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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen magnetischen Aktor mit einer Platte, die um wenigstens eine Drehachse drehbar gelagert ist.
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Es existieren verschiedene Ansätze Mikrospiegel, magnetisch anzutreiben. Der wesentliche Vorteil eines magnetischen Antriebs gegenüber einem elektrostatischen Antrieb besteht darin, dass die durch die magnetische Lorenzkraft technisch erzielbaren Drehmomente höher sind, als die mittels elektrostatischer Kraft realisierbaren Momente.
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In der Patentschrift
EP 778657 B1 ist ein kardanisch aufgehängter Spiegel vorgeschlagen, der um zwei Drehachsen, eine innere und eine äußere, drehbar gelagert ist. Die Drehachsen stehen senkrecht aufeinander. Es ist auf zwei kardanisch aufgehängten Schwingkörpern je eine Spule für die innere Achse und für die äußere Achse angeordnet. Das Magnetfeldfeld, ist annähernd homogen über dem gesamten Chip und weist einen Winkel zu den beiden Drehachsen von jeweils 45° auf. Um das Magnetfeld zu generieren, sind zwei Anordnungen vorgeschlagen. In einer ersten Variante wird ein Mikrospiegel im 45° Winkel zwischen zwei Hartmagnete (Permanentmagnete) gelegt. In einer zweiten Variante werden vier Magnete mit gegensätzlicher Polarität verwendet. Das wirksame Magnetfeld, das für die jeweiligen Achsen zur Verfügung steht, ist durch den 45°-Winkel um den Faktor √
2 verringert. Beide Varianten der Magnetfelderzeugung bedeuten einen sehr voluminösen Aufbau.
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In der Schrift
WO 2005/078509 A2 ist ebenfalls ein kardanisch aufgehängten Spiegel vorgeschlagen, der um zwei Achsen drehbar gelagert ist. Bei dieser Vorrichtung ist jedoch nur eine Spule für den Antrieb um beide Achsen vorgesehen. Auf diese Spule wird sowohl ein niederfrequentes quasistatisches Signal als auch ein hochfrequentes, resonantes Signal gegeben. Das resonante Signal regt die Drehung der inneren Achse über die sogenannte „rocking mode” an.
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Der relativ komplexe Aufbau von Permanentmagneten unterschiedlicher Polarität und Flussleitschichten zur Erzeugung eines Magnetfelds in 45°-Richtung ist in der Schrift
WO 2010/065340 A2 offenbart. Das wirksame Magnetfeld senkrecht zu den jeweiligen Achsen ist ebenfalls um den Faktor √
2 verringert.
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In den Schriften
DE 10 2008 042 346 A1 und in
EP 1858141 A2 sind Anordnungen vorgeschlagen, um eine Magnetfeldkomponente, bzw. ein Moment senkrecht zu der quasistatischen Achse zu erzeugen, so dass bei Anlegen eines hochfrequenten Wechselfeldes eine resonante Bewegung um die Achse
4b, die senkrecht auf der quasistatischen steht, provoziert wird.
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In diesen Ausführungsformen eines durch Lorentzkraft angetriebenen Mikrospiegels werden unidirektionale Magnetfelder realisiert, die in der Ebene der Chipoberfläche verlaufen. Eine Abweichung von der Vorzugsrichtung stellt eine unvollkommene Ausführung dar. Die technischen Bemühungen konzentrieren sich darauf, solche unvollkommenen Ausführungsformen zu minimieren. Um ein hohes Magnetfeld zu erzielen, das eine möglichst hohe Unidirektionalität aufweist, werden die verwendeten Magnet-Flussleiteraufbauten relativ voluminös.
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In der Veröffentlichung
"Silicon scanning mirror of two DOF with compensation current routing"; Si-Hong Ahn and Yong-Kweon Kim; J. Micromech. Microeng. 14 (2004) 1455–1461 wird ein radialsymmetrisches magnetisches Feld vorgeschlagen, um einen biaxialen Microscanner zu realisieren. Das radialsymmetrische Feld wird durch einen Magneten realisiert, dessen Magnetisierungsrichtung senkrecht zur Chipebene steht. Der Aufbau ist damit relativ einfach, was einen Vorteil bezüglich der Herastellungskosten ist. Der springbrunnenförmige Verlauf der Magnetfeldlinien beinhaltet eine radiale Komponente, die in der Chipebene verläuft. Lediglich diese Komponente ist technisch nutzbar, während die anderen Komponenten zum Teil nicht nutzbar sind, zum Teil sogar zu unerwünschten Querkräften führen. Die in der Veröffentlichung ausgewiesene nutzbare Magnetfeldstärke beträgt 0,1 T.
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In der Veröffentlichung „Electromagnetic Two-Dimensional Scanner Using Radial Magnetic Field; Chang-Hyeon Ji, Member, IEEE, Moongoo Choi, Sang-Cheon Kim, Ki-Chang Song, Jong-Uk Bu, Member, IEEE, and Hyo-Jin Nam; JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL. 16, NO. 4, AUGUST 2007" wird durch eine Anordnung von zwei Magneten das Magnetfeld erhöht. Der mittlere zylinderförmige Magnet, dessen Magnetisierungsrichtung senkrecht zur Chipoberfläche steht, ist dabei von einem ringförmigen Magneten entgegengesetzter Polarität umgeben. Beide Magneten sind auf einer scheibenförmigen Eisenplatte fixiert, wodurch ein Teil des Magnetflusses zurückgeführt wird. Durch diese Anordnung wurde das nutzbare Magnetfeld bis 0,57 erhöht. Allerdings ist der Aufbau ähnlich aufwendig, wie bei den Scannern, die auf Basis eines unidirektionalen Magnetfeldes arbeiten.
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Bei der Ermittlung des Herstellungspreises eines Mikrospiegels ist die Verpackung zu berücksichtigen. Das Montieren von Magneten während des Zusammenbaus wird dabei als sehr kostenintensiv eingeschätzt. Insbesondere das Montieren von Magneten unterschiedlicher Polarität führt infolge der gegenseitigen Abstoßung zu einem noch höheren Aufwand während der Montage.
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Wird ein Hartmagnet mit einer Magnetisierungsrichtung verwendet, wie z. B. im Fall eines Magnetjochs, kann die Aufmagnetisierung nach der Montage erfolgen, was den Aufwand und damit die Kosten erheblich reduzieren würde.
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Vorteile der Erfindung
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Das Ziel der vorgeschlagenen Anordnung ist es, eine an zumindest einer Feder aufgehängte Platte um wenigstens eine Drehachse aus einer Ebene zu drehen. Auf der Platte kann z. B. ein Mikrospiegel angebracht sein. Die Krafterzeugung erfolgt durch Lorentzkraft.
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Einerseits sollte, um eine ausreichende Kraft für den Antrieb einer solchen Anordnung zu erzielen, das nutzbare Magnetfeld möglichst hoch sein. Es sollte dabei möglichst über der gesamten Leiterbahn anliegen. Ein geringeres Magnetfeld müsste, um die gleiche Kraft zu erzeugen durch einen höheren Strom, mehr Leiterbahnen, oder einem größeren Abstand der Leiterbahnen zur Drehachse kompensiert werden, was verschiedene Nachteile in sich birgt. Zu hohe Ströme führen zu einer übermäßigen Erhitzung, ein zu großer Abstand von der Drehachse ist identisch mit einer größeren Bauform, eine zu hohe Anzahl von Windungen erhöht den Innenwiderstand.
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Andererseits sollten vor allem die Montagekosten niedrig sein, da sie einen hohen Anteil der gesamten Wertschöpfung darstellen. Da das Handling von Magneten während der Bestückvorgänge sehr aufwendig und störanfällig ist, ist es zwingend erforderlich, dass nur ein Magnet verwendet wird, der am Ende des Herstellungsprozesses aufmagnetisiert werden kann.
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Der Schwerpunkt der Fragestellung liegt auf der Entwicklung eines quasistatisch arbeitenden Systems. Da die erforderlichen Kräfte bei der quasistatischen Auslenkung je nach Güte des Systems um mehrere Größenordnungen über denen der resonanten Auslenkung liegen, ist die Realisierung erfahrungsgemäß deutlich schwieriger. Grundsätzlich sollte auch die resonante Anregung der Anordnung durch den vorgeschlagenen Magnetantrieb möglich sein.
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Die gesamte Anordnung einschließlich des Magneten sollte eine möglichst geringe Baugröße aufweisen. Die Höhe der Magneteinheit einschließlich Flussleiter sollte in der Größenordnung weniger Millimeter liegen. Baugröße und die Einfachheit der Anordnung sollen eine Fertigung im Los insbesondere im Waferverbund zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird hierzu ein magnetischer Aktor mit einer Platte, die um wenigstens eine Drehachse drehbar gelagert ist, und einer Magnetanordnung, der unter der Platte angeordnet ist, vorgeschlagen. Die Magnetanordnung besteht dabei aus einer U-förmigen Schiene aus Magnetfluss leitendem Material und einem Hartmagneten, der sich in dieser Schiene befindet, und dessen Magnetisierungsrichtung senkrecht zur Schienenöffnung steht. Die Haupterstreckungsrichtung der Magnetanordnung liegt in Längsrichtung der Schiene. Diese Magnetanordnung wird hier als Magnetbügel bezeichnet. Die Platte weist eine Haupterstreckungsrichtung auf. Die Drehachse liegt parallel zur Haupterstreckungsrichtung. Die Platte weist parallel zur Haupterstreckungsebene wenigstens eine Leiterschleife auf. Die Magnetanordnung ist mit der Schienenöffnung zur Platte orientiert, die beiden Haupterstreckungsrichtungen stimmen überein. Die Platte ist durch Bestromen der Leiterschleife um die wenigstens eine Drehachse auslenkbar.
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Vorteilhaft sind bei der erfindungsgemäßen Anordnung hohe Antriebsdrehmomente durch hohe magnetische Feldstärke bei einem gleichzeitigen einfachen und damit kostengünstigen Aufbau. Neben der Verwendung von nur einem Magneten mit einer Magnetisierungsrichtung, ist hierbei die Herstellung u-förmiger Schienen aus flussleitendem Material leicht und kostengünstig in Großserie umsetzbar.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich bevorzugt darauf, einen einachsigen Spiegel zu realisieren.
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Mikrospiegel sollen in Mobiltelephonen eingesetzt werden, in denen sich magnetfeldempfindliche Elemente wie z. B. ein Fluxgate-Kompass befinden. Aus diesem Grund ist das magnetische Streufeld möglichst weitgehend zu reduzieren. Im Gegensatz zu den bekannten Konzepten wird das Magnetfeld durch die u-förmige Umschirmung des Hartmagneten mit Flussleitern zumindest auf drei Seiten auf ein unkritisches Maß reduziert. An den Stirnseiten tritt nur ein geringes Magnetfeld aus, da die Magnetisierungsrichtung parallel zu der Öffnung verläuft. Somit verbleibt im wesentlichen nur die Magnetfeldrichtung, die senkrecht aus der Bügelöffnung heraustritt. Da das Streufeld nur in eine Richtung austritt, kann es in eine unkritische Richtung positioniert werden, in der keine empfindlichen Bauelemente liegen. Alternativ, oder zusätzlich kann durch eine einfache Schirmung das Streufeld auf ein akzeptables Maß reduziert werden.
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Für die Erzielung eines maximalen Drehmoments ist es von Vorteil, wenn erstens die Leiterschleife einen maximalen Abstand zu der Drehachse aufweist und zweitens das magnetische Feld an diesem Ort maximal ist. Im Gegensatz zum radialsymmetrischen Feld welches durch einen kreis- oder ringförmigen Magneten realisiert wird, weist die vorgeschlagene Bauform ein nutzbares Magnetfeld auf, das auf die gesamte Länge einen homogen hohen Wert bei gleichem Abstand von der Drehachse aufweist. Insbesondere ist hiermit eine Designfreiheit zusätzliche gegeben. Durch einfache Verlängerung der Anordnung kann das Drehmoment vergrößert werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt.
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Zeichnung
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1a zeigt schematisch ein Magnetjoch mit drehbarer Platte im Stand der Technik.
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1b zeigt schematisch eine drehbare Platte mit Leiterschleife zum elektrischen Antrieb im Stand der Technik.
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2 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetischen Aktors, mit einem Magnetbügel und einer in einer Achse drehbaren Platte.
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3 zeigt schematisch eine in einer Achse drehbare Platte mit zwei Leiterschleifen.
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4 zeigt das Verkippen der in einer Achse drehbaren Platte unter der Kraftwirkung auf die stromdurchflossenen Leiterschleifen.
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5 zeigt in einem Diagramm den Magnetfluss über dem Magnet bei verschiedenen Abständen von der Drehachse.
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6 zeigt einen Magnetbügel mit Flussleitstücken an der offenen Seite.
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7 zeigt einen erfindungsgemäßen magnetischen Aktor mit Magnetbügel und mit drehbarer Platte mit zentraler Federaufhängung.
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8 zeigt den Aufbau eines 2 Spiegelsystems mit einem erfindungsgemäßen magnetischen Aktor und Flussleiterschirmung.
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Ausführungsbeispiele
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1a zeigt schematisch ein Magnetjoch mit drehbarer Platte im Stand der Technik. Eine im Stand der Technik bekannte Anordnung, das Magnetfeld 30 für einen auf Basis einer Lorenzkraft arbeitenden Mikrospiegel zu realisieren, bildet das magnetische Joch. 1a zeigt ein normales Magnetjoch 20 aus einem weichmagnetischen Flussleiter mit einem einfachen Spalt. In dem Spalt befindet sich eine drehbare Platte 3 auf der sich der Spiegel und eine Leiterschleife befinden. Ist die Leiterschleife bestromt, also von einem elektrischen Strom durchflossen, dann wird in dem vom Magnetjoch erzeugten unidirektionalen Magnetfeld ein Drehmoment auf die Platte bewirkt. Da die Stromrichtung auf den beiden Seiten der Achse unterschiedliche Richtung aufweist, erhält man ein gleichgerichtetes Moment um die Achse. 1b zeigt hierzu schematisch eine drehbare Platte 3 mit einer Leiterschleife 10 zum elektrischen Antrieb im Stand der Technik. In seiner einfachen Ausführung ermöglicht das Magnetjoch eine Verkippung des Spiegels um eine Achse 4. Diese Achse wird in den bekannten Ausführungen im Stand der Technik quasistatisch betrieben.
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Geht man von der Joch-Bauform aus, ergibt sich aus verschiedenen Randbedingungen eine Minimalbreite der Anordnung senkrecht zur Drehachse. Damit das Joch den magnetischen Fluss tragen kann, ist eine minimale Wandstärke der Seitenschenkel 20 erforderlich. Um das Magnetfeld in die erwünschte Richtung zu lenken, ist eine gewisse Mindestbreite der Polschuhe 21 erforderlich. Um die drehbare Platte zu fixieren, ist ein Rahmen erforderlich. Dieser besitzt eine Minimalbreite, um eine erforderliche Robustheit zu garantieren. Ist es notwendig, den Spiegel vor Korrosion zu schützen, oder um ihn bei resonantem Betriebsmodus aufgrund einer gewünschten hohen Güte im Unterdruck zu betreiben, ist ein eher noch breiterer Rahmen erforderlich. Um das erforderliche Drehmoment zu erzielen ist ein minimaler Abstand der Leiterbahnen von der Drehachse erforderlich.
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2 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetischen Aktors, mit einem Magnetbügel und einer in einer Achse drehbaren Platte. Ein in der Chipebene, d. h. in der Hauptebene der Platte, die bevorzugt aus einem Halbleitermaterial, besonders bevorzugt aus Silizium hergestellt ist, achsensymmetrisches Magnetfeld kann in einer wesentlich kompakteren Bauform, wie z. B. beim Magnetbügel realisiert werden. Der Magnet 2 befindet sich unter dem Chip, seine Magnetisierungsrichtung steht senkrecht zur Chipoberfläche. Der Magnet befindet sich in einer u-förmigen Schiene 1 aus flussleitendem Material. Die Magnetfeldlinien 30 verlaufen in der Form von zwei divergierenden Walzen von der Magnetoberfläche weg. Nutzbar für eine Kraft in z-Richtung ist die Komponente der in xy Ebene, d. h. in der Hauptebene der drehbaren Platte verlaufenden Feldlinien. Durch die genaue Form der u-förmigen Schiene 1 können die Magnetfeldlinien manipuliert werden. Um ein maximales Drehmoment zu erzielen wird der in xy Ebene verlaufende Feldlinienanteil am Chiprand maximiert, da in diesem Bereich die Leiterbahnen 10 positioniert werden, um ein maximale mögliches Drehmoment zu erzielen. 2b zeigt ergänzend schematisch in Aufsicht den Magnetbügel und ein durch den Magnetbügel erzeugtes achsensymmetrisches divergierendes Magnetfeld.
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Zur Erzeugung eines Drehmoments, welches die Platte 3 aus der Ebene herausdreht, werden zwei Leiterbahnschleifen auf den sich bezüglich der Drehachse gegenüberliegenden Hälften der Platte implementiert und in umgekehrter, d. h. gegensinniger Drehrichtung bestromt. 3 zeigt schematisch eine in einer Achse 4 drehbare Platte mit zwei Leiterschleifen. Durch die beiden Leiterschleifen 10a, 10b werden so je eine Kraft nach oben und – gegenüberliegend der Drehachse 4 – nach unten erzeugt.
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Die Stirnseiten 20 der Schleifen 10a und 10b bewirken dabei keine senkrechten Kräfte auf die Platte, da hier Magnetfeld und Stromrichtung parallel verlaufen. Die in der Mitte der Platte zurückführenden Leiterbahnen bewirken eine Kraft, die der gewünschten senkrecht auf die Platte wirkenden Kraft entgegenwirkt. Wegen des geringen Abstandes zur Drehachse und dem deutlich geringeren Magnetfeld in xy Ebene ist der Beitrag allerdings vernachlässigenswert. In Summe erhält man genau wie bei einer Leiterschleife und einem unidirektionalen B-Feld bei der vorgeschlagenen Anordnung aus einem achsensymmetrischen B-Feld und zwei Leiterschleifen auf der Platte ein in erster Näherung gleich großes Drehmoment um die Achse 4. Werden die beiden Leiterschleifen dagegen in gleichsinniger Drehrichtung bestromt, bewirken die Stirnseiten 20 ein Gesamtdrehmoment, welches auf die Platte um die zweite Drehachse 30 wirkt.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der vorgeschlagenen Anordnung ist das im Vergleich zu offenen Magneten geringere Streufeld. Bis auf eine Richtung, der Öffnung des Bügels, ist der Magnet durch Flussleiter abgeschirmt, was das Streufeld wesentlich verringert. Da das Streufeld nur in eine Richtung austritt besteht die Möglichkeit durch geschickte Orientierung, bzw. durch eine gezielte Abschirmung die negativen Auswirkungen des Streufelds zu minimieren. Im Vergleich zu offenen Magneten ist das Streufeld auch in Richtung der Bügelöffnung reduziert, da bereits ein Großteil des Feldes im Flussleiter geführt wird.
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4 zeigt das Verkippen der in einer Achse drehbaren Platte unter der Kraftwirkung auf die stromdurchflossenen Leiterschleifen. Schematisch dargestellt ist im Querschnitt die im Magnetfeld verkippte Platte und der Verlauf der Feldlinien. Es ist anschaulich ersichtlich, dass die Feldliniendichte mit abnehmendem Abstand zur Magnetoberfläche zunimmt, d. h. die Lorentzkräfte mit abnehmendem Abstand der Leiterbahnen zu der Magnetoberfläche steigen.
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Nimmt man z. B. eine Platte, die eine Breite von 4 mm besitzt und die um die Drehachse um 7° schwingt, verschieben sich die Leiterbahnen um ca. 200 μm nach oben und auf der gegenüberliegenden Seite nach unten. Bei den Berechnungen der im Punkt der maximalen Auslenkung herrschenden Kräfte müssen also ausgehend von der Nulllage die Feldstärken 200 μm oberhalb und unterhalb in betracht gezogen werden. Ein Vorteil der vorgeschlagenen Anordnung besteht darin, dass die Kraft auf den Teil der Platte der dem Magneten näher ist, stärker zunimmt, als die Kraft auf den anderen Teil der Platte abnimmt. Dadurch nimmt das wirksame Drehmoment mit zunehmender Auslenkung in Summe zu.
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5 zeigt in einem Diagramm den Magnetfluss über dem Magnet bei verschiedenen Abständen von der Drehachse. Dargestellt ist die Magnetflussdichte entlang der interessierenden x-Richtung direkt über dem Magneten und in einem Abstand von 300 μm, 600 μm und 900 μm oberhalb des Magneten. Die Änderung des Vorzeichens bedeutet, dass sich die Magnetrichtung ändert.
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6 zeigt einen Magnetbügel mit Flussleitstücken an der offenen Seite. Flussleitstücke 23 auf der Oberseite des Magneten erhöhen die aus dem Polkern austretende Feldstärke. An der Oberfläche, dort wo die Feldlinien den Polkern verlassen, können so 2 Tesla erreicht werden, da ein weichmagnetisches Material bis zu dieser Flussdichte aufmagnetisiert werden kann. Im Gegensatz dazu ist ein Dauermagnet aus einem hartmagnetischen Stoff mit maximal 1,4 T maximal sättigbar. Durch die erhöhte Magnetisierung beim Austritt aus dem Material kann die Feldstärke am Ort der Leiterbahnen erhöht werden. Gleichzeitig wird das Magnetfeld zu einem höheren Anteil in die x-Richtung geführt, was zu einer weiterhin erhöhten Komponente des Magnetfeldes in der Ebene der drehbaren Platte führt.
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Die folgenden Berechnungen beinhalten eine Abschätzung des Innenwiderstands und der Maximalleistung des erfindungsgemäßen magnetischen Aktors mit Magnetbügel und beweglicher Platte.
| IWindung | = 2·(4 e – 3 m + 2 e – 3 m) | 12e – 3 m |
| w·t | = 50e – 6·4 e – 6 | 2 e – 10 m2 |
| R | = 2nrl/wt = 2·5·1,7 e – 8 Wm·12 e – 3 m/2 e – 10 m2 | 10 W |
| F | = nlBl = 5·5 e – 2 A·5 e – 1 T·4 e – 3 m | +0,5 mN |
| F gegen | = nlBl = 5·5 e – 2 A·0,5 e – 1 T·4 e – 3 m | –0,05 mN |
| M | = +0,5 mN·3.5 e – 3 m | 1.75 μNm |
| Mgegen | –0,05 mN·0.5 e – 3 m | –0,025 μNm |
| Wmax/mittel | = 5 e – 2A2·10 W | 25/8 mW |
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Im obigen Abschnitt ist eine Überschlagsrechnung des Innenwiderstands und der Maximalleistung (bei maximalem Winkelausschlag) dargestellt. Es wird von einem mittleren Magnetfeld von 0,5 T ausgegangen. Die Annnahme ist ferner eine Spule aus Kupfer (Cu) mit 5 Windungen, wobei die Höhe der Leiterbahn mit 4 μm und die Breite mit 50 μm angenommen werden. Für diese Annahmen erhält man für beide Spulen 10 Ω Eingangswiderstand, und eine maximale Leistung von 25 mW. Die durchschnittliche Leistung liegt bei ca. 8 mW.
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Die beschriebene Ausführung eines magnetischen Aktors mit Magnetbügel und beweglicher Platte kann für einen quasistatischen Spiegel und für einen resonanten Spiegel als Antrieb verwendet werden. Bei der Auslegung eines resonanten Spiegels, der gewöhnlich bei höheren Frequenzen arbeitet, müssten steifere Federn verwendet werden und die Massen, bzw. Trägheitsmomente angepasst werden.
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Die Federn, die die Gegenkraft gegen die Drehung der Platte aus der Ebene erzeugen, können verschiedenartig ausgebildet sein. Die einfachste Form stellen Torsionsfedern dar. Daneben können aber auch andere Federn, wie z. B. Mäanderfedern, Biegefedern oder progressive Federn verwendet werden, insofern sie eine Drehung der Platte um die Achse 4 erlauben.
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Ein Aspekt der Erfindung ist die Reduktion des magnetischen Streufeldes. Ein offener Magnet mit 3 mm Kantenabmessung besitzt im Abstand von 1 mm in Richtung seiner Magnetisierung ein Streufeld von ca. 0,5 T. Durch Flussleiter wird das Magnetfeld geführt, d. h. das Streufeld außerhalb des Flussleiters wird reduziert. Der Magnetbügel ist insofern eine geeignete Anordnung zur Reduktion des Streufelds, als es alle Seiten bis auf die offene Seite des Bügels abschirmt. Das ermittelte Streufeld bei dem einfachen Magnetbügel beträgt im Abstand von 1 mm 1 mT im abgeschirmten Bodenbereich und 20 mT über dem offenen Bereich des Bügels.
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Durch eine Schicht 23 von Flussleitern auf der offenen Seite des Magneten 2, wie in der 6 gezeigt, kann das Austreten der Magnetfeldlinien reduziert werden. Die Flussleiterschicht 23 kann ganzflächig oder strukturiert auf dem Polkern 2 aufgebracht sein. Die aus der Stirnseite des Magneten austretenden Feldlinien werden von den Flussleitstücken sozusagen eingesammelt und in die Richtung des Magnetbügels 1 abgeführt.
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Durch die vorgeschlagenen Anordnungen kann das Streufeld um Größenordnungen reduziert werden.
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7 zeigt einen erfindungsgemäßen magnetischen Aktor mit Magnetbügel und mit drehbarer Platte mit zentraler Federaufhängung. Eine mögliche Form der Lagerung der drehbaren Platte 3 ist beispielsweise eine zentrale Federaufhängung 40, wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt. Eine solche zentrale Federaufhängung kann so ausgelegt werden, dass ein Verkippen der Platte 3 in eine Richtung oder in mehrere Richtungen möglich ist. Die Platte 3 ist beispielsweise auch mit einem eigenen Gehäuse 50 umgeben. Das Gehäusematerial ist so gewählt, dass es vom Magnetfeld des Aktors durchdrungen werden kann und somit die in dem Gehäuse 50 angeordnete Platte 3 weiterhin zu einer Verkippbewegung oder Drehbewegung antreibbar ist.
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Ein zusätzlicher Aspekt der Erfindung ist die Schaffung eines wenigstens in einer Achse beweglichen, antreibbaren Mikrospiegels mit dem magnetischen Aktor als Antrieb. Hierfür ist die in den vorstehenden Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen magnetischen Aktors beschriebenen Platte 3 als Platte mit spiegelnder Oberfläche ausgestaltet oder wenigstens auf der von der Öffnung des Magnetbügels abgewandten Seite der Platte 3 mit einem Spiegelelement versehen oder mit einem spiegelnden Material belegt. Im Ausführungsbeispiel der 7 ist dabei zusätzlich das Material des Gehäuses 50 für die zu spiegelnde Strahlung transparent gewählt.
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Ein zusätzlicher Aspekt der Erfindung ist die Schaffung eines magnetischen Aktors zum Antrieb eines Mikrospiegels. 8 zeigt den Aufbau eines 2 Spiegelsystems mit einem erfindungsgemäßen magnetischen Aktor und Flussleiterschirmung. Dargestellt ist eine Lichtquelle in Form eines Lasers 100, welche einen Lichtstrahl 110 aussendet. Der Lichtstrahl 110 wird von einem ersten Spiegel 200 reflektiert. Der Spiegel 200 ist erfindungsgemäß magnetisch angetrieben und weist dazu einen Magnetbügel 210, ein magnetisch angetriebenes Spiegelelement 220 und eine Flußleiterschirmung 230 auf. Der Lichtstrahl 110 wird danach von einem zweiten angetriebenen Spiegel 300 reflektiert. Die beweglichen Spiegel reflektieren den Lichtstrahl 110 derart, daß ein zweidimensionales Lichtmuster 120 auf eine Projektionsfläche geschrieben werden kann. Hierdurch kann beispielsweise ein optisches Abbildungssystem oder ein sogenannter optischer 2D Scanner realisiert werden.
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Geht man von einer 2-Spiegelanordnung aus, wie sie in 8 gezeigt ist, dann kann das Streufeld des ersten Spiegels zur offenen Seite des Magnetbügels verringert werden, indem auf einer gegenüberliegenden Leiterplatte 400, dort, wo der zweite Spiegel, mit einer Drehachse, die senkrecht auf der Drehachse des ersten Spiegels steht, ein Flussleiterstück 230 in Form einer Abschirmungsplatte fixiert ist. Dieses Flussleiterstück 230 verhindert das Austreten der Feldlinien in Bereiche, in denen beispielsweise gegen magnetische Streufelder empfindliche elektronische Bauelemente 500 liegen. Ein Abstandshalter 27 verhindert, dass die magnetische Kraft zu einer gegensätzlichen Anziehung von Magnetbügel und Abschirmung 230 führt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 778657 B1 [0003]
- WO 2005/078509 A2 [0004]
- WO 2010/065340 A2 [0005]
- DE 102008042346 A1 [0006]
- EP 1858141 A2 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ”Silicon scanning mirror of two DOF with compensation current routing”; Si-Hong Ahn and Yong-Kweon Kim; J. Micromech. Microeng. 14 (2004) 1455–1461 [0008]
- „Electromagnetic Two-Dimensional Scanner Using Radial Magnetic Field; Chang-Hyeon Ji, Member, IEEE, Moongoo Choi, Sang-Cheon Kim, Ki-Chang Song, Jong-Uk Bu, Member, IEEE, and Hyo-Jin Nam; JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL. 16, NO. 4, AUGUST 2007” [0009]
