FLATNESS-BASED OPEN LOOP COMMAND TRACKING FOR QUASISTATIC MICROSCANNERS

ABSTRACT Thi

Eine Studie der Pharmazeutischen Industrie

Using the pharmaceutical industry as an example, this dissertation focuses on inertia in sectoral systems of innovation and on their impact on the behavior of sectoral systems of innovation at their boundaries. The central question is how the inability of an industry to adapt to changing environmental conditions at its boundaries can be explained. This goes beyond and supplements the partially narrow conceptual approaches towards the adaptability of industrial sectors to environmental changes provided by the sectoral systems of innovation framework. The analysis draws on the observable passive behavior of the pharmaceutical industry beyond pharmaceuticals, in the dynamically developing health products market. The analysis is based on a theoretical framework that complements the sectoral systems of innovation perspective by the theory of organizational inertia, providing insights into the resource allocation and routine structures of the industry and the resulting inertia. The research results show that the industrial resources (internal and external/systemic), constituting the basis of the innovation activities, as well as the routines that guide the actors’ behavior gravitate around pharmaceuticals and the pharmaceuticals market. Dependences among dynamically connected resources and routines are in place that produce inertia (resource rigidities in terms of resource dependences and lacking incumbent reinvestment incentives as well as routine rigidities in terms of organizational routines and managerial cognition) and hamper the expansion of the innovation activities beyond pharmaceuticals to health products. By unveiling those rigidities the dissertation provides insights into the interplay between sectoral dynamics and the adaptability of industries to exogenous change. The analysis shows that systemic structures can — despite their dynamics — be highly inert regarding the adaptation to changes taking parts at their boundaries. Yet, it is not only the presence of some of the rigidities that constitute systemic inertia, but their simultaneous presence, as well as the causal relations, bidirectional links (feedback mechanisms and causal links) and self-reinforcing effects between them. The research results indicate that sectoral systems of innovation can have clear boundaries. They are constituted and held up by the same dynamics that are responsible for the systemic dynamics. It becomes apparent that systemic change can be inhibited by the system itself, manifesting the systemic boundaries. Those insights contribute to the sectoral systems of innovation approach to change that emphasizes the systemic flexibility, lacking explanatory approaches for a systemic inability to expand sectoral boundaries.Die Arbeit beschäftigt sich - am Beispiel der Pharmaindustrie - mit Trägheit innerhalb von Sektoralen Innovationssystemen und dessen Einfluss auf die systemische Anpassungsfähigkeit an den Systemgrenzen. Ziel ist, aus sektoraler Sicht die passive innovatorische Position der Pharmaindustrie gegenüber der jüngeren Entwicklung des Gesundheitsmittelmarktes zu verstehen und die zu kurz greifenden Erklärungsansätze der Sektoralen Innovationssysteme zu ergänzen. Dabei steht die Frage im Mittelpunkt, wie sich über die bestehenden Ansätze der Anpassungsfähigkeit von Sektoren im sectoral systems of innovation framework hinaus, die in der Pharmaindustrie zu beobachtende Unfähigkeit einer Industrie sich an veränderte Marktbedingungen an ihren Grenzflächen anzupassen, erklärt werden kann. Aufbauend auf einen theoretischen Bezugsrahmen, der dem Konzept der sektoralen Innovationssysteme die Theorie der organisationalen Trägheit (organizational inertia) zur Seite stellt, gibt die Arbeit Einblick in die Ressourcenallokationen und Handlungsroutinen der Pharmaindustrie. Die Dissertation zeigt, dass sowohl die Ressourcen (intern, sowie extern/strukturell), die als Basis für die Innovationsaktivitäten der Industrie dienen, als auch die Routinen, die die Handlungen der Akteure leiten, gänzlich auf das Arzneimittel und den Arzneimittelmarkt abgestellt sind. Es besteht eine Abhängigkeit von dynamisch miteinander verknüpften Ressourcen und Routinenstrukturen, die Trägheit entstehen lässt (resource rigidities [resource dependences, lacking incumbent reinvestment incentives] und routine rigidities [organizational routines, managerial cognition]) und eine Ausweitung der Innovationsaktivitäten weg vom Arzneimittel- und hin zum Gesundheitsmittelmarkt erschwert. Damit gibt die Arbeit am Bespiel der Pharmaindustrie Einblick in das Zusammenspiel zwischen sektoraler Dynamik und der Anpassungsfähigkeit von Industrien auf exogene Veränderungsprozesse. Es wird deutlich, dass die Systemstrukturen in Bezug auf Anpassungsprozesse am Rande des etablierten Aktionsbereichs trotz ihrer grundsätzlichen Dynamik von Trägheit geprägt sein können. Dabei ist es jedoch nicht das Vorhandensein einzelner Faktoren dieser Trägheit, sondern die gleichzeitige Präsenz aller Faktoren, also Ressourcen- und Routinenrigidität, sowie deren kausale Verknüpfung, Rückkopplungseffekte, und die selbstverstärkenden Effekte zwischen ihnen, die die Industrie lähmen. Die Forschungsergebnisse lassen vermuten, dass sektorale Innovationssysteme über klare Grenzen verfügen können, die von denselben Prozessen innerhalb des Sektors definiert und aufrecht gehalten werden, die seine Dynamik begründen. Es wird deutlich, dass - im Gegensatz zum Ansatz der sektoralen Innovationssysteme - sektoraler Wandel aus dem System heraus behindert werden kann und so die Grenzflächen zu benachbarten Sektoren und Märkten undurchlässig werden

Micro scanning mirrors and enabling technology for applied optics

Micro scanning mirrors play an important role in various optical applications for highly miniaturized, reliable and cost efficient scanning systems like compact laser projection displays, endoscopic and medical imaging systems or LIDAR 3D-cameras. We give an overview about different MEMS scanner technologies including bi-resonant, linear raster scanning and 2D-vectorial scanning systems. Finally we present examples of industrial applications including miniaturized FTIR-spectrometers, tunable laser sources, high power scanner for laser surgery and fast raster scanning devices for medical imaging

Jerk and current limited flatness-based open loop control of foveation scanning electrostatic micromirrors

This paper describes open loop control measures for performance improvements of electrostatic micromirrors in context with foveation scanning for 3D time-of-flight cameras. The generation of high accuracy scanning trajectories with scene dependent variable slope is realized by a flatness-based open loop control scheme. Previous flatness-based control solutions have shown unfavorable residual oscillations excited at slope reverse points and high drive currents at zero-crossing comb deflection due to square-root voltage law for electrostatic mirror control. Jerk limited trajectories are introduced for reduction of residual oscillations and their impact on scanning trajectory properties is expressed by design formulas. A considerable reduction of zero-crossing drive currents can be achieved by using a dual-comb control law at small deflection angles reducing the effective drive voltage slope. The paper addresses the basic micromirror models and describes in detail the jerk and current limitation control measures in context with the flatness-based control concept. Experimental results prove the adequacy of the proposed solutions

Design of an optical position detection unit for fast 2D-MOEMS scanners

Recently, we have developed compact modules comprising optical position sensing, and driver electronics, with closed loop control, which can measure the trajectory of resonantly driven 2D-micro-scanner mirrors. In this contribution we present the optical design of the position sensing unit and highlight various critical aspects. Basically position encoding is obtained using trigger signals generated when a fast photodiode is hit by a laser beam reflected from the backside of the mirror. This approach can also be used in the case of 2D-mirrors. In our device the backside of the mirror is hit by two crossed orthogonal laser beams, whose reflections pass cylindrical mirrors in order to suppress the orthogonal dimension. Mirror deflection around one axis is compensated at the plane of the detection diodes while deflection around the other axis leads to a linear displacement of the beam. The optical design of the unit has to provide the optimal compromise between the require ments for small size and simplicity on the one hand and optical accuracy on the other

Flatness-based open loop command tracking for quasistatic microscanners

This paper describes a nonlinear command tracking scheme for an electrostatic laser scanning micromirror assembly. The results are based on an innovative gimballed comb transducer concept developed at the Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems. The outer mirror axis is designed as a Staggered Vertical Comb (SVC) in out-of-plane configuration and it shall provide a quasistatic operation with large deflection angles for triangular trajectories. The challenges for trajectory design and open loop command tracking are determined by the inherently nonlinear transducer characteristics and the lightly damped mass-spring dynamics. In this paper a flatness-based trajectory design is presented that considers the nonlinear transducer dynamics as well as the nonlinear elastic mechanical suspension with model parameters derived from ANSYS analysis. The paper discusses design constraints and detailed design considerations and it shows proof of concept performance results based on experimental verification with a real microscanner assembly

Flatness-based open-loop and closed-loop control for electrostatic quasi-static microscanners using jerk-limited trajectory design

This paper describes the open-loop and closed-loop control for quasi-static microscanners exploiting the inherent flatness property. The developed nonlinear control method is verified on a gimbaled quasi-static/resonant scanning micro mirror with electrostatic staggered vertical comb (SVC) drive actuation. Based on a mechatronic micro mirror model, we present a flatness-based feed forward control method using jerk-limited trajectories to reduce undesired oscillations. For the closed-loop control we introduce a stabilizing linearizing feedback including an extended Luenberger observer for improvement of the command tracking in presence of model inaccuracies. The experimental results for both scenarios, open-loop and closed-loop control, are compared with simulations and further assessed in terms of performance and feasibility for industrial application

Hybrid assembled MEMS scanner array with large aperture for fast scanning LIDAR systems

In diesem Artikel wird ein MEMS- Scannerspiegel Array vorgestellt, welches speziell für zur großen Empfangsapertur schnell scannendes die 3D-ToF Panoramakamera Fovea-3D entwickeltes zur Gewährleitung einer aus synchron scannenden identischen Mikroscannern besteht. In diesem Artikel wird der MEMS basierte Laserscanner Fovea-3D vorgestellt. Dieser zielt auf Echtzeit 3D-Bildgebung mit einem optischen Panorama-Sichtfeld (FOV) von 360°×60° (horizontal × vertikal) in Kombination mit einem großen Entfernungsmessbereich von mindestens 100 m und einer Bildfrequenz von 10 Hz. Die Entfernungsmessung beruht auf einem Pulslaufzeitverfahren mit faserverstärktem Pulslaser bei λ=1550nm und APD-Einzelelementdetektor, resultierend in einer Entfernungsmessrate von 1 MVoxel. Der schnelle vertikale Scan erfolgt über ein 1D-MEMS-Modul mit großer Empfangsapertur, welches die Scanrate auf 3200 Hz erhöht und somit viermal schneller als derzeit für echtzeitfähige Laserscanner verwendete makroskopische Polygon-Scansysteme ist. Um gleichzeitig eine große Empfangsapertur von Deff=23mm, ein großes FOV von 60° und eine Scanrate von 3200 Hz zu gewährleisten, wurde ein hybrid integriertes MSM-Array mit synchron scannenden identischen Mikroscannern entwickelt, das aus 22 Empfangsspiegeln und einem separaten Sendespiegel besteht. Eine Hybridintegration von einzelnen frequenzselektierten MEMS-Spiegeln anstelle eines monolithisch integrierten MEMS-Scannerarrays wurde gewählt, um eine hohe MEMS-Fertigungsausbeute zu gewährleisten. Alle MSM werden in parametrischer Resonanz betrieben, um einen vollständig synchronisierten Betrieb aller Einzelelemente zu gewährleisten. Zur Messung des aktuellen Ablenkwinkels sind piezoresistive Positionssensoren im MEMS-Scanner integriert. Im Artikel werden Details der MEMS-Systemintegration einschließlich des synchronisierten Betriebs mehrerer MEMS-Scannerelemente erörtert