(57)【要約】  マイクロメカニカル素子およびマイクロメカニカル素子の振動素子を励振するための方法が提案される。ここでマイクロメカニカル素子はフレームを有し、フレームは外部懸架素子によって支持基板と結合されている。フレームは第１の軸を中心に揺動可能であり、この第１の軸に対して垂直の第２の軸を中心に振動可能である。マイクロメカニカル素子は振動素子を有し、この振動素子は内部懸架素子によってフレームと結合されており、第２の軸を中心に揺動可能である。さらに外部懸架素子が、第２の軸を中心にするフレームの一次振動と、第２の軸を中心にする振動素子の二次振動が最大の結合を有するように構成して設けられている。
2010536058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレーム（２）を有し、該フレーム（２）は外部懸架素子（３）によって支持基板（４）と結合されているマイクロメカニカル素子であって、
前記フレーム（２）は第１の軸（１０）を中心に、前記支持基板（４）の主伸長面（５）内で揺動可能であり、前記第１の軸（１０）に対して垂直の第２の軸（１１）を中心に主伸長面（５）内で振動可能であり、
前記マイクロメカニカル素子（１）は振動素子（２０）を有し、
該振動素子（２０）は内部懸架素子（２１）によって前記フレーム（２）と結合されており、前記第２の軸（１１）を中心に揺動可能である形式のマイクロメカニカル素子において、
前記外部懸架素子（３）は、前記第２の軸（１１）を中心にする前記フレーム（２）の一次振動の共振周波数が、前記第２の軸（１１）を中心にする前記振動素子（２０）の二次振動の共振曲線の半値幅内にあるように構成されて設けられている、ことを特徴とするマイクロメカニカル素子。
【請求項２】
請求項１記載のマイクロメカニカル構成素子において、
一次振動と二次始動は最大の結合を有するマイクロメカニカル素子。
【請求項３】
請求項１記載のマイクロメカニカル構成素子において、
前記外部懸架素子（３）の剛度が、外部フレーム（２）の質量と、前記第２の軸（１１）を中心にする前記振動素子（２０）の無結合振動を基準にした二次共振周波数の２乗との積から最大で２０％だけ、有利には最大で１０％だけ、とくに有利には最大で５％だけ異なっているマイクロメカニカル素子。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか一項記載のマイクロメカニカル構成素子において、
前記フレーム（２）は少なくとも一つの導体路（３０）を有し、
該フレーム（２）が平衡した状態で前記導体路は、主伸長面（５）に対して平行な面内で前記フレーム（２）に沿って、前記振動素子（２０）の周囲に電流ループを形成するマイクロメカニカル素子。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか一項記載のマイクロメカニカル構成素子において、
前記振動素子（２０）がマイクロミラーを有するマイクロメカニカル素子。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか一項記載のマイクロメカニカル素子（１）の振動素子（２０）の励振方法において、
一次振動の励振と二次振動の励振を一つの励振周波数により行う、ことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６記載の方法において、
一次振動と二次振動の励振は、前記導体路（３０）における励振周波数での周期的な電流強度変化と磁界の印加により行われる方法。
【請求項８】
請求項６または７記載の方法において、
第１の軸（１０）を中心にするフレーム（２）の３次振動が別の励振周波数により励振され、該３次振動は有利には平衡励振または共振である方法。
【請求項９】
請求項６から８までのいずれか一項記載の方法において、
前記３次振動の励振は、前記導体路（３０）における前記別の励振周波数での周期的な電流強度変化と磁界の印加により行われる方法。
【請求項１０】
請求項６から９までのいずれか一項記載の方法において、
前記一次振動、二次振動および３次振動の励振は、前記導体路（３０）において前記励振周波数と前記別の励振周波数とによる周期的な２つの電流強度変化を重畳し、磁界を印加することにより行われる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載のマイクロメカニカル素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のマイクロメカニカル素子は周知である。例えば特許文献１からマイクロミラーユニットが公知である。このマイクロミラーは軸を中心に可動であり、別の軸を中心に可動の内側フレームに固定されている。このミラーはフレームに固定され、このフレームからの懸架エレメントを介する結合によって振動が励起される。このミラーユニットの欠点は、フレームを一次振動で効率的に励振し、マイクロミラーを同じ振動周波数の二次振動で同時に効率的に励振することが不可能なことである。したがってマイクロミラーの小さな偏向角度しか実現されず、マイクロミラーを比較的大きな偏向角度で励振することは格別のエネルギー消費を必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】DE 603 08 752 T2
【発明の概要】
【発明の効果】
【０００４】
本発明のマクロメカニカル素子およびマイクロメカニカル素子の振動素子を励振するための方法は、従来技術に対して振動素子の偏向角度が格段に大きく、駆動電流が小さくてもマイクロメカニカル素子の小型の設計が可能であるという利点を有する。本発明によれば、外部懸架素子の寸法適合によってフレームの固有周波数をシフトすることができる。これは、両方の共振振動が最大で結合され、それにより一次振動と二次振動を一つの励振周波数により、従来技術と比較して格段に効率的に二重共振することができるからである。一次振動が共振し、ひいては効率的に励振されることにより、励振周波数による内部懸架素子を介した二次振動の励振も従来技術と比して格段に効率的となり、小さな駆動力によって比較的に大きな振動素子の偏向角度が達成される。一次振動と二次振動との間の結合は外部懸架素子の剛性により設定される。外部懸架素子の適切な構成により剛性は、一次振動の共振周波数が二次振動の共振曲線の半値幅内になるように選択される。励振は最大効率を共振周波数の領域に有する。したがって一次振動と二次振動の二重共振励振は、従来技術と比較して格段に大きな効率を有する。半値幅は本発明では、共振周波数を中心とする狭い周波数帯域を定義する。ここで共振周波数とは、周波数曲線が最大値を有する周波数であり、前記周波数帯域内で振動の励振は最大の効率を有する。
【０００５】
本発明の有利な実施形態および発展形態は、従属請求項ならびに図面を参照した説明から明らかとなる。
【０００６】
別の発展形態によれば、一次振動と二次振動の結合は最大である。これによりとくに有利には一次振動と二次振動の両方の効率的な振動励振が達成される。外部懸架素子の剛度が、外部フレームの質量と、第２の軸を中心にする振動素子の無結合振動を基準にした二次共振周波数の２乗との積から最大で２０％だけ、有利には最大で１０％だけ、とくに有利には最大で５％だけ異なっていると結合が最大となる。
【０００７】
マイクロメカニカル素子の有利な改善形態によれば、フレームは少なくとも一つの導体路を有し、フレームが平衡した状態で導体路は、主伸長面に対して平行な面内でフレームに沿って、振動素子の周囲に電流ループを形成する。この電流ループは、電位差が印加され、その電位差が外部磁界により浸透する場合にロレンツ力を引き起こす。このロレンツ力はフレームに作用し、導体路における電流強度の絶対値および方向と磁界に依存する。均一磁界が印加される場合、主伸長方向で対向する２つのフレームに作用する力の大きさは同じであるが、方向は直径方向で反対である。なぜならフレーム部分の電流は同じ大きさであるが、流れる方向が直径方向で反対だからである。これによりトルクがフレームに、第１および／または第２の軸を中心に作用し、内部懸架素子を介して振動素子に伝達される。本発明によれば、二重共振振動が第２の軸を中心に励振される。これにより従来技術と比較して小さな駆動力でも、振動素子の比較的大きな偏向角度が達成される。
【０００８】
別の有利な実施形態によれば振動素子はマイクロミラーを有し、とりわけ振動素子自体がマイクロミラーである。これによりマイクロメカニカル素子は有利には、とりわけ画面技術で光ビームを反射および投影するための可動のマイクロミラーユニットとして使用することができる。ここで結像の品質は比較的大きなミラー偏向角によって格段に改善される。
【０００９】
本発明の別の対象は、マイクロメカニカル素子の振動素子を励振するための方法である。ここでは一次振動と二次振動が一つの励振周波数により励振される。有利にはフレームの二重共振励振により、従来技術と比較して振動素子を格段に効率的に励振することができ、したがって振動素子の比較的大きな角度偏向が小さな電流およびマイクロメカニカル素子の小さなデザインであっても達成される。
【００１０】
有利な改善形態によれば、一次振動と二次振動の励振は、導体路における励振周波数での周期的な電流強度変化と磁界の印加により行われる。電流強度変化はロレンツ力を惹起し、このロレンツ力はトルクをフレームに及ぼし、二次振動を生じさせる。二重共振励振により二次振動が、一次振動による内部懸架素子の結合を介してとりわけ効率的に励振され、励振エネルギーが振動エネルギーに変換される際に比較的に高い効率が達成される。
【００１１】
別の有利な改善形態によれば、第１の軸を中心にするフレームの３次振動が別の励振周波数により行われる。したがって有利にはフレームまたは振動素子を、第１の軸と第２の軸を中心に同時に偏向または揺動させることができる。
【００１２】
別の有利な改善形態によれば、３次振動の励振は導体路における別の励振周波数での周期的な電流強度変化と磁界の印加により行われる。ここでフレームに作用するロレンツ力は、フレームが第１の軸を基準にしてトルクを受けるように誘起される。導体路における電流強度を別の励振周波数により周期的に変化することによって、内部懸架素子を介して結合された振動素子とフレームの３次振動が励振される。
【００１３】
さらに別の改善形態によれば、一次振動、二次振動および３次振動の励振は、導体路において励振周波数と別の励振周波数とによる周期的な２つの電流強度変化を重畳し、磁界を印加することにより行われる。したがって有利には、一次振動、二次振動および３次振動を簡単に励振することができる。
【００１４】
本発明の実施例が図示されており、以下詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態による本発明のマイクロメカニカル素子の概略図である。ここでは第１の軸を中心にするフレームの３次共振振動の角度偏向が例として図示されている。
【図２】第１の実施形態による本発明のマイクロメカニカル素子の概略図である。ここでは第２の軸を中心にするフレームの一次共振振動の角度偏向が例として図示されている。
【図３】第１の実施形態による本発明のマイクロメカニカル素子の概略図である。ここでは第２の軸を中心にする、フレームに対する振動素子の二次共振振動の角度偏向が例として図示されている。
【図４】第２の実施形態による本発明のマイクロメカニカル素子の概略図である。
【図５】第１の実施形態による本発明のマイクロメカニカル素子のフレームと振動素子の角度偏向の経過を、フレームの外部懸架素子の相対剛度の関数として示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図面が異なっていても同一の部材には常に同一の参照符号が付されているので、通常はそれぞれ一度だけ説明する。
【００１７】
図１では、第１の実施形態による本発明のマイクロメカニカル素子１が斜視図に示されている。
【００１８】
ここでマイクロメカニカル素子１はフレーム２を有し、フレーム２は外部懸架素子３によって支持基板４と結合されている。フレーム２は第１の軸１０を中心に、支持基板４の主伸長面５内で揺動可能であり、第１の軸１０に対して垂直の第２の軸１１を中心に主伸長面５内で振動可能である。マイクロメカニカル素子１は振動素子２０を有し、この振動素子２０は内部懸架素子２１によってフレーム２と結合されており、第２の軸１１を中心に揺動可能である。フレーム２は図示の例の場合、第１の軸１０を中心にした角度偏向１００をフレーム２の３次共振振動で有する。
【００１９】
図２では、第１の実施形態による本発明のマイクロメカニカル素子１が斜視図に示されている。
【００２０】
ここでは図１とは異なり、９０°だけ主伸長面５の面垂線を中心にして回転されており、一次共振振動での、第２の軸１１を中心にするフレーム２の角度偏向１１０が例として示されている。ここでフレーム２は第２の軸１１を中心に振動する。
【００２１】
図３では、第１の実施形態による本発明のマイクロメカニカル素子１が斜視図に示されている。
【００２２】
ここでは図２とは異なり、第２の軸１１を中心にする二次共振振動での振動素子２０の角度偏向１２０が例として示されている。ここで振動素子２０は第２の軸１１を中心に振動する。
【００２３】
図４では、第２の実施形態による本発明のマイクロメカニカル素子１が斜視図に示されている。
【００２４】
第２の実施形態は、外部懸架素子が図１から３に示された第１の実施形態から変更されている点でだけ異なる。外部懸架素子３の構造が例として示されており、この外部懸架素子は、二次共振振動の共振曲線を、２つの振動が強力に結合されるようにシフトするために必要な剛性を有している。
【００２５】
図５には、第１の実施形態による本発明のマイクロメカニカル素子のフレームと、このフレームに結合された振動素子の角度偏向の経過が、外部懸架素子の相対剛度の関数として示されている。横軸には外部懸架素子の相対剛度が、縦軸には角度偏向度がプロットされている。第１の関数曲線５０は、第２の軸を中心にする振動素子の角度偏向を表し、第２の曲線５１は第２の軸を中心にするフレームの角度偏向を表す。本発明によれば外部懸架素子の相応の次元設定により、励振条件が同じでも振動素子の角度偏向が最大となる。振動素子の角度偏向曲線５０の最大値は、図示の例では相対剛度が１１の個所にある。この図は、外部懸架素子の所期の次元構成、とりわけ剛度が、励振条件が同じでも振動素子の角度偏向を最大にすることを示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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