本发明涉及一种用于二维地偏转激光射束的设备，该设备具有：具有衬底开口的衬底；设置在衬底上的弹簧膜片，该弹簧膜片具有延伸到衬底开口中的弹簧臂以及布置在衬底开口中的由弹簧臂承载的中央区段，该中央区段能够二维地倾斜并且能够在弹簧膜片中央轴线的两个方向上轴向滑动地支承；固定在弹簧膜片的中央区段上的镜；用于使镜逆着弹簧臂的回复力而倾斜的磁驱动或静电驱动。
背景技术：
这种具有平面线圈形式的电磁驱动的、用于基于mems技术来偏转激光射束的设备例如由ataman等人的《jmicromechmicroeng》(2003年第23卷：025002，第13页)所已知，或由t.iseki等人的《opticalreview》(2006年，第13卷，第4期，第189至194页)所已知。
用于偏转激光射束的设备、尤其用于激光材料加工的装置中的微型扫描仪，应提供角速度和角加速度方面的高动态以及角度调节和可重复性方面的高准确度。同时，所使用的激光射束的功率持续增加，并且结构空间变得越来越小。在此，基于mems(microelectromechanicalsystems：微机电系统)的扫描镜以及尤其基于电磁驱动或静电驱动的设备提供了一种令人关注的技术。
为了在由所述文献中已知的偏转设备中实现在倾斜镜时的高动态和线性，尤其不能在轴向方向上将弹簧膜片设计得非常硬，使得在高轴向力的情况下(例如由于冲击的加速，这例如可能恰好在传输时发生)，弹簧膜片的弹簧臂可能发生塑性变形或断裂。
此外，由ep1950174a2的图1至11已知一种用于借助固定在中央区段上的镜来三维地偏转激光射束的设备。该中央区段在衬底开口中能够围绕倾斜轴线转动支承，该倾斜轴线由两个扭转弹簧臂限定，借助这些扭转弹簧臂，中央区段与衬底一体地连接。为了限制中央区段在两个方向上的轴向移动，设置两个止动器。第一止动器固定在衬底的开口边缘上方并且搭接(übergreifen)中央区段，而第二止动器存在于中央区段上并且搭接衬底的开口边缘。图1至11公开了一种不同种类的设备，这是因为既不存在弹簧膜片，也不存在用于二维地偏转激光射束的能够二维地倾斜支承的中央区段或镜。在图12至15中，ep1950174a2公开一种用于借助万向悬挂的镜来二维地偏转激光射束的设备，其中，两个止动器限制万向节外环在两个轴向方向上的轴向移动。
由us2004/061962a1中还已知一种用于借助镜来二维地偏转激光射束的设备，该镜固定在底座上，底座借助垂直的万向弹簧(gimbalfeder)可倾斜地支承。万向节在另一端分别固定在四个连接臂上，这些连接臂分别与静电执行器或磁执行器连接。通过相应地操控执行器下方的电极，可以使连接臂与弹簧悬挂的底座或者说镜一起二维地倾斜，其中，止挡件(止动件)限制底座向下的轴向移动。因此万向弹簧不是位置固定的(例如固定在衬底上)，而是支持在能够倾斜的执行器上。无论如何从us2004/061962a1都不已知支承底座的弹簧膜片，该弹簧膜片的弹簧臂延伸到衬底开口中。
技术实现要素：
因此，本发明的任务在于，在开始提及的类型的偏转设备的情况下防止弹簧膜片的塑性变形或断裂，即说明一种对于冲击尽可能不敏感的偏转设备。
根据本发明，该任务通过如下方式来解决：中央区段的超过在镜的由驱动限定的倾斜的情况下的轴向偏转的轴向偏转由末端止挡装置至少在一个轴向方向上限制，该止挡装置与刚性地固定在镜上的构件共同作用。优选地，弹簧臂能够从弹簧膜片的平面偏转，并且从衬底开口的边缘延伸到衬底开口中。
根据本发明的止挡装置布置在镜的由驱动限定的例如±10％的最大倾角范围以外，并且布置在镜的在此在轴向方向上可能发生的最大位移以外，并且如此定位，使得弹簧膜片的轴向最大偏转保持限制在弹性偏转范围内，也就是说，直到构件抵靠在末端止挡装置上，弹簧膜片既不发生塑性变形也不发生断裂。末端止挡件可以在其侧具有高弹性，以便在止挡构件时抑制加速度并因此使力最小化。弹簧膜片通常施加在衬底上或由衬底蚀刻，其中，弹簧臂例如可以直线地、螺旋状地、之字形地或s形地延伸。
在本发明的一种优选实施方式中，末端止挡装置由弹簧膜片的一个或多个末端止挡臂构成，这些末端止挡臂伸到衬底开口中直至进入到构件的运动轨道中，以便借助其弹簧自由端来阻止构件的轴向运动。末端止挡臂可以直接蚀刻到soi(silicon-on-insulator：绝缘体上硅)硅晶片的设备层(device-layer)中，并且有利地以彼此之间相同的角距离和相对于弹簧膜片足够的距离布置，以便不阻挡该弹簧膜片的运动。优选地，末端止挡臂具有比弹簧臂更高的弹簧刚性，这例如可以通过末端止挡臂的较大截面来实现。
在本发明的另一种优选实施方式中，末端止挡装置由弹簧膜片的一个或多个末端止挡臂构成，这些末端止挡臂伸到衬底开口中直至进入到构件的运动轨道中，以便借助其弹簧自由端来阻止构件的轴向运动。末端止挡臂可以直接蚀刻到soi硅晶片的处理层(handle-layer)中，并且有利地以彼此之间相同的角距离和相对于弹簧膜片足够的距离布置，以便不阻挡该弹簧膜片的运动。
在本发明的再另一优选实施方式中，末端止挡装置由孔板、尤其孔薄膜构成，该孔板尤其孔薄膜借助其开口边缘或借助末端止挡臂伸到衬底开口中直至进入到构件的运动轨道中，以便借助其开口边缘来阻止构件的轴向运动。孔截面、尤其孔直径例如可以小于构件的截面、尤其直径。孔板优选布置在衬底的与弹簧膜片相对置的侧上，并且例如可以固定在衬底的与弹簧膜片相对置的侧上。
优选地，与止挡装置共同作用的构件布置在中央区段的与镜相对置的侧上并且尤其固定在其上。在一种替代实施方式中，孔板布置在镜与弹簧膜片之间。
在本发明的特别优选的实施方式中，与末端止挡装置共同作用的构件是弹簧膜片或永磁体或磁驱动的磁体线圈或弹性驱动的电极、即磁驱动或静电驱动的无论如何都固定在镜上的驱动部件。替代地，与止挡装置共同作用的构件也可以是没有驱动功能的构件、例如止挡片。优选地，所述另一构件例如由一个单独的止挡板或由处于永磁体与弹簧膜片之间的距离保持件的至少一个径向向外伸出的突出部构成。
优选地，中央区段的轴向偏转在另一轴向方向上还由另一末端止挡装置限制，该另一末端止挡装置也与刚性地固定在镜上的构件共同作用，并且原理上可以与如以上所述的末端止挡装置构造成相同的。该另一末端止挡装置也布置在镜的由驱动限定的例如±10％的最大倾角范围以外，并且布置在镜的在此在另一轴向方向上可能发生的最大位移以外，并如此定位，使得弹簧膜片的最大偏转保持限制在弹性偏转范围内，也就是说，直至进入到构件抵靠在该另一末端止挡装置上，弹簧膜片既不发生塑性变形也不发生断裂。末端止挡装置可以在其侧具有高弹性，以便减弱止挡构件时的加速度，并因此使力最小化。
然而，该另一止挡装置优选由布置在构件的运动轨道中的末端止挡件、例如布置在衬底开口前方的止挡板、平面线圈电路板或居中地布置在构件前方的轴向的芯轴(dorn)实现。
有利地，在止挡装置与与该止挡装置共同作用的构件之间可以布置有阻尼器，尤其在末端止挡装置或构件上可以固定有阻尼器。阻尼器例如可以通过聚合物涂层、例如聚对二甲苯涂层而实现在构件上。
优选地，根据本发明的偏转设备以mems(微机电系统)技术实施。
优选地，磁驱动或静电驱动的施力部件、例如永磁体与镜刚性连接。此外优选地，弹簧膜片在镜与磁驱动或静电驱动的施力部件(例如永磁体)之间分别间隔开地布置。有利地，止挡装置由衬底、弹簧膜片或贴靠在衬底上的层构成。
附图说明
本发明的主题的其他优点和有利构型从说明书、权利要求和附图中得出。上面提到的以及还将进一步详细列举的特征可以单独使用或以任意组合的形式多个使用。所示的和所描述的实施方式不应理解为穷尽的枚举，而应理解为具有用于描述本发明的更多示例性特征。附图示出：
图1a和1b示出用于二维地偏转激光射束的根据本发明的设备的纵截面，该设备具有可倾斜的镜，该镜在图1a中在轴向未偏转的位置中示出，并且在图1b中在其轴向偏转的上终止位置中示出；
图2示出图1中示出的弹簧膜片的俯视图；
图3以类似于图1a的视图示出图1中所示的偏转设备，该偏转设备具有修改的下面的末端止挡装置；
图4a、4b示出根据本发明的具有可倾斜的镜的第二偏转设备的纵截面，该镜在图4a中在轴向未偏转的位置中示出，并且在图4b中在其轴向偏转的上终止位置中示出；
图5示出图4中示出的衬底的俯视图；
图6示出根据本发明的具有可倾斜的镜的第三偏转设备的纵截面，该镜在轴向未偏转的位置中示出；
图7示出根据本发明的具有可倾斜的镜的第四偏转设备的纵截面，该镜在轴向未偏转的位置中示出；
图8示出具有可倾斜的镜的第五偏转设备的纵截面，该镜在其轴向偏转的上终止位置中示出；
图9示出图8中所示的弹簧膜片的俯视图。
在以下附图描述中，对于相同的或者说功能相同的构件使用相同的附图标记。
具体实施方式
在图1a、1b中示出的设备1用于借助能够二维地倾斜支承的镜2来二维地偏转激光射束。偏转设备1除了镜2以外还具有如下其他部件：
与镜2刚性连接的永磁体3；具有衬底开口5的衬底4；设置在衬底4上的弹簧膜片6，该弹簧膜片具有延伸到衬底开口5中的弹簧臂7以及布置在衬底开口5中的由弹簧臂7承载的中央区段8，该中央区段是可倾斜的并且能够在弹簧膜片中央轴线9的两个方向a、b上轴向移动地支承，其中，镜2固定在中央区段8的(图1中的)上侧上；构型成平面线圈电路板的磁体线圈10，该磁体线圈用于产生磁场，以便使永磁体3与镜2一起逆着弹簧臂7的回复力围绕每个任意的、相对于中央轴线9垂直延伸的倾斜轴线倾斜，这例如由用于中央区段8的垂直于绘图平面延伸的倾斜轴线的双箭头11所表明。弹簧臂7能够从弹簧膜片6的平面弹性偏转，并且从衬底开口5的边缘延伸到衬底开口5中。
因此，永磁体3和磁体线圈10共同构成在整体上借助12标记的电磁驱动，该电磁驱动用于使镜2逆着弹簧臂7的回复力而倾斜。镜2借助上部的距离保持件13固定在中央区段8的上侧，并且永磁体3借助下部的距离保持件14固定在下侧并因此保持悬挂在弹簧膜片6上。衬底4借助框架15固定在平面线圈电路板10上，该平面线圈电路板因此处于永磁体3下方。优选地，镜2与上部距离保持件13由soi(绝缘体上硅)硅晶片(例如si/sio2/si夹层)一体地蚀刻，其中，上部距离保持件13由与镜2不同的硅层构成。替代地，上部距离保持件13也可以是单独安装在镜2上的独立构件。
中央区段8的超过在镜2的由磁场引起的倾斜的情况下的向上(方向a)的轴向偏转的轴向偏转由上末端止挡装置16限制，该上末端止挡装置与永磁体3共同作用。如图2所示，末端止挡装置16由弹簧膜片6的多个、在此仅示例性的四个末端止挡臂17构成，这些末端止挡臂伸到衬底开口5中直至进入到永磁体3的运动轨道中，以便借助其自由端阻止永磁体3的向上的轴向运动。为此，与弹簧臂7相比，末端止挡臂17具有显著较高的弹簧刚性、例如较大宽度。末端止挡臂17以彼此之间相同的角距离和相对于弹簧臂7足够的距离布置，以便不阻挡弹簧臂的运动。镜2在图1b中示出的向上最大偏转由末端止挡装置16通常限制在300μm内。
弹簧膜片6优选是硅弹簧膜片，该弹簧膜片的中央区段8和末端止挡臂17通过蚀刻直接制造在soi(绝缘体上硅)硅衬底4的设备层4中或作为涂层施加到衬底4上，其中，如所示出的那样，弹簧臂7可以直线延伸，但也可以螺旋状地、之字形地或s形地延伸。
中央区段8的超过在镜2的由磁场引起的倾斜的情况下的向下(方向b)的轴向偏转的轴向偏转由永磁体3下方的平面线圈电路板10限制，该平面线圈电路板因此构成与永磁体3共同作用的下末端止挡装置18。镜2向下的最大偏转由下面的末端止挡装置18通常限制在200μm内。
两个末端止挡装置16、18限制弹簧臂7向上和向下的垂直偏转——这例如可能在由于冲击引起的大垂直加速度或振动时出现，并且布置在镜2的由驱动限定的例如±10％的最大倾角范围以外。弹簧膜片6如此确定尺寸，使得在偏转至两个止挡装置16、18时，弹簧膜片6的机械应力低于塑性变形极限或断裂极限。
在一种未示出的实施方式中，磁体线圈替代地作为缠绕线圈布置在框架15上并且因此布置在永磁体3的运动轨道以外。在这种侧向线圈的情况下，止挡板可以作为下末端止挡装置18固定在永磁体3下方。
图3中示出的偏转设备1通过如下方式区别于图1：在此，下末端止挡装置18由从平面线圈电路板10伸出的芯轴19构成，永磁体3在其轴向偏转的下终止位置中贴靠该芯轴。在镜2的最大倾角范围相同的情况下，可以将芯轴19布置得相对于永磁体3比相对于平面线圈电路板10更近。
图4a、4b中示出的偏转设备1通过如下方式区别于图1：在此，上末端止挡装置16由衬底4的多个、在此仅示例性的四个末端止挡臂20构成，这些末端止挡臂伸到衬底开口5中直至进入到永磁体3的运动轨道中，以便借助其自由端阻止永磁体3向上的轴向运动。末端止挡臂20可以通过蚀刻制造在soi(绝缘体上硅)硅衬底4的处理层中，并且如图5所示优选以彼此之间相同的角距离布置。末端止挡臂20必须以足够的侧向距离相对于弹簧臂7布置，以便不阻挡该弹簧臂的运动。
图6中示出的偏转设备1通过如下方式区别于图1：在此，永磁体3布置在平面线圈电路板10与孔板21之间。孔板21固定在衬底4的与弹簧膜片6相对置的底侧上，其中，孔直径d小于永磁体3的直径d。孔板21可以是孔薄膜、例如聚酰亚胺薄膜。孔板21构成上末端止挡装置16，并且伸到衬底开口5中直至进入到永磁体3的运动轨道中，以便借助其开口边缘阻止永磁体3向上的轴向运动。替代地，孔板21也可以具有末端止挡臂，该末端止挡臂向中央延伸如此远，使得该末端止挡臂在永磁体3向上垂直运动时阻止该永磁体。
图7中出的偏转设备1通过如下方式区别于图6：在此，上末端止挡装置16由孔板21和止挡板22(如铝板)构成，该止挡板固定在磁体3与孔板21之间的距离保持件14上。止挡板22的直径e大于孔直径d，并且可以如图7所示那样小于永磁体3的直径d。孔板21伸到衬底开口5中直至进入到止挡板22的运动轨道中，以便借助其开口边缘或借助其末端止挡臂来阻止止挡板22向上的轴向运动。替代单独的止挡板，下部距离保持件14也可以具有至少径向向外伸出的突出部22、例如凸起(ausbuchtung)或套环(ringbund)，其与孔板21共同作用。
替代使用单独的孔板，止挡板22或至少一个径向向外伸出的突出部也可以替代地与图1和图4中所描述的弹簧膜片6的或衬底4的末端止挡臂17、20共同作用。
如图所示，永磁体3可以在上侧和下侧设有聚合物涂层23，以便附加地减弱末端止挡装置16、18上的冲击。替代地或附加地，末端止挡装置16、18也可以具有进行减弱的聚合物涂层。
在图8和图9中示出另一偏转设备1，其中，中央区段8具有径向向外延伸的末端止挡臂24，并且在弹簧膜片6上方布置有固定在衬底4上的孔板25。孔板25构成上末端止挡装置16，并且伸到衬底开口5中直至进入到末端止挡臂24的运动轨道中，以便阻止弹簧膜片6和永磁体3向上的轴向运动。图8示出在其轴向偏转的上终止位置中的镜2，在该上终止位置中，末端止挡臂24贴靠在孔板25上。
与所示出的偏转设备不同(其中，磁体线圈10位置固定并且永磁体3与镜2刚性连接)，在未示出的实施方式中，永磁体3位置固定并且磁体线圈10与镜2刚性连接。在该实施方式中，可运动支承的磁体线圈10与末端止挡装置16、18共同作用。
替代磁驱动12，也可以使用静电驱动，该静电驱动具有位置固定的第一电极和与镜2刚性连接的第二电极。在静电驱动的电场中，使第二电极逆着弹簧臂的回复力倾斜，其中，第二电极与末端止挡装置16、18共同作用。