DE4229507C2

DE4229507C2 - Mikromechanischer 3-D-Aktor

Info

Publication number: DE4229507C2
Application number: DE4229507A
Authority: DE
Inventors: Manfred Rauch; Joachim Markert; Richard Kiehnscherf
Original assignee: CMS MIKROSYSTEME GmbH
Current assignee: Cms Mikrosysteme 09125 Chemnitz De GmbH
Priority date: 1991-10-30
Filing date: 1992-09-04
Publication date: 2002-03-07
Anticipated expiration: 2012-09-05
Also published as: DE4229507A1

Abstract

Ein mikromechanischer Aktor, insbesondere ein mikromechanischer 3-D-Aktor, soll mit nur einem bewegten Teil in der Lage sein, dreidimensionale Auslenkungen auszuführen. Der Aktor besitzt ein bewegliches Flachteil (1), das über einem Stator (2) angeordnet ist. Der Stator (2) enthält ansteuerbare Elektroden (3). Das bewegliche Flachteil (1) wird durch elektrostatische Kräfte bewegt (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Aktor, dessen beweglicher Teil vor zugsweise mittels elektrostatischer Kräfte positionierbar ist, vorzugsweise in drei Achsen. Der Aktor kann für Positionieraufgaben im Mikrometerbereich, z. B. für die Strahlablenkung oder die Unterbrechung eines Strahls, eingesetzt werden.

Anordnungen zur ein-, zwei- und dreidimensionalen Positionierung im Mikrometerbereich sind in einer Vielzahl von Varianten ausgewiesen. Neben der Realisierung derartiger Bewegungen im Ausrüstungs- und Gerätebereich mittels getrennter Antriebe für jede einzelne Achse, sind eine Reihe von ein- und zweidimensionalen Positioniereinrichtungen bekannt, die mikromechanische Lösungen beinhalten. Die Antriebe können auf elektrostatischen, elektrodynamischen, piezoelektrischen oder anderen Effekten beruhen oder in Kombination auftreten.

So werden zur zweidimensionalen Ablenkung eines Lichtstrahls z. B. zwei bewegliche Spiegel verwendet, die einzeln elektromagnetisch positioniert werden (DE-OS 25 31 069, DE-OS 25 42 233, DE-AS 25 57 814).

In DE-AS 23 21 211 und EP 0154870 werden Spiegel piezoelektrisch angetrieben. Eine aus kristallinem Silicium geätzte Vorrichtung wird in EP 0040302 beschrieben. Diese Vorrichtung besteht aus zwei jeweils nur in einer Achse beweglichen Spiegeln, die über einen dritten Spiegel für eine 2- dimensionale Auslenkung genutzt werden. Nachteilig ist die Teilung der Strahlablenkung und die zweifache Umlenkung des Strahles, die zu Positionierfehlern führen kann.

Eine ähnliche Einrichtung wird in EP 005970 beschrieben, bei der Spiegel, Federelemente und Rahmen eine stoffliche Einheit bilden und in Kombination von zwei um 90° versetzten Einzelspiegeln mit einem dritten Spiegel korrespondieren, so daß eine zweidimensionale Ablenkung erreicht wird.

Toshio Fukuda und Takayasu Tanaka beschreiben in Proceedings IEEE Micro Electro Mechanical Systems, Seiten 153-158, Februar 1990 einen mikromechani schen Aktor mit einem beweglichen Flachteil, das durch elektrostatische Kräfte, die in ansteuerbaren Elektroden erzeugt werden, bewegt wird.

DD-G08C/338875 beschreibt einen mikromechanischen Aktor mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1. Eine solche mikromechanische Bewegungs einrichtung gestattet es, zweidimensionale Ablenkungen zu erzielen und besteht nur aus einem beweglichen Teil. Eine zusätzliche Bewegung in einer dritten Di mension kann nur über ein zweites Element erfolgen.

Eine direkte dreidimensionale Strahlbeeinflussung mit einer Drehbewegung um die Hochachse ist bei allen genannten Anordnungen nicht möglich. Es sind mindestens zwei bewegte Elemente erforderlich, um die Bewegung zu realisieren. Der Justageaufwand der Einzelelemente und der technologische Herstellungsaufwand sind hoch.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Entwicklung eines mikromechanischen 3-D-Aktors, der mit nur einem bewegten Teil in der Lage ist, dreidimensionale Auslenkungen mit einer Drehbewegung um die Hochachse auszuführen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem mikromechanischen 3-D-Aktor nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen des Aktors sind in den Ansprüchen 2-8 dargestellt.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wurde ein mikromechanischer 3-D-Aktor geschaffen, der mit nur einem bewegten Teil in der Lage ist, eine dreidimensionale Auslenkung durchzuführen. Durch den Einsatz von einkristallinem Silicium und modernen Herstellungstechnologien der Mikromechanik ist der Aktor schnell und leicht herstellbar. Da der Aktor nur ein bewegtes Teil enthält, ist der technologische Herstellungsaufwand relativ gering.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die als Zeichnungen beigefügten Figuren zeigen:

Fig. 1 Räumliche Darstellung des mikromechanischen 3-D-Aktors

Fig. 2a-2c Verschiedene Formen der Federanordnungen

Fig. 3 Lagerung des Flachteils mittels Kugel

Fig. 4 Lagerung des Flachteils mittels Kugelkalotte

Fig. 5a Elektrodenanordnung mit Sektoren

Fig. 5b Elektrodenanordnung mit Sektoren und Segmenten

Der Aufbau des mikromechanischen 3-D-Aktors ist in Fig. 1 angegeben. Er besteht aus einem Stator 2, der teilweise geschnitten dargestellt ist. Über dem Stator 2 ist ein bewegliches Flachteil 1 angeordnet, das im Ausführungsbeispiel die geometrische Form eines Kreuzers aufweist. Das bewegliche Flachteil 1 ist zentrisch über dem Stator 2 mittels eines Zylinders mit Kugelkalotte 4 in einem Hohlpyramidenstumpf 5a gelagert. Zwischen Flachteil 1 und den ansteuerbaren Elektroden 3 auf dem Stator 2 bilden sich elektrostatische Kräfte aus. Durch die geometrische Form des Flachteils 1, das auf der dem Stator 2 zugewandten Seite ganzflächig metallisiert ist und die Gestaltung der Elektroden 3 auf dem Stator 2 werden elektrostatische Kräfte erzeugt, die eine dreidimensionale Bewegung des Flachteils 1 ermöglichen. Das Flachteil 1 wird mittels spezieller Federanordnungen 6 über dem Stator 2 gehalten und kann wieder in die Ausgangslage zurückgestellt werden. Die Federanordnungen 6 gewährleisten durch ihre geometrische Gestaltung gleiche Rückstellkräfte in allen 3 Richtungen.

Im Ausführungsbeispiel wird der Abstand zwischen Flachteil 1 und Stator 2 mittels Anordnung von Zylinder mit Kugelkalotte 4 und Hohlpyramidenstumpf 5a eingestellt. Die Einstellung erfolgt über die Größe des Hohlpyramidenstumpfes 5a im Verhältnis zum Durchmesser der Kugelkalotte.

Die Oberseite des beweglichen Flachteiles 1 ist mit nur einer oder mehreren strahlreflektierenden Flächen, die einen hohen Reflexionsgrad aufweisen, metallisiert, um z. B. eine Laserstrahlablenkung zu erzielen. Das Flachteil 1 und der Stator 2 können Durchbrüche beliebiger geometrischer Form und Anzahl aufweisen, die miteinander korrespondieren und durch die Verdrehung des Flachteils 1 gegenüber dem Stator 2 eine Unterbrechung eines auftreffenden Strahls realisieren.

Das bewegliche Flachteil 1 mit den Federanordnungen 6 und dem Stator können technologisch aus einem einzigen Teil gefertigt werden. Eine Trennung in zwei Teile, Flachteil 1, Federanordnung 6 mit Rahmen und Stator 2 ist möglich. Beide Teile müssen zueinander justiert und fixiert werden.

Die Fig. 2a bis 2c zeigen spezielle mäanderförmige Federanordnungen 6, die durch ihre geometrische Gestaltung gleiche Rückstellkräfte in allen Richtungen aufweisen. Die Federn sind auf der einen Seite am Flachteil 1 und auf der anderen Seite am Stator 2 bzw. an einem Rahmen befestigt.

Fig. 3 zeigt die Lagerung des Flachteils 1 mittels einer Kugel 4a in einer Hohlpyramide 5 bzw. einem Hohlpyramidenstumpf 5a. Die Lagerstellen im Flachteil 1 und dem Stator 2 können als Hohlpyramide 5 oder als Hohlpyramidenstumpf 5a ausgebildet sind. Der Abstand zwischen Flachteil 1 und Stator 2 läßt sich über das Verhältnis von Kugeldurchmesser und Pyramidengröße einstellen.

In Fig. 4 wird eine andere Form der Lagerung des Flachteils 1 gegenüber dem Stator 2 gezeigt. Ein Zylinder mit Kugelkalotte 4, der sich im Stator 2 befindet, lagert das Flachteil 1. Der Abstand zwischen Flachteil 1 und Stator 2 kann einerseits wie in Fig. 3 eingestellt werden, andererseits ist eine Variierung über diese Verschiebung des Zylinders mit Kugelkalotte 4 im Stator 2 möglich.

Fig. 5a zeigt eine Elektrode 3 in einer Anordnung, die aus mehreren Sektoren besteht und sich auf dem Stator 2 befindet. Im Zusammenspiel mit dem kreuzförmigen Flachteil 1 in Fig. 1 oder mit einer sternförmigen Geometrie des Flachteils 1 können elektrostatische Kräfte erzeugt werden, wenn die Elektroden 3 selektiv angesteuert werden. Ein gleicher Krafteffekt läßt sich durch eine Elektrodenanordnung auf der dem Stator 2 zugewandten Seite des Flachteils 1 erzielen, die mit den Elektroden 3 auf dem Stator 2 korrespondiert.

Werden die Sektoren der Elektroden 3 in Segmente wie in Fig. 5 unterteilt, läßt sich damit eine quasidigitale Ansteuerung der Lage des Flachteils 1 realisieren.

Auf Grund der elektrostatischen Kräfte zwischen Flachteil 1 und Stator 2 kommt es zu einer Lageänderung des Flachteils 1, die eine Kippbewegung in zwei Richtungen und/oder eine Drehbewegung sein kann. Die Lageänderung führt zu einer Veränderung der Kapazität zwischen Flachteil 1 und Stator 2, diese kann gemessen werden und ihrerseits einer Weiterverarbeitung, z. B. Regelung, zugeführt werden.

Erläuterung der verwendeten Bezugszeichen

1

Flachteil

2

Stator

3

Elektroden

4

Zylinder mit Kugelkalotte

4

a Kugel

5

Hohlpyramide

5

a Hohlpyramidenstumpf

6

Federanordnung

Claims

1. Mikromechanischer Aktor mit einem beweglichen Flachteil (1), das über einem mittig gelagerten Stator (2) angeordnet ist, wobei das bewegliche Flachteil (1) durch elektrostatische Kräfte bewegt wird und gegenüber dem Stator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Flachteil (1) auf der dem Stator zugewandten Seite eine kreuz- oder sternförmig metallisierte Fläche aufweist und der Stator (2) ansteuerbare Elektroden (3) enthält, wobei diese Elektroden derart in Sektoren unterteilt sind, daß zusätzlich eine Drehbewegung des Flachteiles bewirkt werden kann.

2. Mikromechanischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Flachteil (1) gegenüber dem Stator (2) mittels einer Kugel (4a) oder einem Zylinder mit Kugelkalotte (4) in der Hohlpyramide (5) oder einem Hohlpyramidenstumpf (5a) gelagert ist.

3. Mikromechanischer Aktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen beweglichem Flachteil (1) und Stator (2) durch die Länge des Zylinders mit Kugelkalotte (4) oder durch den Durchmesser der Kugel (4a) im Verhältnis zur Hohlpyramide (5) oder zum Hohlpyramidenstumpf (5a) einstellbar ist.

4. Mikromechanischer Aktor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Sektoren aus Segmenten besteht, die wahlweise ansteuerbar sind und bezüglich der Hohlpyramide (5) und/oder des Hohlpyramidenstumpfes (5a) einen symmetrischen Aufbau besitzen, wobei die Summe aller Sektoren eine Kreisfläche ergibt.

5. Mikromechanischer Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Flachteil (1) mit Federanordnungen (6) gegenüber dem Stator angeordnet ist.

6. Mikromechanischer Aktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnungen (6) eine derartige Mäanderformgestaltung aufweisen, daß sie gleiche Rückstellkräfte/-momente in drei Teilrichtungen aufweisen.

7. Mikromechanischer Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Stator (2) zugewandte Seite des Flachteils (1) ganzflächig metallisiert ist und das Flachteil (1) eine Kreuz- oder Sternform besitzt.

8. Mikromechanischer Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flachteil (1) auf der dem Stator (2) abgewandten Seite mindestens eine strahlreflektierende Fläche enthält und/oder Durchbrüche aufweist, die mit Durchbrüchen im Stator (2) korrespondieren.