DE102016208924A1

DE102016208924A1 - Mikromechanisches Bauteil und Verfahren zum Verstellen eines verstellbaren Teils gleichzeitig um zwei zueinander geneigte Drehachsen

Info

Publication number: DE102016208924A1
Application number: DE102016208924.2A
Authority: DE
Inventors: Mirko Hattass; Joerg Muchow; Frank Schatz; Helmut Grutzeck; Stefan Mark; Thorsten BALSLINK
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-05-24
Filing date: 2016-05-24
Publication date: 2017-11-30
Also published as: CN107422472A; TWI700240B; TW201741231A; CN107422472B; US20170343795A1; US10488650B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil mit einem an einer Halterung (11) verstellbar angeordneten verstellbaren Teil (10), und mindestens einem Biegeaktor (14a bis 14d), wobei zumindest das verstellbare Teil (10) aufgrund einer aus einer Verstellbewegung mindestens eines Teilbereichs des mindestens einen Biegeaktors (14a bis 14d) resultierenden Rückstellkraft in Bezug zu der Halterung (11) um eine erste Drehachse (16) verstellbar ist, und wobei das verstellbare Teil (10) mit mindestens einen Permanentmagneten (18a, 18b) derart indirekt verbunden ist, dass zumindest das verstellbare Teil (10) mittels eines von einer bauteil-eigenen oder externen Jochvorrichtung aufgebauten Magnetfelds zusammen mit dem mindestens einen Permanentmagneten (18a, 18b) um die zweite Drehachse (20) verstellbar ist. Ebenso betrifft die Erfindung eine Mikrospiegelvorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verstellen eines verstellbaren Teils (10) gleichzeitig um zwei zueinander geneigte Drehachsen (16, 20).

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil und eine Mikrospiegelvorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verstellen eines verstellbaren Teils gleichzeitig um zwei zueinander geneigte Drehachsen.
Stand der Technik
In der US 8,508,826 B2 ist eine Mikrospiegelvorrichtung beschrieben, welche eine verstellbare Spiegelplatte aufweist, die mittels zweier innerer Federn und zweier äußerer Federn an einer Halterung aufgehängt ist. Jede der inneren Federn verläuft zwischen je zwei als Biegearme ausgebildeten piezoelektrischen Aktoren, welche mittels Anlegen einer elektrischen Spannung so verformbar sein sollen, dass die verstellbare Spiegelplatte aufgrund einer aus der Verformung der piezoelektrischen Aktoren resultierenden Rückstellkraft um eine erste Drehachse verstellbar sein soll. Außerdem sind die äußeren Federn meanderförmig ausgebildet und mit weiteren piezoelektrischen Aktoren so versehen, dass die verstellbare Spiegelplatte gleichzeitig um eine geneigt zu der ersten Drehachse ausgerichtete zweite Drehachse verstellbar sein soll.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Mikrospiegelvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und ein Verfahren zum Verstellen eines verstellbaren Teils gleichzeitig um zwei zueinander geneigte Drehachsen mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft Möglichkeiten zum Verstellen eines verstellbaren Teils gleichzeitig um zwei zueinander geneigte Drehachsen, welche zusätzlich zu den Vorteilen von Biegeaktoren auch die Vorteile einer Nutzung mindestens eines indirekt mit dem verstellbaren Teil verbundenen Permanentmagneten aufweisen. Die vorliegende Erfindung trägt somit zur besseren Verstellbarkeit des jeweiligen verstellbaren Teils bei. (Vor allem die Verstellbarkeit des jeweiligen verstellbaren Teils um eine „statische Achse“ ist mittels der vorliegenden Erfindung verbessert.) Beispielsweise können mittels der vorliegenden Erfindung ein Verstellwinkelbereich, um welchen das jeweilige verstellbare Teil verstellbar ist, gesteigert und/oder ein zum Verstellen des jeweiligen verstellbaren Teils aufzubringender Energieaufwand reduziert werden. Auch eine Reduktion einer Anzahl von auftretenden Moden ist möglich.
Man kann die positive Wirkung der vorliegenden Erfindung auch damit umschreiben, dass die Vorteile eines Biegeaktor-Antriebs mit den Vorteilen eines Permanentmagnet-Antriebs kombiniert werden, ohne dass dies zu einer störenden/negativen Beeinflussung einer der beiden Antriebe führt. Auf die jeweiligen Vorteile wird unten noch genauer eingegangen.
Vorzugsweise ist das verstellbare Teil zumindest mittels mindestens einer äußeren Feder und mindestens einer inneren Feder so an der Halterung aufgehängt, dass das verstellbare Teil in Bezug zu der Halterung unter einer Verformung zumindest der mindestens einen inneren Feder um die erste Drehachse und gleichzeitig unter einer Verformung zumindest der mindestens einen äußeren Feder um die zweite Drehachse verstellbar ist. Somit kann sowohl für die mindestens eine innere Feder als auch für die mindestens eine äußere Feder ein Federtyp/Federdesign gewählt werden, welches zu der gewünschten Verstellbarkeit des verstellbaren Teils um die jeweilige Drehachse der zwei zueinander geneigten Drehachsen harmoniert.
Beispielsweise kann die mindestens eine innere Feder jeweils an mindestens einem auf der ersten Drehachse liegenden Punkt an dem verstellbaren Teil und an mindestens einem auf der zweiten Drehachse liegenden Punkt an dem mindestens einen Biegeaktor und/oder mindestens einer Biegeaktor-tragenden Struktur verankert sein. Ein derartiges Federdesign der mindestens einen inneren Feder bewirkt eine gute Verstellbarkeit des verstellbaren Teils um die erste Drehachse. Gleichzeitig schafft dieses Federdesign eine vorteilhafte flexible indirekte Anbindung des mindestens einen Permanentmagneten so an das verstellbare Teil, dass eine Lage/Position des mindestens einen Permanentmagneten nicht/kaum von einer Drehbewegung des verstellbaren Teils um die erste Drehachse beeinflusst wird. Wie unten genauer erläutert wird, gewährleistet dies zusätzlich ein geringes Trägheitsmoment des mindestens einen Permanentmagneten um die zweite Drehachse.
Alternativ können der mindestens eine Biegeaktor und/oder mindestens eine Biegeaktor-tragenden Struktur auch über mindestens eine Zwischenfeder mit dem mindestens einen Permanentmagneten verbunden sein. Auch eine Ausstattung des mikromechanischen Bauteils mit der mindestens einen Zwischenfeder schafft die vorteilhafte elastische indirekte Anbindung des mindestens einen Permanentmagneten an das verstellbare Teil so, dass die Lage/Position des mindestens einen Permanentmagneten nicht/kaum durch die Drehbewegung des verstellbaren Teils um die erste Drehachse beeinträchtigt wird.
Bevorzugter Weise ist in diesem Fall die mindestens eine innere Feder jeweils an mindestens einem auf der ersten Drehachse liegenden Punkt an dem mindestens einen Biegeaktor und/oder die mindestens eine Biegeaktor-tragende Struktur und an mindestens einem auf der zweiten Drehachse liegenden Punkt an dem verstellbaren Teil verankert. Die mindestens eine innere Feder greift damit das verstellbare Teil an seinem Bereich/seinen Bereichen seiner maximalen Auslenkung um die erste Drehachse an.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das mikromechanische Bauteil eine Steuervorrichtung, mittels welcher das mindestens eine elektrische Signal so an den mindestens einen Biegeaktor bereitstellbar ist, dass das verstellbare Teil aufgrund der aus der Verstellbewegung des mindestens einen ersten Teilbereichs des mindestens einen Biegeaktors resultierenden Rückstellkraft in Bezug zu der Halterung in eine resonante Schwingbewegung um die erste Drehachse versetzbar ist. (Man kann die erste Drehachse damit auch als „resonante Achse“ bezeichnen.) Bevorzugter Weise ist in diesem Fall die Bauteil-eigene Jochvorrichtung mittels der Steuervorrichtung so betreibbar, dass das verstellbare Teil mittels des aufgebauten Magnetfelds zusammen mit dem mindestens einen Permanentmagneten quasi-statisch um die zweite Drehachse verstellbar ist. (Die zweite Drehachse kann deshalb auch als „statische Achse“ bezeichnet werden.) Diese Ausführungsform vereint somit die Vorteile eines resonanten Biegeaktor-Antriebs mit den Vorteilen eines quasi-statischen Permanentmagnet-Antriebs. Eine negative Beeinflussung eines der beiden Antriebe durch den anderen muss nicht in Kauf genommen werden.
Beispielsweise kann der mindestens eine Biegeaktor jeweils mindestens ein piezoelektrisches Material, mindestens ein Thermoeffektmaterial und/oder mindestens ein Formgedächtnismaterial umfassen. Vor allem eine Ausbildung des mindestens einen Biegeaktors jeweils mit dem mindestens einen piezoelektrischen Material wird bevorzugt, da diese Materialien bei vergleichsweise geringen Stellwegen relativ große Kräfte zum Verstellen des verstellbaren Teils um die erste Drehachse bewirken. Zusätzlich ist ein resonanter piezoelektrischer Antrieb annähernd stromlos betreibbar, und ist deshalb der ideale Antrieb für hochfrequente resonante Verstellbewegungen des jeweiligen verstellbaren Teils.
Insbesondere kann der mindestens eine Biegeaktor jeweils als ein Bimetall-Biegearm ausgebildet sein. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausbildbarkeit des mikromechanischen Bauteils nicht auf einen bestimmten Typ des mindestens einen Biegeaktors beschränkt ist.
Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch durch eine entsprechende Mikrospiegelvorrichtung gewährleistbar.
Zusätzlich schafft auch ein Ausführen des korrespondierenden Verfahrens zum Verstellen eines verstellbaren Teils gleichzeitig um zwei zueinander geneigte Drehachsen die oben beschriebenen Vorteile. Es wird darauf hingewiesen, dass das Verfahren entsprechend den oben beschriebenen Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils weiterbildbar ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1a bis 1c schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
2a bis 2c schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
3 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Verstellen eines verstellbaren Teils gleichzeitig um zwei zueinander geneigte Drehachsen.
Ausführungsformen der Erfindung
1a bis 1c zeigen schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in den 1a bis 1c schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil hat ein an einer Halterung 11 (verstellbar) angeordnetes verstellbares Teil 10. Beispielhaft ist das verstellbare Teil 10 bei dieser Ausführungsform eine Spiegelplatte 10 mit einer reflektierenden Oberfläche 12. Das mikromechanische Bauteil kann somit insbesondere eine Mikrospiegelvorrichtung/ein Mikrospiegel sein oder vorteilhaft in einer Mikrospiegelvorrichtung/einem Mikrospiegel, wie insbesondere in einem Scanner, verwendet werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausbildbarkeit des im Weiteren beschriebenen mikromechanischen Bauteils nicht auf dessen Ausstattung mit der Spiegelplatte 10 als dem verstellbaren Teil 10 limitiert ist. Die Halterung 11 kann z.B. ein Halbleitersubstrat (wie insbesondere ein Siliziumsubstrat) oder ein Restbereich eines strukturierten Halbleitersubstrats sein. Die Ausbildbarkeit des mikromechanischen Bauteils erfordert jedoch keinen bestimmten Typ der Halterung 11.
Das mikromechanische Bauteil der Ausführungsformen der 1a bis 1c weist auch mindestens einen Biegeaktor 14a bis 14d auf, welcher derart ausgebildet ist und an welchem mindestens ein elektrisches Signal so bereitstellbar ist (bzw. bei einem Betrieb des mikromechanischen Bauteils so bereitgestellt wird), dass jeweils ein erster Teilbereich des mindestens einen Biegeaktors 14a bis 14d unter einer zumindest teilweisen Verformung des (mittels des mindestens einen elektrischen Signals jeweils angesteuerten) Biegeaktors 14a bis 14d in eine Verstellbewegung in Bezug zu jeweils einem zweiten Teilbereich des jeweiligen Biegeaktors 14a bis 14d versetzbar ist/versetzt wird. Die Verstellbewegung des mindestens einen ersten Teilbereichs des mindestens einen Biegeaktors 14a bis 14d (in Bezug zu jeweils dem zweiten Teilbereich des jeweiligen Biegeaktors 14a bis 14d) resultiert in einer Rückstellkraft, mittels welcher (zumindest) das verstellbare Teil 10 in Bezug zu der Halterung 11 um eine erste Drehachse 16 verstellbar ist/verstellt wird. Unter der ersten Drehachse 16 kann beispielsweise eine das verstellbare Teil 10 mittig schneidende Achse und/oder eine Symmetrieachse des mikromechanischen Bauteils verstanden werden.
Vorzugsweise weist jeder Biegeaktor 14a bis 14d des mikromechanischen Bauteils mindestens ein piezoelektrisches Material auf. Unter dem mindestens einen piezoelektrischen Material ist ein Material zu verstehen, welches auf das mindestens eine bereitgestellte/anlegende elektrische Signal mit einer Verformung reagiert. Bevorzugter Weise ist das mindestens eine piezoelektrische Material jeweils zwischen zwei (nicht skizzierten) Elektroden so angeordnet, dass das mindestens eine elektrische Signal über die zwei zugeordneten Elektroden an das mindestens eine piezoelektrische Material anlegbar/bereitstellbar ist. Als Alternative oder als Ergänzung zu dem mindestens einen piezoelektrischen Material können jedoch auch mindestens ein Thermoeffektmaterial und/oder mindestens ein Formgedächtnismaterial für den mindestens einen Biegeaktor 14a bis 14d genutzt werden.
1b zeigt das mikromechanische Bauteil vor einem Bereitstellen des mindestens einen elektrischen Signals. Bei der in 1c schematisch wiedergegebenen Situation wird der mindestens eine Biegeaktor 14a bis 14d mittels des mindestens einen elektrischen Signals betrieben. Beispielhaft sind mindestens einer der Biegeaktoren 14a und 14b auf einer ersten Seite der ersten Drehachse 16 und mindestens ein anderer der Biegeaktoren 14c und 14d auf einer zweiten Seite der ersten Drehachse 16 angeordnet. Das mindestens eine elektrische Signal wird so an die Biegeaktoren 14a bis 14d bereitgestellt, dass der mindestens eine auf der ersten Seite der ersten Drehachse 16 angeordnete Biegeaktor 14a und 14b gegenphasig/um 180° phasenverschoben zu dem mindestens einen auf der zweiten Seite der ersten Drehachse 16 angeordneten Biegeaktor 14c und 14d verformt wird. Beispielsweise können ein erstes periodisches elektrisches Signal an den mindestens einen auf der ersten Seite der ersten Drehachse 16 angeordneten Biegeaktor 14a und 14b und ein gegenüber dem ersten periodischen elektrischen Signal gegenphasiges/um 180° phasenverschobenes zweites periodisches elektrisches Signal an den mindestens einen auf der zweiten Seite der ersten Drehachse 16 angeordneten Biegeaktor 14c und 14d (als das mindestens eine elektrische Signal) bereitgestellt/angelegt werden.
Das mikromechanische Bauteil umfasst auch mindestens einen Permanentmagneten 18a und 18b. Der mindestens eine Permanentmagnet 18a und 18b ist derart mit dem verstellbaren Teil 10 indirekt verbunden, dass (zumindest) das verstellbare Teil 10 mittels eines Magnetfelds zusammen mit dem mindestens einen Permanentmagneten 18a und 18b in Bezug zu der Halterung 11 um eine zweite Drehachse 20 verstellbar ist/verstellt wird. Die zweite Drehachse 20 ist geneigt zu der ersten Drehachse 16 ausgerichtet. Insbesondere kann die zweite Drehachse 20 senkrecht zu der ersten Drehachse 16 verlaufen. Außerdem kann auch die zweite Drehachse 20 eine das verstellbare Teil 10 mittig schneidende Achse und/oder eine (weitere) Symmetrieachse des mikromechanischen Bauteils sein. Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass das verstellbare Teil 10 in Bezug zu der Halterung 11 gleichzeitig um die erste Drehachse 16 und um die zweite Drehachse 20 verstellbar ist.
Zum Aufbauen/Bewirken des zum Verstellen zumindest des verstellbaren Teils 10 und des mindestens einen Permanentmagneten 18a und 18b geeigneten Magnetfelds kann entweder eine Bauteil-eigene oder eine externe (Bauteil-fremde) Jochvorrichtung eingesetzt werden. Unter der Jochvorrichtung kann ein mit Spulen ausgestattetes Joch/Magnetjoch verstanden werden. Da eine Realisierbarkeit des hier beschriebenen Bauteils nicht auf einen bestimmten Jochtyp beschränkt ist, wird hier nicht genauer darauf eingegangen.
Das mikromechanische Bauteil nutzt somit einen Biegeaktor-Antrieb zum Verstellen des verstellbaren Teils 10 um die erste Drehachse 16 und zusätzlich einen Permanentmagnet-Antrieb (mit dem mindestens einen indirekt mit dem verstellbaren Teil 10 verbundenen Permanentmagneten 18a und 18b) zum (gleichzeitigen) Verstellen des verstellbaren Teils 10 um die zweite Drehachse 20. Wie nachfolgend genauer beschrieben wird, können damit die verschiedenen Antriebstypen so kombiniert werden, dass sich ihre Vorteile ergänzen und ohne dass ein Betrieb eines der beiden Antriebe eine Verwendbarkeit des anderen Antriebtyps beeinträchtigt.
Die Verwendung von dem mindestens einen (indirekt mit dem verstellbaren Teil 10 verbundenen) Permanentmagneten 18a und 18b zum Verstellen des verstellbaren Teils 10 um die zweite Drehachse 20 erfordert keine technologisch aufwändige Realisierung von Leiterbahnen und Leiterbahn-Kontaktierung auf beweglichen Teilen. Durch die Einsparbarkeit von für den mindestens einen Permanentmagnet 18a und 18b nicht benötigten Leiterbahnen und Leiterbahn-Kontaktierung müssen auch keine dämpfenden Effekte von diesen auf die Verstellbewegungen des verstellbaren Teils 10 um die zwei Drehachsen 16 und 20 in Kauf genommen werden. Die vorteilhafte Kombination der verschiedenen Antriebstypen trägt deshalb zu einer verbesserten Verstellbarkeit des verstellbaren Teils 10 bei.
Außerdem kann der mindestens eine zum Verstellen des verstellbaren Teils 10 um die zweite Drehachse 20 verwendete Permanentmagnet 18a und 18b direkt an der zweiten Drehachse 20 angeordnet sein. Der mindestens eine Permanentmagnet 18a und 18b weist somit ein vergleichsweise geringes Trägheitsmoment um die zweite Drehachse 20 auf, und eine Beschleunigung/Verstellbewegung mindestens eines Schwerpunktes des mindestens einen Permanentmagneten 18a und 18b entlang einer Kreisbahn ist zum Verstellen des verstellbaren Teils 10 um die zweite Drehachse 20 nicht notwendig. Die „achsennahe Bewegung“ des mindestens einen Permanentmagneten 18a und 18b bewirkt eine geringe Trägheit, und ermöglicht damit hohe Eigenfrequenzen (insb. der „statischen Achse“).
Im Unterschied zu dem mindestens einen Permanentmagneten 18a und 18b benötigt ein als Teil einer magnetischen Aktoreinrichtung verstellbar eingesetzter Spulenkörper Leiterbahnen und Leiterbahn-Kontaktierung auf beweglichen Teilen. Außerdem weist ein als Teil einer magnetischen Aktoreinrichtung verstellbar eingesetzter Spulenkörper einen signifikanten mittleren Abstand von der ihm zugeordneten Drehachse auf, hat deshalb eine hohe Trägheit und führt somit zu niedrigen Frequenzen.
Der mindestens eine Permanentmagnet 18a und 18b ist vorzugsweise über mindestens eine äußere Feder 20a und 20b mit der Halterung 11 verbunden. Außerdem kann die indirekte Verbindung zwischen dem verstellbaren Teil 10 und dem mindestens einen Permanentmagneten 18a und 18b mittels zumindest mindestens einer inneren Feder 24a bis 24d ausgebildet sein. Das verstellbare Teil 10 ist somit zumindest mittels der mindestens einen äußeren Feder 22a und 22b und der mindestens einen innen Feder 24a bis 24d so an der Halterung 11 aufgehängt, dass das verstellbare Teil 10 in Bezug zu der Halterung 11 unter einer Verformung zumindest der mindestens einen inneren Feder 24a bis 24d um die erste Drehachse 16 und (gleichzeitig) unter einer Verformung zumindest der mindestens einen äußeren Feder 22a und 22b um die zweite Drehachse 20 verstellbar ist. Die Drehbewegungen des verstellbaren Teils 10 um die zueinander geneigten Drehachsen 16 und 20 sind somit derart entkoppelt, dass eine ausgeführte Drehbewegung um eine der Drehachsen 16 und 20 nicht/kaum zu einer Beeinträchtigung einer Ausführbarkeit/eines Verlaufs einer anderen Drehbewegung um eine andere der Drehachsen 16 und 20 führt.
In der hier beschriebenen Ausführungsform ist das verstellbare Teil kardanisch aufgehängt, weshalb das verstellbare Teil 10 zwischen einem ersten Permanentmagneten 18a und einem zweiten Permanentmagneten 18b als dem mindestens einen Permanentmagneten 18a und 18b angeordnet ist. Jeder der zwei Permanentmagneten 18a und 18b ist mit je einer äußeren Feder 22a oder 22b mit der Halterung 11 verbunden. Außerdem verläuft mindestens eine innere Feder 24a bis 24d zwischen dem verstellbaren Teil 10 und jedem der Permanentmagneten 18a und 18b. Beispielhaft sind in der hier beschriebenen Ausführungsform der erste Permanentmagnet 18a (zumindest) über eine erste innere Feder 24a und eine (z.B. symmetrisch bezüglich der zweiten Drehachse 20 zu der ersten inneren Feder 24a ausgebildete) zweite innere Feder 24b und der zweite Permanentmagnet 18b (zumindest) über eine dritte innere Feder 24c und eine (z.B. symmetrisch bezüglich der zweiten Drehachse 20 zu der dritten inneren Feder 24c ausgebildete) vierte innere Feder 24d mit dem verstellbaren Teil 10 verbunden.
Bevorzugter Weise ist die mindestens eine innere Feder 24a bis 24d an dem mindestens einen Biegeaktor 14a bis 14d oder an mindestens einer Biegeaktor-tragenden Struktur 26a oder 26b verankert (siehe 1b und 1c). Dies ist vorteilhafter als eine Verankerung der mindestens einen inneren Feder 24a bis 24d (direkt) an dem mindestens einen Permanentmagneten 18a oder 18b, da mittels der „Zwischenschaltung“ mindestens einer weiteren Komponente zwischen dem mindestens einen Permanentmagneten 18a oder 18b und der mindestens einen inneren Feder 24a bis 24d eine zusätzliche „Entkopplung“ des mindestens einen Permanentmagneten 18a oder 18b von dem verstellbaren Teil 10 erreicht wird. Insbesondere ist damit sichergestellt, dass eine Stellung/Position des mindestens einen Permanentmagneten 18a und 18b nicht/kaum durch eine Bewegung/Schwingung des verstellbaren Teils 10 um die erste Drehachse 16 beeinträchtigt wird. Die Bewegung/Schwingung des verstellbaren Teils 10 um die erste Drehachse 16 führt somit zu keinem unerwünschten „Mitziehen“ des mindestens einen Permanentmagneten 18a und 18b, was herkömmlicherweise häufig zu einer Steigerung eines Energieverbrauchs führt und unkontrollierte unerwünschte Bewegungen des verstellbaren Teils 10 auslöst. Zusätzlich ist gewährleistet, dass die Drehbewegung des mindestens einen Permanentmagneten 18a und 18b um die zweite Drehachse 20 keine Deformation des verstellbaren Teils 10, insbesondere der reflektierenden Oberfläche 12, bewirkt.
In der Ausführungsform der 1a bis 1c sind auf einer ersten Seite der ersten Drehachse 16 eine erste Biegeaktor-tragende Struktur 26a und auf einer zweiten Seite der ersten Drehachse 16 eine zweite Biegeaktor-tragende Struktur 26b angeordnet. Der erste Permanentmagnet 18a kontaktiert die erste Biegeaktor-tragende Struktur 26a. Entsprechend kontaktiert der zweite Permanentmagnet 18b die zweite Biegeaktor-tragende Struktur 26b. Eine Lage/Position des jeweiligen Permanentmagneten 18a und 18b kann so gewählt werden, dass die Lage/Position nicht/kaum durch die Verformungen des mindestens einen Biegeaktors 14a bis 14d der kontaktierten Biegeaktor-tragenden Struktur 26a oder 26b beeinträchtigt wird.
In der hier beschriebenen Ausführungsform sind die Biegeaktor-tragenden Strukturen 26a und 26b Trägerflächen, auf welchen der mindestens eine Biegeaktor 14a bis 14d der jeweiligen Biegeaktor-tragenden Struktur 26a oder 26b ausgebildet ist. Vorzugsweise weisen die Trägerflächen (senkrecht zu den Drehachsen 16 und 20) eine Schichtdicke auf, welche unter einer Höhe des mindestens einen Permanentmagneten 18a und 18b (senkrecht zu den Drehachsen 16 und 20) liegt. Die Schichtdicke der Trägerflächen (senkrecht zu den Drehachsen 16 und 20) kann insbesondere gleich einer Federdicke der inneren Federn 24a bis 24d (senkrecht zu den Drehachsen 16 und 20) sein. (Die Trägerflächen der Biegeaktor-tragenden Strukturen 26a und 26b, die inneren Federn 24a bis 24d und die äußeren Federn 22a und 22b können insbesondere senkrecht zu den Drehachsen 16 und 20 die gleiche Ausdehnung haben.) Die Trägerflächen der Biegeaktor-tragenden Strukturen 26a und 26b sind in diesem Fall leicht verformbar und eignen sich zum zusätzlichen „Abpuffern“ des zugeordneten Permanentmagneten 18a und 18b von der Bewegung/Schwingung des verstellbaren Teils 10 um die erste Drehachse 16.
Der mindestens eine Permanentmagnet 18a und 18b ist somit nicht starr mit dem verstellbaren Teil 10 verbunden. Ebenso befindet sich der mindestens eine Permanentmagnet 18a und 18b auch nicht auf einem „starren Rahmen“. Deshalb wird der mindestens eine Permanentmagnet 18a und 18b auch nicht gezwungen, eine Bewegung/Verformung des „starren Rahmens“ mit zu vollführen.
Beispielhaft weist in der hier beschriebenen Ausführungsform die erste Biegeaktor-tragende Struktur 26a (auf einer ersten Seite der zweiten Drehachse 20) einen ersten Biegeaktor 14a und (auf einer zweiten Seite der zweiten Drehachse 20) einen zweiten Biegeaktor 14b auf. Entsprechend trägt auch die zweite Biegeaktor-tragende Struktur 26b (auf der ersten Seite der zweiten Drehachse 20) einen dritten Biegeaktor 14c und (auf der zweiten Seite der zweiten Drehachse 20) einen vierten Biegeaktor 14d.
Außerdem sind in der Ausführungsform der 1a bis 1c die Biegeaktoren 14a bis 14d jeweils als Biegearme 14a bis 14d ausgebildet. (Jeder der Biegeaktoren 14a bis 14d kann insbesondere auch als ein Bimetall-Biegearm 14a bis 14d bezeichnet werden.) Die Biegeaktoren/Biegearme 14a bis 14d umrahmen das verstellbare Teil 10 und die mindestens eine innere Feder 24a bis 24d zumindest teilweise. Wie in 1c wiedergegeben, wird das mindestens eine elektrische Signal so an die Biegeaktoren/Biegearme 14a bis 14d bereitgestellt, dass die beiden Biegeaktoren/Biegearme 14a und 14b der ersten Biegeaktor-tragenden Struktur 26a gegenphasig/um 180° phasenverschoben zu den Biegeaktoren/Biegearmen 14c und 14d der zweiten Biegeaktor-tragenden Struktur 26b verformt werden. Man kann dies auch als eine antiparallele Verformung der Biegeaktoren 14a und 14b der ersten Biegeaktor-tragenden Struktur 26a bezüglich der Biegeaktoren/Biegearme 14c und 14d der zweiten Biegeaktor-tragenden Struktur 26b umschreiben. Dem gegenüber verformt sich der erste Biegeaktor/Biegearm 14 der ersten Biegeaktor-tragenden Struktur 26a spiegelsymmetrisch bezüglich einer durch die zweite Drehachse 20 verlaufenden Spiegelfläche zu dem zweiten Biegeaktor/Biegearm 14b der ersten Biegeaktor-tragenden Struktur 26a und der dritte Biegeaktor/Biegearm 14c der zweiten Biegeaktor-tragenden Struktur 26b verformt sich spiegelsymmetrisch bezüglich der durch die zweite Drehachse 20 verlaufenden Spiegelebene zu dem vierten Biegeaktor/Biegearm 14d der zweiten Biegeaktor-tragenden Struktur 26b.
Vorzugsweise weist das mikromechanische Bauteil eine (nicht skizzierte) Steuervorrichtung auf, mittels welcher das mindestens eine elektrische Signal so an den mindestens einen Biegeaktor 14a bis 14d bereitstellbar ist, dass das verstellbare Teil 10 aufgrund der aus der Verstellbewegung des mindestens einen ersten Teilbereichs des mindestens einen Biegeaktors 14a bis 14d resultierenden Rückstellkraft in Bezug zu der Halterung 11 in eine resonante Schwingbewegung um die erste Drehachse 16 versetzbar ist/versetzt wird. Mittels der resonanten Schwingbewegung des verstellbaren Teils 10 um die erste Drehachse 16 können vergleichsweise große Auslenkungen des verstellbaren Teils 10 erreicht werden. Die maximalen Auslenkungen des verstellbaren Teils 10 können z.B. bei einem maximalen Auslenkungswinkel von mindestens 10° und/oder bei einem maximalen Auslenkungsweg von Punkten des verstellbaren Teils 10 von mehreren 100 µm (Mikrometern) liegen.
Während der resonanten Schwingbewegung des verstellbaren Teils 10 um die erste Drehachse 16 wird der mindestens eine Biegeaktor 14a bis 14d in Gegenmode zu dem verstellbaren Teil 10 bewegt. Sofern der mindestens eine Biegeaktor 14a bis 14d (zumindest) mittels der mindestens einen inneren Feder 24a bis 24d von dem mindestens einen Biegeaktor 14a bis 14d „entkoppelt“ ist, wird eine Eigenfrequenz einer harmonischen Schwingung des verstellbaren Teils 10 um die erste Drehachse 16 nicht/kaum von einer Steifigkeit oder einer Masse des mindestens einen Biegeaktors 14a bis 14d beeinträchtigt wird. Für die Verstellbewegung des verstellbaren Teils 10 um die erste Drehachse 16 liegt somit ein Feder-Masse-System vor, welches es ermöglicht, durch das Design der mindestens einen inneren Feder 24a bis 24d und eine Masse des verstellbaren Teils 10 eine Eigenfrequenz der Schwingbewegung des verstellbaren Teils 10 um die erste Drehachse 16 auf einen gewünschten Wert/Wertebereich festzulegen. Insbesondere kann die Eigenfrequenz innerhalb eines vergleichsweise hohen Frequenzbereichs, wie beispielsweise in dem Frequenzbereich zwischen 20 kHz (Kilohertz) bis 30 kHz (Kilohertz), festgelegt werden. Für die resonante Schwingbewegung des verstellbaren Teils 10 um die erste Drehachse 16 kann somit die vorteilhafte Festlegbarkeit der Eigenfrequenz auf einen gewünschten hohen Frequenzbereich ausgenutzt werden.
Bevorzugt ist die Steuervorrichtung auch zum Betreiben der (Bauteil-eigenen) Jochvorrichtung ausgelegt. Vorteilhaft ist es, wenn die (nicht skizzierte) Jochvorrichtung mittels der Steuervorrichtung so betreibbar ist, dass das verstellbare Teil 10 mittels des aufgebauten Magnetfelds zusammen mit dem mindestens einen Permanentmagneten 18a und 18b quasi-statisch um die zweite Drehachse 20 verstellbar ist/verstellt wird. Da die resonante Schwingbewegung des verstellbaren Teils 10 um die erste Drehachse 16 nicht/kaum auf den mindestens einen Permanentmagneten 18a und 18b wirkt, muss keine Dämpfung der quasi-statischen Verstellbewegung des mindestens einen Permanentmagneten 18a und 18b um die zweite Drehachse 20 in Kauf genommen werden. Der mindestens eine Permanentmagnet 18a und 18b wird somit lediglich quasi-statisch um die statische zweite Drehachse 20 gedreht.
Als vorteilhafte Weiterbildung kann der mindestens eine Biegeaktor 14a bis 14d je mit einer Zusatzmasse 28a bis 28d beschwert sein. Beispielsweise kann dazu eine zusätzliche Masseschicht (beispielsweise eine Metallschicht und/oder eine angebondete Siliziumschicht) auf der jeweiligen Biegeaktor-tragenden Struktur 26a und 26b abgeschieden sein. Da die Nominalbewegung des mindestens einen Permanentmagneten 18a und 18b gleich Null ist, haben geringe Unterschiede in den Massenverteilungen des mindestens einen Permanentmagneten 18a und 18b kaum einen Einfluss auf das Gesamtsystem. Ungenauigkeiten beim Platzieren des mindestens einen Permanentmagneten 18a und 18b, wie sie beispielsweise durch Ausführen eines Pick-and-Place-Prozesses auftreten, führen deshalb kaum zu Nachteilen oder einer Unwucht.
In der Ausführungsform der 1a bis 1c sind die inneren Federn 24a bis 24d jeweils an mindestens einem auf der ersten Drehachse 16 liegenden Punkt an dem verstellbaren Teil 10 verankert. Die inneren Federn 24a bis 24d greifen somit das verstellbare Teil 10 an der ersten Drehachse 16 an. Diese Anordnung mit einer Verankerung der inneren Federn 24a bis 24d an dem verstellbaren Teil 10 erlaubt ein Design mit einem insgesamt geringen Trägheitsmoment um die (statische) zweite Drehachse 20. Außerdem sind die inneren Federn 24a bis 24d jeweils an mindestens einem auf der zweiten Drehachse 20 liegenden Punkt an der zugeordneten Biegeaktor-tragenden Struktur 26a und 26b mit dem mindestens einen Biegeaktor 14a bis 14d verankert.
2a bis 2c zeigen schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 2a bis 2c schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil weist im Unterschied zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform noch Zwischenfedern 30a bis 30d auf, über welche die Biegeaktor-tragenden Strukturen 26a und 26b mit den Permanentmagneten 18a und 18b verbunden sind. Der erste Permanentmagnet 18a ist über eine erste Zwischenfeder 30a mit der ersten Biegeaktor-tragenden Struktur 26a und über eine zweite Zwischenfeder 30b mit der zweiten Biegeaktor-tragenden Struktur 26b verbunden. Entsprechend erstrecken sich eine dritte Zwischenfeder 30c von dem zweiten Permanentmagneten 18b zu der ersten Biegeaktor-tragenden Struktur 26a und eine vierte Zwischenfeder 30d von dem zweiten Permanentmagneten 18b zu der zweiten Biegeaktor-tragenden Struktur 26b. In der Ausführungsform der 2a bis 2c sind die erste Biegeaktor-tragende Struktur 26a auf der ersten Seite der zweiten Drehachse 20 und die zweite Biegeaktor-tragende Struktur 26b auf der zweiten Seite der zweiten Drehachse 20 angeordnet. Beispielhaft liegen der erste Biegeaktor 14a und der dritte Biegeaktor 14c auf der zweiten Seite der ersten Drehachse 16 und der zweite Biegeaktor 14b und der vierte Biegeaktor 14d auf der ersten Seite der ersten Drehachse 16.
Zusätzlich sind in der hier beschriebenen Ausführungsform die erste Biegeaktor-tragenden Struktur 26a über die erste innere Feder 24a und die (z.B. symmetrisch bezüglich der ersten Drehachse 16 zu der ersten inneren Feder 24a ausgebildete) zweite innere Feder 24b und die zweite Biegeaktor-tragenden Struktur 26b über die dritte innere Feder 24c und die (z.B. symmetrisch bezüglich der ersten Drehachse 16 zu der dritten inneren Feder 24c ausgebildete) vierte innere Feder 24d mit dem verstellbaren Teil 10 verbunden. Außerdem sind die inneren Federn 24a bis 24d jeweils an mindestens einem auf der zweiten Drehachse 20 liegenden Punkt an dem verstellbaren Teil 10 verankert. Die inneren Federn 24a bis 24d greifen somit das verstellbare Teil 10 an den Bereichen seiner maximalen Auslenkung um die erste Drehachse 16 an. Des Weiteren sind die inneren Federn 24a bis 24d jeweils an mindestens einem auf der ersten Drehachse 16 liegenden Punkt an dem mindestens einen Biegeaktor 14a bis 14d verankert. Auch bei dieser Anordnung bilden die Permanentmagnete 18a und 18b einen eigenen Massepunkt, welcher durch die resonante Schwingbewegung des verstellbaren Teils 10 um die erste Drehachse 16 nicht/kaum beeinträchtigt wird.
In der Ausführungsform der 2a bis 2c greifen die innere Federn 24a bis 24d am „Kopfende“ des verstellbaren Teils 10 an. Grundsätzlich ist natürlich auch ein Angriff der inneren Federn 24a bis 24d an den auf der ersten Drehachse 16 liegenden Punkten des verstellbaren Teils 10 möglich. Außerdem sind in der Ausführungsform der 2a bis 2c die Massepunkte an den Antriebseinheiten (PZT-Flügeln) sehr achsennah (zur zweiten Drehachse 20), was vorteilhaft für ein geringes Trägheitsmoment bzgl. der zweiten Drehachse 20 ist.
Bezüglich weiterer Merkmale und der Vorteile des mikromechanischen Bauteils der 2a bis 2c wird auf die zuvor beschriebene Ausführungsform verwiesen.
3 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Verstellen eines verstellbaren Teils gleichzeitig um zwei zueinander geneigte Drehachsen.
Das im Weiteren beschriebene Verfahren kann beispielsweise mittels eines der oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile ausgeführt werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausführbarkeit des im Weiteren beschriebenen Verfahrens nicht auf eine Verwendung einer dieser Vorrichtungen beschränkt ist.
Das Verfahren weist einen Verfahrensschritt S1 auf, in welchem zumindest das verstellbare Teil in Bezug zu einer Halterung mittels mindestens eines Biegeaktors um eine erste Drehachse der zwei zueinander geneigten Drehachsen verstellt wird. Dies geschieht, indem der mindestens eine Biegeaktor mittels mindestens eines elektrischen Signals so angesteuert wird, dass jeweils ein erster Teilbereich des mindestens einen Biegeaktors unter einer zumindest teilweisen Verformung des mittels des mindestens einen elektrischen Signals jeweils angesteuerten Biegeaktors in eine Verstellbewegung in Bezug zu jeweils einem zweiten Teilbereich des jeweiligen Biegeaktors versetzt wird. Auf diese Weise wird zumindest das verstellbare Teil aufgrund einer aus der Verstellbewegung des mindestens einen ersten Teilbereichs des mindestens einen Biegeaktors resultierenden Rückstellkraft in Bezug zu der Halterung um die erste Drehachse verstellt.
Gleichzeitig mit dem Verfahrensschritt S1 wird auch ein Verfahrensschritt S2 ausgeführt. In dem Verfahrensschritt S2 wird zumindest das verstellbare Teil in Bezug zu der Halterung um eine zweite Drehachse der zwei zueinander geneigten Drehachsen verstellt, indem zumindest das verstellbare Teil zusammen mit mindestens einem mit dem verstellbaren Teil indirekt verbundenen Permanentmagneten mittels eines Magnetfelds um die zweite Drehachse verstellt wird. Beispiele zum indirekten Verbinden des mindestens einen Permanentmagneten mit dem verstellbaren Teil sind oben schon beschrieben.
Somit schafft auch das hier beschriebene Verfahren die schon erläuterten Vorteile, auf deren erneute Aufzählung jedoch hier verzichtet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8508826 B2 [0002]

Claims

Mikromechanisches Bauteil mit: einer Halterung (11); einem an der Halterung (11) verstellbar angeordneten verstellbaren Teil (10); und mindestens einem Biegeaktor (14a bis 14d), welcher derart ausgebildet ist und an welchen mindestens ein elektrisches Signal so bereitstellbar ist, dass jeweils ein erster Teilbereich des mindestens einen Biegeaktors (14a bis 14d) unter einer zumindest teilweisen Verformung des mittels des mindestens einen elektrischen Signals jeweils angesteuerten Biegeaktors (14a bis 14d) in eine Verstellbewegung in Bezug zu jeweils einem zweiten Teilbereich des jeweiligen Biegeaktors (14a bis 14d) versetzbar ist; wobei zumindest das verstellbare Teil (10) aufgrund einer aus der Verstellbewegung des mindestens einen ersten Teilbereichs des mindestens einen Biegeaktors (14a bis 14d) resultierenden Rückstellkraft in Bezug zu der Halterung (11) um eine erste Drehachse (16) verstellbar ist; und wobei zumindest das verstellbare Teil (10) in Bezug zu der Halterung (11) um die erste Drehachse (16) und gleichzeitig um eine geneigt zu der ersten Drehachse (16) ausgerichtete zweite Drehachse (20) verstellbar ist; gekennzeichnet durch mindestens einen Permanentmagneten (18a, 18b), welcher derart mit dem verstellbaren Teil (10) indirekt verbunden ist, dass zumindest das verstellbare Teil (10) mittels eines von einer bauteil-eigenen oder externen Jochvorrichtung aufgebauten Magnetfelds zusammen mit dem mindestens einen Permanentmagneten (18a, 18b) um die zweite Drehachse (20) verstellbar ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei das verstellbare Teil (10) zumindest mittels mindestens einer äußeren Feder (22a, 22b) und mindestens einer inneren Feder (24a bis 24d) so an der Halterung (11) aufgehängt ist, dass das verstellbare Teil (10) in Bezug zu der Halterung (11) unter einer Verformung zumindest der mindestens einen inneren Feder (24a bis 24d) um die erste Drehachse (16) und gleichzeitig unter einer Verformung zumindest der mindestens einen äußeren Feder (22a, 22b) um die zweite Drehachse (20) verstellbar ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 2, wobei die mindestens eine innere Feder (24a bis 24d) jeweils an mindestens einem auf der ersten Drehachse (16) liegenden Punkt an dem verstellbaren Teil (10) und an mindestens einem auf der zweiten Drehachse (20) liegenden Punkt an dem mindestens einen Biegeaktor (14a bis 14d) und/oder mindestens einer Biegeaktor-tragenden Struktur (26a, 26b) verankert ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 2, wobei der mindestens eine Biegeaktor (14a bis 14d) und/oder mindestens einer Biegeaktor-tragenden Struktur (26a, 26b) über mindestens eine Zwischenfeder (30a bis 30d) mit dem mindestens einen Permanentmagneten (18a, 18b) verbunden ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 4, wobei die mindestens eine innere Feder (24a bis 24d) jeweils an mindestens einem auf der ersten Drehachse (16) liegenden Punkt an dem mindestens einen Biegeaktor (14a bis 14d) und/oder der mindestens einen Biegeaktor-tragenden Struktur (26a, 26b) und an mindestens einem auf der zweiten Drehachse (20) liegenden Punkt an dem verstellbaren Teil (10) verankert ist.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mikromechanische Bauteil eine Steuervorrichtung umfasst, mittels welcher das mindestens eine elektrische Signal so an den mindestens einen Biegeaktor (14a bis 14d) bereitstellbar ist, dass das verstellbare Teil (10) aufgrund der aus der Verstellbewegung des mindestens einen ersten Teilbereichs des mindestens einen Biegeaktors (14a bis 14d) resultierenden Rückstellkraft in Bezug zu der Halterung (11) in eine resonante Schwingbewegung um die erste Drehachse (16) versetzbar ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 6, wobei die bauteil-eigene Jochvorrichtung mittels der Steuervorrichtung so betreibbar ist, dass das verstellbare Teil (10) mittels des aufgebauten Magnetfelds zusammen mit dem mindestens einen Permanentmagneten (18a, 18b) quasi-statisch um die zweite Drehachse (20) verstellbar ist.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Biegeaktor (14a bis 14d) jeweils mindestens ein piezoelektrisches Material und/oder mindestens ein Thermoeffektmaterial und/oder mindestens ein Formgedächtnismaterial umfasst.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Biegeaktor (14a bis 14d) jeweils als ein Bimetall-Biegearm ausgebildet ist.
Mikrospiegelvorrichtung mit einem mechanischen Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Verstellen eines verstellbaren Teils (10) gleichzeitig um zwei zueinander geneigte Drehachsen (16, 20) mit den Schritten: Verstellen zumindest des verstellbaren Teils (10) in Bezug zu einer Halterung (11) um eine erste Drehachse (16) der zwei zueinander geneigten Drehachsen (16, 20) mittels mindestens eines Biegeaktors (14a bis 14d), indem der mindestens eine Biegeaktor (14a bis 14d) mittels mindestens eines elektrischen Signals so angesteuert wird, dass jeweils ein erster Teilbereich des mindestens einen Biegeaktors (14a bis 14d) unter einer zumindest teilweisen Verformung des mittels des mindestens einen elektrischen Signals jeweils angesteuerten Biegeaktors (14a bis 14d) in eine Verstellbewegung in Bezug zu jeweils einem zweiten Teilbereich des jeweiligen Biegeaktors (14a bis 14d) versetzt wird, und zumindest das verstellbare Teil (10) aufgrund einer aus der Verstellbewegung des mindestens einen ersten Teilbereichs des mindestens einen Biegeaktors (14a bis 14d) resultierenden Rückstellkraft in Bezug zu der Halterung (11) um die erste Drehachse (16) verstellt wird (S1); gleichzeitiges Verstellen zumindest des verstellbaren Teils (10) in Bezug zu der Halterung (11) um eine zweite Drehachse (20) der zwei zueinander geneigten Drehachsen (16, 20); dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das verstellbare Teil (10) zusammen mit mindestens einem mit dem verstellbaren Teil (10) indirekt verbundenen Permanentmagneten (18a, 18b) mittels eines Magnetfelds um die zweite Drehachse (20) verstellt wird (S2).