bの両方の半分の、第1の回転軸線20を中心とした傾斜を引き起こす。少なくとも1つの第1の永久磁石16aの第1の回転運動と、少なくとも1つの第2の永久磁石16bの第2の回転運動とが、今度は、保持体14に対して第1の回転軸線20を中心とした第1の変位可能要素10の第1の変位運動20aをトリガする。したがって、永久磁石16aおよび16bと、永久磁石16aおよび16bと相互作用する磁気手段とは、アクチュエータ手段として適しており、このアクチュエータ手段によって変位可能要素10は、保持体14に対して第1の回転軸線20を中心とした第1の変位運動20aを実施可能となる。
好ましくは磁気手段によって、少なくとも1つの第1の永久磁石16aおよび少なくとも1つの第2の永久磁石16bにおいて、第1の回転軸線20に対して垂直に方向付けられたそれぞれの磁界成分Bsを、同じ(時間的に一定または時間的に可変の)大きさで引き起こすことができる。この場合、第1の回転軸線20を中心とした少なくとも1つの第1の永久磁石16aの第1の回転運動と、第1の回転軸線20を中心とした少なくとも1つの第2の永久磁石16bの第2の回転運動とは、互いに同相である。互いに同相とは、永久磁石16aの回転運動と永久磁石16bの回転運動とが、マイクロメカニカルデバイスの(図示されていない任意選択的な)対称平面に対して鏡面対称に挙動することであると理解することができる。とりわけ、永久磁石16aおよび16bの同相/鏡面対称の回転運動によって、保持体14に対して第1の回転軸線20を中心とした変位可能要素10の均等な変位が引き起こされる。とりわけ、保持体14に対して第1の回転軸線20を中心とした変位可能要素10の準静的な変位を、このようにして確実に引き起こすことができる。
好ましくは、永久磁石16aおよび16bは、ばね要素12aおよび12bの上に直接的に配置されている。これによって変位可能要素10の慣性を、永久磁石16aおよび16bの慣性から「分離」することが可能になる。さらに、永久磁石16aおよび16bを変位可能要素10から分離して配置することにより、永久磁石16aおよび16bに対して加わる力に起因した変位可能要素10の不所望な変形/陥凹が阻止される。
しかしながら、磁気手段によって引き起こすことができる磁界18は、少なくとも1つの第1の永久磁石16aも、(磁界18との磁気的な相互作用に基づいて)第1の並進軸線26aに沿った第1の並進運動を実施するように励振する(図1c参照)。磁気手段によって引き起こすことができる磁界18はさらに、少なくとも1つの第2の永久磁石16bを、(磁界18との磁気的な相互作用に基づいて)第2の並進軸線26bに沿った第2の並進運動を実施するように励振する。第1の並進軸線26aと第2の並進軸線26bとは、互いに(ほぼ)平行である。さらに、永久磁石16aの並進運動と永久磁石16bの並進運動とは、互いに逆向きである。互いに逆向きとは、少なくとも1つの第1の永久磁石16aが第1の並進軸線26aに沿って第1の方向に並進している間に、少なくとも1つの第2の永久磁石16bが第2の並進軸線26bに沿って、第1の方向とは逆向きの第2の方向/反対方向に移動することであると理解することができる。相応して、少なくとも1つの第1の永久磁石16aが第1の並進軸線26aに沿って第2の方向に並進している間には、少なくとも1つの第2の永久磁石16bが第2の並進軸線26bに沿って第1の方向/反対方向に移動する。
図1dには、少なくとも1つの第1/第2の永久磁石16aまたは16bが改めて線路ループ22の磁気双極子として図示されており、この線路ループ22は、第1の回転軸線20に対して平行に方向付けられた部分区分24aと、第1の回転軸線20に対して垂直に方向付けられた部分区分24bと、線路ループ22を通って流れる電流強度Iとを有する。図1dに図示されているように、線路ループ22の中心点から半径方向外側(または線路ループ22の中心点に向かって半径方向内側)に向いている複数の磁界成分Br−1〜Br−4が、線路ループ22に対して垂直に方向付けられた1つの力Frを引き起こす。線路ループ22に対して垂直に方向付けられた力Frの方向は、電流強度Iの向きと、半径方向の磁界成分Br−1〜Br−4の向きとに依存している。(半径方向の磁界成分Br−1〜Br−4は、少なくとも1つの第1/第2の永久磁石16aまたは16bに対して半径方向に方向付けられており、すなわち、少なくとも1つの第1/第2の永久磁石16aまたは16bの重心から離れる方向または重心に向かう方向に方向付けられている。半径方向の磁界成分Br−1〜Br−4は、少なくとも1つの第1/第2の永久磁石16aまたは16bの表面に対して垂直に方向付けられた磁界成分Br−1〜Br−4であるとも言い換えることができる。磁界18の半径方向の磁界成分Br−1〜Br−4は、例えば第1/第2の永久磁石16a,16bの下に設けられたコイルによって発生させることができ、主方向は、第1の回転軸線20に対して垂直に方向付けられており、かつ磁界18の半径方向の磁界成分Br−1〜Br−4の「噴水形状」に対して垂直に方向付けられている。)
力Frは、線路ループ22の周長Uと、磁界成分Br−1〜Br−4と、電流強度Iとから、以下の方程式(式2):
(式2) Fr=U*I*Br
にしたがって得られる。
(式2) Fr=U*I*Br
にしたがって得られる。
力Frによる互いに逆向きの並進運動が実施されるように永久磁石16aおよび16bを励振することによって、保持体14に対して、第1の回転軸線20に対して傾斜して方向付けられた第2の回転軸線28を中心とした、変位可能要素10の第2の変位運動28aがトリガされる(図1c参照)。数mT(ミリテスラ)の磁界成分Br−1〜Br−4を有する磁界18を実現することができると仮定した場合、力Frに関する方程式(式2)にしたがって約1mN(ミリニュートン)が得られる。これは、変位可能要素10の第2の変位運動28aを励振するために十分な力である。
これにより、マイクロメカニカルデバイスは、永久磁石16aおよび16bと、相互作用する磁気手段とが設けられていることに基づいてアクチュエータ手段を提供し、このアクチュエータ手段によって変位可能要素10は、保持体14に対して、第1の回転軸線20を中心とした第1の変位運動20aだけでなく、第1の回転軸線20に対して傾斜して方向付けられた第2の回転軸線28を中心とした第2の変位運動28aも実施可能となる。したがって、図1a〜図1eのマイクロメカニカルデバイスの場合には、(第1の回転軸線20を中心として変位可能要素10を変位させるために使用される駆動ユニットに加えて)第2の回転軸線28を中心として変位可能要素10を変位させるための専用の駆動ユニットの形成を省略することが可能である。とりわけ、図1a〜図1eのマイクロメカニカルデバイスの場合には、静電駆動部の形成が必要ない。したがって、本マイクロメカニカルデバイスは、駆動電極も必要としない。
変位可能要素10の第2の回転軸線28は、とりわけ第1の回転軸線20に対して垂直に方向付けることができる。とりわけ第1の回転軸線20と第2の回転軸線28とを、マイクロメカニカルデバイスの1つの共通の平面内に配置することができ、この共通の平面に対して垂直に、ねじり軸線26aおよび26bを方向付けることができる。
好ましくは、マイクロメカニカルデバイスは、変位可能要素10の第2の変位運動28aが、共振振動数を有する第2の回転軸線28を中心とした変位可能要素10の高調波振動/共振振動として実施されるように構成されている。このことは、少なくとも1つの第1の永久磁石16aを、第1の並進運動を実施するように(磁界18との磁気的な相互作用に基づいて)共振振動数によって励振し、かつ少なくとも1つの第2の永久磁石16bを、第2の並進運動を実施するように(磁界18との磁気的な相互作用に基づいて)共振振動数によって励振することによって実現することができる。磁気手段を適切に構成することによって、永久磁石16aおよび16bの互いに逆向きの並進運動を励振するために利用される磁界成分Fr−1〜Fr−4を時間的に変化させることが可能である。
第2の変位運動28aとして実現される、(保持体14に対する)第2の回転軸線28を中心とした変位可能要素10の高調波振動/共振振動は、変位可能要素10の休止位置からの大きな振れを引き起こし、それと同時に変位可能要素10は、迅速な変位が可能である。これに対して、変位可能要素10を、第1の回転軸線20を中心として準静的に変位させることができる。したがって、本マイクロメカニカルデバイスは、第1の回転軸線20を中心とした変位可能要素10の準静的な変位と、第2の回転軸線28を中心とした変位可能要素10の同時の高調波的/共振的な変位とによって、有利には平面の走査/スキャンのために適している。したがって、本マイクロメカニカルデバイスを、有利には
プロジェクタ(レーザプロジェクタ)においても、または車両/自動車用のヘッドライト(レーザヘッドライト)においても使用することができる。
プロジェクタ(レーザプロジェクタ)においても、または車両/自動車用のヘッドライト(レーザヘッドライト)においても使用することができる。
一例として、図1a〜図1eの実施形態では、少なくとも1つの第1/第2の永久磁石16aまたは16bとして、第1のばね要素12aおよび第2のばね要素12bにそれぞれ1組の2つの磁石が固定されている。好ましくは、これら1組の2つの磁石は、対応するばね要素12aおよび12bの互いに反対側の2つの表面上に配置されている。永久磁石16aおよび16bは(全て)、(第1の回転軸線20に対して垂直な方向であって、かつ第2の回転軸線28に対して垂直な方向において)1つの共通の極性を有することができる。同様にして、少なくとも1つの第1の永久磁石16aが、(第1の回転軸線20に対して垂直な方向であって、かつ第2の回転軸線28に対して垂直な方向において)第1の極性を有するようにすることもでき、この場合には、少なくとも1つの第2の永久磁石16bは、第1の極性とは逆向きの第2の極性によって方向付けられている。以下により詳細に説明されるように、両方の場合において、永久磁石16aまたは16bの所望の回転運動および並進運動を励振することが可能である。さらに、永久磁石16aまたは16bの対称性は必要ない。
第1のばね要素12aおよび第2のばね要素12bは、それぞれ第1の回転軸線20に沿って延在するねじりばね12aおよび12bとすることができる。したがって、第1のばね要素12aおよび第2のばね要素12bのために、容易に成形可能なばね種類を使用することができる。図1eに概略的に示されているように、ばね要素12aおよび12bは、(永久磁石16aまたは16bを備えた)比較的大きい剛性を有する少なくとも1つの下位区分34aおよび34bと、比較的小さい剛性を有する少なくとも1つの下位区分36aおよび36bとを含むこともできる。しかしながら、ばね要素12aおよび12bの構成可能性は、特定のばね種類に限定されていない。例えば、少なくとも1つの第1/第2の永久磁石16aまたは16bを備えた少なくとも1つの下位区分34aおよび34bの剛性は必須ではない。ばね要素12aおよび12bによって実現される、変位可能要素10の慣性と永久磁石16aおよび16bの慣性との「分離」によって、システム全体の最適化がもたらされているということを再度指摘しておく。永久磁石16aおよび16bのわずかなストロークによっても、変位可能要素10の大きな回転運動を引き起こすことが可能である。
図1a〜1eの実施形態では、マイクロメカニカルデバイスは、中間フレーム構成部材30も含む。中間フレーム構成部材30は、(第1の回転軸線20に沿って延在する)第1のばね要素12aと、(第1の回転軸線20に沿って延在する)第2のばね要素12bとを介して保持体14に接続されている。一例として、中間フレーム構成部材30は、第1のばね要素12aと第2のばね要素12bとの間で保持体14に懸架されている。中間フレーム構成部材30はさらに、変位可能要素10と共に、保持体14に対して第1の回転軸線20を中心とした第1の変位運動20aを実施可能である。第1の回転軸線20を中心とした第1の変位運動20aは、好ましくは準静的な変位運動であるので、このときに第1の回転軸線20を中心として運動する、中間フレーム構成部材30の分だけ増加した質量はさほど重要ではない。
さらに、図1a〜1eのマイクロメカニカルデバイスは、少なくとも1つの第3のばね要素32aおよび32bも含み、この少なくとも1つの第3のばね要素32aおよび32bを介して、変位可能要素10が中間フレーム構成部材30に接続されている。マイクロメカニカルデバイスに少なくとも1つの第3のばね要素32aおよび32bを設けることにより、この少なくとも1つの第3のばね要素32aおよび32bの屈曲による、第2の回転軸線28を中心とした変位可能要素10の変位が可能となる。したがって、第2の変位運動28aを実施する変位可能要素10は、保持体14に対してだけではなく中間フレーム構成部材30に対しても、第2の回転軸線28を中心として変位可能である。これにより、中間フレーム構成部材30に対する第2の回転軸線28を中心とした変位可能要素10の高調波振動の共振振動数(少なくとも1つの第3のばね要素32a,32bが変形した状態で)を、第1のばね要素12aおよび第2のばね要素12bのばね特性とは無関係に、少なくとも1つの第3のばね要素32aおよび32bの構成によって設定することができる。
変位可能要素10における駆動コームをできるだけ省略したことに基づき、変位可能要素10は、約10−13kgm−2の慣性Tを有することができる。第2の回転軸線28を中心とした変位可能要素10の共振振動数f(固有振動数)は、以下の方程式(式3):
にしたがって得られ、なお、kは、少なくとも1つの第3のばね要素32aおよび32bのねじりばね剛性である。これにより、本明細書に記載されたマイクロメカニカルデバイスは、両方の軸に対する慣性モーメントが小さいので、ばね剛性だけを変化させることによって広い帯域幅内で容易に変化することができる。したがって、第1の回転軸線20を中心とした変位可能要素10の第1の変位運動20aに関して、準静的な変位振動数は、50Hz(ヘルツ)から例えば500Hz(ヘルツ)まで(許容可能な電力消費量において1kHz(キロヘルツ)から例えば2kHz(キロヘルツ)までの固有振動数が設定可能であるので)変化することができ、それと同時に、これとは無関係に、第2の回転軸線28を中心とした変位可能要素10の第2の変位運動28aに関して、共振的な変位振動数は、3kHz(キロヘルツ)から30kHz(キロヘルツ)まで変化する。(磁石の慣性モーメントは決定的ではないので、変位可能要素10の振動数は、変位可能要素10および少なくとも1つのばねのみからなる)。例えばマイクロミラー10のような変位可能要素10を、2つの軸を中心として準静的かつ共振的にこのような帯域幅で変位させることが可能であることは、本明細書に記載された装置の重要な利点である。
例えば変位可能要素10を、第3のばね要素32aおよび第4のばね要素32bを介して中間フレーム構成部材30に接続させることができ、この場合、変位可能要素10は、(第2の回転軸線28に沿って延在する)第3のばね要素32aと(第2の回転軸線28に沿って延在する)第4のばね要素32bとの間で中間フレーム構成部材30に懸架されている。したがって、第3のばね要素32aおよび第4のばね要素32bのためにも、容易に成形可能なねじりばねを使用することができる。しかしながら、ばね要素32aおよび32bの構成可能性は、特定のばね種類に限定されていない。
中間フレーム構成部材30を有するように構成されたマイクロメカニカルデバイスは、2ばね質量系と呼ぶこともでき、この場合、変位可能要素10と、少なくとも1つの第3のばね要素32aおよび32bとが、第1のばね質量系を表しており、第1のばね要素12aおよび第2のばね要素12bを有する永久磁石16aおよび16bが、第2のばね質量系を表している。2ばね質量系(図1eに記された角度θおよびΦを有する)は、以下の方程式(式4)および(式5)にしたがって記述される:
なお、Tvは、永久磁石16aおよび16bの慣性モーメントであり、Tmは、変位可能要素10の慣性モーメントであり、dvは、永久磁石16aおよび16bの運動の減衰であり、dmは、変位可能要素10の運動の減衰であり、kvは、ばね要素12aおよび12bの曲げ剛性であり、kmは、ばね要素32aおよび32bの曲げ剛性であり、lvは、永久磁石16aと16bとの距離であり、Fは、永久磁石16aおよび16bに対して垂直に加わる力である。
図2は、マイクロメカニカルデバイスの第2の実施形態の概略図を示す。
図2のマイクロメカニカルデバイスは、上で既に説明した先行する実施形態の構成要素を有する。図示された実施形態では、永久磁石16aおよび16bは(全て)、第1の回転軸線20に対して垂直な方向(であって、かつ第2の回転軸線28に対して垂直な方向)において1つの共通の極性を有する。
図2にはさらに、磁気手段として使用される電磁石40も図示されている。電磁石40は、それぞれ1つの磁心42aおよび42bの周りに巻回されている2つのコイル44aおよび44bを含む。高調波振動する電流信号を2つのコイル44aおよび44bに互いに逆相で通電することにより、永久磁石16aおよび16bに磁界18を発生させることができる。電磁石40によって引き起こすことができる磁界18は、例えば少なくとも1つの第1の永久磁石16aおよび少なくとも1つの第2の永久磁石16bにおいて複数の半径方向の磁界成分Br−1〜Br−4を有することができ、これによって、永久磁石16aおよび16bの有利な「揺動運動」を引き起こすことが可能となっている。電磁石によって発生される磁界18は、永久磁石16aおよび16bに対して「噴水状に」方向付けられた、磁心42aおよび42bの端面であるとも言い換えることができる。高調波振動する電流信号を2つのコイル44aおよび44bに互いに逆相で通電することに基づき、少なくとも1つの第1の永久磁石16aに対して半径方向に方向付けられた磁界成分Br−1は、少なくとも1つの第2の永久磁石16bに対して半径方向に方向付けられた磁界成分Br−2とは逆向きに方向付けられている。したがって、(永久磁石16aおよび16bの極性が一緒である場合に)永久磁石16aおよび16bに対して引き起こされるそれぞれの力Frもまた、同様にして互いに逆向きとなり、これによって、互いに逆向きの並進運動が実施されるように永久磁石16aおよび16bを励振することが達成される。このようにして、変位可能要素10を、保持体14に対して第2の回転軸線28を中心にして変位させることが可能である。とりわけ電磁石40に通電するために使用される、高調波振動する電流信号が、(第2の回転軸線28を中心とした変位可能要素10の第2の変位運動28aの)共振振動数によって変動する場合には、永久磁石16aおよび16bの「揺動」運動は、第2の回転軸線28を中心とした変位可能要素10の高調波振動を確実に励振するために寄与する。
電磁石40の磁心42aおよび42bは、ヨーク46を介して互いに接続させることができる。ヨーク46を用いることにより、このヨークを部分的に通って延在する円形経路に沿って磁界18の磁力線を増幅させることができる。しかしながら、他の実施形態では、(ヨーク46を用いずに)2つの分離された磁心42aおよび42bを使用することも有利であろう。なぜなら、この場合には、磁界の個々の部分磁界が対称的であるからである。
図3は、マイクロメカニカルデバイスの第3の実施形態の概略図を示す。
図3の実施形態では、電磁石50は、磁心52の周りに巻回されたただ1つのコイル54を含む。このような磁気手段を用いることにより、永久磁石16aおよび16b/変位可能要素10の、コイルに向いている側では、強力な磁界を引き起こすことができ、永久磁石16aおよび16b/変位可能要素10の、コイル54から離れる方向に向いている側では、格段により弱い磁界を引き起こすことができる。このことは、磁気手段によって引き起こすことができる磁界18が、少なくとも1つの第1の永久磁石16aおよび少なくとも1つの第2の永久磁石16bの両方において、第1の回転軸線20に対して垂直な方向(であって、かつ第2の回転軸線28に対して垂直な方向)に方向付けられた磁界強度勾配を有するとも言い換えることができる。磁界18のこの不均一性もまた、互いに逆向きの力Frを引き起こすことができる。永久磁石16aおよび16bはそれぞれ異なる極性を有しているので、1つの(大きい)コイル54の磁界は、それだけでもう永久磁石16aおよび16bに対して互いに逆向きの力Frを引き起こす。
図3のマイクロメカニカルデバイスの少なくとも1つの第1の永久磁石16aは、第1の回転軸線20に対して垂直な方向(であって、かつ第2の回転軸線28に対して垂直な方向)に方向付けられた第1の極性56aを有し、その一方で、少なくとも1つの第2の永久磁石16bは、第1の極性56aとは逆向きの第2の極性56bを有する。永久磁石16aの極性56aと永久磁石16bの極性56bとがそれぞれ異なっていることに基づき、第1の回転軸線20に対して垂直な方向(であって、かつ第2の回転軸線28に対して垂直な方向)に方向付けられた磁界強度勾配が、並進軸線26aおよび26bに沿った永久磁石16aおよび16bの互いに逆向きの並進運動の所望の励振を引き起こす。このようにして、変位可能要素10を、保持体14に対して第2の回転軸線28を中心にして変位させることが可能である。(第2の回転軸線28を中心とした変位可能要素10の第2の変位運動28aの)共振振動数によって高調波振動する電流信号を、コイル54に通電するためにも使用することができ、これによって、永久磁石16a,16bの「揺動」運動が、第2の回転軸線28を中心とした変位可能要素10の高調波振動の確実な励振をもたらす。(さらに、磁気手段によって引き起こすことができる磁界18は、少なくとも1つの第1の永久磁石16aおよび少なくとも1つの第2の永久磁石16bにおいても、第1の回転軸線20に対して垂直に方向付けられた磁界成分Bsを有することができ、これによって、第1の回転軸線20を中心とした永久磁石16aおよび16bの有利な回転運動を引き起こすことができる)。
図4は、変位可能要素を変位させるための方法の実施形態を説明するためのフローチャートを示す。
以下に記載する方法は、例えば上述したマイクロメカニカルデバイスを用いて実施することができる。しかしながら、このようなマイクロメカニカルデバイスの使用は、本方法の実施可能性のための前提条件ではない。その代わりに、それぞれ少なくとも第1のばね要素および第2のばね要素を介して保持体に懸架された複数の変位可能要素を用いて、本方法を実施してもよい。
方法ステップS1では、それぞれ第1のばね要素に配置された少なくとも1つの第1の永久磁石と、第2のばね要素に配置された少なくとも1つの第2の永久磁石とにおいて、磁界との磁気的な相互作用に基づいて、少なくとも1つの第1の永久磁石が第1の回転軸線を中心とした第1の回転運動を実施するように、かつ少なくとも1つの第2の永久磁石が第1の回転軸線を中心とした第2の回転運動を実施するように、磁界が発生される。このようにして、第1の回転軸線を中心とした変位可能要素の第1の変位運動が引き起こされる。
方法ステップS1と同時に、方法ステップS2も実施される。方法ステップS2では、それぞれ少なくとも1つの第1の永久磁石および少なくとも1つの第2の永久磁石において磁界を発生させることによって、追加的に、少なくとも1つの第1の永久磁石が、第1の回転軸線に対して傾斜方向の、かつ当該第1の回転軸線に対して傾斜して方向付けられた第2の回転軸線に対して傾斜方向の第1の並進運動を実施するように(磁界との磁気的な相互作用に基づいて)励振され、少なくとも1つの第2の永久磁石が、第1の並進運動とは逆向きの第2の並進運動を実施するように(磁界との磁気的な相互作用に基づいて)励振される。これによって、第2の回転軸線を中心とした変位可能要素の第2の変位運動が引き起こされる。とりわけ、それぞれ少なくとも1つの第1の永久磁石および少なくとも1つの第2の永久磁石において、(磁界との磁気的な相互作用に基づいて)少なくとも1つの第1の永久磁石が、第2の回転軸線を中心とした変位可能要素の第2の変位運動の共振振動数に等しい振動数によって第1の並進運動を実施するように励振されるように、かつ少なくとも1つの第2の永久磁石が、共振振動数によって第2の並進運動を実施するように励振されるように、磁界を発生させることができる。このようにして、共振振動数を有する第2の回転軸線を中心とした変位可能要素の高調波振動が、変位可能要素の第2の変位運動として引き起こされる。
Claims (11)
- マイクロメカニカルデバイスであって、
少なくとも第1のばね要素(12a)および第2のばね要素(12b)を介して前記マイクロメカニカルデバイスの保持体(14)に懸架された変位可能要素(10)と、
前記変位可能要素(10)が、前記保持体(14)に対して、第1の回転軸線(20)を中心とした第1の変位運動(20a)と、前記第1の回転軸線(20)に対して傾斜して方向付けられた第2の回転軸線(28)を中心とした第2の変位運動(28a)とを実施するように構成されたアクチュエータ手段と
を有し、
前記アクチュエータ手段は、
前記第1のばね要素(12a)に配置された少なくとも1つの第1の永久磁石(16a)、および前記第2のばね要素(12b)に配置された少なくとも1つの第2の永久磁石(16b)と、
それぞれ前記少なくとも1つの第1の永久磁石(16a)および前記少なくとも1つの第2の永久磁石(16b)において、磁界(18)との磁気的な相互作用に基づいて、前記少なくとも1つの第1の永久磁石(16a)が前記第1の回転軸線(20)を中心とした第1の回転運動を実施可能となるように、かつ前記少なくとも1つの第2の永久磁石(16b)が前記第1の回転軸線(20)を中心とした第2の回転運動を実施可能となるように、前記磁界(18)を引き起こすように構成されており、これによって前記第1の回転軸線(20)を中心とした前記変位可能要素(10)の前記第1の変位運動(20a)を引き起こすことができる、磁気手段(40,50)と、
を含む、マイクロメカニカルデバイスにおいて、
加えて、前記磁界(18)との前記磁気的な相互作用に基づいて、前記少なくとも1つの第1の永久磁石(16a)を、前記第1の回転軸線(20)に対して傾斜方向の、かつ前記第2の回転軸線(28)に対して傾斜方向の第1の並進運動を実施するように励振可能であり、かつ前記少なくとも1つの第2の永久磁石(16b)を、前記第1の並進運動とは逆向きの第2の並進運動を実施するように励振可能であり、これによって、前記第2の回転軸線(28)を中心とした前記変位可能要素(10)の第2の変位運動(28a)を引き起こすことができる、
ことを特徴とするマイクロメカニカルデバイス。 - 前記変位可能要素(10)の前記第2の変位運動(28a)は、共振振動数を有する前記第2の回転軸線(28)を中心とした前記変位可能要素(10)の高調波振動であり、
前記磁界(18)との前記磁気的な相互作用に基づいて、前記少なくとも1つの第1の永久磁石(16a)を、前記共振振動数によって前記第1の並進運動を実施するように励振させることができ、前記少なくとも1つの第2の永久磁石(16b)を、前記共振振動数によって前記第2の並進運動を実施するように励振させることができる、
請求項1記載のマイクロメカニカルデバイス。 - 前記第1の回転軸線(20)を中心とした前記少なくとも1つの第1の永久磁石(16a)の前記第1の回転運動は、前記第1の回転軸線(20)を中心とした前記少なくとも1つの第2の永久磁石(16b)の前記第2の回転運動と同相である、
請求項1または2記載のマイクロメカニカルデバイス。 - 前記磁気手段(40,50)によって引き起こすことができる前記磁界(18)は、前記少なくとも1つの第1の永久磁石(16a)において、前記第1の回転軸線(20)に対して垂直に方向付けられた磁界成分(Bs)を有し、前記少なくとも1つの第2の永久磁石(16b)において、前記第1の回転軸線(20)に対して垂直に方向付けられた前記磁界成分(Bs)を有する、
請求項1から3までのいずれか1項記載のマイクロメカニカルデバイス。 - 前記磁気手段(40,50)によって引き起こすことができる前記磁界(18)は、前記少なくとも1つの第1の永久磁石(16a)において、半径方向の磁界成分(Br)を有し、前記少なくとも1つの第2の永久磁石(16b)においても、半径方向の磁界成分(Br)を有する、
請求項4記載のマイクロメカニカルデバイス。 - 前記磁気手段(40,50)は、前記第1の回転軸線(20)に対して垂直に方向付けられた前記磁界成分(Bs)を、少なくとも1つの第1の振動数によって変調し、前記半径方向の磁界成分(Br)を、前記第1の振動数とは異なる少なくとも1つの第2の振動数によって変調するように構成されている、
請求項5記載のマイクロメカニカルデバイス。 - 前記少なくとも1つの第1の永久磁石(16a)は、前記第1の回転軸線(20)に対して垂直に方向付けられた第1の極性(56a)を有し、前記少なくとも1つの第2の永久磁石(16b)は、前記第1の極性(56a)とは逆向きの第2の極性(56b)を有し、
前記磁気手段(40,50)によって引き起こすことができる前記磁界(18)は、前記少なくとも1つの第1の永久磁石(16a)および前記少なくとも1つの第2の永久磁石(16b)の両方において、前記第1の回転軸線(20)に対して垂直に方向付けられた磁界強度勾配を有する、
請求項4記載のマイクロメカニカルデバイス。 - 前記マイクロメカニカルデバイスは、中間フレーム構成部材(30)を含み、
前記中間フレーム構成部材(30)は、前記第1の回転軸線(20)に沿って延在する前記第1のばね要素(12a)および前記第1の回転軸線(20)に沿って延在する前記第2のばね要素(12b)を介して前記保持体(14)に接続されており、
前記中間フレーム構成部材(30)は、前記第1のばね要素(12a)と前記第2のばね要素(12b)との間で前記保持体(14)に懸架されており、前記変位可能要素(10)と共に、前記保持体(14)に対して前記第1の回転軸線(20)を中心とした前記第1の変位運動(20a)を実施可能であり、
前記マイクロメカニカルデバイスは、少なくとも1つの第3のばね要素(32a,32b)を含み、
前記変位可能要素(10)は、前記中間フレーム構成部材(30)および前記保持体(14)に対して前記第2の回転軸線(28)を中心とした前記第2の変位運動(28a)が実施可能となるように、前記第3のばね要素(32a,32b)を介して前記中間フレーム構成部材(30)に接続されている、
請求項1から7までのいずれか1項記載のマイクロメカニカルデバイス。 - 前記マイクロメカニカルデバイスは、マイクロミラー(10)を含む前記変位可能要素(10)を有するマイクロミラー装置である、
請求項1から8までのいずれか1項記載のマイクロメカニカルデバイス。 - 変位可能要素(10)を変位させるための方法であって、前記変位可能要素(10)は、少なくとも第1のばね要素(12a)および第2のばね要素(12b)を介して保持体(14)に懸架されており、
前記方法は、
それぞれ前記第1のばね要素(12a)に配置された少なくとも1つの第1の永久磁石(16a)と、前記第2のばね要素(12b)に配置された少なくとも1つの第2の永久磁石(16b)とにおいて、磁界(18)を発生させるステップ(S1)であって、当該磁界(18)との磁気的な相互作用に基づいて、前記少なくとも1つの第1の永久磁石(16a)が第1の回転軸線(20)を中心とした第1の回転運動を実施するようにし、かつ前記少なくとも1つの第2の永久磁石(16b)が前記第1の回転軸線(20)を中心とした第2の回転運動を実施するようにし、これによって、前記第1の回転軸線(20)を中心とした前記変位可能要素(10)の第1の変位運動(20a)を引き起こす、ステップ(S1)
を含む、方法において、
それぞれ前記少なくとも1つの第1の永久磁石(16a)および前記少なくとも1つの第2の永久磁石(16b)において、追加的に、前記磁界(18)との前記磁気的な相互作用に基づいて、前記少なくとも1つの第1の永久磁石(16a)が、前記第1の回転軸線(20)に対して傾斜方向の、かつ当該第1の回転軸線(20)に対して傾斜して方向付けられた第2の回転軸線(28)に対して傾斜方向の第1の並進運動を実施するように励振されるように、かつ前記少なくとも1つの第2の永久磁石(16b)が、前記第1の並進運動とは逆向きの第2の並進運動を実施するように励振されるように、前記磁界(18)を発生させ、
これによって、前記第2の回転軸線(28)を中心とした前記変位可能要素(10)の第2の変位運動(28a)を引き起こす(S2)、
ことを特徴とする方法。 - それぞれ前記少なくとも1つの第1の永久磁石(16a)および前記少なくとも1つの第2の永久磁石(16b)において、前記磁界(18)との前記磁気的な相互作用に基づいて、前記少なくとも1つの第1の永久磁石(16a)が、前記第2の回転軸線(28)を中心とした前記変位可能要素(10)の前記第2の変位運動(28a)の共振振動数に等しい振動数によって前記第1の並進運動を実施するように励振されるように、かつ前記少なくとも1つの第2の永久磁石(16b)が、前記共振振動数によって前記第2の並進運動を実施するように励振されるように、前記磁界(18)を発生させ、
これによって、前記変位可能要素(10)の前記第2の変位運動(28a)として、前記共振振動数を有する前記第2の回転軸線(28)を中心とした前記変位可能要素(10)の高調波振動を引き起こす、
請求項10記載の方法。
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