包含振动悬挂的光学元件的设备制造技术

本发明专利技术公开了包含振动悬挂的光学元件的设备。该设备经由弯曲的弹簧元件将振动悬挂的光学元件连接至固定安装在一侧的至少两个致动器，其中，该致动器被实施为经由弯曲的弹簧元件使振动悬挂的光学元件振动。致动器和整个系统由于弯曲成形的弹簧元件都实施为更稳健并且更可靠地进行操作。

【技术实现步骤摘要】
包含振动悬挂的光学元件的设备
本专利技术涉及包含振动悬挂的光学元件的设备。
技术介绍
当操作包括操作在谐振中的压电微镜的微镜时，频繁的目标是实现高谐振频率以及微镜的大偏转。然而，难以达到同时组合高谐振频率和微镜的大偏转。US7,190,502B2描述了一种设备，使用该设备可以在10.6kHz的谐振频率实现12.4mm的偏转。US8,125,699B2示出使用其可以在15.6kHz的谐振频率实现5.25mm的振幅，以及在304Hz的谐振频率可以实现9mm的振幅的设备。US6,657,764B1的设备可以在500Hz的谐振频率40mm的振幅，以及在17.2kHz的谐振频率3.9mm的振幅操作为了同时达到大的偏转以及高谐振频率，EP2233961A1公开了以下设置，其中可振动的振荡系统包括横向设置的致动器以及设置在其中心的微镜，致动器和微镜经由扭力弹簧彼此连接，形成可振动的完整系统并且显现共同的谐振频率。为了允许高操作频率，致动器以“单节点模式”驱动，其为弯曲梁的第二本征模的频率。这需要致动器的小的层厚度，其使该结构的机械稳定性对机械损伤和恒定载荷敏感。与此同时，整个系统呈现出寄生并且，在操作中，不期望的模式非常接近的“单节点模式”，使得在EP2233961A1呈现的设备操作困难。图12示出来自EP2233961A1的图。US6,198,565B1提出实现操作在谐振中的微镜的一种方式，使用该方式可以实现大的偏转、高谐振频率以及与其它模式明确分离的操作模式。然而，该解决方案的缺点是将微镜连接到致动器的弹簧设置有高机械载荷，结果是在中度镜偏转的情况下已经达到过高的材料应力，引起弹簧的材料损坏，从而弹簧断裂。图13a和13b示出其弹簧元件包含缺陷的这种微镜的图。U.Baran等人在他们的出版物“HighFrequencyTorsionalMEMSScannerforDisplays”，利用图14中提出的设计在39.5kHz的谐振频率实现了38.5°的微镜的光学扫描角。在该设计中，从几个振动框架构造了级联振荡器系统。这里的振动框架由压电致动器形成，压电致动器依次各个经由宽扭力弹簧被连接到设置在中心和外框架中的微镜。这避免了材料过载并且同时允许大的扫描角，以及由此允许高振幅和高谐振频率。该解决方案的缺点一方面是为了设置而增加了空间要求，因为由于双框架的存在以及弹簧的大的宽度，单个组件的尺寸是相应大的，以及所述设置的相对低的能量效率，因为压电致动器的两端被各自安装成可移动的，使得通过致动器产生的力不能完全转移到微镜或者扭力弹簧。所以，期望用于悬挂允许高振幅和扫描角以及高谐振频率的微镜的原理。因此，本专利技术的目标是提供一种设备，包括振动悬挂的光学元件，使得可以避免高材料应力，并且允许光学元件的高谐振频率，同时通过最佳力通量允许设备的能量高效操作。
技术实现思路
根据实施方式，设备可以具有：光学元件12，经由弯曲弹簧元件14；14a-14d被悬挂为可振动的；以及至少两个致动器16a；16b，各固定安装在一侧，其经由弯曲弹簧元件14；14a-14d被连接到振动悬挂的光学元件12，以使振动悬挂的光学元件12振动。根据另一实施方式，设备可以具有：光学元件12，其经由弯曲弹簧元件42a-d被悬挂为可振动的，其中，弯曲弹簧元件42a-42d被实现为使得每个弹簧元件42a-d的局部方向沿着相应的弯曲弹簧元件42a-42d的轴向中心线32满足以下特征：局部方向的直方图具有≥60°的跨度；直方图不位于至大于90％的长度为6°的连续的或不连续的间隔中。本专利技术的中心构思是实现：上述目标可以通过经由弯曲弹簧元件将各自固定安装在一侧的致动器连接到振动悬挂的微镜来实现。弯曲弹簧元件允许力被吸收，使得尽管高操作频率以及偏转振幅，可防止材料损坏。根据一个实施方式，在两个致动器经由四个扭力弹簧悬挂振动悬挂的微镜，扭力弹簧被多处(multiply)弯曲并且设置在距微镜的扭转轴一定的距离，从而通过使用杠杆定理来允许微镜大的偏转。根据替代实施方式，将振动悬挂的微镜连接到致动器的四个扭力弹簧都仅包括一个曲率半径，使得通过弹簧元件将致动器的更大的轴向延伸与空间的有效利用相结合。进一步实施方式展现了多于两个致动器的配置，用于使振动悬挂的微镜振动，以便允许围绕扭转轴的附加轴的微镜的倾斜。附图说明随后将参考附图详细描述本专利技术的优选实施方式，其中图1是弯曲扭力弹簧的设置的示意图；图2示出图1的弯曲扭力弹簧的直方图；图3示出包括使用弯曲扭力弹簧设置在致动器的微镜的设备的俯视图；图4a示出处于非偏转状态的图3的设备的侧视图；图4b示出处于偏转状态的图3的设备的侧视图；图5示出图3的设备的一部分的细节视图；图6示出和图3类似的设备的俯视图，其中附加有直扭力弹簧；图7示出和图3类似的设备的俯视图，其中扭力弹簧包含相邻微镜共同区域；图8示出包括使用单弯曲扭力弹簧设置在致动器的微镜的设备的俯视图；图9示出图8的单弯曲扭力弹簧的直方图；图10示出和图8类似的设备的俯视图，其中和图7类似的包括共同区域的弯曲扭力弹簧附加地设置在致动器以及定位点之间。图11a至图11e示出相对扭转轴以及另一对称轴的致动器的不同配置的示意性视图；图12示出根据现有技术的包括扭力弹簧的设备的示意性俯视图；图13a至图13b示出根据现有技术的包括扭力弹簧的展现缺陷的设备的图；以及图14是包括弯曲扭力弹簧的设备的示意图，其中致动器在两侧均被设置为可偏转的。具体实施方式图1示出弯曲扭力弹簧14，其包括沿着弹簧的轴向延伸的轴向中心线32。起始于轴向中心线32的第一端，其包括弯曲部分29，弯曲部分29包括以孔径角31围绕曲率中心34的曲率半径rK1的弯曲。孔径角31示例性地为约90°。在轴向中心线的进一步路线(course，变化过程)中，其包括弯曲部分27，包括以示例性180°的孔径角37围绕曲率中心35的曲率半径rk2的弯曲。起始于部分27，有区域39，沿着轴向中心线32的第二端的方向，其中扭力弹簧14形成为直的，并且其因此不包括任何曲率，即具有零值的曲率或曲率半径为无穷大。在部分27和部分29中，从初始方向开始，所有局部方向以均匀分布的方式设置在具有90°和180°的跨度的间隔，因为所有方向均匀发生，由于弯曲的部分成形为圆的圆弧，但是由于没有弯曲，在区域39中的局部方向是恒定的。部分27和部分29的均匀分布产生扭力弹簧14的直方图的基区的均匀的高度，但是其中扭力弹簧没有曲率并因此包括恒定的局部方向的部分产生这些部分的方向的直方图的附加幅度。曲率半径rK1a至rK1d以及rK2a至rK2d可以彼此处于任意关系，其中曲率半径的中心34和35交替地设置在一侧，每个沿着弯曲扭力弹簧14的路线。设置在相对相邻的曲率中心的交替的侧上的曲率中心对应于交替的改变沿着轴向中心线的路线的曲率半径的符号。尽管在图1中，各自具有中心的两个曲率半径沿着轴向中心线设置在交替的侧面上，但仅单个曲率半径或者任意多个曲率半径可以沿着轴向中心线设置，其中实施方式描述的扭力弹簧包括小于十个曲率半径的符号改变。与曲率中心34和35以及曲率半径rK1和rK2组合，孔径角31和37描述沿其曲率前进的圆的扇区的孔径角，孔径角各自小于或者等于180°。尽管在图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种设备，包括：光学元件(12)，被悬挂为能经由弯曲弹簧元件(14；14a‑14d)而振动；以及至少两个致动器(16a；16b)，各自固定安装在一侧，所述两个致动器(16a；16b)经由所述弯曲弹簧元件(14；14a‑14d)连接至所述振动悬挂的光学元件(12)以使所述振动悬挂的光学元件(12)振动。

【技术特征摘要】
2013.05.17 DE 102013209234.21.一种光学设备，包括：光学元件(12)，被悬挂为能经由第一弯曲弹簧元件(14；14a)、第二弯曲弹簧元件(14；14b)、第三弯曲弹簧元件(14；14c)和第四弯曲弹簧元件(14；14d)而振动；以及至少两个致动器(16a；16b)，各自固定安装在一侧，所述至少两个致动器(16a；16b)经由所述第一弯曲弹簧元件(14；14a)、所述第二弯曲弹簧元件(14；14b)、所述第三弯曲弹簧元件(14；14c)和所述第四弯曲弹簧元件(14；14d)连接至所述振动悬挂的光学元件(12)以使所述振动悬挂的光学元件(12)振动，其中，所述弹簧元件以局部曲率半径弯曲，其中，每个弯曲弹簧元件(14；14a-14d)被成形为使得所述曲率半径沿着所述弹簧元件(14；14a-14d)的路线连续改变。2.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述致动器(16a；16b)被设置为围绕所述振动悬挂的光学元件(12)的扭转轴(18)对称。3.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述致动器(16a；16b)被设置为围绕垂直于所述振动悬挂的光学元件(12)的扭转轴(18)的对称轴(41)对称。4.根据权利要求1所述的光学设备，其中，每一个致动器(16a；16b)包括压电元件。5.根据权利要求1所述的光学设备，其中，每一个致动器(16a；16b)包括热控制元件。6.根据权利要求1所述的光学设备，其中，每一个致动器(16a；16b)从相应的所述致动器(16a；16b)的固定支持的位置至将所述相应的致动器连接至所述弯曲弹簧元件(14；14a-14d)中的一个的安装位置的尺寸大于所述振动悬挂的光学元件(12)的最大尺寸的一半，以及所述最大尺寸是所述光学元件(12)的两点之间的最大距离。7.根据权利要求1所述的光学设备，其中，将所述致动器(16a；16b)连接至所述弯曲弹簧元件的安装位置(22a-22d)定位在两条线(26a；26b)上并且对称于扭转轴(18)。8.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述振动悬挂的光学元件(12)被实施为镜。9.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述弹簧元件(14；14a-14d)被实施为扭力弹簧。10.根据权利要求1所述的光学设备，其中，实施所述第一、第二、第三和第四弯曲弹簧元件(14；14a-14d)使得每一个弹簧元件(14；14a-14d)沿相应的所述弯曲弹簧元件(14；14a-14d)的轴向中心线(32)的局部方向满足以下特征：所述局部方向的直方图具有≥60°的跨度；所述直方图不位于直至大于90％的长度为6°的连续或不连续的间隔中。11.根据权利要求1所述的光学设备，其中，每一个弯曲弹簧元件(14；14a-14d)被成形为使得沿轴向中心线(32)的局部方向具有连续的路线。12.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述第一、第二、第三和第四弯曲弹簧元件(14；14a-14d)中的每一个被成形为使得轴向中心线(32)的局部曲率半径在所述轴向中心线(32)的长度上具有大于相应的所述弯曲弹簧元件(14；14a-14d)的平均宽度的一半的幅度值。13.根据权利要求12所述的光学设备，其中，所述第一、第二、第三和第四弯曲弹簧元件(14；14a-14d)中的每一个被成形为使得在所述相应的弯曲弹簧元件(14；14a-14d)是弯曲的情况下的所述轴向中心线(32)的部分(27；29；39)上，所述曲率半径的所述幅度值的平均值小于十倍的所述轴向中心线(32)的长度。14.根据权利要求10所述的光学设备，其中，所述直方图的跨度是在从≥60°至≤360°的范围中。15.根据权利要求10所述的光学设备，其中，至少10％的所述直方图均匀分布在最小局部方向和最大局部方向之间。16.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述第一、第二、第三和第四弯曲弹簧元件(14；14a-14d)中的每一个被成形为使得局部曲率半径包括少于10次的沿着轴向中心线的符号改变。17.一种光学设备，包括：光学元件(12)，被悬挂为能经由第一弯曲弹簧元件(14；14a)、第二弯曲弹簧元件(14；14b)、第三弯曲弹簧元件(14；14c)和第四弯曲弹簧元件(14；14d)而振动；以及至少两个致动器(16a；16b)，各自固定安装在一侧，所述至少两个致动器(16a；16b)经由所述第一弯曲弹簧元件(14；14a)、所述第二弯曲弹簧元件(14；14b)、所述第三弯曲弹簧元件(14；14c)和所述第四弯曲弹簧元件(14；14d)连接至所述振动悬挂的光学元件(12)以使所述振动悬挂的光学元件(12)振动，其中，所述弹簧元件(14；14a-14d)以从所述振动悬挂的光学元件(12)的扭转轴(18)间隔开的方式连接至所述振动悬挂的光学元件(12)。18.一种光学设备，包括：光学元件(12)，被悬挂为能经由第一弯曲弹簧元件(14；14a)、第二弯曲弹簧元件(14；14b)、第三弯曲弹簧元件(14；14c)和第四弯曲弹簧元件(14；14d)而振动；以及至少两个致动器(16a；16b)，各自固定安装在一侧，所述至少两个致动器(16a；16b)经由所述第一弯曲弹簧元件(14；14a)、所述第二弯曲弹簧元件(14；14b)、所述第三弯曲弹簧...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾姗姗，汉斯·约阿西姆·昆策尔，约阿希姆·雅内斯，
申请(专利权)人：弗兰霍菲尔运输应用研究公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE