DE102021134310A1 - Piezoelektrisches Spiegelbauelement, Verfahren zum Betrieb des piezoelektrischen Spiegelbauelements und Projektionsvorrichtung mit dem piezoelektrischen Spiegelbauelement - Google Patents

Abstract

Es wird ein piezoelektrisches Spiegelbauelement (100) angegeben, das ein Spiegelelement (10), einen piezoelektrischer Antriebsring (20), der das Spiegelelement umgibt und über zumindest ein erstes Torsionsfederelement (41) mit dem Spiegelelement verbunden ist, und ein Rahmenelement (30) aufweist, das über zumindest ein zweites Torsionsfederelement (42) mit dem Antriebsring verbunden ist, wobei der Antriebsring einen ersten Durchmesser entlang einer ersten Richtung und einen zweiten Durchmesser entlang einer zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung aufweist und der erste Durchmesser größer als der zweite Durchmesser ist.Weiterhin werden ein Verfahren zum Betrieb des piezoelektrischen Spiegelbauelements und eine Projektionsvorrichtung angegeben.

Description

• Es werden ein piezoelektrisches Spiegelbauelement, ein Verfahren zum Betrieb des piezoelektrischen Spiegelbauelements und eine Projektionsvorrichtung mit dem piezoelektrischen Spiegelbauelement angegeben.
• Für Laserprojektoren gibt es eine Vielzahl von Anwendungsbereichen. Beispielsweise werden Projektoren zur Anzeige bewegter Bilder, beispielsweise in Kinos, für Heimkinoanwendungen oder für mobile Anzeigeanwendungen, verwendet. Besonders bevorzugt sollten hierfür Projektoren verfügbar sein, die kostengünstig und unempfindlich gegenüber Erschütterungen sind. Weiterhin werden immer öfter Projektoren im Automotivbereich verwendet, beispielsweise zur Projektion von Informationen auf die Straßenoberfläche, für Matrixausleuchtungen oder auch für Anwendungen basierend auf dem LIDAR-Prinzip (LIDAR: „light detection and ranging“, Lichtdetektion und Abstandsmessung). Für derartige Anwendungsfelder wird eine große Tiefenschärfe benötigt, die Laserprojektoren liefern können. Darüber hinaus sind Laserprojektoren vorteilhaft für Anwendungen in Verbindung mit VR („virtual reality“, virtuelle Realität) und AR („augmented reality“, erweiterte Realität), beispielsweise in AR-/VR-Brillen.
• Ein Projektor kann drehbare Spiegel aufweisen, durch die ein zeitlich modulierter Laserstrahl abgelenkt wird. Auf diese Weise wird ein Bild im von einem Betrachter wahrgenommenen Fernfeld erzeugt, so dass sich das projizierte Bild für den Betrachter immer im Fokus befindet und keine Akkomodation des Auges notwendig ist. Im Fall einer AR-/VR-Brille wird der abgelenkte Strahl beispielsweise in ein Wellenleiter-Brillenglas eingekoppelt. Hier bestimmt die Richtung und nicht die Position des Strahls die Position des Bildpunks für den Betrachter, so dass keine weitere Optik nötig ist. Oft werden zwei Spiegel verwendet, nämlich für jede orthogonale Ablenkungsrichtung einer, mittels derer ein Laserstrahl den Bildbereich in einem orthogonalen Raster abscannt. Alternativ gibt es auch Lösungen mit Laser-Arrays, LED-Arrays (LED: Licht emittierend Diode) oder QLED-Arrays (QLED: Quantenpunkt-Leuchtdiode), die in ihrem Auflösungsvermögen und in ihrer Helligkeit jedoch begrenzt sind, sowie Lösungen, bei denen Laserlicht von einem passiven Panel selektiv reflektiert wird, wobei dies nicht sehr energieeffizient ist. Es besteht daher ein hoher Bedarf an kompakten Lösungen für AR-/VR-Brillen mit guter Bildauflösung.
• Beispielsweise sind aus den im Folgenden aufgeführten Druckschriften Mikrospiegel bekannt: Die Druckschrift U. Baran et al., „Resonant PZT MEMS Scanner for High-Resolution Displays“, Journal of Microelectromechanical Systems, 21, 1303-1310, 2012 beschreibt einen Spiegel, der um eine Achse schwingen kann und somit ein eindimensionales Scanning ermöglicht. Die Druckschrift Ch. Pan et al., „A New Two-Axis Optical Scanner Actuated by Piezoelectric Bimorphs“, International Journal of Optomechatronics, 6, 336-349, 2012 beschreibt einen zweidimensional bewegbaren rechteckigen Spiegel, wobei in einer Richtung die Bewegung eine anharmonische Bewegung in einem sogenannten Rocking-Mode ist. Die Druckschrift JP 5345102 B2 und H.-J. Quenzer et al., „Piezoelectrically driven translatory optical MEMS actuator with 7mm apertures and large displacements“, Proc. SPIE 9375, MOEMS and Miniaturized Systems XIV, 937500, 2015 beschreiben um zwei Achsen bewegbare, symmetrisch aufgehängte Spiegel, deren Bewegungen um beide Achsen gleichartig sind, was zu unerwünschtem Kopplungsverhalten führen kann. Die Druckschrift M. Tani et al., „A Combination of Fast Resonant Mode and Slow Static Deflection of SOI-PZT Actuators for MEMS Image Projection Display“, Proc. IEEE/LEOS Int. Conf. Opt. MEMS Appl. Conf., 25-26, 2006 beschreibt ebenfalls einen um zwei Achsen bewegbaren Spiegel, wobei der Aktuator für eine der Drehbewegungen große Meanderstrukturen aufweist, die wenig kompakt sind, nur eine niedrige Resonanzfrequenz ermöglichen und weiterhin schockempfindlich sein können. Die Druckschrift H. Yu et al., „Optimization of MOEMS Projection Module Performance with Enhanced Piezoresistive Sensitivity“, Micromachines 2020, 11, 651 beschreibt einen elektromagnetisch angetriebenen Spiegel.
• Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, ein piezoelektrisches Spiegelbauelement anzugeben. Zumindest eine weitere Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Spiegelbauelements anzugeben. Zumindest eine weitere Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, eine Projektionsvorrichtung mit einem piezoelektrischen Spiegelbauelement anzugeben.
• Diese Aufgaben werden durch Gegenstände und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Gegenstände und des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein piezoelektrisches Spiegelbauelement, das im Folgenden auch kurz als Spiegelbauelement bezeichnet sein kann, ein Spiegelelement, einen piezoelektrischen Antriebsring und ein Rahmenelement auf. Der Antriebsring umgibt das Spiegelelement und ist über zumindest ein erstes Torsionsfederelement mit dem Spiegelelement verbunden. Das Rahmenelement ist über zumindest ein zweites Torsionsfederelement mit dem Antriebsring verbunden. Das Spiegelelement, der Antriebsring und das Rahmenelement sowie die Torsionsfederelemente können in einem Ruhezustand des Spiegelbauelements insbesondere entlang einer Ebene ausgerichtet sein.
• Zumindest auf dem Antriebsring ist eine piezoelektrische Schicht aufgebracht, die zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode angeordnet ist. Die piezoelektrische Schicht kann ein oder mehrere piezoelektrische Materialien aufweisen. Besonders bevorzugt weist die piezoelektrische Schicht ein piezoelektrisches Material basierend auf Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) auf oder ist daraus.
• Zumindest die zweite Elektrode ist bevorzugt in eine Mehrzahl von Ansteuerbereichen strukturiert. Das bedeutet, dass die zweite Elektrode eine Mehrzahl von voneinander unabhängig ansteuerbare Bereiche aufweisen kann. Die erste Elektrode und/oder die piezoelektrische Schicht können zusammenhängend aufgebracht sein oder auch zumindest teilweise strukturiert sein. Somit sind auf dem Antriebsring bevorzugt die erste Elektrode und die in eine Mehrzahl von Ansteuerbereichen strukturierte zweite Elektrode aufgebracht, wobei zwischen der ersten und zweiten Elektrode die piezoelektrische Schicht angeordnet ist. Besonders bevorzugt sind die erste Elektrode, die piezoelektrische Schicht und die zweite Elektrode in dieser Reihenfolge aufgebracht. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der ersten Elektrode und zumindest einem Ansteuerbereich der zweiten Elektrode kann über den inversen Piezoeffekt eine mechanische Verformung der piezoelektrischen Schicht und damit des Antriebsrings in einem Teilbereich erreicht werden, wodurch auf den Antriebsring und/oder das Spiegelelement eine Kraft ausgeübt werden kann. Jeder der Ansteuerbereiche kann somit mit der piezoelektrischen Schicht und der ersten Elektrode ein Piezoelement bilden, durch das ein Teilbereich des Spiegelbauelements bewegt werden kann. Durch Anlegen eines Wechselstromsignals mit einer oszillierenden elektrischen Spannung kann eine oszillierende Kraft ausgeübt werden, die eine oszillierende Verformung bewirken kann. Dadurch kann zumindest ein Teil des Spiegelbauelements in Schwingungen versetzt werden.
• Das zumindest eine erste Torsionsfederelement und das zumindest eine zweite Torsionsfederelement können insbesondere als sogenannte Torsionsbalken ausgebildet sein. Mit anderen Worten ist jedes der Torsionsfederelemente länglich in Form eines Balkens mit einer Längsrichtung geformt, der, insbesondere im Betrieb des Spiegelbauelements, eine Torsionsbewegung um eine Drehachse ausführen kann, wobei die Drehachse bevorzugt im Wesentlichen der Längsrichtung des Balkens entspricht.
• Das zumindest eine erste Torsionsfederelement erstreckt sich bevorzugt vom Spiegelelement zum Antriebsring und definiert eine erste Drehachse. Werden das Spiegelelement und der Antriebsring relativ zueinander um die erste Drehachse verdreht, so verdreht sich das dem Spiegelelement nähere Ende des zumindest einen ersten Torsionsfederelements relativ zum dem Antriebsring näheren Ende des zumindest einen ersten Torsionsfederelements. Insbesondere kann durch eine geeignete Ansteuerung von Ansteuerbereichen der zweiten Elektrode mit einem ersten Wechselstromsignal mit einer ersten Frequenz bewirkt werden, dass das Spiegelelement in eine erste Drehschwingung mit der ersten Frequenz versetzt wird, wobei über das zumindest eine erste Torsionsfederelement eine bevorzugt linear vom Drehwinkel abhängige Rückstellkraft auf das Spiegelelement ausgeübt wird. Eine derartige Drehschwingung an zumindest einem Torsionsfederelement wird im Folgenden auch als Torsionsschwingung bezeichnet. Somit kann die erste Drehschwingung auch als erste Torsionsschwingung bezeichnet werden.
• Das zumindest eine zweite Torsionsfederelement erstreckt sich bevorzugt vom Antriebsring zum Rahmenelement und definiert eine zweite Drehachse. Werden das Rahmenelement und der Antriebsring relativ zueinander um die zweite Drehachse gedreht, so verdreht sich das dem Rahmenelement nähere Ende des zumindest einen zweiten Torsionsfederelements relativ zum dem Antriebsring näheren Ende des zumindest einen zweiten Torsionsfederelements. Insbesondere kann durch eine geeignete Ansteuerung von Ansteuerbereichen der zweiten Elektrode mit einem zweiten Wechselstromsignal mit einer zweiten Frequenz bewirkt werden, dass der Antriebsring in eine zweite Drehschwingung mit der zweiten Frequenz versetzt wird, wobei über das zumindest eine zweite Torsionsfederelement eine bevorzugt linear vom Drehwinkel abhängige Rückstellkraft auf den Antriebsring ausgeübt wird. Insbesondere kann das Spiegelelement zusammen mit dem Antriebsring die zweite Drehschwingung vollziehen. Die beschriebene zweite Drehschwingung kann auch als zweite Torsionsschwingung bezeichnet werden.
• Besonders bevorzugt sind das erste Torsionsfederelement und das zweite Torsionsfederelement um 90° zueinander gedreht angeordnet, so dass die erste Drehachse für die erste Torsionsschwingung und die zweite Drehachse für die zweite Torsionsschwingung senkrecht zueinander stehen. Dadurch kann erreicht werden, dass die erste und zweite Torsionsschwingung möglichst unabhängig voneinander sind.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist auch auf dem Rahmenelement zumindest teilweise die erste Elektrode aufgebracht. Weiterhin kann auch auf dem Rahmenelement zumindest teilweise die piezoelektrische Schicht aufgebracht sein. Zusätzlich kann auch auf dem Rahmenelement zumindest teilweise die zweite Elektrode aufgebracht sein. Weiterhin können auch auf dem zumindest einen zweiten Torsionsfederelement die erste Elektrode und/oder die piezoelektrische Schicht aufgebracht sein. Weiterhin kann das zumindest eine zweite Torsionsfederelement frei von der zweiten Elektrode sein. Besonders bevorzugt sind das zumindest eine erste Torsionsfederelement und das Spiegelelement frei von der ersten Elektrode, der piezoelektrischen Schicht und der zweiten Elektrode.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die zweite Elektrode auf dem Rahmenelement in eine Mehrzahl von Ansteuerbereichen strukturiert. Insbesondere kann die zweite Elektrode in einem von einem Randteil des Rahmenelements umgebenen Aktuationsbereich des Rahmenelements aufgebracht sein. Dadurch kann es möglich sein, zusätzlich zu den Ansteuerbereichen auf dem Antriebsring weitere Ansteuerbereiche auf dem Rahmenelement vorzusehen, durch die bei einer geeigneten Ansteuerung eine Kraft beispielsweise auf den Antriebsring ausgeübt werden kann.
• Weiterhin können auf dem Rahmenelement, beispielsweise auf einem Randteil des Rahmenelements, Kontaktelemente zur Ansteuerung der ersten und zweiten Elektrode vorhanden sein. Ansteuerbereiche auf dem Antriebsring und/oder auf dem Rahmenelement können über Leiterbahnen, die über das zumindest eine zweite Torsionsfederelement verlaufen, mit Kontaktelementen auf dem Rahmenelement verbunden sein. Alternativ dazu kann es auch möglich sein, auf Leiterbahnen zu verzichten und direkt auf die Elektroden zu bonden. Dadurch kann es möglich sein, parasitäre Widerstände und Kapazitäten, die im Zusammenhang mit Leiterbahne auftreten können, zu vermeiden.
• Bei einem Verfahren zum Betrieb des piezoelektrischen Spiegelbauelements wird, wie vorab beschrieben, bevorzugt das Spiegelelement mittels eines ersten elektrischen Wechselstromsignals mit einer ersten Frequenz, das auf erste Ansteuerbereiche wirkt, in eine erste Torsionsschwingung versetzt. Der Antriebsring, bevorzugt zusammen mit dem Spiegelelement, wird mittels eines zweiten elektrischen Wechselstromsignals mit einer zweiten Frequenz, das auf zweite Ansteuerbereiche wirkt, in eine zweite Torsionsschwingung versetzt. Insbesondere kann die Ansteuerung mit dem ersten Wechselstromsignal und die Ansteuerung mit dem zweiten Wechselstromsignal gleichzeitig erfolgen, so dass das insbesondere Spiegelelement die beiden Torsionsschwingungen gleichzeitig ausführen kann, wobei das Spiegelelement relativ zum Antriebsring um die erste Drehachse mit der ersten Frequenz oszilliert und der Antriebsring zusammen mit dem Spiegelelement relativ zum Rahmenelement um die zweite Drehachse mit der zweiten Frequenz oszilliert. Die erste Frequenz und die zweite Frequenz können insbesondere Resonanzfrequenzen sein oder zumindest nahe bei einer jeweiligen Resonanzfrequenz liegen, die abhängig von den jeweils schwingenden Teilen des Spiegelbauelements und deren geometrischen Ausgestaltungen sein können. Besonders bevorzugt sind die erste Frequenz und die zweite Frequenz unterschiedlich.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist eine Projektionsvorrichtung eine Laserlichtquelle und das piezoelektrische Spiegelbauelement auf. Das Spiegelbauelement kann im Betrieb von der Laserlichtquelle abgestrahltes Laserlicht ablenken. Durch die vorab beschriebenen Torsionsschwingungen des Spiegelelements kann durch das abgelenkte Laserlicht ein von einem Betrachter wahrnehmbarer Bildbereich überstrichen werden. Mit anderen Worten kann mit dem Spiegelbauelement ein Scanning erreicht werden. Besonders bevorzugt kann bei wie vorab erwähnten resonanten oder naheresonanten Torsionsschwingungen um die erste Drehachse und um die zweite Drehachse, die besonders bevorzugt senkrecht zueinander stehen, ein sogenanntes Lissajous-Scanning erreicht werden.
• Die vorab und nachfolgend beschriebenen Merkmale und Ausführungsformen beziehen sich gleichermaßen auf das piezoelektrische Spiegelbauelement, auf das Verfahren zum Betrieb des piezoelektrischen Spiegelbauelements und auf die Projektionsvorrichtung mit dem piezoelektrischen Spiegelbauelement.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Antriebsring einen ersten Durchmesser entlang einer ersten Richtung und einen zweiten Durchmesser entlang einer zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung auf, wobei der erste Durchmesser verschieden zum zweiten Durchmesser ist. Besonders bevorzugt ist der erste Durchmesser größer als der zweite Durchmesser. Somit weist der Antriebsring keine Kreisform auf. Insbesondere kann der Antriebsring eine elliptische Form aufweisen oder zumindest an eine elliptische Form angenähert sein.
• Der Antriebsring kann durch einen inneren Rand, der dem Spiegelelement zugewandt ist, und einen gegenüber liegenden äußeren Rand in Richtungen entlang der durch die erste und zweite Richtung aufgespannte Ebene begrenzt sein, wobei der innere und der äußere Rand jeweils eine elliptische Form aufweisen können oder zumindest an eine elliptische Form angenähert sein können. Die Form des äußeren Rands kann durch den ersten Durchmesser und den zweiten Durchmesser definiert sein. Mit anderen Worten können der vorgenannte erste und zweite Durchmesser ein erster und zweiter Außendurchmesser des Antriebsrings sein. Der innere Rand kann ebenfalls einen ersten und einen zweiten Durchmesser aufweisen, die auch als erster und zweiter Innendurchmesser bezeichnet werden können, wobei der erste Innendurchmesser entlang der ersten Richtung und der zweite Innendurchmesser entlang der zweiten Richtung verlaufen. Das Verhältnis des ersten Außendurchmessers zum zweiten Außendurchmesser kann gleich oder unterschiedlich zum Verhältnis des ersten Innendurchmessers zum zweiten Innendurchmesser sein. Sind die Verhältnisse unterschiedlich, kann das insbesondere bedeuten, dass der Antriebsring entlang der ersten Richtung eine erste Breite und entlang der zweiten Richtung eine zweite Breite aufweist und die erste Breite verschieden von der zweiten Breite ist. Beispielsweise kann die erste Breite kleiner als die zweite Breite sein.
• Insbesondere kann das zumindest eine erste Torsionsfederelement entlang der ersten Richtung angeordnet sein, während das zumindest eine zweite Torsionsfederelement entlang der zweiten Richtung angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist der Antriebsring über zwei erste Torsionsfederelemente mit dem Spiegelelement verbunden, die entlang einer Geraden entlang der ersten Richtung an zwei gegenüber liegenden Seiten des Spiegelelements angeordnet sind. Weiterhin ist besonders bevorzugt der Antriebsring über zwei zweite Torsionsfederelemente mit dem Rahmenelement verbunden, die entlang einer Geraden entlang der zweiten Richtung an zwei gegenüber liegenden Seiten des Antriebsrings angeordnet sind. Jedes der ersten Torsionsfederelemente und jedes der zweiten Torsionsfederelemente kann Merkmale aufweisen, die jeweils im Zusammenhang mit dem zumindest einen Torsionsfederelement und dem zumindest einen zweiten Torsionsfederelement beschrieben sind. Insbesondere kann das Spiegelelement ausschließlich durch die ersten Torsionsfederelemente mit dem Antriebsring verbunden sein, während der Antriebsring besonders bevorzugt ausschließlich über die zweiten Torsionsfederelemente mit dem Rahmenelement verbunden sein kann.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Spiegelelement einen Spiegelbereich und einen den Spiegelbereich umgebenden Randbereich auf, der bevorzugt mittels zumindest eines Durchbruchs teilweise vom Spiegelbereich getrennt ist. Das Spiegelelement kann besonders bevorzugt kreisrund sein, so dass der zumindest eine Durchbruch die Form eines Kreisbogens haben kann. Besonders bevorzugt können zwei Durchbrüche vorhanden sein, die sich gegenüber liegen und die beide die Form eines Kreisbogens haben. Der Randbereich kann über zwei Verbindungsbereiche mit dem Spiegelbereich verbunden sein. Mit anderen Worten können die zwei Durchbrüche durch die zwei Verbindungsbereiche voneinander getrennt sein. Besonders bevorzugt sind die Verbindungsbereiche entlang der zweiten Richtung an zwei gegenüber liegenden Seiten des Spiegelbereichs angeordnet, so dass sich bevorzugt die zwei Durchbrüche entlang der ersten Richtung gegenüber liegen können.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist auf dem Spiegelbereich eine reflektierende Beschichtung aufgebracht. Beispielsweise kann die Beschichtung eine metallische Beschichtung sein. Weiterhin ist beispielsweise auch eine dielektrische Beschichtung, etwa ein Bragg-Spiegel, möglich. Der Randbereich und die Verbindungsbereiche können bevorzugt frei von der reflektierenden Beschichtung sein.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform umgibt das Rahmenelement den Antriebsring. Das Rahmenelement kann insbesondere eine das Rahmenelement durchdringende Aussparung aufweisen, in der das zumindest eine zweite Torsionsfederelement und der Antriebsring mit dem im Antriebsring angeordneten zumindest einen ersten Torsionsfederelement und Spiegelelement angeordnet sind. Das zumindest eine zweite Torsionsfederelement ragt besonders bevorzugt aus der die Aussparung umgebenden Randfläche und damit aus dem Rahmenelement in die Aussparung hinein. Die Aussparung weist bevorzugt eine polygonale Grundform auf, die beispielsweise viereckig, sechseckig oder achteckig sein kann. Weiterhin kann es möglich sein, dass die Aussparung entlang der ersten und zweiten Richtung eine gleiche Ausdehnung aufweist. Weist das Rahmenelement einen Aktuationsbereich auf, kann dieser unmittelbar an die Aussparung angrenzen. Weiterhin kann der Aktuationsbereich mittels zumindest eines Durchbruchs teilweise vom Randteil getrennt sein.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen das Spiegelelement und der Antriebsring eine geringere Dicke als zumindest ein Rahmenteil des Rahmenelements auf. Hier und im Folgenden kann „Dicke“ insbesondere eine Ausdehnung entlang einer dritten Richtung bedeuten, die senkrecht zur ersten und zweiten Richtung steht. Weist das Rahmenelement einen Aktuationsbereich auf, kann bevorzugt auch der Aktuationsbereich eine geringere Dicke als der Rahmenteil des Rahmenelements aufweisen.
• Besonders bevorzugt sind das Rahmenelement, der Antriebsring, das Spiegelelement und die Torsionsfederelemente einstückig ausgebildet. Insbesondere können das Rahmenelement, der Antriebsring, das Spiegelelement und die Torsionsfederelemente Silizium aufweisen. Zur Herstellung des Spiegelbauelements kann ein Träger, beispielsweise in Form eines Siliziumwafers oder eines SOI-Wafers (SOI: „silicon on insulator“, Silizium auf einem Isolator), bereitgestellt werden, der zur Ausbildung des Rahmenelements, des Antriebsrings, des Spiegelelements und der Torsionsfederelemente entsprechend strukturiert wird. Auf den strukturierten Träger können dann die Elektroden und die piezoelektrische Schicht sowie je nach Ausgestaltung beispielsweise auch Isolatorschichten und/oder Leiterbahnen ausgebildet oder aufgebracht werden.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind Maßnahmen vorgesehen, um eine Positionsbestimmung des Spiegelelements und/oder eine Positionsbestimmung des Antriebsrings und/oder eine Frequenzbestimmung einer oder beider Torsionsschwingungen zu erreichen. Beispielsweise können während des Betriebs des piezoelektrischen Spiegelbauelements im ersten Wechselstromsignal die zweite Frequenz und im zweiten Wechselstromsignal die erste Frequenz gemessen werden. Dies kann beispielsweise durch Verwendung geeigneter Frequenzfilter in den Antriebszuleitungen erreicht werden, so dass keine zusätzlichen Leitungen nötig sind. Weiterhin kann es auch möglich sein, dritte Ansteuerbereiche vorzusehen, in denen ein piezoelektrisches Signal über den piezoelektrischen Effekt gemessen wird. Die dritten Ansteuerbereiche können insbesondere an geeigneten Positionen vorgesehen sein, so dass ein gutes Signal erzielt werden kann.
• Weiterhin können zur Positions- und/oder Frequenzmessung zumindest zwei Elektrodenelemente vorhanden sein, die einen Kondensator bilden, der bei einer Bewegung des Spiegelelements, insbesondere relativ zum Antriebsring, oder des Antriebsrings, insbesondere relativ zum Rahmenelement, eine variable Kapazität aufweist, wobei die Kapazität des Kondensators gemessen wird. Bei einer solchen kapazitiven Messung kann insbesondere auch der Nulldurchgang des Antriebsrings und/oder des Spiegelelements ermittelt werden. Um einen kapazitiven Kurzschluss zu vermeiden, kann die erste Elektrode geeignet strukturiert sein.
• Die Elektrodenelemente können beispielsweise durch Leiterbahnenteile gebildet werden. Ein erstes Elektrodenelement kann beispielsweise auf dem Rahmenelement angeordnet sein, während ein zweites Elektrodenelement auf dem Antriebsring benachbart zum ersten Elektrodenelement angeordnet ist. Bei einer Bewegung des Antriebsrings relativ zum Rahmenelement kann sich der Abstand zwischen den Elektrodenelementen ändern, wodurch sich die Kapazität des durch die Elektrodenelemente gebildeten Kondensators ändern kann. Entsprechend können beispielsweise Elektrodenelemente auf dem Antriebsring und dem Spiegelelement angeordnet werden. Es kann auch möglich sein, beispielsweise zwei Elektrodenelemente auf dem Rahmenelement auf gegenüber liegenden Seiten des Antriebsrings anzuordnen, so dass sich der Antriebsring zwischen den zwei auf dem Rahmenelement angeordneten Elektrodenelementen befindet. Der Antriebsring kann dann bei einer Bewegung wie ein sich bewegendes Dielektrikum zwischen den Elektrodenelementen wirken, wodurch sich die Kapazität des dadurch gebildeten Kondensators ändern kann. Entsprechend können auch zwei Elektrodenelemente auf gegenüber liegenden Seiten des Spiegelelements auf dem Antriebsring angeordnet sein.
• Weiterhin kann es auch möglich sein, dass erste und/oder zweite Ansteuerbereiche vorhanden sind, die in einem Zeitmultiplexverfahren wechselweise zum Antrieb des Spiegelelements oder des Antriebsrings und zur Messung eines piezoelektrischen Signals verwendet werden.
• Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
• 1A und 1B zeigen schematische Darstellungen eines piezoelektrischen Spiegelbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel,
• 2A bis 2E zeigen schematische Darstellungen von Verfahrensschritten eines Verfahrens zur Herstellung des piezoelektrischen Spiegelbauelements gemäß der 1A und 1B,
• 3A und 3B zeigen schematische Darstellungen von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Betrieb des piezoelektrischen Spiegelbauelements gemäß der 1A und 1B,
• 4A bis 5E zeigen Simulationsuntersuchungen zum piezoelektrischen Spiegelbauelement gemäß der 1A und 1B,
• 6A und 6B zeigen schematische Darstellungen eines piezoelektrischen Spiegelbauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
• 7A bis 7E zeigen schematische Darstellungen von Verfahrensschritten eines Verfahrens zur Herstellung des piezoelektrischen Spiegelbauelements gemäß der 6A und 6B,
• 8A bis 8E zeigen schematische Darstellungen von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Betrieb des piezoelektrischen Spiegelbauelements gemäß der 6A und 6B,
• 9A bis 12E zeigen Simulationsuntersuchungen zum piezoelektrischen Spiegelbauelement gemäß der 6A und 6B,
• 13A und 13B zeigen schematische Darstellungen eines piezoelektrischen Spiegelbauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
• 14A bis 14E zeigen schematische Darstellungen von Verfahrensschritten eines Verfahrens zur Herstellung des piezoelektrischen Spiegelbauelements gemäß der 13A und 13B,
• 15 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrensschritts eines Verfahrens zum Betrieb des piezoelektrischen Spiegelbauelements gemäß der 13A und 13B,
• 16A bis 16E zeigen Simulationsuntersuchungen zum piezoelektrischen Spiegelbauelement gemäß der 13A und 13B,
• 17 zeigt eine schematische Darstellung einer Projektionsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
• 18A bis 18D schematische Darstellungen von Maßnahmen zur Positions- und/oder Frequenzbestimmung von Komponenten eines piezoelektrischen Spiegelbauelements gemäß einigen Ausführungsbeispielen.
• In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
• In den 1A und 1B sind schematische Darstellungen eines piezoelektrischen Spiegelbauelements 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei in 1A eine dreidimensionale Ansicht auf eine Oberseite des Spiegelbauelements 100 und in 1B eine dreidimensionale Ansicht auf eine Unterseite des Spiegelbauelements 100 gezeigt sind. Die 2A bis 2E zeigen in Ansichten auf die Oberseite schematische Darstellungen von Verfahrensschritten eines Verfahrens zur Herstellung des piezoelektrischen Spiegelbauelements 100 gemäß der 1A und 1B. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich gleichermaßen auf die 1A und 1B und die 2A bis 2E.
• Das piezoelektrische Spiegelbauelement 100 weist ein Spiegelelement 10, einen piezoelektrischen Antriebsring 20 und ein Rahmenelement 30 auf. Der Antriebsring 20 umgibt das Spiegelelement 10 und ist über zumindest ein erstes Torsionsfederelement 41 mit dem Spiegelelement 10 verbunden. Das Rahmenelement ist über zumindest ein zweites Torsionsfederelement 42 mit dem Antriebsring verbunden. Das Spiegelelement 10, der Antriebsring 20 und das Rahmenelement 30 sowie die Torsionsfederelemente 41, 42 sind in einem Ruhezustand des Spiegelbauelements 100 entlang einer Ebene ausgerichtet, die durch eine erste Richtung, in den Figuren mit „x“ bezeichnet, und eine zur ersten Richtung senkrecht stehende zweite Richtung, in den Figuren mit „y“ bezeichnet, aufgespannt wird. Zumindest auf dem Antriebsring 20 ist eine piezoelektrische Schicht 50 aufgebracht, die zwischen einer ersten Elektrode 51 und einer zweiten Elektrode 52 angeordnet ist. Die piezoelektrische Schicht 50 weist bevorzugt ein piezoelektrisches Material basierend auf Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) auf oder ist daraus.
• Zur Herstellung des Spiegelbauelements 100 wird, wie in 2A angedeutet ist, ein Träger 101, beispielsweise in Form eines Siliziumwafers oder in Form eines SOI-Wafers mit einem Trägermaterial aus einem elektrisch isolierenden Material und darauf einer Siliziumschicht, bereitgestellt. In einem Bereich 102, in dem das Spiegelelement 10, der piezoelektrische Antriebsring 20, das Rahmenelement 30 und die Torsionsfederelemente 41, 42 angeordnet sind, also in dem Bereich, in dem das Spiegelbauelement 100 mechanisch aktiv ist, wird der Träger 101 von der Unterseite her gedünnt. Zur Ausbildung des Spiegelelements 10, des Antriebsrings 20, und der Torsionsfederelemente 41, 42 im Bereich 102 wird der Träger, wie in 2B gezeigt ist, durchgeätzt und damit strukturiert, so dass im Rahmenelement 30, das den Antriebring 20 umgibt, eine Aussparung 31 erzeugt wird, in der das Spiegelelement 10, der piezoelektrische Antriebsring 20, das Rahmenelement 30 und die Torsionsfederelemente 41, 42 angeordnet sind. Das Rahmenelement 30, der Antriebsring 20, das Spiegelelement 10 und die Torsionsfederelemente 41, 42 sind somit einstückig ausgebildet. Die Aussparung 31 weist bevorzugt eine polygonale Grundform auf, die wie gezeigt achteckig sein kann. Weiterhin kann es möglich sein, dass die Aussparung 31 entlang der ersten und zweiten Richtung eine gleiche Ausdehnung aufweist.
• Wie in den 1A und 1B weiterhin zu erkennen ist, weisen das Spiegelelement 10 und der Antriebsring 20 sowie die Torsionsfederelemente 41, 42 durch das vorab beschriebene Dünnen des Trägers 101 eine geringere Dicke als das Rahmenelement 30 auf, wobei die Dicke in einer in den Figuren mit „z“ bezeichneten dritten Richtung, die auf der ersten und zweiten Richtung senkrecht steht, gemessen wird. Auf der Oberseite des Trägers 101 kann, falls erforderlich, eine elektrisch isolierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet werden, beispielsweise mit oder aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid.
• Wie gezeigt ist der Antriebsring 20 über zwei erste Torsionsfederelemente 41 mit dem Spiegelelement 10 verbunden, die entlang einer Geraden entlang der ersten Richtung an zwei gegenüber liegenden Seiten des Spiegelelements 10 angeordnet sind. Weiterhin ist der Antriebsring 20 über zwei zweite Torsionsfederelemente 42 mit dem Rahmenelement 30 verbunden, die entlang einer Geraden entlang der zweiten Richtung an zwei gegenüber liegenden Seiten des Antriebsrings 20 angeordnet sind. Damit ist die Aufhängung des Spiegelelements 10 am Antriebsring 20 um 90° gedreht zur Aufhängung des Antriebsrings 20 am Rahmenelement 30.
• Das Spiegelelement 10 weist einen Spiegelbereich 11 und einen den Spiegelbereich 11 umgebenden Randbereich 12 auf, der durch zwei Durchbrüche 13, die im Rahmen der vorab beschriebenen Ausbildung des Spiegelelements 10 durch Ätzen erzeugt werden, teilweise vom Spiegelbereich 11 getrennt und bevorzugt damit mechanisch zumindest teilweise entkoppelt ist. Das Spiegelelement 10 und der Spiegelbereich 11 weisen wie gezeigt bevorzugt eine kreisrunde Grundform auf, so dass die Durchbrüche 13 die Form von Kreisbögen aufweisen. Die zwei Durchbrüche 13 sind sich entlang der ersten Richtung gegenüber liegend ausgebildet. Der Randbereich 12 ist über zwei Verbindungsbereiche 14 mit dem Spiegelbereich 11 verbunden, so dass die zwei Durchbrüche 13 durch die zwei Verbindungsbereiche 14, die entlang der zweiten Richtung an zwei gegenüber liegenden Seiten des Spiegelbereichs 11 angeordnet sind, voneinander getrennt sind und so dass die Verbindungsbereiche um 90° gedreht zu den ersten Torsionsfederelementen 41 ausgerichtet sind.
• Auf dem Antriebsring 20, den zweiten Torsionsfederelementen 42 und teilweise auf dem Rahmenelement 30 werden zusammenhängend die erste Elektrode 51 und die piezoelektrische Schicht 50 aufgebracht, wie in den 2C und 2D zu erkennen ist. Damit der Teil der ersten Elektrode 51 auf dem Antriebsring 20 über den Teil der ersten Elektrode 51 auf dem Rahmenelement 30 von außen kontaktiert werden kann, werden Kontaktelemente 53 in Form von Aussparungen in der piezoelektrischen Schicht 50 vorgesehen, wie in 2D angedeutet ist.
• Auf der piezoelektrischen Schicht 50 wird, wie in 2E gezeigt ist, auf dem Antriebsring 20 die zweite Elektrode 52 aufgebracht. Die zweite Elektrode 52 ist in eine Mehrzahl von Ansteuerbereichen strukturiert, die, wie weiter unten erläutert ist, zumindest in erste und zweite Ansteuerbereiche eingeteilt werden können, so dass die zweite Elektrode 52 eine Mehrzahl von voneinander unabhängig ansteuerbaren Bereichen aufweist. Zur elektrischen Kontaktierung der Ansteuerbereiche der zweiten Elektrode 52 werden auf dem Rahmenelement 30 weitere Kontaktbereiche 53 aufgebracht, die über Leiterbahnen 54, die ebenfalls auf der piezoelektrischen Schicht 50 aufgebracht werden, mit den Antriebsbereichen elektrisch leitend verbunden sind.
• Weiterhin wird, wie ebenfalls in 2E zu erkennen ist, auf dem Spiegelbereich 11 eine reflektierende Beschichtung 15 aufgebracht, die bevorzugt eine metallische Beschichtung ist. Weiterhin ist beispielsweise auch eine dielektrische Beschichtung, etwa ein Bragg-Spiegel, möglich. Der Randbereich 12 und die Verbindungsbereiche 13 bleiben frei von der reflektierenden Beschichtung 15.
• Die ersten Torsionsfederelemente 41 und die zweiten Torsionsfederelemente 42 sind als sogenannte Torsionsbalken ausgebildet und weisen eine länglichen Form mit einer Längsrichtung auf, die entlang der ersten Richtung im Fall der ersten Torsionsfederelemente 41 und entlang der zweiten Richtung im Fall der zweiten Torsionsfederelemente 42 verläuft. Im Betrieb des Spiegelbauelements 100 können die Torsionsfederelemente 41, 42 jeweils eine Torsionsbewegung um eine Drehachse ausführen, wobei die Drehachse bevorzugt im Wesentlichen der Längsrichtung des jeweiligen Torsionsfederelements 41, 42 entspricht. Wird das Spiegelelement 10 relativ zum Antriebsring 20 um die durch die ersten Torsionsfederelemente 41 definierte erste Drehachse verdreht, können die ersten Torsionsfederelemente 41 bevorzugt eine linear vom Drehwinkel abhängige Rückstellkraft auf das Spiegelelement 10 ausüben. Wird der Antriebsring 20 und damit auch das Spiegelelement 10 relativ zum Rahmenelement 30 um die durch die zweiten Torsionsfederelemente 42 definierte zweite Drehachse verdreht, können die zweiten Torsionsfederelemente 42 bevorzugt eine linear vom Drehwinkel abhängige Rückstellkraft auf den Antriebsring 20 ausüben.
• Auf dem Antriebsring 20 bilden die erste Elektrode 51, die piezoelektrische Schicht 50 und jeder der Ansteuerbereiche der zweiten Elektrode 52 voneinander unabhängig ansteuerbare piezoelektrische Elemente. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der ersten Elektrode 51 und zumindest einem Ansteuerbereich der zweiten Elektrode 52 kann über den inversen Piezoeffekt eine mechanische Verformung der piezoelektrischen Schicht 50 und damit des Antriebsrings 20 in einem Teilbereich erreicht werden, wodurch auf den Antriebsring 20 und/oder das Spiegelelement 10 eine Kraft ausgeübt werden kann. Durch Anlegen eines Wechselstromsignals mit einer oszillierenden elektrischen Spannung kann eine oszillierende Kraft ausgeübt werden, die eine oszillierende Verformung bewirken kann. Dadurch kann zumindest ein Teil des Spiegelbauelements 100 in Schwingungen versetzt werden. Die 3A und 3B zeigen hierzu schematische Darstellungen Ansteuerschemata für Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Betrieb des piezoelektrischen Spiegelbauelements 100 gemäß der 1A und 1B. Der Übersichtlichkeit halber sind in den 3A und 3B nur die Ansteuerbereiche der zweiten Elektrode mit Bezugszeichen versehen. Im Folgenden genannte, nicht in den 3A und 3B gezeigte Bezugszeichen beziehen sich auf die 1A bis 2E.
• Durch eine Ansteuerung der in 3A gekennzeichneten ersten Ansteuerbereiche 521 mit einem ersten Wechselstromsignal mit einer ersten Frequenz und der ersten Ansteuerbereiche 521` mit dem ersten Wechselstromsignal mit der ersten Frequenz, aber einer um 180° verschobenen Phasenlage, kann das Spiegelelement 10 in einer erste Torsionsschwingung relativ zum Antriebsring 20 um die durch die ersten Torsionsfederelemente 41 gebildete erste Drehachse versetzt werden. Durch eine Ansteuerung der in 3B gekennzeichneten zweiten Ansteuerbereiche 522 mit einem zweiten Wechselstromsignal mit einer zweiten Frequenz und der zweiten Ansteuerbereiche 522` mit dem zweiten Wechselstromsignal mit der zweiten Frequenz, aber einer um 180° verschobenen Phasenlage, kann der Antriebsring 20 und damit auch das Spiegelelement 10 in einer zweite Torsionsschwingung relativ zum Rahmenelement 30 um die durch die zweiten Torsionsfederelemente 42 gebildete zweite Drehachse versetzt werden.
• Insbesondere erfolgt die Ansteuerung mit dem ersten Wechselstromsignal und die Ansteuerung mit dem zweiten Wechselstromsignal gleichzeitig, so dass das Spiegelelement 10 und der Antriebsring 20 die besagten Torsionsschwingungen gleichzeitig ausführen, so dass das Spiegelelement 10 relativ zum Antriebsring 20 um die erste Drehachse mit der ersten Frequenz oszilliert und gleichzeitig der Antriebsring 20 zusammen mit dem Spiegelelement 10 relativ zum Rahmenelement 30 um die zweite Drehachse mit der zweiten Frequenz oszilliert. Die erste Frequenz und die zweite Frequenz können besonders bevorzugt Resonanzfrequenzen der Torsionsschwingungen sein oder zumindest nahe bei einer jeweiligen Resonanzfrequenz liegen, die abhängig von den geometrischen Ausgestaltungen der Elemente des Spiegelbauelements sind. Besonders bevorzugt sind die erste Frequenz und die zweite Frequenz unterschiedlich. Durch die um 90° gedrehte Anordnung der ersten Drehachse zur zweiten Drehachse können die erste und zweite Torsionsschwing bevorzugt mechanisch entkoppelt sein.
• Unterschiedliche Resonanzfrequenzen können insbesondere durch die gezeigte nicht-kreisrunde Ausgestaltung des Antriebsrings 40 sowie durch die Tatsache erreicht werden, dass die erste Torsionsschwingung nur durch das Spiegelelement 10 ausgeführt wird, während die zweite Torsionsschwingung durch den Antriebsring 20 zusammen mit dem Spiegelelement 10 ausgeführt wird. Der Antriebsring 20 weist, wie in den 1A bis 2E zu erkennen ist, einen ersten Durchmesser entlang der ersten Richtung und einen zweiten Durchmesser entlang der zweiten Richtung auf, wobei der erste Durchmesser verschieden zum zweiten Durchmesser ist. Insbesondere ist der erste Durchmesser im gezeigten Ausführungsbeispiel größer als der zweite Durchmesser. Besonders bevorzugt weist der Antriebsring 20 wie gezeigt eine elliptische Form oder zumindest eine an eine elliptische Form angenäherte Form auf.
• Der Antriebsring 20 wird durch einen inneren Rand, der dem Spiegelelement 10 zugewandt ist, und einen gegenüber liegenden äußeren Rand in Richtungen entlang der durch die erste und zweite Richtung aufgespannte Ebene begrenzt, wobei der innere und der äußere Rand jeweils eine elliptische Form aufweisen oder zumindest an eine elliptische Form angenähert sein können. Die Form des äußeren Rands kann durch den vorab erwähnten ersten und zweiten Durchmesser definiert sein, die somit ein erster und zweiter Außendurchmesser des Antriebsrings 20 sind. Der innere Rand weist ebenfalls einen ersten und einen zweiten Durchmesser auf, die somit ein erster und zweiter Innendurchmesser des Antriebsrings 20 sind, wobei der erste Innendurchmesser entlang der ersten Richtung und der zweite Innendurchmesser entlang der zweiten Richtung verläuft. Das Verhältnis des ersten Außendurchmessers zum zweiten Außendurchmesser kann gleich oder unterschiedlich zum Verhältnis des ersten Innendurchmessers zum zweiten Innendurchmesser sein. Sind die Verhältnisse unterschiedlich, so kann wie gezeigt der Antriebsring 20 entlang der ersten Richtung eine erste Breite und entlang der zweiten Richtung eine zweite Breite aufweisen, wobei die erste Breite verschieden von der zweiten Breite ist. Beispielsweise kann die erste Breite wie gezeigt kleiner als die zweite Breite sein.
• In den 4A bis 5E sind Simulationsuntersuchungen zum piezoelektrischen Spiegelbauelement 100 gemäß der vorher beschriebenen Figuren gezeigt.
• Hierfür wurden die folgenden bevorzugten Parameter für das Spiegelbauelement angenommen:
• - Durchmesser des Spiegelelements: 1,7 mm
• - Erster Außendurchmesser des Antriebsrings 20, d.h. größerer Außendurchmesser: 5,7 mm
• - Abstand der am Rahmenelement 30 angrenzenden Enden der zweiten Torsionsfederelemente 42: 6,4 mm
• - Dicke der beweglichen Teile des piezoelektrischen Spiegelbauelements, also der Elemente innerhalb der Aussparung 31: 175 um
• - Dicke der piezoelektrischen Schicht: 1 µm
• - angenommene Dämpfung: 10^-4
• - Spannung der Wechselstromsignale: ± 2 V
• - quadratischer Querschnitt der Torsionsfederelemente 41, 42, d.h. Dicke gleich Breite
• - Vernachlässigung des ESR („equivalent series resistance“, äquivalenter Serienwiderstand)
• In den 4A und 4B ist in einer dreidimensionalen Ansicht und in einer seitlichen Ansicht entlang der ersten Richtung eine relative Verdrehung des Spiegelelements 10 zum Antriebsrings 20 aufgrund der in Verbindung mit der 3A beschriebenen Ansteuerung für die erste Torsionsschwingung gezeigt.
• In 4C sind Diagramme für Simulationen zur Untersuchung der mechanischen Performance (oberes Diagramm) und der elektrischen Performance (unteres Diagramm) in Abhängigkeit von der ersten Frequenz des angelegten ersten Wechselstromsignals gezeigt. Für die mechanische Performance wurden der mechanische halbe Scanwinkel, also der durch die Torsionsschwingung maximal erreichbare Drehwinkel des Spiegelelements nach einer Seite aus der Neutralstellung, und die Phasenverzögerung zwischen dem anregenden ersten Wechselstromsignal und der Schwingungsbewegung des Spiegelelements untersucht. Für die elektrische Performance wurden der Betrag und die Phase des komplexen Widerstands untersucht. In den Graphen ist mittels der Pfeile angedeutet, welche vertikale Achse sich auf welche Kurve bezieht. Wie aus den Diagrammen ersichtlich ist, liegt die Resonanzfrequenz der ersten Torsionsschwingung bei 28,4 kHz. Die Diagramme deuten auf eine rein harmonische Schwingung und somit auf eine reine Torsionsschwingungsmode hin ohne wesentliches nicht-lineares Verhalten, und es zeigt sich insbesondere kein Hysterese-Verhalten. Der Antriebsring weist eine lediglich sehr geringe, insbesondere vernachlässigbare, Bewegung auf. Das auf Resonanz erreichbare optische Blickfeld (FoV, „field of view“) für die gewählten Parameter liegt bei etwa 60°, was einem mechanischen halben Scanwinkel von etwa 15° entspricht. Durch ein leichtes Detuning der ersten Frequenz von der Resonanzfrequenz kann gegebenenfalls eine Reduktion des FoV erreicht werden.
• In den 4D und 4E sind, basierend auf Simulationen, die Verwindung der Oberfläche des Spiegelelements, angedeutet durch einen Versatz in Mikrometer, und die mechanische Belastung des Spiegelbauelements in GPa bei der ersten Torsionsschwingung mit der Resonanzfrequenz gezeigt. Die Verwindung der Spiegelfläche während der Schwingung liegt im Bereich von ± 250 nm, wobei die höchsten Werte lediglich in der Nähe der Verbindungsbereiche auftreten. Die Belastung für ein FoV von 60° auf Resonanz erreicht maximale Werte von etwa 2,5 GPa in den ersten Torsionsfederelementen. Derartige Werte sind für Silizium vertretbar. Durch Reduzierung des FoV, beispielsweise um ein Drittel auf etwa 40°, können die Verwindung und die Belastung weiter gesenkt werden, da die Größe beider Effekte proportional zum Scanwinkel sind.
• In den 5A bis 5E sind, entsprechend den 4A bis 4E, Ergebnisse aus Simulationen für die in Verbindung mit der 3B beschriebene Ansteuerung für die zweite Torsionsschwingung gezeigt, wobei in 5B im Vergleich zur 4B eine Ansicht entlang der zweiten Richtung gezeigt ist. Für die zweite Torsionsschwingung ergibt sich eine Resonanzfrequenz von 5,85 kHz, wobei die zweite Torsionsschwingung ebenfalls eine reine Torsionsschwingungsmode um die zweiten Torsionsfederelemente ohne Hysterese-Verhalten ist. Der Ansteuerring bewegt sich hierbei zusammen mit dem Spiegelelement, so dass eine Ablenkung eines Laserstrahls erreicht werden kann, die zur in Verbindung mit den 4A bis 4E beschriebenen Ablenkung senkrecht steht, so dass mittels der ersten und zweiten Torsionsschwingung ein Lissajous-Scanning möglich ist. Das erreichbare FoV beträgt bei den gewählten Parametern 36°, was einem mechanischen halben Scanwinkel von 9° entspricht. Die Verwindung der Spiegelfläche während der Schwingung liegt im Bereich von ± 50 nm, wobei die höchsten Werte lediglich in den Randbereichen des Spiegelelements und nicht auf der Spiegelfläche auftreten. Die Belastung für ein FoV von 36° auf Resonanz erreicht maximale Werte von etwa 1,5 GPa in den zweiten Torsionsfederelementen. Derartige Werte sind in einem akzeptablen Bereich für Silizium, so dass für die zweite Torsionsschwingung ein FoV von 36° möglich ist.
• In der folgenden Tabelle 1 sind die Ergebnisse der in Verbindung mit den 4A bis 5E diskutierten Simulationen noch einmal zusammengefasst: Tabelle 1

  Torsionsschwingung	erste (schnelle Mode)	zweite (langsame Mode)
  Scanrichtung	y (d.h. parallel zur zweiten Richtung)	x (d.h. parallel zur ersten Richtung)
  Resonanzfrequenz (kHz)	28,4	5,85
  Field of View (°)	60	36
  Maximale Belastung (GPa)	2,5	1,5
  Verwindung (nm)	± 250 nm	±50 nm

• Während also die ersten Torsionsfederelemente eine vergleichsweise schnelle reine Torsionsschwingungsmode des Spiegelelements ermöglichen, ermöglichen die zweiten Torsionsfederelemente eine im Vergleich dazu langsamere ebenfalls reine Torsionsschwingungsmode des Antriebsrings zusammen mit dem Spiegelelement. Beide Schwingen sind frei von nicht-linearem Verhalten und Hysterese.
• In Verbindung mit den nachfolgenden Figuren sind weitere Ausführungsbeispiele beschrieben, die Modifikationen des in Verbindung mit den vorherigen Figuren erläuterten Spiegelbauelements darstellen. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich daher im Wesentlichen auf die Unterschiede zur vorherigen Beschreibung.
• In den 6A und 6B sind schematische Darstellungen eines piezoelektrischen Spiegelbauelements 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei die Ansichten in den 6A und 6B denen in den 1A und 1B entsprechen. Die 7A bis 7E zeigen schematische Darstellungen von Verfahrensschritten eines Verfahrens zur Herstellung des piezoelektrischen Spiegelbauelements 100 gemäß der 6A und 6B, wobei die Ansichten der 7A bis 7E denen in den 2A bis 2E entsprechen. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich gleichermaßen auf die 6A und 6B und die 7A bis 7E.
• Im Vergleich zum in Verbindung mit den 1A bis 2E beschriebenen Spiegelbauelement weist das Spiegelbauelement 100 der 6A bis 7E zusätzlich auf dem Rahmenelement 30 einen Aktuationsbereich 33 des Rahmenelements 30 auf, der von einem Randteil 32 des Rahmenelements 30 umgeben ist. Der Aktuationsbereich 33 grenzt unmittelbar an die Aussparung 31 an, die wie gezeigt beispielsweise sechseckig sein kann, und weist wie die beweglichen Komponenten des Spiegelbauelements 100, die in der Aussparung 31 angeordnet sind, eine geringere Dicke als der Randteil 31 auf. Weiterhin wird der Aktuationsbereich 33 mittels mehrerer Durchbrüche 34 teilweise vom Randteil 32 getrennt.
• Die zweite Elektrode 52 ist zusätzlich zum Antriebsring 20 auch auf dem Rahmenelement 30 im Aktuationsbereich 33 aufgebracht und in eine Mehrzahl von Ansteuerbereichen strukturiert. Dadurch können zusätzlich zu den Ansteuerbereichen auf dem Antriebsring 20 weitere Ansteuerbereiche auf dem Rahmenelement 30 vorgesehen werden, durch die bei einer geeigneten Ansteuerung, die weiter unten beschrieben wird, eine Kraft insbesondere auf den Antriebsring 20 ausgeübt werden kann. Durch die gezeigte größere Bauform mit dem zusätzlichen Aktuationsbereich 33 kann somit im Vergleich zum vorherigen Ausführungsbeispiel ein zusätzlicher oder alternativer Antrieb für die zweite Torsionsschwingung des Antriebsrings 20 ermöglicht werden.
• Wie in 7A gezeigt ist, wird zur Herstellung des in den 6A und 6B gezeigten Spiegelbauelements 100 ein größerer Bereich 102 des Trägers 101 von der Unterseite her gedünnt. Der Bereich 102 entspricht dabei dem Bereich, in dem das Spiegelelement 10, der piezoelektrische Antriebsring 20, das Rahmenelement 30, die Torsionsfederelemente 41, 42 sowie der Aktuationsbereich 33 angeordnet sind. Zur Ausbildung des Spiegelelements 10, des Antriebsrings 20, der Torsionsfederelemente 41, 42 und des Aktuationsbereich 33 im Bereich 102 wird der Träger, wie in 7B gezeigt ist, durchgeätzt und strukturiert, so dass im Rahmenelement 30 zusätzlich zu den Komponenten in der Aussparung 31 die Durchbrüche 34 erzeugt werden. Der nicht-gedünnte Teil des Rahmenelements 30, der das Spiegelelement 10, den piezoelektrischen Antriebsring 20, die Torsionsfederelemente 41, 42, den Aktuationsbereich 33 und die Durchbrüche 34 umgibt, bildet den Randteil 32, wobei alle genannten Komponenten einstückig ausgebildet sind. Die in den 7C bis 7E gezeigten Verfahrensschritte entsprechen den in Verbindung mit den 2C bis 2E beschriebenen Verfahrensschritten, wobei die erste Elektrode 51, die piezoelektrische Schicht 50 und die zweite Elektrode 52 zur Ausbildung von zusätzlichen piezoelektrischen Elementen auch im Aktuationsbereich 33 des Rahmenelements 30 aufgebracht werden. Die Kontaktelemente 53 sind vom Aktuationsbereich 33 durch die Durchbrüche 34 getrennt und sind auf dem Randteil 32 angeordnet. Dadurch sind die Kontaktelemente 53 vom Aktuationsbereich 33 mechanisch zumindest teilweise entkoppelt.
• Wie in Verbindung mit den 3A und 3B erläutert, bilden die erste Elektrode 51, die piezoelektrische Schicht 50 und jeder der Ansteuerbereiche der zweiten Elektrode 52 auf dem Antriebsring 20 und dem Rahmenelement 30 voneinander unabhängig ansteuerbare piezoelektrische Elemente. In den 8A bis 8E sind schematische Darstellungen von beispielhafte Ansteuerschemata über erste und zweite Ansteuerbereiche 521, 521', 522, 522' für ein Verfahren zum Betrieb des piezoelektrischen Spiegelbauelements 100 gemäß der 6A bis 7E gezeigt.
• In den 8A bis 8C sind erste Ansteuerbereiche 521 und 521` gekennzeichnet, wobei die ersten Ansteuerbereiche 521 mit einem ersten Wechselstromsignal mit einer ersten Frequenz und die ersten Ansteuerbereiche 521` mit dem ersten Wechselstromsignal mit der ersten Frequenz, aber einer um 180° verschobenen Phasenlage, angesteuert werden, um das Spiegelelement 10 in eine erste Torsionsschwingung relativ zum Antriebsring 20 um die durch die ersten Torsionsfederelemente 41 gebildete erste Drehachse zu versetzen. In den 8D und 8E sind entsprechend zweite Ansteuerbereiche 522 und 522` gekennzeichnet, wobei die zweiten Ansteuerbereiche 522 mit einem zweiten Wechselstromsignal mit einer zweiten Frequenz und die zweiten Ansteuerbereiche 521` mit dem zweiten Wechselstromsignal mit der zweiten Frequenz, aber einer um 180° verschobenen Phasenlage, angesteuert werden, um den Antriebsring 20 zusammen mit dem Spiegelelement 10 in eine zweite Torsionsschwingung relativ zum Rahmenelement 30 um die durch die zweiten Torsionsfederelemente 42 gebildete zweite Drehachse zu versetzen. Hierbei können insbesondere das Ansteuerschema der 8A in Kombination mit dem Ansteuerschema der 8D sowie eines der Ansteuerschemata der 8B und 8C in Kombination mit dem Ansteuerschema der 8E verwendet werden, so dass die Ansteuerbereiche der zweiten Elektrode 52 eindeutig einer der beiden Torsionsschwingungen zugeordnet werden können.
• In den 9A bis 12E sind Simulationsuntersuchungen wie die in Verbindung mit den 4A bis 5E erläuterten gezeigt, wobei zusätzlich zu den oben in Verbindung mit den 4A bis 5E angenommenen bevorzugten Parametern die Abmessung des Spiegelbauelements einschließlich dem Rahmenelement mit etwa 11 × 8 mm² angenommen wurde. Alle Simulationsuntersuchungen ergaben reine Torsionsschwingungsmoden ohne Hysterese-Verhalten.
• Die 9A bis 9E beziehen sich auf die in 8A gezeigte Ansteuerung zur Erzeugung der ersten Torsionsschwingung. Für diese ergeben sich eine Resonanzfrequenz von 24,39 kHz und ein FoV von etwa 42°, was einem mechanischen halben Scanwinkel von etwa 10,7° entspricht. Die Verwindung des Spiegelbereichs während der Schwingung beträgt ± 23,8 nm, die mechanische Belastung ist ausreichend gering.
• Die 10A bis 10E beziehen sich auf die in 8B gezeigte Ansteuerung zur Erzeugung der ersten Torsionsschwingung. Die Resonanzfrequenz, die durch die mechanischen Randbedingungen definiert ist, beträgt wie im Fall der 8A 24,39 kHz, jedoch wird ein FoV von 48° erreicht, was einem mechanischen halben Scanwinkel von 12° entspricht. Die Verwindung der Spiegelfläche während der Schwingung beträgt ± 26,8 nm, die mechanische Belastung ist ausreichend gering.
• Die 11A bis 11E beziehen sich auf die in 8D gezeigte Ansteuerung zur Erzeugung der zweiten Torsionsschwingung. Für diese ergeben sich eine Resonanzfrequenz von 4,88 kHz und ein FoV von etwa 75°, was einem mechanischen halben Scanwinkel von etwa 18,7° entspricht. Die Verwindung des Spiegelbereichs während der Schwingung beträgt ± 7,6 nm, die mechanische Belastung ist ausreichend gering.
• Die 12A bis 12E beziehen sich auf die in 8E gezeigte Ansteuerung zur Erzeugung der zweiten Torsionsschwingung. Für diese ergeben sich wiederum eine Resonanzfrequenz von 4,88 kHz und ein FoV von etwa 45°, was einem mechanischen halben Scanwinkel von etwa 11,4° entspricht. Die Verwindung des Spiegelbereichs während der Schwingung beträgt ± 4,5 nm, die mechanische Belastung ist ausreichend gering.
• In den 13A und 13B sind schematische Darstellungen eines piezoelektrischen Spiegelbauelements 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt, das eine Modifikation des in Verbindung mit den 6A bis 7E beschriebenen Spiegelbauelements bildet. Die 14A bis 14E zeigen schematische Darstellungen von Verfahrensschritten eines Verfahrens zur Herstellung des piezoelektrischen Spiegelbauelements 100 gemäß der 13A und 13B und entsprechen den in Verbindung mit den 7A bis 7E beschriebenen Verfahrensschritten. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich gleichermaßen auf die 13A und 13B und die 14A bis 14E.
• Im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der 6A bis 7E weist das in den 13A bis 14E gezeigte Ausführungsbeispiel für das Spiegelbauelement 100 einen kleineren Aktuationsbereich 33 mit eher rechteckigen Formen auf. Die Aussparung 31 ist in diesem Ausführungsbeispiel viereckig und bevorzugt quadratisch ausgebildet.
• In 15 ist eine schematische Darstellungen eines beispielhaften Ansteuerschemas über zweite Ansteuerbereiche 522, 522` für ein Verfahren zum Betrieb des piezoelektrischen Spiegelbauelements 100 gemäß der 13A bis 14E gezeigt, wobei die zweiten Ansteuerbereiche 522 mit einem zweiten Wechselstromsignal mit einer zweiten Frequenz und die zweiten Ansteuerbereiche 522` mit dem zweiten Wechselstromsignal mit der zweiten Frequenz, aber einer um 180° verschobenen Phasenlage, angesteuert werden, um den Antriebsring 20 zusammen mit dem Spiegelelement 10 in eine zweite Torsionsschwingung relativ zum Rahmenelement 30 um die durch die zweiten Torsionsfederelemente 42 gebildete zweite Drehachse zu versetzen. Zur Erzeugung der ersten Torsionsschwing kann beispielsweise das in 8A gezeigte Ansteuerschema verwendet werden.
• In den 16A bis 16E sind Simulationsuntersuchungen wie die in Verbindung mit den 4A bis 5E erläuterten gezeigt, die sich auf die in 15 angedeutete Ansteuerung beziehen. Die Simulationsuntersuchungen ergaben eine reine Torsionsschwingungsmode ohne Hysterese-Verhalten für die untersuchte zweite Torsionsschwingung. Diese weist eine Resonanzfrequenz von 5,51 kHz und ein FoV von 67° auf, was einem mechanischen halben Scanwinkel von etwa 17,8° entspricht. Die Verwindung des Spiegelbereichs während der Schwingung beträgt ± 7,6 nm, die mechanische Belastung ist ausreichend gering.
• Das vorab gemäß einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele beschriebene piezoelektrische Spiegelbauelement weist Piezo-Dünnschichtelemente auf, mittels derer das Spiegelelement in der ersten Richtung und in der zweiten Richtung jeweils resonant betrieben wird. Das Ergebnis ist ein sogenanntes Lissajous-Scanning. Dies ermöglicht im Vergleich zum Raster-Scanning eine höhere Bildauflösung bei gleicher Resonanzfrequenz für die schnelle Ablenkungsachse, also in den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen für die erste Drehachse. Folgende Parameter, die sich aus der geforderten Bildauflösung und Wiederholfrequenz ergeben, können je nach Anwendung gezielt eingestellt werden:
• - Durchmesser des Spiegelelements
• - Maximaler Ablenkwinkel in den jeweiligen orthogonalen Ablenkrichtungen. Mit dem Durchmesser des Spiegels als Apertur ergibt sich die beugungsbegrenzte Bildauflösung.
• - Betriebsfrequenz in der jeweiligen Richtung. Daraus ergeben sich die Bildauflösung und Bildwiederholrate, die sich durch Feinjustage des Frequenzverhältnisses der beiden Richtungen gegeneinander abwägen lassen.
• - Ebenheit des Spiegels in jedem Betriebspunkt, um Abbildungsfehler, Pixelverschmierung und Specklemuster zu vermeiden.
• - Das Spiegelelement sollte durch eine geeignete Wahl der Amplituden der Wechselstromsignale um beide Drehachsen harmonisch schwingen, so dass keine Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Amplitude vorhanden ist, um ein stabiles Frequenzverhältnis zu gewährleisten.
• - Die Resonanzen des Spiegelelements sollten eine nicht zu geringe Bandbreite aufweisen, um die oben erwähnte Feinjustage zu ermöglichen.
• - Kompakte Bauform
• - Schockresistenz
• Insbesondere kann das hier beschriebene Spiegelbauelement ein 2D-Design bieten, das alle Anforderungen für eine Auflösung von 1024 × 768 Bildpunkten ausreichend erfüllen kann. Das Spiegelbauelement kann besonders bevorzugt eine oder mehrere oder alle der nachfolgend genannten Eigenschaften aufweisen:
• - Torsionsschwingungen für beide Richtungen, um eine harmonische Schwingung auch für größere Amplituden zu gewährleisten
• - Eine gleiche Dicke für alle beweglichen Teile, um einen hohen Prozessaufwand zu vermeiden
• - Die beiden Frequenzen sind deutlich unterschiedlich. Dadurch kann die Aufhängung des Spiegelelements für eine Richtung optimiert werden. Dadurch kann weiterhin die Dicke etwas reduziert werden.
• - Aus dem gewünschten Spiegelelementdurchmesser, der Aufhängung, der gewünschten Frequenz und der geforderten Ebenheit ergibt sich in Verbindung mit dem Material die Dicke.
• - Die Dimensionierung der ersten Torsionsfederelemente ergibt sich aus dem bereits definierten eigentlichen Spiegelelement, aus der geforderten Frequenz und Auslenkung und aus der Belastbarkeit des Materials.
• - Die zweiten Torsionsfederelemente sind außerhalb des Antriebsrings angebracht und bevorzugt um 90° zu den ersten Torsionsfederelementen gedreht.
• - Der Antrieb für die zweite Torsionsschwingung ist bevorzugt auch auf dem beweglichen Antriebsring. Dies hat den Vorteil einer kompakten Bauform, außerdem wird durch das Trägheitsmoment des Antriebrings die Frequenz abgesenkt.
• Weiterhin kann das hier beschriebene piezoelektrische Spiegelbauelement einen oder mehrere der nachfolgend genannten Vorteile aufweisen:
• - Beide Schwingungen sind über Torsionsfederelemente realisiert, das heißt, dass auch für hohe Auslenkungen die Schwingung harmonisch ist. Dies vermeidet die Anharmonie, die bei vielen anderen Designs durch Verbiegung der Aufhängung verursacht wird, wie z.B. bei den sogenannten „Quad-Pod“-Designs.
• - Die zweiten Torsionsfederelemente für die langsamere Schwingung sind außerhalb des Antriebsrings angeordnet. Dieser wird mitbewegt. Dies erlaubt es, den Antrieb für die erste Torsionsschwingung zu optimieren, ohne wesentlich die Eigenschaften der zweiten Torsionsschwingung zu beeinflussen.
• - Beide Schwingungen können sich einen Antriebsring teilen. Daraus ergibt sich eine sehr kompakte Bauform.
• - Durch die elliptische Symmetrie des Antriebsrings hat man mehr Freiheitsgerade, um die Eigenschaften, insbesondere die Frequenzen und Ablenkwinkel, der beiden orthogonalen Torsionsschwingungen separat einzustellen. Zum Beispiel kann die Elliptizität des Antriebringes optimiert werden, um die beste Ansteuerung der ersten Torsionsschwingung zu erhalten.
• In einer besonders bevorzugten Ausführung weist das Spiegelbauelement folgende Eigenschaften auf, mit denen bevorzugt eine Auflösung von 1024 × 768 Pixeln mit einer Vollbild-Wiederholrate von knapp 50 Hz erreicht werden kann:
• - Material: Silizium
• - Metall der ersten Elektrode: Platin
• - Metall der zweiten Elektrode: Gold
• - Metall der reflektierenden Beschichtung: Aluminium
• - Dicke des Siliziums: 175 µm
• - Durchmesser der Spiegelbereichs mit der reflektierenden Beschichtung: 1,7 mm
• - Torsionsfederelemente: 175 µm breit, 1 mm lang
• - Antriebsring: 0,7 bis 0,95 mm breit.
• - Material der piezoelektrischen Schicht: PZT mit einer Dicke in einem Bereich von 1 bis 2 um.
• In 17 ist eine schematische Darstellung einer Projektionsvorrichtung 1000 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt, die ein piezoelektrisches Spiegelbauelement 100 gemäß der vorherigen Beschreibung aufweist. Weiterhin weist die Projektionsvorrichtung eine Laserlichtquelle 200 auf, die im Betrieb Laserlicht 201 abstrahlt.
• Beispielsweise kann es sich bei der Laserlichtquelle 200 um eine so genannte RGB-Lichtquelle handeln, die rotes, grünes und blaues Laserlicht abstrahlen kann. Hierzu kann die Laserlichtquelle 200 beispielsweise drei entsprechend modulierbare Laserdioden oder Laserdiodengruppen aufweisen. Die Laserlichtstrahlen können beispielsweise in einem Strahlkombinierer 202 überlagert werden, so dass ein Strahl von kombiniertem Laserlicht 201`auf das piezoelektrische Spiegelbauelement 100 eingestrahlt und von diesem in den gewünschten Bildbereich reflektiert werden kann. Die Laserlichtquelle 200 kann beispielsweise über eine Lasersteuerelektronik 206 angesteuert werden, beispielsweise um das Laserlicht zeitlich in der Amplitude zu modulieren.
• Das piezoelektrische Spiegelbauelement 100 kann über eine Spiegelbauelement-Steuerelektronik 203 angesteuert werden, um beispielsweise die gewünschte Lissajous-Figur zu erzeugen, mit der der gewünschte Bildbereich abgescannt werden kann. Weiterhin kann eine Sensorelektronik 204 vorgesehen sein, um die Position und/oder die Frequenzen des Spiegelelements des Spiegelbauelements 100 bevorzugt in Echtzeit zu detektieren. Darüber hinaus kann eine Bildprozessierungselektronik 205 vorhanden sein, die beispielsweise die ganze Bilddarstellung steuert. Dies kann insbesondere der Konvertierung von Bildbeziehungsweise Filminformationen in Steuersignale für die Laserlichtquelle 200 und das Spiegelbauelement 100 einschließlich der zeitlichen Synchronisierung zwischen der Spiegelelement-Position und der Amplituden der unterschiedlichen Laser entsprechen.
• 18A bis 18D schematische Darstellungen von Maßnahmen zur Positions- und/oder Frequenzbestimmung von Komponenten eines piezoelektrischen Spiegelbauelements gemäß einigen Ausführungsbeispielen. Diese Maßnahmen können in Verbindung mit einem Verfahren zum Betrieb des Spiegelbauelements vorgesehen sein. Beispielsweise können solche Maßnahmen in Verbindung mit der vorab beschriebenen Sensorelektronik 204 vorgesehen sein.
• Beispielsweise können während des Betriebs des piezoelektrischen Spiegelbauelements 100 im ersten Wechselstromsignal die zweite Frequenz und im zweiten Wechselstromsignal die erste Frequenz gemessen werden. Wie in 18A angedeutet ist, kann dies beispielsweise durch Verwendung geeigneter Frequenzfilter 71 in den Antriebszuleitungen 70 erreicht werden, so dass keine zusätzlichen Leitungen nötig sind.
• Weiterhin kann es auch möglich sein, wie in 18B angedeutet ist, dritte Ansteuerbereiche 523 zusätzlich zu den ersten und zweiten Ansteuerbereichen vorzusehen, in denen ein piezoelektrisches Signal über den piezoelektrischen Effekt gemessen werden kann. Die dritten Ansteuerbereiche 523 können insbesondere an geeigneten Positionen vorgesehen sein, so dass ein gutes Signal erzielt werden kann.
• Darüber hinaus kann es auch möglich sein, dass erste und/oder zweite Ansteuerbereiche vorhanden sind, die in einem Zeitmultiplexverfahren wechselweise zum Antrieb des Spiegelelements oder des Antriebsrings und zur Messung eines piezoelektrischen Signals verwendet werden. Hierzu können also, wie in 18C angedeutet ist, beispielsweise zumindest einige erste oder zweite Ansteuerbereiche 521, 521', 522, 522` vorhanden sein, die gleichzeitig als dritte Ansteuerbereiche vorgesehen sind. Dies kann insbesondere bedeuten, dass der Antrieb und die Positionsbestimmung zu unterschiedlichen Zeiten durchgeführt werden. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Pulsweitenmodulation erreicht werden, wobei alternierend für eine bestimmte Anzahl an Perioden das Spiegelelement angetrieben und für eine kleinere Anzahl an Perioden die Messung durchgeführt wird. Aufgrund der großen mechanischen Güte verliert man dabei nur wenig Auslenkung des Spiegelelements.
• Weiterhin können zur Positions- und/oder Frequenzmessung, wie in 18D angedeutet ist, zumindest zwei Elektrodenelemente 61, 61', 62, 62` vorhanden sein, die einen Kondensator bilden, der bei einer Bewegung des Spiegelelements 10 oder des Antriebsrings 20 eine variable Kapazität aufweist, wobei die Kapazität des Kondensators gemessen wird. Die Elektrodenelemente 61, 61', 62, 62` können beispielsweise durch Leiterbahnenteile gebildet werden. Ein erstes Elektrodenelement 61 kann beispielsweise auf dem Rahmenelement 30 angeordnet sein, während ein zweites Elektrodenelement 62 auf dem Antriebsring 20 benachbart zum ersten Elektrodenelement 61 angeordnet ist. Bei einer Bewegung des Antriebsrings 20 relativ zum Rahmenelement 30 kann sich der Abstand zwischen den Elektrodenelementen 61, 62 ändern, wodurch sich die Kapazität des durch die Elektrodenelemente 61, 62 gebildeten Kondensators ändern kann. Entsprechend können weiterhin beispielsweise auch Elektrodenelemente auf dem Antriebsring 20 und dem Spiegelelement 10 angeordnet werden.
• Es kann auch möglich sein, beispielsweise zwei Elektrodenelemente 61', 62' auf gegenüber liegenden Seiten des Antriebsrings 20 auf dem Rahmenelement 30 anzuordnen. Der Antriebsring 20 kann dann bei einer Bewegung wie ein sich bewegendes Dielektrikum zwischen den Elektrodenelementen 61', 62` wirken. Entsprechend können auch zwei Elektrodenelemente auf dem Antriebsring 20 auf gegenüber liegenden Seiten des Spiegelelements 10 angeordnet sein.
• Bei solchen kapazitiven Messungen kann insbesondere auch der Nulldurchgang des Antriebsrings 20 und/oder des Spiegelelements 10 ermittelt werden. Um einen kapazitiven Kurzschluss zu vermeiden, kann die erste Elektrode geeignet strukturiert sein.
• Die in den in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
• Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
• Bezugszeichenliste

10

Spiegelelement

11

Spiegelbereich

12

Randbereich

13

Durchbruch

14

Verbindungsbereich

15

reflektierende Beschichtung

20

Antriebsring

30

Rahmenelement

31

Aussparung

32

Randteil

33

Aktuationsbereich

34

Durchbruch

41

erstes Torsionsfederelement

42

zweites Torsionsfederelement

50

piezoelektrische Schicht

51

erste Elektrode

52

zweite Elektrode

521, 521'

erster Ansteuerbereich

522, 522`

zweiter Ansteuerbereich

523

dritter Ansteuerbereich

53

Kontaktelement

54

Leiterbahn

61, 61'

Elektrodenelement

62, 62'

Elektrodenelement

70

Zuleitung

71

Frequenzfilter

100

piezoelektrisches Spiegelbauelement

101

Träger

102

Bereich

200

Laserlichtquelle

201, 201`

Laserlicht

202

Strahlkombinierer

203

Spiegelbauelement-Steuerelektronik

204

Sensorelektronik

205

Bildprozessierungselektronik

206

Lasersteuerelektronik

1000

Projektionsvorrichtung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• JP 5345102 B2 [0004]

Claims (20)

1. Piezoelektrisches Spiegelbauelement (100), aufweisend - ein Spiegelelement (10), - einen piezoelektrischer Antriebsring (20), der das Spiegelelement umgibt und über zumindest ein erstes Torsionsfederelement (41) mit dem Spiegelelement verbunden ist, - ein Rahmenelement (30), das über zumindest ein zweites Torsionsfederelement (42) mit dem Antriebsring verbunden ist, wobei der Antriebsring einen ersten Durchmesser entlang einer ersten Richtung und einen zweiten Durchmesser entlang einer zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung aufweist und der erste Durchmesser größer als der zweite Durchmesser ist.
2. Piezoelektrisches Spiegelbauelement nach Anspruch 1, wobei der Antriebsring eine elliptische Form aufweist.
3. Piezoelektrisches Spiegelbauelemente nach Anspruch 1 oder 2, wobei das zumindest eine erste Torsionsfederelement entlang der ersten Richtung angeordnet ist und das zumindest eine zweite Torsionsfederelement entlang der zweiten Richtung angeordnet ist.
4. Piezoelektrisches Spiegelbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Antriebsring über zwei erste Torsionsfederelemente mit dem Spiegelelement verbunden ist, die entlang einer Geraden an zwei gegenüber liegenden Seiten des Spiegelelements angeordnet sind, und der Antriebsring über zwei zweite Torsionsfederelemente mit dem Rahmenelement verbunden ist, die entlang einer Geraden an zwei gegenüber liegenden Seiten des Antriebsrings angeordnet sind.
5. Piezoelektrisches Spiegelbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - das Spiegelelement einen Spiegelbereich und einen den Spiegelbereich umgebenden Randbereich aufweist, der zweier Durchbrüche teilweise vom Spiegelbereich getrennt ist, und - der Randbereich über zwei Verbindungsbereiche mit dem Spiegelbereich verbunden ist.
6. Piezoelektrisches Spiegelbauelement nach Anspruch 5, wobei auf dem Spiegelbereich eine reflektierende Beschichtung aufgebracht ist und der Randbereich und die Verbindungsbereiche frei von der reflektierenden Beschichtung sind.
7. Piezoelektrisches Spiegelbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Rahmenelement den Antriebsring umgibt und eine das Rahmenelement durchdringende Aussparung aufweist, in dem der Antriebsring und das zumindest eine zweite Torsionsfederelement angeordnet sind.
8. Piezoelektrisches Spiegelbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Spiegelelement und der Antriebsring eine geringere Dicke als zumindest ein Randteil des Rahmenelements aufweist und das Rahmenelement, der Antriebsring, das Spiegelelement und die Torsionsfederelemente einstückig ausgebildet sind.
9. Piezoelektrisches Spiegelbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei auf dem Antriebsring einer erste Elektrode und eine in eine Mehrzahl von Ansteuerbereichen strukturierte zweite Elektrode aufgebracht ist und zwischen der ersten und zweiten Elektrode eine piezoelektrische Schicht angeordnet ist.
10. Piezoelektrisches Spiegelbauelemente nach Anspruch 9, wobei auf dem Rahmenelement zumindest teilweise die erste Elektrode und zumindest teilweise die piezoelektrische Schicht aufgebracht sind.
11. Piezoelektrisches Spiegelbauelement nach Anspruch 10, wobei die zweite Elektrode in einem von einem Randteil umgebenen Aktuationsbereich des Rahmenelements aufgebracht ist und der Aktuationsbereich eine geringere Dicke als der Randteil aufweist.
12. Piezoelektrisches Spiegelbauelemente nach Anspruch 11, wobei der Aktuationsbereich mittels zumindest eines Durchbruchs teilweise vom Randteil getrennt ist.
13. Piezoelektrisches Spiegelbauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei - auf dem Rahmenelement Kontaktelemente zur Ansteuerung der ersten und zweiten Elektrode vorhanden sind und - Ansteuerbereiche der zweiten Elektrode über Leiterbahnen, die über das zumindest eine zweite Torsionsfederelement verlaufen, mit Kontaktelementen verbunden sind.
14. Piezoelektrisches Spiegelbauelemente nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest zwei Elektrodenelemente vorhanden sind, die einen Kondensator bilden, der bei einer Bewegung des Spiegelelements oder des Antriebsrings eine variable Kapazität aufweist.
15. Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Spiegelbauelements (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Spiegelelement (10) mittels eines ersten elektrischen Wechselstromsignals mit einer ersten Frequenz, das auf erste Ansteuerbereiche (521, 521') wirkt, in eine erste Torsionsschwingung und der Antriebsring (20) mittels eines zweiten elektrischen Wechselstromsignals mit einer zweiten Frequenz, das auf zweite Ansteuerbereiche (522, 522') wirkt, in eine zweite Torsionsschwing versetzt werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem während des Betriebs des piezoelektrischen Spiegelbauelements im ersten Wechselstromsignal die zweite Frequenz und im zweiten Wechselstromsignal die erste Frequenz gemessen werden.
17. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem dritte Ansteuerbereiche (523) vorhanden sind, in denen ein piezoelektrisches Signal gemessen wird.
18. Verfahren nach Anspruch 15 mit Rückbezug auf Anspruch 14, bei dem die Kapazität des Kondensators gemessen wird.
19. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem erste und/oder zweite Ansteuerbereiche vorhanden sind, die in einem Zeitmultiplexverfahren wechselweise zum Antrieb des Spiegelelements oder des Antriebsrings und zur Messung eines piezoelektrischen Signals verwendet werden.
20. Projektionsvorrichtung (1000), aufweisend - einen Laserlichtquelle (200) und - ein piezoelektrisches Spiegelbauelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14.

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