JP2019530019A - マイクロミラー装置およびマイクロミラー装置の操作方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、基板（２）と、第１懸架装置（６ａ、６ｂ）により第１揺動軸（Ａ１）に沿って基板（２）と結合されかつ第１揺動軸（Ａ１）の周りに偏向可能な外側フレーム装置（３）とを含むマイクロミラー装置（１）に関する。マイクロミラー装置（１）は、第２懸架装置（７ａ、７ｂ）により第１揺動軸（Ａ１）に沿って外側フレーム装置（３）と結合された内側フレーム装置（５）と、第３懸架装置（８ａ、８ｂ）により第２揺動軸（Ａ２）に沿って内側フレーム装置（５）と結合された、マイクロミラーを有する揺動板（４）とを含み、第１揺動軸（Ａ１）は第２揺動軸（Ａ２）に垂直である。内側フレーム装置（５）はたわみ可能なたわみ素子（９１ないし９４）を有し、揺動板（４）はたわみ素子（９１ないし９４）のたわみにより外側フレーム装置（３）に対して偏向可能であるマイクロミラー装置（１）である。【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロミラー装置およびマイクロミラー装置の操作方法に関する。

マイクロミラーは、例えばバーコードスキャナ、投影機、または車両ヘッドライトにおいて、多方面で適用される。このために、マイクロミラーは、高い周波数で１つまたは２つの軸の周りに偏向可能ないしは揺動可能である。独国特許出願公開１０２０１２２１９５９号明細書からマイクロミラー装置が既知であり、この場合、マイクロミラー板が直線結合部品により基板に懸架されている。結合部品に曲げアクチュエータが固定され、曲げアクチュエータは揺動可能であり、かつこれにより、マイクロミラー板それ自身が偏向可能である。

独国特許出願公開第１０２０１２２１９５９１号明細書

本発明は、請求項１の特徴を有するマイクロミラー装置および請求項１０の特徴を有するマイクロミラー装置の操作方法に関する。

したがって、本発明は、基板、外側フレーム装置、内側フレーム装置および揺動板を含むマイクロミラー装置に関する。外側フレーム装置は、第１懸架装置により第１揺動軸に沿って基板と結合されかつ第１揺動軸の周りに偏向可能である。内側フレーム装置は、第２懸架装置により第１揺動軸に沿って外側フレーム装置と結合されている。揺動板はマイクロミラーを有しかつ第３懸架装置により第２揺動軸に沿って内側フレーム装置と結合されている。第１揺動軸は第２揺動軸に垂直である。内側フレーム装置はたわみ可能なたわみ素子を有し、この場合、揺動板はたわみ素子のたわみにより外側フレームに対して偏向可能である。

したがって、他の態様により、本発明は、マイクロミラー装置の操作方法に関し、この場合、外側フレーム装置は第１揺動軸の周りに偏向されかつ揺動板は外側フレーム装置に対してたわみ素子のたわみにより偏向される。
好ましい実施形態がそれぞれの従属請求項の対象である。

本発明は二次元で偏向可能なマイクロミラーを提供する。たわみ素子のたわみにより、マイクロミラーが、内側フレーム装置と外側フレーム装置の間の結合素子に垂直な第２揺動軸の周りに偏向されることが好ましい。内側フレーム装置の応力、すなわち作用するせん断力およびねじり力は、例えば第１揺動軸に沿った揺動板と内側フレーム装置の間の結合により揺動ミラーが第１揺動軸の周りに偏向された場合より小さくなることは明らかである。内側フレーム装置の外側フレーム装置における懸架に対して９０°オフセットされた、揺動板の内側フレーム装置における懸架により、より強い構造が保証され、この場合、発生する力は低減される。より小さい偏向およびこれによる特に内側フレーム装置のより小さい荷重により、マイクロミラー装置の使用寿命が延長されることは明らかであり、この場合、同時に、マイクロミラー装置の調節時間は短縮可能である。

マイクロミラー装置の好ましい変更態様により、たわみ素子は第１たわみ素子および第２たわみ素子を含み、この場合、第１たわみ素子は第２たわみ素子に関して第２揺動軸に対して対称に内側フレーム装置に配置されている。揺動板は第１たわみ素子の第２たわみ素子に対する第２揺動軸の周りの反対方向たわみにより揺動可能である。本発明によるたわみ素子の配置は、揺動板の第１揺動軸周りの偏向に追加して、揺動板の第２揺動軸周りの偏向を可能にし、この場合、マイクロミラー装置に作用する力は最小にされる。

マイクロミラー装置の好ましい変更態様により、基板は空洞を有し、およびこの場合、第１懸架装置は第１懸架素子および第２懸架素子を有し、これらは、空洞の対向側において第１揺動軸に沿って基板を外側フレーム装置と結合する。第１懸架素子および第２懸架素子は揺動板の対向側に存在する。したがって、第１および第２懸架素子は外側フレーム装置の懸架を提供し、この懸架は、外側フレーム装置の偏向ないしは回転を可能にし、かつ同時に、内側フレーム装置の外側フレームに対する運動を、本質的に、外側フレーム装置それ自身の運動から切り離す。

マイクロミラー装置の好ましい変更態様により、第２懸架装置は第３懸架素子および第４懸架素子を有し、これらは、揺動板の対向側において第１揺動軸に沿って外側フレーム装置を内側フレーム装置と結合する。第３および第４懸架素子は、内側フレーム装置の外側フレーム装置に対する運動を可能にする。

マイクロミラー装置の一変更態様により、第３懸架装置は第５懸架素子および第６懸架素子を有し、これらは、揺動板の対向側において第２揺動軸に沿って内側フレーム装置を揺動板と結合する。第５および第６懸架素子周りの回転により、揺動板は内側フレーム装置に対して第２揺動軸の周りに偏向ないしは回転可能である。

マイクロミラー装置の好ましい変更態様により、たわみ素子はそれぞれ、非たわみ状態において第２揺動軸に平行に伸長するビーム素子およびビーム素子に配置された慣性質量を有する。慣性質量はマイクロミラー装置のアクチュエータ装置により揺動され、かつ揺動を、ビーム素子、残りの内側フレーム装置および第３懸架装置を介して揺動板に伝達し、これにより揺動板は外側フレーム装置に対して揺動させられることが好ましい。ビーム素子に配置された慣性質量の質量はたわみ素子と同等であることが好ましい。

マイクロミラー装置の好ましい変更態様により、慣性質量はビーム素子の外側端部領域内に配置されている。これにより、慣性モーメントが、およびこれにより、伝達される揺動が上昇する。

マイクロミラー装置の好ましい変更態様により、ビーム素子はその外側端部に向かって先細りになっている。これにより、マイクロミラー装置の強さはさらに上昇され、この場合、同時に慣性質量は良好にたわみ可能である。

マイクロミラー装置の好ましい変更態様により、たわみ素子は少なくとも１つの圧電層を有する。マイクロミラー装置の制御装置による電気制御信号の出力により、たわみ素子は適切にたわまされ、かつこれにより、揺動板は揺動可能である。

図１は、本発明の一実施形態によるマイクロミラー装置の略斜視図を示す。 図２は、揺動板の偏向を説明するための、図１に示したマイクロミラー装置の略詳細斜視図を示す。 図３は、本発明の一実施形態によるマイクロミラー装置のたわみ素子の略平面図を示す。 図４は、本発明の一実施形態によるマイクロミラー装置の操作方法を説明するための流れ図を示す。

全ての場合、同一ないしは機能が同一の素子および装置には同一符号が付けられている。方法ステップの番号はわかりやすくするためのものであり、一般に特定の時間順序を意味するものではない。特に複数の方法ステップが同時に実行されてもよい。種々の実施形態は、これが有意義である限り、任意に相互に組み合わせられてもよい。

図１に、マイクロミラー装置１の略斜視図が示されている。好ましくはケイ素から形成された基板２内に空洞１０が形成されている。外側フレーム装置３は第１揺動軸Ａ１に沿って第１懸架装置により基板２に配置されかつこれと結合されている。第１懸架装置は、空洞１０の第１側に第１懸架素子６ａおよび第１揺動軸Ａ１に沿って空洞１０の対向する第２側に存在する、ビーム形状に形成されていてもよい第２懸架素子６ｂを含む。第１懸架素子６ａおよび第２懸架素子６ｂは第１回転軸Ａ１の周りに揺動可能／ねじれ可能であり、これにより、外側フレーム装置３は第１揺動軸Ａ１の周りに偏向可能ないしは回転可能である。

外側フレーム装置３は長方形の形を有し、この場合、長方形の内部に同様に長方形の領域が提供されている。提供されたこの領域の内部に内側フレーム装置５が配置され、内側フレーム装置５は第２懸架装置により外側フレーム装置３と結合されている。第２懸架装置は第３懸架素子７ａおよび第１揺動軸Ａ１に沿ってこれに対向する第４懸架素子７ｂを含み、これらはビーム形状に形成されていてもよい。内側フレーム装置５はバックルの形で揺動板４の周りに配置されかつ第５懸架素子８ａおよび第６懸架素子８ｂからなる第３懸架装置により揺動板４と結合されている。第５懸架素子８ａおよび揺動板の対向する側に存在する第６懸架素子８ｂは、第１回転軸Ａ１に垂直な第２回転軸Ａ２上に位置し、これにより、第５懸架素子８ａおよび第６懸架素子８ｂは、第１懸架素子６ａおよび第２懸架素子６ｂ並びに第３懸架素子７ａおよび第４懸架素子７ｂに対して９０度だけオフセットされている。

内側フレーム装置５並びに外側フレーム装置３の形は図示の実施形態に限定されない。すなわち、内側フレーム装置３および／または外側フレーム装置５は、円形にまたは四角形あるいは多角形リングの形に形成されていてもよい。

揺動板４は、光を偏向するように設計された少なくとも１つのマイクロミラーを有する。外側フレーム装置３、内側フレーム装置５および／または揺動板４は一体部品として設計されていることが好ましい。

内側フレーム装置５に、２つの第１たわみ素子９１、９２および２つの第２たわみ素子９３、９４が配置されている。２つの第１たわみ素子９１、９２は第１揺動軸Ａ１に関して相互に軸対称に配置されおよび両方の第２たわみ素子９３、９４は同様に第１揺動軸Ａ１に関して相互に軸対称に配置されている。第１たわみ素子９１、９２は、組をなして、第２揺動軸Ａ２に関して第２たわみ素子９３、９４に対して軸対称に配置されている。

たわみ素子９１ないし９４はそれぞれビーム素子９１ａないし９４ａを有し、ビーム素子は第３懸架素子７ａないしは第４懸架素子７ｂに隣接して内側フレーム装置５に配置されかつ第２揺動軸Ａ２に平行に伸長する。ビーム素子９１ａないし９４ａの外側端部領域内にそれぞれ、好ましくは第１揺動軸Ａ１に平行にビーム形状に伸長する慣性質量９１ｂないし９４ｂが配置されている。

外側フレーム装置３はマイクロミラー装置１の制御装置により揺動可能である。特に、外側フレーム装置３は、圧電材料および／または磁気抵抗材料および／または熱効果材料および／または形状記憶材料からなる少なくとも１つの層を含んでもよい。圧電材料は特に鉛−ジルコン−チタン酸塩（ＰＺＴ）を含んでもよい。熱効果材料は例えば炭化ケイ素またはニッケルであってもよい。圧電材料の場合、制御装置は、電気信号により、電極として働く少なくとも１つの層と基板２の空洞１０の底部内または底部上に配置された対向電極の相互作用によって、外側フレーム装置３に回転モーメントを伝達しかつこれを第１揺動軸Ａ１の周りに偏向可能である。

さらに、たわみ素子９１ないし９４は、制御装置によりたわみ可能ないしは揺動可能である。たわみ素子９１ないし９４および特に慣性質量９１ｂないし９４ｂは、外側フレーム装置に対する上記の材料の１つからなる少なくとも１つの層を有してもよい。マイクロミラー装置は基板２内またはその上に他の対応する対向電極を有してもよく、これを介して、制御装置はたわみ素子９１ないし９４を適切に揺動可能である。

フレーム３はコイルキャリヤとして働いてもよい。コイルに懸架素子６ａ、６ｂを介して電流を供給可能である。マイクロミラー装置１が（例えばここには図示されていない外部コイルまたは永久磁石による）継続磁界内に存在する場合、システムは電磁力により偏向可能である。コイルは、この場合、平面コイルとして設計されてもよい。

図２にマイクロミラー装置１の斜視図が示され、この場合、基板２は示されていない。制御装置による対応操作により、第１たわみ素子９１、９２は第２たわみ素子９３、９４に対して第２揺動軸Ａ２の周りに揺動可能である。第１たわみ素子９１、９２が基板２の基板表面に垂直なｚ軸に沿って、すなわち空洞１０から外方にたわまされたとき、対向する第２たわみ素子９３、９４は、ｚ軸の反対方向に、すなわち空洞１０内へ内方にたわまされる。したがって、制御装置は、第１たわみ素子９１、９２を第２たわみ素子９３、９４とは反対方向にたわませるように設計されている。たわみ素子９１ないし９４のたわみは第２揺動軸Ａ２の周りの、揺動板４の回転逆インパルスを発生する。

さらに、外側フレーム装置３、したがって揺動板４もまた、第１揺動軸Ａ１の周りに回転ないしは偏向され、これにより、マイクロミラー装置１のマイクロミラーは２つの方向に同時に揺動ないしは偏向可能である。

図３に、他の実施形態によるマイクロミラー装置１のたわみ素子７５が示されている。たわみ素子９５はビーム素子９５ａを有し、ビーム素子はその外側端部領域に向かって先細りになっていて、この外側端部領域に慣性質量９５ｂを有する。マイクロミラー装置１は、特に図１に示したたわみ素子９１ないし９４の代わりに１つ以上の図示のたわみ素子９５を有してもよい。たわみ素子９１ないし９４の数、配置および形は図１に示した実施形態に限定されないので、特に４つより多いまたは４つより少ないたわみ素子が内側フレーム装置５に配置されていてもよい。

図４に、本発明の一実施形態によるマイクロミラー装置１の操作方法を説明するための流れ図が示されている。第１方法ステップＳ１において、マイクロミラー装置１の外側フレーム装置３が第１揺動軸Ａ１の周りに偏向される。偏向は特に上記の制御装置により実行可能である。

第２ステップＳ２において、揺動板４がたわみ素子９１ないし９４の外側フレーム装置に対するたわみにより偏向される。たわみ素子９１ないし９４のたわみは同様に上記の制御装置により実行可能である。外側フレーム装置３の偏向は、それにより揺動板４が偏向される第２周波数より小さい第１周波数により行われることが好ましい。

１ マイクロミラー装置
２ 基板
３ 外側フレーム装置
４ 揺動板
５ 内側フレーム装置
６ａ 第１懸架装置、第１懸架素子
６ｂ 第１懸架装置、第２懸架素子
７ａ 第２懸架装置、第３懸架素子
７ｂ 第２懸架装置、第４懸架素子
８ａ 第３懸架装置、第５懸架素子
８ｂ 第３懸架装置、第６懸架素子
１０ 空洞
９１、９２ 第１たわみ素子
９３、９４ 第２たわみ素子
９１ａ−９４ａ ビーム素子
９１ｂ−９４ｂ 慣性質量
９５ たわみ素子
９５ａ ビーム素子
９５ｂ 慣性質量
Ａ１ 第１揺動軸、第１回転軸
Ａ２ 第２揺動軸、第２回転軸
Ｓ１ 偏向ステップ
Ｓ２ 偏向ステップ

内側フレーム装置５並びに外側フレーム装置３の形は図示の実施形態に限定されない。すなわち、内側フレーム装置５および／または外側フレーム装置３は、円形にまたは四角形あるいは多角形リングの形に形成されていてもよい。

図３に、他の実施形態によるマイクロミラー装置１のたわみ素子９５が示されている。たわみ素子９５はビーム素子９５ａを有し、ビーム素子はその外側端部領域に向かって先細りになっていて、この外側端部領域に慣性質量９５ｂを有する。マイクロミラー装置１は、特に図１に示したたわみ素子９１ないし９４の代わりに１つ以上の図示のたわみ素子９５を有してもよい。たわみ素子９１ないし９４の数、配置および形は図１に示した実施形態に限定されないので、特に４つより多いまたは４つより少ないたわみ素子が内側フレーム装置５に配置されていてもよい。

Claims (10)

1. 基板（２）と、
   第１懸架装置（６ａ、６ｂ）により第１揺動軸（Ａ１）に沿って基板（２）と結合されかつ第１揺動軸（Ａ１）の周りに偏向可能な外側フレーム装置（３）と、
   第２懸架装置（７ａ、７ｂ）により第１揺動軸（Ａ１）に沿って外側フレーム装置（３）と結合された内側フレーム装置（５）と、
   第３懸架装置（８ａ、８ｂ）により第２揺動軸（Ａ２）に沿って内側フレーム装置（５）と結合された、マイクロミラーを有する揺動板（４）とを含み、
   第１揺動軸（Ａ１）は第２揺動軸（Ａ２）に垂直である、
   マイクロミラー装置（１）において、
   内側フレーム装置（５）はたわみ可能なたわみ素子（９１ないし９４）を有し、
   揺動板（４）はたわみ素子（９１ないし９４）のたわみにより外側フレーム装置（３）に対して偏向可能である、
   マイクロミラー装置（１）。
2. たわみ素子（９１ないし９４）は第１たわみ素子（９１、９２）および第２たわみ素子（９３、９４）を含み、
   第１たわみ素子（９１、９２）は第２たわみ素子（９３、９４）に関して第２揺動軸（Ａ２）に対して対称に内側フレーム装置（５）に配置され、
   揺動板（４）は第１たわみ素子（９１、９２）の第２たわみ素子（９３、９４）に対する第２揺動軸（Ａ２）の周りの反対方向たわみにより揺動可能である、
   請求項１に記載のマイクロミラー装置（１）。
3. 基板は空洞（１０）を有し、
   第１懸架装置（６ａ、６ｂ）は第１懸架素子（６ａ）および第２懸架素子（６ｂ）を有し、
   空洞（１０）の対向側において第１揺動軸（Ａ１）に沿って基板（２）を外側フレーム装置（３）と結合する、
   請求項１または２に記載のマイクロミラー装置（１）。
4. 第２懸架装置（７ａ、７ｂ）は第３懸架素子（７ａ）および第４懸架素子（７ｂ）を有し、これらは、揺動板（４）の対向側において第１揺動軸（Ａ１）に沿って外側フレーム装置（２）を内側フレーム装置（５）と結合する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のマイクロミラー装置（１）。
5. 第３懸架装置（８ａ、８ｂ）は第５懸架素子（８ａ）および第６懸架素子（８ｂ）を有し、
   揺動板（４）の対向側において第２揺動軸（Ａ１）に沿って内側フレーム装置（５）を揺動板（４）と結合する、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のマイクロミラー装置（１）。
6. たわみ素子（９１ないし９４）はそれぞれ、非たわみ状態において第２揺動軸（Ａ２）に平行に伸長するビーム素子（９１ａないし９４ａ）およびビーム素子（９１ａないし９４ａ）に配置された慣性質量（９１ｂないし９４ｂ）を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロミラー装置（１）。
7. 慣性質量（９１ｂないし９４ｂ）はビーム素子（９１ａないし９４ａ）の外側端部領域内に配置されている、請求項４に記載のマイクロミラー装置（１）。
8. ビーム素子（９１ａないし９４ａ）はその外側端部に向かって先細りになっている、請求項７に記載のマイクロミラー装置（１）。
9. たわみ素子（９１ないし９４）は少なくとも１つの圧電層を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載のマイクロミラー装置（１）。
10. 外側フレーム装置（３）の第１揺動軸（Ａ１）の周りの偏向ステップ（Ｓ１）と、
    たわみ素子（９１ないし９４）による揺動板（４）の外側フレーム装置（３）に対する偏向ステップ（Ｓ２）と、
    を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載のマイクロミラー装置（１）の操作方法。

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