致动器-传感器系统和具有这种致动器-传感器系统的快速转向镜(FSM)的制作方法

本发明涉及一种用于使得电磁辐射在至少一个轴上受调控地偏转或转向的致动器-传感器系统，其具有用于机械地移调偏转元件的致动器，以及具有用于检测偏转元件的位置的测量元件。此外，本发明涉及一种快速转向镜(fsm)。

背景技术：

1、致动器-传感器系统用于许多必须以受控方式进行运动的应用中。从单轴运动到两轴和多轴运动，有大量的致动器由传感器控制，从而在一个或多个方向或轴上引起受控的和受调控的运动。传感器信号用作致动器实际位置的反馈。在调控器中，将其与设定位置进行比较，并由此生成调控信号以控制致动器。

2、作为用于位置检测的传感器，通常每个轴采用差动布置的两个传感器(传感器a–传感器b)。由于传感器a和传感器b彼此相对，并且在两者之间布置了可旋转的支架，因此近乎实现了加倍的灵敏度，并且输出信号几乎呈线性。这里所讨论的已知传感器是电感式传感器或涡流传感器、电容式传感器或光学传感器。

3、传统传感器通常具有较大的构造形状，这是由于传感器元件本身、壳体、连接件(电缆或插头)或其相互作用造成的。然而，出于技术原因，尤其是成本原因，通常需要紧凑的构造形状。这尤其适用于需要低重量或特别小的构造形状的应用，例如航空和航天。由于单轴致动器-传感器系统(采用差动布置)需要两个传感器，而两轴致动器-传感器系统需要四个传感器，因此传感器的构造尺寸对致动器-传感器系统的构造尺寸在整体上具有决定性的影响。

4、对于差动布置(differentielle anordnung)，由于构造原因，存在机械的中心点(零点)和电气的中心点(零点)。现有技术是通过机械的调整过程(移调各个传感器)尽可能精确地匹配这两个中点。这在实践中耗费时间，并且只有在存在残余误差的情况下才能成功。此外，至少一个传感器(通常是两个传感器)需要一个机械的支架，该支架能够实现移调传感器并随后将其固定。这种装置价格昂贵，并且还增加了构造空间。还必须为每个传感器提供单独的电连接。只有在调整和固定之后才能对差动传感器布置进行校准。

5、对于传感器的差动布置，如果传感器对中的两个传感器表现得彼此尽可能相同，则对于线性度和温度表现是有利的。

6、出于这个原因，基于缠绕线圈的传感器(例如感应式传感器或涡流传感器)要经过下游的匹配过程，以获知相同类型的传感器。这通常是在测量范围内的两个距离处完成的。然而，由于额外的工作步骤，这意味着更高的生产成本，特别是因为尚未找到“伙伴”的传感器必须在下一次匹配过程中再次被测量。此外，匹配过程绝不是完美的，因为为了能够找到大量的配对，必须允许两个距离处在测量的初始值之间存在一定的偏差。各个传感器的温度表现也根本不匹配，因为这太复杂且太昂贵。

7、需要导电的连接，以将传感器与下游的评估电路连接。这通常使用屏蔽同轴电缆或柔性印制电路板来实现。

8、为了能够接触相应的传感器，需要额外的生产步骤。这使得生产成本昂贵并降低了可靠性，特别是因为每个附加连接同时是潜在的薄弱点(中断或短路)。当存在温度波动、冲击和振动等外部影响时，该问题会进一步加剧。

9、这种致动器-传感器系统广泛应用于光信号必须有针对性地偏转或转向(所谓的快速转向镜-fsm)的地方。除了实际的致动器-传感器系统之外，fms还包含一个偏转元件，通过该偏转元件可以使光信号偏转或转向。例如在半导体生产中，它们将激光束引导到晶圆上，将芯片分离。此外，fsm还用于快速目标跟踪或在军事应用中用作图像稳定器。它们还经常用于光学扫描仪(3d)、3d打印或大屏幕投影。

10、fsm通常由反射表面(反射镜)、可移动元件(也可用作反射镜的支架(用于一个或两个轴)、用于定位反射镜的驱动单元(电磁体、致动器)以及检测反射镜支架的实际位置、进而检测反射表面的实际位置的传感器组成。fsm作为受调控的系统运行，其方式为，将实际位置与所需目标位置进行比较，并将相应的调控信号传输到驱动单元。

技术实现思路

1、本发明的目的现在是，尽可能地消除现有技术中出现的问题。另外，根据本发明的致动器-传感器系统和根据本发明的快速转向镜(fsm)应该不同于竞争产品。

2、上述目的通过权利要求1的特征实现。因此，已知的致动器-传感器系统的特征在于，测量元件由包括至少一个传感器元件的平坦基板组成。

3、关于根据本发明的fsm，上述目的通过并列独立权利要求14的特征来实现，据此，fsm包括根据本发明的致动器-传感器系统。

4、根据本发明已经认识到，如果分立传感器被由平面基板组成的包含一个或多个传感器元件的测量元件代替，则致动器-传感器系统的构造形状可以显著减小，并且其生产和功能可以显著改进。

5、测量元件布置在致动器-传感器系统中，使得它能够检测可移动元件的位置。可移动元件通过一个或多个致动器来移动，例如围绕轴线倾斜。支架与可移动元件连接，并且包含适合于使得光信号(或者通常是电磁辐射)偏转的偏转元件。偏转元件可以是光学元件，例如反射镜、棱镜、透镜或衍射光栅。

6、支架安装在可移动元件上，使得可以沿一个或多个方向或者绕一个或多个轴线进行运动。例如，可移动元件可以通过线轴承或点轴承来倾斜。或者，也可以使用例如弯曲元件形式的固定轴承。

7、特别有利的是，偏转元件设置在可移动元件上(例如作为涂层)或者设计为可移动元件的一部分，并且如果可移动元件具有腰部，则测量元件设置在该腰部内。在本公开的上下文中，术语“腰部(taillierung)”是指可移动元件的径向收缩或变窄。在腰部上方和下方，可移动元件具有比腰部更大的横截面。偏转元件可以安置在腰部上方。致动器的磁体(或磁性材料)可以安置在腰部下方，借助这些磁体使得使得可移动元件运动。由此得到致动器-传感器系统的非常紧凑、扁平的构造形状。由于测量元件布置在腰部内，所以它沿径向方向不会突出或不会明显突出超过可移动元件。由于测量元件的扁平构造形状，带有腰部的可移动元件的高度可以保持非常低。

8、如果可移动元件由彼此牢固地连接的两个部分形成，则这是特别有利的。上部部件可以承载偏转元件，下部部件可以承载用于致动器的磁体(或磁性材料)。可移动元件可以通过弯曲元件可移动地安装。弯曲元件在此可以安置在上部部件或下部部件或两者的组合上。

9、可移动元件可以由易于制造的车削零件制成。于是，测量元件有利地被设计为环形基板，其在组装期间插入可移动元件的上部部件和下部部件之间。测量元件可以刚性地与致动器-传感器元件的壳体或承载结构连接。传感器元件可以布置在测量元件中，使得每一个传感器元件都位于致动器上方。然而，替代地，传感器元件也可以布置成相对于致动器偏移例如45°。这减少了致动器的影响。然而，另一种布置也是可以想到的：例如仅有三个传感器元件形成120°的角度。如果可移动元件由金属制成，则这是特别有利的。结果，测量元件通过其下部部件从下侧相对于致动器屏蔽，从而减少了致动器对测量元件的干扰影响。不管其具体设计如何，可移动元件可以优选地用作偏转元件的支架，并且形成传感器元件的目标。还可以想到将致动器的磁体固定在其上。

10、测量元件可以经过布置，使得传感器元件位于致动器旁边。这允许特别扁平的构造方式。然而，测量元件也可以布置成使得传感器元件位于致动器和可移动元件之间，例如在气隙中，该气隙在线圈和磁体(或磁性材料)之间在致动器内形成。

11、测量元件被设计为主要平坦的平面基板，并且可以例如由陶瓷或印制电路板材料构成。在最简单的形式中，基板被单层地设计，但也可以由多层组成。

12、传感器元件可以布置在基板上或基板中。例如，可以通过以已知的方式在表面上形成平坦电极来将电容式传感器的传感器元件布置在基板的表面上。感应式传感器或涡流传感器的传感器元件可以作为单层线圈布置在表面上，或作为多层线圈布置在基板的层内。

13、如果基板包含多个传感器元件，则这是特别有利的。因此，可以以简单的方式实现差动的传感器布置，例如通过将两个传感器元件彼此并排(或彼此相对)地布置在基板上或基板中，使得待测量的物体由两个传感器元件探测。差动布置意味着，在移动过程中，一个传感器元件探测测量对象的接近，而另一传感器元件探测距测量对象的距离。即使没有额外的电路措施，两个信号之间的差异通常也是线性的。此外，这消除了同样地影响两个传感器元件的干扰，例如温度影响或电磁干扰。

14、在另一设计中，可以通过多个传感器元件同时检测多个方向上的运动，例如绕两个轴的倾斜。

15、特别有利的是，为每个运动方向选择差动布置，其方式为，每两个传感器元件共同地探测一个运动方向，而独立于另一运动方向。这样的致动器-传感器系统例如可以使得反射镜在以90°布置的两个轴上彼此独立地运动，使得光束可以偏转到任何立体角。该立体角受到绕相应轴的倾斜角的限制。对于两轴运动的情况，四个传感器元件不是绝对必要的，但是三个传感器元件彼此大约120°布置就足够了。然后，差分评估需要更复杂的、但众所周知的数学计算。

16、理想情况下，测量元件仅需要一个接头来接触传感器元件。这可以是布置在基板上的插头。柔性印制导线也可以集成到基板中，该印制导线特别是在空间有限的情况下形成了可自由布设的非常细的电连接件。

17、用于电子电路的电子组件也可以已经布置在基板上。在最简单的情况下，可以为传感器元件实现前置放大器，以便调整和放大已经在最前面位置的信号。因此，任何影响线路的干扰都几乎没有影响，或者影响很微小。还可以想到将整个评估电子件安置在基板上。此外，甚至可以集成致动器的调控电子件。

18、另外，还可以在基板上布置一个或多个温度传感器。由此可以在致动器-传感器系统内部测量温度，并在必要时补偿温度对传感器测量值的影响。

19、如果传感器元件在制造过程中集成在基板中，则它们相对于彼此牢固且精确地布置。

20、例如，如果传感器元件使用传统的电路板技术由铜层制造，则由于制造过程，线圈或电极的几何尺寸都大致相同。

21、制造陶瓷基板时，在原始陶瓷载体上“印制”导体结构时使用的导电膏对于所有传感器都是相同的。

22、由于在这两种情况下，基板上的所有传感器元件都经过相同的制造步骤，因此传感器之间的表现几乎彼此相同。传感器元件的电气值(例如欧姆电阻、电感、电容、阻抗)以及温度特性几乎相同。因此可以完全省去后续的匹配或选择。