AT17476U1 - Motion Control of Lighting Device Components by Microelectromechanical Systems (MEMS) - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen LED-Modul (1), der einen Träger (2), ein LED-Chip (3) welcher mit dem Träger (2) mechanisch und elektrisch verbunden ist, und eine optische Linseneinheit (5) die dem LED-Chip (3) übergestülpt ist, aufweist. Die optische Linseneinheit (5) ist auf dem Träger (2) mit einer Anzahl von elektrisch ansteuerbaren MEMS-basierten Mikro-Aktuatoren (6) in ihrem Randbereich unterlegt.The invention relates to an LED module (1) which has a carrier (2), an LED chip (3) which is mechanically and electrically connected to the carrier (2), and an optical lens unit (5) which is connected to the LED chip (3) is slipped over has. The edge area of the optical lens unit (5) is underlaid on the carrier (2) with a number of electrically controllable MEMS-based micro-actuators (6).
Description
BEWEGUNGSSTEUERUNG VON BELEUCHTUNGSVORRICHTUNGSKOMPONENTEN DURCH MIKROELEKTROMECHANISCHE SYSTEME (MEMS) MOTION CONTROL OF LIGHTING DEVICE COMPONENTS BY MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS (MEMS)
[0001] Die Erfindung betrifft Beleuchtungsvorrichtungen, beispielsweise LED-Module, deren optische Elemente (z.B. optische Linsen und/oder Reflektoren bzw. Reflektorelemente) durch Ansteuern mittels mikroelektromechanischer Systeme hinsichtlich ihrer Position und/oder Ausrichtung gezielt verändert werden, um so die optischen Eigenschaften der Vorrichtung/des Moduls gezielt zu verändern. The invention relates to lighting devices, such as LED modules, whose optical elements (e.g. optical lenses and/or reflectors or reflector elements) are changed in a targeted manner in terms of their position and/or alignment by activation using microelectromechanical systems, in order to optimize the optical properties of the To change device / module specifically.
[0002] Vorbekannte optische Systeme nach dem Stand der Technik deren optische Eigenschaften gezielt verändert werden können erwähnen zwar die Möglichkeit des Ansteuerns optischer Systemkomponenten mittels MEMS-Technologie, jedoch entweder ausschließlich eine Rotation von geneigten oder gekippten Spiegeln (US2011/0249460A1) insbesondere nicht im Zusammenhang mit LED-basierter Beleuchtungstechnologie (US2016/0154183A1) bzw. ohne Angeben einer konkreten technischen Ausführung (EP1459600B1). Die Positionsveränderung optischer Linsen gegenüber den Positionen der Lichtquellen durch MEMS-Aktuatoren in LED-Modulen ist nicht bekannt. Known optical systems according to the prior art whose optical properties can be changed in a targeted manner mention the possibility of controlling optical system components using MEMS technology, but either exclusively a rotation of inclined or tilted mirrors (US2011/0249460A1), in particular not in connection with LED-based lighting technology (US2016/0154183A1) or without specifying a specific technical design (EP1459600B1). The change in position of optical lenses compared to the positions of the light sources by MEMS actuators in LED modules is not known.
[0003] Beleuchtungsvorrichtungen, beispielsweise LED-Module, verwenden im Falle einer Lichtquellen-Linsen-Optik derzeit eine starre Optik. Der auf einem Träger montierten Lichtquelle, beispielsweise eine LED (oder mehrere LED’s), ist eine optische Linseneinheit übergestülpt. Die optische Linseneinheit kann einen Reflektor bzw. Reflektorteile enthalten (z.B. mehrere divergente d.h. konkav angeordnete Teile z.B. an der Außenseite der optischen Linseneinheit) während die Linse z.B. auf dem Reflektor aufsitzt. Bei den meisten solcher Beleuchtungsvorrichtungen sitzt die Linsenoptik normalerweise auf dem LED-Modul. Entweder deckt eine Linse nur ein einzelnes LED-Element ab oder aber eine Linse überdeckt mehrere LED’s die zusammen einen Cluster bilden - je nach LED-Dichte auf dem Träger und Größe der Linse. Bei Verwenden eines LED-Linsen-Systems ist es überaus wichtig sowohl die einzelnen LED’s als auch die Linsen über den LED’s exakt zu positionieren. Durch eine Änderung des Abstands und/oder Winkel von LED und Linse kann dann der vom LED-Modul ausgehende Lichtstrahl beeinflusst werden: aus dem normalen Lichtstrahl kann beispielsweise ein stark divergenter Strahl oder aber ein stark fokussierter Strahl erzeugt werden, genauso wie auch die Richtung des Strahles geändert werden kann. Lighting devices, such as LED modules, currently use rigid optics in the case of light source-lens optics. An optical lens unit is placed over the light source mounted on a carrier, for example an LED (or several LEDs). The optical lens unit may contain a reflector or reflector parts (e.g. several divergent i.e. concavely arranged parts e.g. on the outside of the optical lens unit) while the lens sits on the reflector, for example. In most such lighting devices, the lens optics are typically located on top of the LED module. Either a lens only covers a single LED element or a lens covers several LEDs that together form a cluster - depending on the LED density on the carrier and the size of the lens. When using an LED lens system, it is extremely important to position both the individual LEDs and the lenses over the LEDs exactly. The light beam emanating from the LED module can then be influenced by changing the distance and/or angle of the LED and lens: for example, a strongly divergent beam or a strongly focused beam can be generated from the normal light beam, as well as the direction of the Beam can be changed.
[0004] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für eine Beleuchtungsvorrichtung obiger Bauart (z.B. Linse über LED auf Träger und mit Reflektoreinheit, möglicherweise im Verbund) eine einfache und kostengünstige Technologie vorzuschlagen, mit der die Positionen der Systemkomponenten verändert werden können, um die optischen Eigenschaften des LED-Moduls zu verändern. The invention is therefore based on the object of proposing a simple and inexpensive technology for a lighting device of the above type (e.g. lens via LED on a carrier and with a reflector unit, possibly in combination), with which the positions of the system components can be changed in order to to change the optical properties of the LED module.
[0005] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen beschrieben. [0005] This object is solved by the features of the independent claim. Advantageous developments of the invention are described in the associated subclaims.
[0006] Figur 1 zeigt einen Mikromanipulator gemäß MEMS-Technologie, [0006] FIG. 1 shows a micromanipulator based on MEMS technology,
[0007] Figur 2a zeigt in einer Schnittansicht einen MEMS-Aktuator (im Folgenden auch MikroAktuator genannt) auf Basis einer kreisförmigen Halbleiterschicht in Form einer wölbbaren Siliziumnitrid-Membran, [0007] FIG. 2a shows a sectional view of a MEMS actuator (also referred to below as a microactuator) based on a circular semiconductor layer in the form of a flexible silicon nitride membrane.
[0008] Figur 2b zeigt in einer Schnittansicht die mögliche Wölbung der Siliziumnitrid- Membran ausgelöst durch elektrostatische Kräfte, [0008] FIG. 2b shows a sectional view of the possible bulging of the silicon nitride membrane triggered by electrostatic forces,
[0009] Figur 2c zeigt in einer Draufsicht die kreisförmige Siliziumnitrid-Membran mit einem Durchmesser von einem Millimeter, FIG. 2c shows the circular silicon nitride membrane with a diameter of one millimeter in a plan view,
[0010] Figur3 Zzeigtin einer Schnittansicht die erfindungsgemäße Anwendung von MEMS- Aktuatoren gemäß den Figuren 2a bis 2c bzgl. vier benachbarter bzw. nebeneinander angeordneter LED-Module, [0010] FIG. 3 Z shows, in a sectional view, the application according to the invention of MEMS actuators according to FIGS. 2a to 2c with respect to four adjacent or side-by-side LED modules,
[0011] Figur 4a zeigt in der Draufsicht eine quadratische Anordnung von vier MEMS- Aktuatoren (Mikro-Aktuator) unter der optischen Linseneinheit eines auf einem Träger fixierten LED-Moduls mit jeweils einem dazwischenliegenden federbasierten Rückstell-Element, [0011] FIG. 4a shows a top view of a square arrangement of four MEMS actuators (micro-actuators) under the optical lens unit of an LED module fixed on a carrier, each with a spring-based restoring element in between,
[0012] Figur 45 zeigt in der Seitenansicht das Zusammenspiel zwischen zwei MEMS- Aktuatoren (Mikro-Aktuatoren) und dem mittig angeordneten federbasierten Rückstell-Element, [0012] FIG. 45 shows a side view of the interaction between two MEMS actuators (micro-actuators) and the centrally arranged spring-based restoring element,
[0013] Figur 5a zeigt ein vereinfachtes Schema einer 4x5-Anordnung gemeinsam angesteuerter LED-Module gemäß der Technologie in den Figuren 4a/4b, [0013] FIG. 5a shows a simplified diagram of a 4×5 arrangement of jointly controlled LED modules according to the technology in FIGS. 4a/4b,
[0014] Figur 5b zeigt schematisch eine separate Ansteuerung möglicherweise anders gearteter LED-Module in den Ecken der 4x5-Anordnung von Figur 5a. Figure 5b shows a schematic of a separate control of possibly different types of LED modules in the corners of the 4x5 arrangement of Figure 5a.
[0015] Da bereits eine sehr geringe Positionsänderung der optischen Linseneinheit 5 bzw. der LED oder der LED samt Träger und Reflektoreinheit ausreicht, um den Lichtstrahl 15 bis zu seinem Austritt aus der Linse stark zu verändern, schlägt die vorliegende Erfindung vor, MEMSAktuatoren zu verwenden. Since a very small change in the position of the optical lens unit 5 or the LED or the LED together with the carrier and reflector unit is sufficient to change the light beam 15 significantly before it emerges from the lens, the present invention proposes using MEMS actuators .
[0016] Die MEMS-Technologie (im europäischen Sprachraum als Mikrosystem-Technologie bezeichnet) soll daher im Folgenden kurz beschrieben werden: The MEMS technology (referred to as microsystem technology in European-speaking countries) will therefore be briefly described below:
[0017] Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) (bzw. die ihr zugrundeliegende Technologie) sind dadurch definiert, dass sie aus miniaturisierten mechanischen und elektromechanischen Komponenten bestehen, die wiederum durch Mikrofabrikationstechniken hergestellt wurden. Die Größenordnungen bewegen sich dabei auf einer Skala vom Millimeterbereich bis hin zum Nanobereich, wobei sich inzwischen die MEMS-Technologie mit der Nanotechnologie (in der auch quantenmechanische Phänomene genutzt werden können) immer mehr überschneidet. MEMSErzeugnisse können durchaus sehr einfach geartet sein, z.B. keinerlei sich bewegende Elemente enthalten, können aber auch extrem komplexe elektromechanische Gebilde sein, mit einer Vielzahl an sich bewegenden Komponenten und einer auf integrierte Schaltkreise basierenden Steuerung. Dabei hat sich gezeigt, dass es ausgesprochen vorteilhaft ist, wenn alle mikromechanisch und mikroelektronisch zusammenwirkenden Strukturen auf einem einzigen Silizium Substrat (Siliziumnitrat-wafer) vereint sind, da beispielsweise keine Kabel mehr nötig sind, elektrische Leiterbahnen sehr kurz ausfallen und der benötigte Strom bzw. die benötigte Spannung (der elektrische Verbrauch überhaupt) ausgesprochen niedrig ist. [0017] Microelectromechanical systems (MEMS) (or the technology on which they are based) are defined in that they consist of miniaturized mechanical and electromechanical components which in turn have been produced by microfabrication techniques. The orders of magnitude range from the millimeter range to the nano range, with MEMS technology now overlapping more and more with nanotechnology (in which quantum mechanical phenomena can also be used). MEMS products can be as simple as they contain no moving elements, or they can be extremely complex electromechanical structures, with numerous moving components and integrated circuit-based control. It has been shown that it is extremely advantageous if all micromechanically and microelectronically interacting structures are combined on a single silicon substrate (silicon nitrate wafer), since, for example, cables are no longer necessary, electrical conductor tracks are very short and the required current or the required voltage (the electrical consumption in general) is extremely low.
[0018] Die wichtigsten Funktionselemente der MEMS-Technologie sind Mikro-Sensoren und Mikro-Aktuatoren. Mikro-Sensoren wandeln gemessene mechanische Effekte in elektrische Signale (Temperatursensoren, Beschleunigungssensoren, Mikrophone, Mikrospiegel, etc.). Bei Mikro-Aktuatoren ist dies in der Regel umgekehrt, wodurch sich eine immens große Vielfalt an elektromechanischen Anwendungsmöglichkeiten ergibt. The most important functional elements of MEMS technology are micro-sensors and micro-actuators. Micro-sensors convert measured mechanical effects into electrical signals (temperature sensors, acceleration sensors, microphones, micro-mirrors, etc.). With micro-actuators, this is usually the other way around, resulting in an immense variety of electromechanical applications.
[0019] Ein mögliches hier angeführtes Beispiel (siehe Figur 1) für einen Mikro-Aktuator ist ein Mikromanipulator (engl. micromanipulator oder micro-manipulating device), ein Gerät für mechanische Eingriffe an Objekten mit sehr kleinen Dimensionen (im Bereich einiger Mikrometer oder darunter). Ein Mikromanipulator wird beispielsweise in der Mikrochirurgie, in der Reproduktionsmedizin zur Zellbearbeitung und zum Positionieren der Messelektrode in der Patch-Clamp-Technik eingesetzt. Unter optischer Kontrolle (z.B. unter einem Mikroskop) wird der Mikromanipulator bei Operationen an Geweben und Zellen von Lebewesen verwendet. Mit sehr feinen Glaskapillaren, Nadeln, Elektroden und anderen Instrumenten können dabei äußerst präzise Eingriffe vorgenommen werden üblicherweise in einem Bereich zwischen 5 um und 200 um. A possible example given here (see Figure 1) for a micro-actuator is a micromanipulator (engl. Micromanipulator or micro-manipulating device), a device for mechanical interventions on objects with very small dimensions (in the range of a few micrometers or less ). A micromanipulator is used, for example, in microsurgery, in reproductive medicine for cell processing and for positioning the measuring electrode using the patch-clamp technique. Under optical control (e.g. under a microscope), the micromanipulator is used in operations on tissues and cells of living beings. Extremely precise interventions can be carried out using very fine glass capillaries, needles, electrodes and other instruments, usually in a range between 5 μm and 200 μm.
[0020] Der Mikromanipulator „übersetzt“ die - bezogen auf das Untersuchungsobjekt - viel zu groben Bewegungen der menschlichen Hand in sehr feine Bewegungen der benutzten Instrumente, welche mechanisch, hydraulisch oder elektronisch gesteuert werden. Typische Mikromanipulatoren gestatten Bewegungen in allen drei Richtungen des Raumes. [0020] The micromanipulator "translates" the movements of the human hand, which are far too coarse--relative to the object under examination--into very fine movements of the instruments used, which are controlled mechanically, hydraulically, or electronically. Typical micromanipulators allow movements in all three spatial directions.
[0021] Ein weiteres Beispiel für einen Mikro-Aktuator ist die Umkehrung eines Halbleiterbasierten Another example of a micro-actuator is the inverse of a semiconductor-based one
Mikrophons (englisch MEMS microphone, MEMS micro membrane, siehe Figuren 2a, 2b, 20). Durch Anlegen einer nur geringen Spannung an eine die elektrische Kapazität ändernde Mikromembran 7 (Figur 2c, Membrandurchmesser 1mm), welche direkt auf den Silizium-Wafer geätzt wird, und deren Ausleseelektronik mit einem Vorverstärker und einem Analog-Digital-Wandler direkt neben der Membran 7 auf dem Wafer in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) integriert ist (meist als Bauteile in CMOS-Technik) kann die Membran 7 einseitig (Figur 2a) oder beidseitig (Figur 2b) gewölbt werden. Die Wölbungskraft ist so stark und der Wölbungsweg ist so groß, dass dadurch bei nur geringer Leistungsaufnahme des Systems Gewichte im Bereich von mehreren hundert Gramm exakt millimeterweit bewegt (gehoben bzw. gelupft oder abgesenkt) werden können. Die gute Abschirmung von Störsignalen und eine kostengünstige Produktion machen solche oder ähnliche Mikro-Aktuatoren für viele Bereiche einsatzfähig. Microphone (English MEMS microphone, MEMS micro membrane, see Figures 2a, 2b, 20). By applying only a low voltage to a micromembrane 7 that changes the electrical capacity (Figure 2c, membrane diameter 1mm), which is etched directly onto the silicon wafer, and its readout electronics with a preamplifier and an analog-to-digital converter right next to the membrane 7 is integrated on the wafer in an application-specific integrated circuit (ASIC) (usually as components in CMOS technology), the membrane 7 can be curved on one side (FIG. 2a) or on both sides (FIG. 2b). The arching force is so strong and the arching distance is so large that weights in the range of several hundred grams can be moved (lifted, hoisted or lowered) by a millimeter with only a low power consumption of the system. The good shielding from interference signals and low-cost production mean that these or similar micro-actuators can be used in many areas.
[0022] So auch in der LED-Technik. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine solche angesteuerte MEMS-Siliziumnitrit-Mikromembran - im Folgenden als Mikro-Aktuator 6 bezeichnet beidseitig bzw. vierseitig der auf dem Träger 2 (Substrat, in der Regel eine PCB-Leiterplatte) eines LED-Moduls 1 platzierten optischen Linseneinheit 5 punktuell untergelegt. Die Anzahl vier ist nur beispielhaft, es können auch mehr Mikro-Aktuatoren (z.B. fünf, polygonal angeordnet) oder aber weniger sein, z.B. nur drei oder zwei. [0022] This also applies to LED technology. According to the present invention, such a controlled MEMS silicon nitrite micromembrane - hereinafter referred to as micro-actuator 6 - is placed on both sides or four sides of the optical lens unit placed on the carrier 2 (substrate, usually a PCB circuit board) of an LED module 1 5 selectively underlaid. The number four is only an example, there can also be more micro-actuators (e.g. five, arranged in a polygon) or fewer, e.g. only three or two.
[0023] In Figur 3 sind in einer vereinfachten Seitenansicht vier nebeneinander angeordnete LEDModule 1 dargestellt. Jedes LED-Element 3 sitzt auf der allen LED-Modulen 1 zugrundeliegenden Trägerplatte 2. Weiterhin ist jedem LED-Element 3 eine optische Linseneinheit 5 übergestülpt bzw. jedes LED-Element 3 ist von einer solchen umgeben. Die gezeigten optischen Linseneinheiten 5 haben gemäß Figur 3 die Form eines kopfstehenden Kegelstumpfes und sollten sich vorteilhafterweise nicht berühren. Auch andere Formen als kegelstumpfförmig sind möglich. Die optische Linseneinheit 5 wird im weiteren Verlauf der Beschreibung teilweise auch einfach nur als „Linse“ bezeichnet. Der Einfachheit halber sind zu jeder optischen Linseneinheit 5 nur zwei Mikro-Aktuatoren 6 dargestellt die einander gegenüberliegen. Die Mikro-Aktuatoren 6 der beiden linksseitigen LED-Module 1 befinden sich in neutralem Zustand, d.h. die von den LED’s 3 ausgesandten Lichtstrahlen 15 verlassen die jeweils optische Linseneinheit 5 lotrecht zu deren Lichtquelle, der jeweiligen LED 3. FIG. 3 shows four LED modules 1 arranged next to one another in a simplified side view. Each LED element 3 sits on the carrier plate 2 on which all LED modules 1 are based. Furthermore, each LED element 3 has an optical lens unit 5 slipped over it or each LED element 3 is surrounded by one. According to FIG. 3, the optical lens units 5 shown have the shape of an inverted truncated cone and should advantageously not touch one another. Shapes other than a truncated cone are also possible. In the further course of the description, the optical lens unit 5 is sometimes simply referred to as a “lens”. For the sake of simplicity, only two micro-actuators 6 are shown for each optical lens unit 5, which are opposite one another. The micro-actuators 6 of the two left-hand LED modules 1 are in a neutral state, i.e. the light beams 15 emitted by the LEDs 3 leave the respective optical lens unit 5 perpendicular to their light source, the respective LED 3.
[0024] Bei der dritten und vierten LED 3 von links verhält es sich anders: The situation is different for the third and fourth LED 3 from the left:
Der linksseitige Mikro-Aktuator 6 der dritten Linse 5 von links ist gesenkt dargestellt, im Gegensatz zu seinem rechtsseitigen Gegenpart, der neutral dargestellt ist. Die Linseneinheit 5 der dritten LED 3 von links ist somit nach links gekippt bzw. geneigt, wodurch der von der LED 3 ausgehende Lichtstrahl 15 ebenfalls nach links abgestrahlt wird bzw. die Linse 5 in nach links geschwenkter Richtung verlässt. The left-hand micro-actuator 6 of the third lens 5 from the left is shown lowered, in contrast to its right-hand counterpart, which is shown neutral. The lens unit 5 of the third LED 3 from the left is thus tilted or inclined to the left, as a result of which the light beam 15 emanating from the LED 3 is also emitted to the left or leaves the lens 5 in a direction pivoted to the left.
[0025] Mit der vierten Linse 5 von links verhält es sich genau entgegengesetzt als wie bei der dritten Linse 5: hier ist der rechtsseitige Mikro-Aktuator 6 gesenkt und der linksseitige Gegenpart neutral dargestellt. Die optische Linseneinheit 5 ist nach rechts gekippt und der die Linse 5 verlassende Lichtstrahl 15 nach rechts geschwenkt. With the fourth lens 5 from the left, the situation is exactly opposite to that of the third lens 5: here the right-hand micro-actuator 6 is lowered and the left-hand counterpart is shown as neutral. The optical lens unit 5 is tilted to the right and the light beam 15 leaving the lens 5 is pivoted to the right.
[0026] Denkbar - jedoch in Figur 3 nicht dargestellt - ist auch eine gleichzeitige parallele Absenkung oder Hebung zweier korrespondierender Mikro-Aktuatoren 6, was eine Anderung des Abstandes zwischen LED 3 und Linse 5 zur Folge hätte. Auf diese Weise kann - je nach Beschaffenheit der Linseneinheit 5 - der Lichtstrahl 15 aufgeweitet oder fokussiert werden. Conceivable - but not shown in Figure 3 - is also a simultaneous parallel lowering or lifting of two corresponding micro-actuators 6, which would change the distance between LED 3 and lens 5 result. In this way, depending on the nature of the lens unit 5, the light beam 15 can be widened or focused.
[0027] Werden Mikro-Aktuatoren 6 verwendet, die - ausgehend von einer mittleren, neutralen Position - vertikal beidseitig bewegbar sind (Wölbung der Membran 7 nach oben oder nach unten bzw. gar keine Wölbung im neutralen Zustand), sowie eine Linse 5, die in neutraler Position einen nicht-divergenten und nicht-konvergenten Lichtstrahl 15 erzeugt, so kann der die LED 3 verlassende Lichtstrahl 15 allein durch gleichartige (parallele) Ansteuerung der Mikro-Aktuatoren 6 divergierend oder konvergierend gemacht werden. Are micro-actuators 6 used, which - starting from a middle, neutral position - are vertically movable on both sides (curvature of the membrane 7 up or down or no curvature in the neutral state), and a lens 5, the generates a non-divergent and non-convergent light beam 15 in the neutral position, the light beam 15 leaving the LED 3 can be made divergent or convergent solely by similar (parallel) activation of the micro-actuators 6 .
[0028] Mischzustände (durch nur teilweises nichtparalleles Bewegen korrespondierender MikroAktuatoren 6), d.h. Schwenken des Lichtstrahls 15 bei gleichzeitiger Divergenz oder Konvergenz, Mixed states (due to only partial non-parallel movement of corresponding microactuators 6), i.e. pivoting of the light beam 15 with simultaneous divergence or convergence,
sind bei dieser technischen Anordnung erfindungsgemäß ebenfalls möglich. are also possible with this technical arrangement according to the invention.
[0029] Wie gesagt ist Figur 3 eine vereinfachte Darstellung, um das erfindungsgemäße Konzept besser erklären zu können, wohingegen in Figur 4a in der Draufsicht eine komplexere Anordnung von Mikro-Aktuatoren 6 (vier, quadratisch angeordnet) unter einem LED-Modul 1 zeigt. Die Figur 4a geht sogar so weit ins Detail, als dass jeweils mittig zwischen zwei Mikro-Aktuatoren 6 federbasierte Rückstellelemente 8 eingezeichnet sind. Dieses Detail ist optional und vor allem dann vorteilhaft, wenn die Bewegungen der Mikro-Aktuatoren 6 unterstützt werden sollen, also eine aktive Rückstellung forciert werden oder eine schnelle und exakte Neutralposition der Linse 5 erreicht werden soll. As I said, FIG. 3 is a simplified representation in order to be able to better explain the inventive concept, whereas FIG. FIG. 4a even goes into so much detail that spring-based restoring elements 8 are drawn in each case in the middle between two micro-actuators 6 . This detail is optional and particularly advantageous if the movements of the micro-actuators 6 are to be supported, that is to say an active reset is to be forced or a rapid and precise neutral position of the lens 5 is to be achieved.
[0030] Figur 4b zeigt in der Seitenansicht beispielhaft das Zusammenspiel zwischen zwei MikroAktuatoren 6 und einem mittig dazwischen befindlichen federbasierten Rückstell-Element 8. An der Unterseite der optischen Linseneinheit 5 ist jeweils ein Führungs-Pin 9 angebracht, der durch den Träger 2 mit ausreichend Spiel geführt ist und auf der anderen Seite des Trägers 2 (an dessen Unterseite) an einem Flansch 10 endet. Zwischen Träger-Unterseite und Flansch 10 befindet sich eine Feder 11 die zentrisch über den Führungs-Pin 9 geschoben ist und das Spiel zwischen Träger 2 und Führungs-Pin 9 nicht beeinträchtigt. Figure 4b shows a side view of the interaction between two micro-actuators 6 and a spring-based restoring element 8 located in the middle between them Game is performed and on the other side of the carrier 2 (on the underside) at a flange 10 ends. Between the underside of the carrier and the flange 10 there is a spring 11 which is pushed centrally over the guide pin 9 and does not affect the play between the carrier 2 and the guide pin 9 .
[0031] Es ist möglich, die Federn 11 in einem ungespannten Zustand d.h. ohne Dehnung oder Spannung zu halten, wenn die Mikro-Aktuatoren 6 ebenfalls im neutralen Zustand sind (keine Wölbung der z.B. Siliziumnitrit-Membran 7). Auf diese Weise garantiert dieses federbasierte Rückstell-Prinzip stets eine optisch neutrale Stellung der Linse 5 im Falle dass alle vier MikroAktuatoren 6 ebenfalls in neutralem Zustand sind bzw. in diesen zurückkehren. It is possible to keep the springs 11 in an unstressed state, i.e. without stretching or tension, if the micro-actuators 6 are also in the neutral state (no buckling of the e.g. silicon nitrite membrane 7). In this way, this spring-based restoring principle always guarantees an optically neutral position of the lens 5 in the event that all four micro-actuators 6 are also in the neutral state or return to it.
[0032] Möglich wäre allerdings auch, den Federn 11 eine Vorspannung zu geben, auch wenn sich die Mikro-Aktuatoren 6 im neutralen Zustand befinden. Möglich wäre auch, den Federn 11 generell eine Vorspannung zu geben, d.h. unabhängig vom Zustand der Mikro-Aktuatoren 6. Beliebige Kombinationen sind möglich. However, it would also be possible to preload the springs 11 even if the micro-actuators 6 are in the neutral state. It would also be possible to generally preload the springs 11, i.e. independently of the state of the micro-actuators 6. Any combinations are possible.
[0033] Alle vier Mikro-Aktuatoren 6 eines LED-Moduls 1 sind gleichzeitig ansteuerbar und können Richtung und Form des Lichtstrahls 15 des zugehörigen LED-Elementes 3 beeinflussen. Während das in Figur 3 illustrierte Prinzip nur zwei Mikro-Aktuatoren 6 zeigt und somit - außer Divergenz und Konvergenz - nur ein links-recht-Schwenken erlaubt, ist in einer allgemeineren Anordnung gemäß den Figuren 4a und 4b ein Schwenken des Lichtstrahls 15 in beliebige Richtungen möglich, bei gleichzeitiger Manipulation des Strahlverlaufes in dessen Richtung (Aufweitung oder Fokussierung). Theoretisch wäre sogar - je nach Komplexität der Anordnung und Ansteuerung aller Mikro-Aktuatoren 6 - eine Rotation des Lichtstrahles 15 einer LED 3 auf einer Kegelmantelfläche im oder gegen den Uhrzeigersinn denkbar. Allerdings ist der Grad der Lichtstrahlmanipulation durch den maximalen Hub 85 sowie der Anordnungsgeometrie der jeweiligen Mikro-Aktuatoren 6 begrenzt. All four micro-actuators 6 of an LED module 1 can be controlled simultaneously and can influence the direction and shape of the light beam 15 of the associated LED element 3 . While the principle illustrated in FIG. 3 shows only two micro-actuators 6 and thus—apart from divergence and convergence—only allows left-right pivoting, a more general arrangement according to FIGS. 4a and 4b allows the light beam 15 to be pivoted in any direction possible, with simultaneous manipulation of the beam path in its direction (widening or focusing). Theoretically, it would even be conceivable--depending on the complexity of the arrangement and control of all micro-actuators 6--to rotate the light beam 15 of an LED 3 clockwise or counterclockwise on a conical surface. However, the degree of light beam manipulation is limited by the maximum stroke 85 and the arrangement geometry of the respective micro-actuators 6 .
[0034] In den Figuren 5a und 5b ist gezeigt, dass unabhängig von der elektrischen Versorgung eines LED-Arrays 12, also einer matrixförmigen Anordnung von einzelnen LED-Modulen 1, eine weitere Spannungsversorgung 13 zur alleinigen Steuerung der Mikro- Aktuatoren 6 vorgesehen sein kann. Dabei können sämtliche Mikro-Aktuatoren 6 gleich oder, wie bereits oben erwähnt, unterschiedlich, jedoch aufeinander abgestimmt, angesteuert werden. In the figures 5a and 5b it is shown that independently of the electrical supply of an LED array 12, ie a matrix-like arrangement of individual LED modules 1, a further power supply 13 for the sole control of the micro-actuators 6 can be provided . In this case, all micro-actuators 6 can be controlled in the same way or, as already mentioned above, differently, but coordinated with one another.
[0035] Gezeigt ist in Figur 5a ein vereinfachtes Schema einer 4x5-Anordnung 12 gemeinsam angesteuerter LED-Module 1 gemäß der Technologie der Figuren 4a/4b. Die im Zentrum eines LED-Moduls 1 abgebildeten LED’s 3 werden allesamt von der gleichen Spannungsquelle 13 versorgt, während die im Viereck angeordneten Mikroaktuatoren 6 von einem separaten KontrollBlock 14 angesteuert werden. FIG. 5a shows a simplified diagram of a 4×5 arrangement 12 of jointly controlled LED modules 1 according to the technology of FIGS. 4a/4b. The LEDs 3 shown in the center of an LED module 1 are all supplied by the same voltage source 13, while the microactuators 6 arranged in the square are controlled by a separate control block 14.
[0036] Speziell Figur 5b zeigt schematisch eine separate Ansteuerung der vier LED-Module 1 in den Ecken der 4x5-Anordnung 12 von Figur 5a. Dabei soll gezeigt werden, dass eine getrennte Ansteuerung von nur einzelnen LED-Modulen 1 oder aber von LED-Modul-Gruppen in dem gesamten LED-Modul-Verbund 12 möglich ist. Specifically, FIG. 5b schematically shows a separate activation of the four LED modules 1 in the corners of the 4×5 arrangement 12 of FIG. 5a. The aim is to show that separate activation of only individual LED modules 1 or of LED module groups in the entire LED module assembly 12 is possible.
[0037] Zusammengefasst liefert die vorliegende Erfindung eine kostengünstige Lösung In summary, the present invention provides a cost effective solution
o für eine präzise positionsverändernde Ansteuerung der einzelnen Linsen 5 eines beliebigen LED-Arrays 12 (matrixartiger LED-Verbund), o for a precise position-changing control of the individual lenses 5 of any LED array 12 (matrix-like LED combination),
o für eine Lichtstrahl-Veränderung einzelner LED’s 3 oder in Gruppen bzw. in Ihrer Gesamtheit hinsichtlich Richtung sowie Divergenz und Konvergenz, o for a light beam change of individual LEDs 3 or in groups or in their entirety with regard to direction as well as divergence and convergence,
o zum Erzielen spezieller optischer Effekte und o to achieve special optical effects and
o für das Erreichen unterschiedlicher optischer Eigenschaften entweder des gesamten LED-Arrays 12 oder von einzelnen Untereinheiten. o for achieving different optical properties of either the entire LED array 12 or individual sub-units.
BEZUGSZEICHENLISTE: REFERENCE LIST:
1 LED-Modul 2 Träger / Substrat 3 LED-Chip 1 LED module 2 carrier/substrate 3 LED chip
5 Optische Linseneinheit / Linse 5 Optical lens unit / lens
6 MEMS basierte Mikro-Aktuatoren 7 Halbleiterschicht (Siliziumnitrit) 6 MEMS based micro-actuators 7 semiconductor layer (silicon nitrite)
8 Federbasiertes Rückstell-Element 9 Führungs-Pin 8 Spring based return element 9 Guide pin
10 Flansch 10 flange
11 Feder / Rückstellfeder 11 spring / return spring
12 LED-Array 12 LED array
13 Spannungsversorgung 13 power supply
14 Kontroll-Block 14 control block
15 Lichtstrahl 15 light beam
ö maximaler Hub der Halbleiterschicht ö maximum stroke of the semiconductor layer
r Durchmesser der Halbleiter-Schicht (Siliziumnitrit) (z.B. 1mm) r Diameter of the semiconductor layer (silicon nitrite) (e.g. 1mm)
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