DE4224601A1 - Electrostatic positioning system for optical beam deflection mirror, e.g. for colour image projection - produces component of force along plane of mirror using parallel fixed electrodes above and below plane of mirror - Google Patents

Electrostatic positioning system for optical beam deflection mirror, e.g. for colour image projection - produces component of force along plane of mirror using parallel fixed electrodes above and below plane of mirror

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DE4224601A1 DE19924224601 DE4224601A DE4224601A1 DE 4224601 A1 DE4224601 A1 DE 4224601A1 DE 19924224601 DE19924224601 DE 19924224601 DE 4224601 A DE4224601 A DE 4224601A DE 4224601 A1 DE4224601 A1 DE 4224601A1
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Abstract

A movable, plate (2), formed from a monocrystalline silicon substrate, is movable under the effect of a force of an electrostatic field produced by several fixed electrodes (4a-5b). At least one electrode produces a force component in the direction of the plane contg. the largest dimension of the plate, which is flexibly mounted in the drive direction. The electrode at the rest position of the plate is separated from a laterally adjacent electrode by a distance corresp. to the stroke of the electrode in the drive direction. The plate is held by springs on its narrow sides and extending in the plane of the plate. USE/ADVANTAGE - For use in optical and/or mechanical system producing micro-movements with high precision, eg for laser-scribing or colour picture projection.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrostatische Positionie­ rungseinrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ange­ gebenen Art.The invention relates to an electrostatic position approximately in the preamble of claim 1 given type.

Derartige Einrichtungen können insbesondere als Ablenk- Einheit für optische Systeme benutzt werden, um un­ ter Ausnutzung elektrostatischer Kräfte einen Spiegel in unterschiedliche Stellungen zu führen.Such devices can be used in particular as Optical system unit used to un  exploiting electrostatic forces in a mirror to lead different positions.

Kraftwirkungen im elektrostatischen Feld sind seit langem bekannt und nachgewiesen. Aufgrund der mit größer werden­ dem geometrischem Abstand quadratisch abnehmenden Kräfte des elektrostatischen Feldes ist eine Nutzung auf Anwen­ dungen mit kleinen Abmessungen beschränkt, zumal auch die notwendigen Kräfte, um bewegliche Elemente anzutreiben, mit zunehmender Masse zunehmen. Nutzungsmöglichkeiten ergeben sich daher insbesondere im Bereich der Mikromecha­ nik, welche auf die bekannten Technologien der Mikro­ elektronik zurückgreifen kann, mit denen mikromechanische Elemente im µm-Bereich herstellbar sind.Force effects in the electrostatic field have long been known and proven. Because of the grow with the geometric distance of decreasing forces of the electrostatic field is for use on users with small dimensions, especially since necessary forces to drive moving elements, increase with increasing mass. Possible uses arise especially in the area of micromecha nik, which is based on the known technologies of micro electronics with which micromechanical Elements in the µm range can be produced.

Aus der EP-B-00 40 302 ist eine elektrostatische Licht­ ablenkeinheit bekannt, bei der ein plattenförmiges Element eine eindimensionale Torsionsbewegung um eine Achse aus­ führen kann. Das bewegliche Element wird durch einen ani­ sotropen Ätzprozeß aus einkristallinem Silizium herge­ stellt. Die antreibende elektrostatische Kraft entsteht dabei durch zwei unter der, eine spiegelnde Oberfläche aufweisenden Torsionsplatte angebrachten Elektroden, wobei die Ansteuerspannungen zwischen den festen Elektroden und der beweglichen, auf dem Bezugspotential liegenden Tor­ sionsplatte anliegen. Die Positionierungseinrichtung besteht aufgrund ihres Herstellungsverfahrens immer aus zwei, separat hergestellten Elementen, die montiert werden müssen.From EP-B-00 40 302 is an electrostatic light deflection unit known in which a plate-shaped element a one-dimensional torsional movement around an axis can lead. The movable element is ani sotropic etching process from single crystal silicon poses. The driving electrostatic force arises by two under the, a reflective surface having electrodes attached torsion plate, wherein the drive voltages between the fixed electrodes and the movable gate lying at the reference potential sion plate. The positioning device always consists of due to their manufacturing process two separately manufactured elements that are assembled have to.

Eine andere elektrostatische Positionierungseinrichtung ist aus der DE-A-33 88 758 bekannt. Hierbei sind mehrere Elektroden unterhalb der anzutreibenden Spiegelplatte an­ geordnet, wobei durch spezielle Federkonstruktionen eine zweidimensionale Torsionsbewegung möglich ist. Die Tor­ sionsplatte liegt dabei auf einem Loslager, welches den Drehpunkt der Torsionsbewegung definiert. Auch hier sind mindestens die Elektrodenplatte und die Torsionsplatte miteinander zu verbinden. In manchen Fällen ist es sogar nötig, eine Isolierschicht zwischen beiden Platten einzu­ fügen.Another electrostatic positioning device is known from DE-A-33 88 758. Here are several  Electrodes below the mirror plate to be driven ordered, with a special spring construction two-dimensional torsional movement is possible. The gate sionsplatte lies on a floating bearing, which the Pivot point of the torsional movement defined. Are here too at least the electrode plate and the torsion plate connect with each other. In some cases it is necessary to insert an insulating layer between the two plates put.

Des weiteren ist aus der EP-A 0 00 50 970 eine Vorrichtung bekannt, bei der zwei eindimensionale, in einer Ebene lie­ gende Spiegelelemente gegenüber einem Hilfsspiegel ange­ ordnet sind. Hiermit ist zwar die zweidimensionale Ablen­ kung eines Lichtstrahls möglich, aber es kommt zu größeren Montagetoleranzen und Tonnenverzeichnungen bei der Strahl­ ablenkung.Furthermore, EP-A 0 00 50 970 is a device known, where two one-dimensional, lie in one plane mirror elements opposite an auxiliary mirror are arranged. This is the two-dimensional deflection light beam may occur, but there are larger ones Assembly tolerances and barrel distortions for the beam deflection.

Alle Lösungen weisen den wesentlichen Nachteil auf, daß die Kraftwirkung stets senkrecht zur Ebene der Torsions­ platte gerichtet ist. Auslenkungen in einer in der Ebene der Platte gelegenen Richtung sind nicht möglich.All solutions have the major disadvantage that the force effect always perpendicular to the plane of the torsion plate is directed. Deflections in one in the plane direction of the plate is not possible.

Andere bekannte Positionierungseinrichtungen, die unter Ausnutzung elektromagnetischer oder piezoelektrischer Ef­ fekte arbeiten, haben gegenüber den vorbeschriebenen An­ ordnungen ebenfalls keine Vorteile. Elektromagnetisch an­ getriebene Anordnungen haben dazu noch den besonderen Nachteil, daß sie, bedingt durch die Mindestgröße von Per­ manentmagneten bzw. Spulen, eine Untergrenze für ihre me­ chanischen Abmaße besitzen.Other known positioning devices, the under Utilization of electromagnetic or piezoelectric Ef work flawlessly compared to the previously described regulations also have no advantages. Electromagnetically Driven orders also have a special one Disadvantage that, due to the minimum size of Per magnet magnets or coils, a lower limit for your me have chanic dimensions.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektro­ mechanische Positionierungseinrichtung der eingangs ge­ nannten Gattung zu schaffen, bei der Bewegungen auch in Richtungen ausgeführt werden können, die in der Ebene der maximalen Erstreckung der anzutreibenden Platte gelegen sind.The invention has for its object an electro mechanical positioning device of the ge called genus to create, with the movements also in Directions can be executed in the plane of the maximum extent of the plate to be driven are.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This task is carried out with the characteristic features of the Claim 1 solved.

Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, daß durch eine Verlagerung der das elektrostatische Feld erzeugenden, feststehenden Elektroden in einen Bereich, der außerhalb der maximalen Erstreckung des anzutreibenden, beweglichen Elements gelegen ist, dessen Bewegung - mindestens mit ei­ ner zusätzlichen Komponente - auch in der Ebene seiner größten Fläche erfolgen kann.The invention includes the knowledge that by a Displacement of the electrostatic field generating fixed electrodes in an area outside the maximum extent of the movable, to be driven Elements is located, whose movement - at least with egg ner additional component - also in the level of its largest area can take place.

Unter der Annahme, daß die räumlichen x- und y-Richtungen in die Ebene des Plättchens fallen, in die auch die Rich­ tungen seiner größten Erstreckungen fallen, können belie­ bige Positionen in der x-y-Ebene angesteuert werden und es können hiermit bei der optischen Strahlablenkung örtlich unterschiedliche Reflexionseigenschaften des Plättchens gezielt angewählt werden. Damit kann zusätzlich zu einer beliebigen Strahlauslenkung durch Drehung um die x- und/oder y-Achse auch noch eine zusätzliche Modulation des Lichtstrahls erfolgen. Beispiele dazu werden weiter unten näher dargestellt.Assuming that the spatial x and y directions fall into the plane of the tile into which the Rich of its greatest extent can fall other positions in the x-y plane and it can be used locally for optical beam deflection different reflection properties of the plate be selected specifically. In addition to a arbitrary beam deflection by rotation around the x and / or y axis also an additional modulation of the Beam of light. Examples of this are given below shown in more detail.

Die Ansteuerelektroden sind bevorzugt in der Weise ange­ ordnet, daß ihre den Schmalseiten des beweglichen Elements mit einem Abstand zugewandten Stirnseiten von dem Element bei seinen Rotations- oder Translationsbewegungen - vor­ zugsweise in möglichst kleinem Abstand - passiert werden können.The control electrodes are preferably in the manner arranges that its the narrow sides of the movable element  with end faces facing the element at a distance in his rotational or translational movements - before preferably at the smallest possible distance can.

Insgesamt genügen bereits geringe Feldstärken bzw. geringe Spannungen, um die Bewegung des plattenförmigen Elements und damit dessen gewünschte Position zu erreichen.Overall, low field strengths or low ones are sufficient Tensions to the movement of the plate-shaped element and thus to reach its desired position.

Weiterhin ist vorteilhaft, daß die Positionierungseinrich­ tung derart gestaltet werden kann, daß ihre Herstellung auch als Gesamtsystem ohne zusätzliche Montageprozesse mittel der Technologien der Mikrosystem-Technik (bei­ spielsweise als Batch-Prozeß) in günstiger Weise möglich ist. Dabei ist es, auch im Hinblick auf die Vereinfachung des Herstellungsprozesses der Positionierungseinrichtung von besonderem Vorteil, daß die Elektroden für den Aufbau des zur Ablenkung erforderlichen elektrostatischen Gesamt­ feldes in einem Bereich angeordnet sind, das nicht von dem Volumen umfaßt ist, welches das Plättchen während seiner Bewegungsabläufe bestreicht.It is also advantageous that the positioning device tion can be designed so that their manufacture also as a complete system without additional assembly processes using the technologies of microsystem technology (at for example as a batch process) possible in a favorable manner is. It is there, also in terms of simplification the manufacturing process of the positioning device of particular advantage that the electrodes for the construction of the total electrostatic required for distraction field are arranged in an area that is not of the Volume is included, which the platelet during its Movement sequences covered.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung be­ steht die elektrostatische Positionierungseinrichtung aus einem beweglichen, plattenförmigen Element, das im we­ sentlichen rechteckig ausgebildet ist und von einer Mehr­ zahl von, vorzugsweise radial gerichteten Federelementen in einer vorbestimmten Ruheposition im Raum gehalten wird.According to a preferred embodiment of the invention the electrostatic positioning device is pending a movable, plate-shaped element, which we Significantly rectangular and of a more Number of, preferably radially directed spring elements is held in a predetermined rest position in the room.

Die für die Erzeugung des elektrostatischen Feldes erfor­ derlichen Elektroden sind vorteilhafterweise jeweils paar­ weise gegenüberliegend in einem räumlichen Bereich an­ geordnet, der in einer in der Ebene der größten Erstreckungen des beweglichen Elements verlaufenden Richtungen außerhalb der Projektion dieser größten Erstreckung in einer dazu senkrechten Richtung gelegen sind. Die Elektro­ denpaare befinden sich jeweils in fester Position an zwei, einander gegenüberliegenden Schmalseiten der beweglichen Platte.Required for the generation of the electrostatic field Such electrodes are advantageously paired  instruct opposite in a spatial area ordered in one in the plane of the greatest extensions directions of the movable element outside the projection of this greatest extension in in a direction perpendicular thereto. The electro the pairs are each in a fixed position on two, opposite narrow sides of the movable Plate.

Die einzelnen, vorzugsweise rechteckig ausgebildeten Elektroden der Elektrodenpaare sind dabei insbesondere jeweils in parallen Ebenen angeordnet, die sich unter- und oberhalb der von dem beweglichen Element aufgespannten Ebene befinden. Die bewegliche Platte ist bevorzugt an das Bezugspotential der Steuerspannungen angeschlossen, mit denen die Elektroden beaufschlagt werden. Zwischen den genannten Elektroden wird durch die Spannungsbeaufschla­ gung ein elektrostatisches Feld aufgebaut, durch dessen Kraftwirkung das plattenförmige Element der elektrosta­ tischen Positionierungseinrichtung in der jeweils gewünschten Weise seine Stellung ändert.The individual, preferably rectangular Electrodes of the pairs of electrodes are in particular each arranged in parallel levels, which are below and above that spanned by the movable element Level. The movable plate is preferred to that Reference potential of the control voltages connected with to which the electrodes are applied. Between mentioned electrodes is by the voltage application an electrostatic field is built up Force effect the plate-shaped element of the elektrosta table positioning device in each changes its position as desired.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Er­ findung sind die Elektroden paarweise an allen vier, die Fläche des beweglichen Elements begrenzenden Seiten ange­ ordnet.According to a further advantageous embodiment of the Er the electrodes are found in pairs on all four of the Area of the movable element bounding sides arranges.

Da die verschiedenen Positionen des beweglichen Elements durch die unterschiedlichen Kombinationen der Spannungs­ belegung der einzelnen Elektroden erreichbar sind, kann die Variationsbreite der Positionierung des beweglichen Elements gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in günstiger Weise weiter erhöht werden, indem die einzelnen Elektrodenpaare jeweils durch "Stapel" von Elektroden ersetzt sind. Diese Stapel weisen dann bevorzugt unter­ einander jeweils dieselbe Anzahl von Einzelelektroden auf, wobei die Stapelanordnung in Relation zu dem beweg­ lichen Element bevorzugt symmetrisch ebenfalls derart erfolgt, daß ober- und unterhalb der durch das bewegliche Element aufgespannten Ebene die gleiche Anzahl von Ein­ zelelektroden vorhanden ist. Zwischen den einzelnen Elektroden der Stapel sind dünne Isolierschichten vorhan­ den, um die einzelnen Elektroden potentialmäßig sicher voneinander zu trennen.Because the different positions of the movable element through the different combinations of tension assignment of the individual electrodes can be reached the range of the positioning of the movable  Elements according to a development of the invention in favorably further increased by the individual Electrode pairs each by "stacking" electrodes are replaced. These stacks then preferably instruct each have the same number of individual electrodes on, with the stack arrangement moving in relation to the Lichen element preferably symmetrical also like this takes place that above and below that by the movable Element spanned level the same number of on cell electrodes is present. Between each The electrodes of the stack are thin insulating layers to ensure that the individual electrodes are safe in terms of potential separate from each other.

Die Ansteuerung der Elektroden der einzelnen Elektroden­ stapel kann dabei für zusätzlich anzusteuernde vertikale Bewegungen (in z-Richtung) oder eine Rotation um die x- oder y-Achse auch nach dem Schrittmotor-Prinzip erfolgen. Dabei werden in Richtung der gewünschten Bewegung zeitlich und räumlich nacheinander die entsprechenden Elektroden eines oder mehrerer Elektrodenstapel mit jeweils einem fe­ sten Potential angesteuert. Auf diese Weise wird eine "Digitalisierung" der Bewegung hervorgerufen.The control of the electrodes of the individual electrodes stack can be used for additional vertical controls Movements (in the z direction) or a rotation around the The x or y axis can also be done according to the stepper motor principle. It will be timed in the direction of the desired movement and spatially the corresponding electrodes one or more electrode stacks, each with one fe most potential. In this way, one "Digitization" of the movement caused.

Eine derartige diskontinuierliche Bewegung bei der Posi­ tionierung des beweglichen Elements kann durch eine vereinfachte Ausführung auch dadurch erreicht werden, daß innerhalb der Elektrodenstapel alternierend Elektroden fest elektrisch parallel geschaltet sind und die Ansteuerung dieser Elektrodenpaare nacheinander erfolgt. Such a discontinuous movement in the Posi tioning of the movable element can be done by a simplified execution can also be achieved in that Alternating electrodes within the electrode stack are electrically connected in parallel and the These electrode pairs are driven in succession.  

Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung besteht weiterhin darin, daß durch einfaches Umschalten der angesteuerten Elektroden eine diskrete Lageänderung, beispielsweise für Verwendung der Positionierungseinrichtung als Schalter, möglich ist. Für die einzelnen diskreten Positionen sind damit relativ hohe Haltemomente erzeugbar, die aufgrund der geringen Abstände zwischen den Elektroden mit niedri­ gen Spannungen realisiert werden können.A particular advantage of this arrangement continues to exist in that by simply switching the controlled Electrodes a discrete change of position, for example for Using the positioning device as a switch, is possible. For the individual discrete positions are thus relatively high holding torques can be generated due to the small distances between the electrodes with low against voltages can be realized.

Nach einer weiteren günstigen Weiterbildung der Erfindung ist das bewegliche, sich zweidimensional erstreckende Ele­ ment der elektrostatischen Positionierungseinrichtung im wesentlichen kreisförmig ausgebildet. Die zur Positionie­ rung des Elements erforderlichen Elektrodensysteme sind gleichmäßig an seinem Umfang verteilt angeordnet. Die als Paar oder als Stapel angeordneten, flächig ausgebildeten Elektroden besitzen in günstiger Weise an ihrer, dem be­ weglichen Element zugewandten Seite eine kreisbogenförmige Abschlußkante. Diese Anpassung an die Form des beweglichen Elements ermöglicht eine bessere Anpassung des elektrosta­ tischen Feldes bei gleichzeitig verringerten Abmessungen der elektrostatischen Positionierungseinrichtung.According to a further advantageous development of the invention is the mobile, two-dimensionally extending ele ment of the electrostatic positioning device in the essentially circular. The position tion of the element are required electrode systems evenly distributed around its circumference. As Pair or arranged as a stack, flat Electrodes conveniently have on their, the be movable element facing side an arcuate Trailing edge. This adaptation to the shape of the movable Elements enables better adjustment of the elektrosta table field with simultaneously reduced dimensions the electrostatic positioning device.

Entsprechend einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist an zwei einander gegenüberliegenden Seiten des beweglichen Elements jeweils ein Elektrodenstapel angeordnet. Um eine reine Torsionsbewegung um die Mittelachse des beweglichen Elements in ein oder zwei Richtungen durchführen zu kön­ nen, sind die Einzelelektroden innerhalb des Stapels so angeordnet, daß die dem beweglichen Element zugewandten Schmalseiten der plattenförmig ausgebildeten Elektroden auf einem, im wesentlichen kreisförmigen Kurvenabschnitt liegen. Durch diese Elektrodenanordnung wird der Abstand zwischen dem beweglichen Element und den feststehenden Elektroden während eines Positioniervorganges nahezu kon­ stant gehalten. Wird der Abstand der Elektroden zu dem be­ weglichen Element mit größerer Entfernung von der Mittel­ lage verringert, so ist ein Ausgleich des bei größerer Auslenkung des durch die Federelemente der Lagerung be­ wirkten, steigenden rücktreibenden Moments möglich.According to another development of the invention on two opposite sides of the movable Elements each arranged an electrode stack. To one pure torsional movement around the central axis of the movable Elements in one or two directions NEN, the individual electrodes within the stack are like this arranged that the movable element facing Narrow sides of the plate-shaped electrodes  on a substantially circular section of curve lie. The distance is determined by this electrode arrangement between the movable element and the fixed one Electrodes almost con during a positioning process kept constant. If the distance of the electrodes to the be movable element with greater distance from the center location is reduced, so is a compensation for the larger Deflection of the be by the spring elements of the storage effective, increasing back-driving moments possible.

Durch die Wahl der zu verwendenden Federelemente, welche das anzutreibende Element nach Art einer Verspannung halten, sind Rotations- und Translationsbewegungen des beweglichen Elements einander überlagert ausführbar. Die Federn lassen sich in Konformität mit dem übrigen mikro­ mechanischen Herstellungsvorgang bevorzugt in Mäanderform erzeugen.By choosing the spring elements to be used, which the element to be driven in the manner of tension hold, are rotational and translational movements of the movable element superimposed executable. The Springs can be conformed to the rest of the micro mechanical manufacturing process preferably in meandering form produce.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung ist an der Ober- und/oder Unterseite des beweglichen Ele­ ments mindestens ein Funktionselement vorgesehen ist, des­ sen Eigenschaften in einer Richtung die in einer Ebene des beweglichen Elements gelegen ist, die auch die Richtungen seiner maximalen Erstreckungen enthält, örtlich unter­ schiedlich sind. Auf diese Weise können die für eine An­ wendung jeweils notwendigen oder erwünschten Eigenschaften durch eine überlagerte Verschiebung des Elements in x-y-Richtung ausgewählt werden. Das Funktionselement kann da­ bei insbesondere einen Reflektor oder Emitter bzw. Sensor für Strahlungs- und/oder Wellenenergie bilden. Gegebenen­ falls können auch jeweils verschiedene Bereiche mit Sensor- oder Emittereigenschaften durch Verschieben in Be­ zug auf eine Blende individuell angewählt werden, so daß aktive und passive Eigenschaften eines Elements nach Be­ darf auswählbar sind.In preferred embodiments according to the invention is on the top and / or bottom of the movable ele at least one functional element is provided, the properties in one direction that in a plane of the movable element, which is also the directions contains its maximum extents, locally below are different. In this way, the for a application of necessary or desired properties by an overlaid displacement of the element in x-y direction can be selected. The functional element can be there in particular a reflector or emitter or sensor form for radiation and / or wave energy. Given if necessary, different areas can also be used  Sensor or emitter properties by moving in Be train can be individually selected on an aperture, so that active and passive properties of an element according to Be can be selected.

Insbesondere weist eine auf dem beweglichen Element vorge­ sehene Reflektorschicht in der Ebene, welche die Richtun­ gen seiner maximalen Erstreckungen enthält, lokal unter­ schiedliche Reflexionseigenschaften auf, so daß eine lokal unterschiedliche Beeinflussung der Richtung, Intensität und/oder Farbe bzw. Wellenlänge der reflektierten Strah­ lung erfolgen kann. Der Reflektor kann insbesondere auch als Hohlspiegel ausgebildet sein oder örtlich unterschied­ liche Farbfilter bzw. Absorptionseigenschaften bzw. im Falls eines Sensors unterschiedlicher Empfindlichkeit auf­ weisen.In particular, one featured on the movable element see reflector layer in the plane, the direction contains its maximum extents, locally below different reflection properties, so that a local different influencing of the direction, intensity and / or color or wavelength of the reflected beam can be done. The reflector can in particular also be designed as a concave mirror or locally different Liche color filter or absorption properties or im In case of a sensor of different sensitivity point.

Durch die Verschiebung des mit elektrischen Kontaktmitteln nach Art eines elektromechanischen Schalters ausgestatte­ ten Funktionselements in Bezug auf eine sich in x-y-Richtung erstreckende Kontaktmatrix sind galvanische Schaltvorgänge im Mikrobereich ausführbar.By moving the with electrical contact means equipped in the manner of an electromechanical switch ten functional elements in relation to a Contact matrix extending in the x-y direction are galvanic Switching operations can be carried out in the micro range.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:Other advantageous developments of the invention are in the subclaims or are identified below along with the description of the preferred embodiment the invention with reference to the figures. It demonstrate:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer einfachen Aus­ führungsform der Erfindung, Fig. 1 is a schematic representation of a simple imple mentation of the invention,

Fig. 2 das elektrische Prinzip-Schaltbild der in Fig. 1 dargestellten Anordnung, Fig. 2 shows the electrical schematic circuit diagram of the arrangement shown in Fig. 1,

Fig. 3 eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung in schematisierter Darstellung, Fig. 3 shows another advantageous embodiment of the invention in a schematic representation;

Fig. 4 die schematisierte Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 4 shows the schematic representation of a preferred embodiment of the invention,

Fig. 5 eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung in schematisierter Darstellung, Fig. 5 shows a further advantageous embodiment of the invention in a schematic representation;

Fig. 6 eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, Fig. 6 shows an advantageous development of the invention,

Fig. 7 die schematisierte Darstellung eines Details der Erfindung, Fig. 7 shows the schematic view of a detail of the invention,

Fig. 8 eine vorteilhafte Weiterbildung der in Fig. 3 dargestellten Form der Erfindung, Fig. 8 shows an advantageous development of the shape in Fig. 3 of the invention shown,

Fig. 9 eine günstige Weiterbildung der in Fig. 8 sche­ matisch dargestellten Form der Erfindung sowie Fig. 9 shows a favorable further development of the form of the invention shown in FIG. 8 as well

Fig. 10 und 11 Details von weiteren vorteilhaften Aus­ führungsbeispielen der Erfindung. FIGS. 10 and 11 Details of further advantageous from exemplary embodiments of the invention.

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht den prinzipiel­ len Aufbau einer elektrostatischen Positionierungsein­ richtung 1 mit einem beweglichen Element 2, welches durch zwei Federelemente 3a und 3b in einer bestimmten Ruhelage im Raum gehalten wird. Die paarweise an zwei gegenüberlie­ genden Seitenkanten des Elements 2 angeordneten Elektroden 4a, 4b bzw. 5a, 5b befinden sich in einem Bereich, der in einer in der Ebene der größten Erstreckung des beweglichen Elements 2 verlaufenden Richtung außerhalb der Projektion dieser größten Erstreckung in einer dazu senkrechten Rich­ tung gelegen ist. Die Elektroden 4a, 4b bzw. 5a, 5b sind dabei in Ebenen angeordnet, die sich ober- und unterhalb der von der größten Fläche des beweglichen Elements 2 auf­ gespannten Ebene und parallel zu dieser erstrecken. Das Element 2 ist rechteckig ausgebildet. Die dem Element 2 zugewandten Seitenkanten 28 der Elektroden 4a, 4b, 5a und 5b verlaufen, der Form des beweglichen Elements angepaßt, geradlinig. Es ist ersichtlich, daß die den benachbarten Schmalseiten der Elektrode zugewandten Stirnkanten des be­ weglichen Elements 2 durch die entsprechende geometrische Bemessung von dem mit einer vertikalen Komponente ange­ triebenen Element 2 in kleinem Abstand passiert werden können. Auf diese Weise lassen sich mit Abständen im Mi­ krometerbereich relativ große Kräfte mit kleinen Spannun­ gen auf das Element 2 übertragen und damit auch große Be­ schleunigungen erzielen. Fig. 1 shows a perspective view of the principle len structure of an electrostatic Positionierungsein device 1 with a movable element 2 , which is held by two spring elements 3 a and 3 b in a certain rest position in the room. The arranged in pairs on two opposite side edges of the element 2 electrodes 4 a, 4 b and 5 a, 5 b are in an area which extends in a direction in the plane of the greatest extent of the movable element 2 outside the projection of this largest Extent is located in a direction perpendicular thereto. The electrodes 4 a, 4 b and 5 a, 5 b are arranged in planes that extend above and below that of the largest surface of the movable element 2 on a tensioned plane and parallel to it. The element 2 is rectangular. The side edges 28 of the electrodes 4 a, 4 b, 5 a and 5 b facing the element 2 run in a straight line, adapted to the shape of the movable element. It can be seen that the side facing the adjacent narrow sides of the electrode end edges of the moveable member 2 can be passed through the corresponding geometric dimensioning of the vertical component attached to a driven member 2 in a small distance. In this way, relatively large forces with small voltages can be transferred to element 2 with distances in the micrometer range and thus also achieve great accelerations.

Das in Fig. 2 dargestellte elektrische Ersatzschaltbild einer mit zwei Elektrodenpaaren 4a, 4b und 5a, 5b ausge­ rüsteten Positionierungseinrichtung 1 zeigt das bewegliche Element 2, das im 1. Fall elektrisch leitend ausgebildet ist und dadurch auf ein gewünschtes Potential gelegt wer­ den kann. Dieses Potential bildet somit das Bezugspoten­ tial für die vier einstellbaren Spannungsquellen U1, U2, U3 und U4. Werden geeignete Spannungen an die Elektroden 4a und 5b gelegt, so bilden sich zwei elektrostatische Fel­ der, jeweils zwischen dem beweglichen Element 2 und einer der beiden feststehenden Elektroden aus. Diese erzeugen eine elektrostatische Kraftwirkung in der Art, daß das be­ wegliche Element 2 bestrebt ist, den Abstand zwischen fe­ ster Elektrode und beweglichem Element zu verringern. Durch diese Kraftwirkung wird in diesem Fall eine Ver­ schiebung in Richtung der x-Achse hervorgerufen. Mit einer Änderung der anliegenden Spannungsdifferenz ändern sich die wirkenden Kräfte und es lassen sich kontinuierliche Positionsänderungen erzielen.The electrical equivalent circuit diagram shown in FIG. 2 of a positioning device 1 equipped with two pairs of electrodes 4 a, 4 b and 5 a, 5 b shows the movable element 2 , which in the first case is designed to be electrically conductive and is therefore connected to a desired potential that can. This potential thus forms the reference potential for the four adjustable voltage sources U 1 , U 2 , U 3 and U 4 . If suitable voltages are applied to the electrodes 4 a and 5 b, two electrostatic fields are formed, each between the movable element 2 and one of the two fixed electrodes. These generate an electrostatic force effect in such a way that the movable element 2 strives to reduce the distance between the electrode and the movable element. In this case, this force effect causes a displacement in the direction of the x-axis. With a change in the applied voltage difference, the acting forces change and continuous changes in position can be achieved.

Wenn im zweiten Fall das bewegliche Element 2 nicht mit dem Bezugspotential verbunden ist oder aus einem elektrisch nicht- oder schlechtleitenden, aber das elektrostatische Feld gut bündelnden Werkstoff besteht, bildet sich durch die Potentiale der Spannungsquellen U1 und U3 ein elektrostatisches Feld zwischen den Elektro­ den 4a und 5b aus. Auf das in diesem Feld befindliche Ele­ ment 2 wird dabei eine Rotationskraft ausgeübt, da das bewegliche Element 2 bestrebt ist, dem Feld einen möglichst geringen Widerstand entgegenzusetzen. Es bildet sich ein Kräftegleichgewicht zwischen dem rücktreibenden Moment der Federelemente 3a, 3b und den elektrostatischen Feldkräften aus. Durch die Änderung der anliegenden Span­ nungsdifferenz, und somit durch die Stärke des elektrosta­ tischen Feldes, ändert sich die Kraftwirkung auf das bewegliche Element 2 und ermöglicht ebenfalls eine kon­ tinuierliche Positionsänderung dieses Elements. Durch die im Vergleich zum ersten Fall sehr viel größeren Elektroden sind entsprechend größere Spannungen nötig, um ein Feld geeigneter Stärke aufzubauen. If, in the second case, the movable element 2 is not connected to the reference potential or is made of an electrically non-conductive or poorly conducting material that does, however, bundle the electrostatic field well, the potentials of the voltage sources U 1 and U 3 form an electrostatic field between the electrodes 4 a and 5 b. The left in this field Ele element 2 is thereby exerted a rotational force, since the movable member 2 is committed to oppose the field the lowest possible resistance. It forms an equilibrium of forces between the repelling torque of the spring elements 3 a, 3 b and the electrostatic field forces from. By changing the applied voltage difference, and thus by the strength of the electrostatic field, the force effect on the movable element 2 changes and also enables a continuous change in position of this element. Due to the much larger electrodes compared to the first case, correspondingly higher voltages are required to build up a field of suitable strength.

Eine rein translatorische Bewegung kann für den Fall des mit einem bestimmten Potential beaufschlagten Elements 2 durch zwei betragsmäßig gleichgroße Spannungen U1 und U4 bzw. U2 und U3 erzeugt werden. Für den Fall, daß das Element 2 nicht mit einem bestimmten Potential beauf­ schlagt wird, ist eine translatorische Bewegung durch eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 4a und 5a bzw. 4b und 5b erreichbar.A purely translatory movement can be generated in the case of element 2 with a certain potential by two voltages U 1 and U 4 or U 2 and U 3 of equal magnitude. In the event that the element 2 is not impacted with a certain potential, a translatory movement can be achieved by means of a potential difference between the electrodes 4 a and 5 a or 4 b and 5 b.

Durch geeignete Kombination der Spannungsbelegung der Elektroden 4a, 4b, 5a und 5b sowie die Änderung des Span­ nungspegels kann das Element 2 der elektrostatischen Posi­ tionierungseinrichtung 1 Bewegungen ausführen, bei der translatorische und rotatorische Komponenten beliebig überlagerbar sind. Zum Ausschließen unerwünschter Bewe­ gungskomponenten sind gegebenenfalls zusätzliche Lager­ stellen bzw. Führungselemente für das bewegliche Element 2 günstig, die vorzugsweise als unter dem Flächenschwerpunkt des beweglichen Elements 2 angebrachtes (nicht dargestell­ tes) Loslager (Spitze, Schneide oder dergl.) ausgestaltet ist und die gewünschte Drehachse festlegt. Zum anderen kön­ nen geeignete leistenförmige Führungen rotatorische Bewe­ gungen ausschließen.By means of a suitable combination of the voltage assignment of the electrodes 4 a, 4 b, 5 a and 5 b and the change in the voltage level, the element 2 of the electrostatic positioning device 1 can perform movements in which translatory and rotary components can be superimposed as desired. To rule out undesirable movement components, additional bearings may be provided or guide elements for the movable element 2 , which is preferably designed as a floating bearing (not shown) attached below the surface center of gravity of the movable element 2 (tip, cutting edge or the like) and the desired one Axis of rotation. On the other hand, suitable strip-shaped guides can preclude rotary movements.

Fig. 3 zeigt als perspektivische Ansicht in schematisier­ ter Darstellung eine elektromechanische Positionierungs­ einrichtung 1, deren bewegliches Element 2 an seiner gesamten Peripherie von paarweise plazierten Elektroden umgeben ist. Diese sind nach dem bezüglich Fig. 1 erläuterten Prinzip angeordnet. Dabei ist es für eine in feineren Stufen staffelbare Positionierung des Elements 2 besonders günstig, die Elektrodenpaare je Außenseite des Elements 2 weiter zu untergliedern. Dadurch stehen für den zur Positionierung erforderlichen Aufbau des elektrosta­ tischen Feldes insgesamt acht Elektrodenpaare (6a, 6b), (7a, 7b), (8a, 8b), (9a, 9b), (10a, 10b), (11a, 11b), (12a, 12b) und (13a, 13b) zur Verfügung. Diese Elektroden­ anordnung ermöglicht bei geeigneter Ansteuerung drei Translations- und drei Torsionsbewegungen des Elements 2, das durch vier, an seinen Eckpunkten befestigte Federele­ mente 3 bei spannungslosen Elektroden in seiner Ruhelage fixierbar ist. Durch entsprechende Ansteuerung der Elektroden sind translatorische und rotatorische Bewe­ gungen auch überlagerbar. Möglichkeiten zur Ansteuerung und die sich daraus ergebenden einzelnen Bewegungen sind in der folgenden Tabelle dargestellt: Fig. 3 shows a perspective view in a schematic representation of an electromechanical positioning device 1 , the movable element 2 is surrounded on its entire periphery by electrodes placed in pairs. These are arranged according to the principle explained with reference to FIG. 1. It is particularly advantageous for positioning the element 2 that can be staggered in finer stages to further subdivide the electrode pairs on the outside of the element 2 . As a result, a total of eight pairs of electrodes ( 6 a, 6 b), ( 7 a, 7 b), ( 8 a, 8 b), ( 9 a, 9 b), ( 10 a , 10 b), ( 11 a, 11 b), ( 12 a, 12 b) and ( 13 a, 13 b) are available. This electrode arrangement enables three translational and three torsional movements of the element 2 , which elements can be fixed in its rest position by four spring elements 3 fastened at its corner points with de-energized electrodes. Appropriate control of the electrodes means that translational and rotary movements can also be superimposed. Control options and the resulting individual movements are shown in the following table:

Eine vorteilhafte Weiterbildung der in Fig. 3 darge­ stellten Ausführungsform der Erfindung zeigt Fig. 4 in perspektivischer Darstellung. Die in Fig. 3 beschriebenen Elektrodenpaare aus im wesentlichen plattenförmig ausge­ bildeten Einzelelektroden 6a, 6b bis 13a, 13b sind durch Elektrodenstapel 6 bis 13 ersetzt, um die Variationsbrei­ te für die Positionierung des beweglichen Elements 2 wei­ ter erhöhen zu können. Die Elektrodenstapel 6 bis 13, die seitlich neben dem beweglichen Element 2 gleichmäßig ver­ teilt angeordnet sind, bestehen aus einer Mehrzahl plat­ tenförmiger Elektroden, die in vertikaler Richtung symme­ trisch zu der von dem Element 2 aufgespannten Ebene inner­ halb des Stapels positioniert sind.An advantageous further development of the embodiment of the invention shown in FIG. 3 is shown in FIG. 4 in perspective. The electrode pairs described in Fig. 3 from essentially plate-shaped individual electrodes 6 a, 6 b to 13 a, 13 b are replaced by electrode stacks 6 to 13 in order to increase the variation width for the positioning of the movable element 2 further. The electrode stack 6 to 13 , which is arranged laterally evenly next to the movable element 2 , consists of a plurality of plat-shaped electrodes which are positioned symmetrically in the vertical direction to the plane spanned by the element 2 within the stack.

Die Ansteuerung der Elektrodenstapel 6 bis 13 ist bei der Anordnung gemäß Fig. 4 in günstiger Weise nach dem genann­ ten Schrittmotor-Prinzip auch für eine translatorische Vertikalbewegung durchführbar. Dabei werden in Richtung der gewünschten Bewegung zeitlich und räumlich nacheinander die entsprechenden Elektroden eines oder mehrerer Elektrodenstapel mit entsprechenden Spannungen derart beaufschlagt, daß die Schmalseite des Elements 2 jeweils schrittweise in eine Position gelangt, in der diese einer dieser zugewandten Elektrodenfläche benachbart ist. Die Ansteuerung der Elektroden kann dabei mit verschiedenen diskreten Werten so vorgenommen werden, daß eine schrittweise Bewegung des Elements 2 erfolgt.The control of the electrode stacks 6 to 13 can be carried out in the arrangement according to FIG. 4 in a favorable manner according to the stepping motor principle also for a translatory vertical movement. In the direction of the desired movement, the corresponding electrodes of one or more electrode stacks are subjected to corresponding voltages one after the other in time and space in such a way that the narrow side of the element 2 gradually reaches a position in which it is adjacent to an electrode surface facing this. The electrodes can be controlled with different discrete values so that the element 2 moves in steps.

Werden die Potentiale der Elektroden hingegen kon­ tinuierlich verändert, ist das Element auch in beliebige Zwischenposition führbar und hat den Charakter eines analog positionierbaren Motors.However, if the potentials of the electrodes are con The element is also changed in any way Intermediate position feasible and has the character of a analog positionable motor.

Der besondere Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, daß durch einfaches Umschalten der Potentiale der ange­ steuerten Elektroden diskrete Lageänderungen des bewegli­ chen Elements 2 erzwungen werden können, welche die erfin­ dungsgemäße Positionierungseinrichtung auch für die Auslö­ sung von Schaltvorgängen durch Betätigung z. B. optischer Schaltelemente geeignet machen. The particular advantage of this arrangement can be seen in the fact that by simply switching the potentials of the electrodes controlled discrete changes in position of the movable element 2 can be forced, which the inventive positioning device also for the triggering of switching operations by actuating z. B. make optical switching elements suitable.

Für eine ausschließlich rotatorische Bewegung des Elements 2 der Positionierungseinrichtung 1 um dessen Achse zu erzeugen, ist die in Fig. 5 gezeigte Ausführungsform der Erfindung vorgesehen. Die Elektrodenstapel 4 und 5 sind parallel zu den Längsseiten des beweglichen Elements 2 angeordnet, wobei die dem Element 2 zugewandten Schmal­ seiten der Elektroden auf einer im wesentlichen kreiszy­ lindrisch ausgebildeten Fläche liegen. Durch diese Elektrodenanordnung wird bei einer Torsion des durch die Federelemente 3a und 3b gehaltenen Elements 2 der Abstand zwischen ihm und den festen Elektroden annähernd konstant gehalten. Sind die Elektrodenstapel 4 und 5 jedoch so angeordnet, daß sich der Abstand der einzelnen Elektroden zu dem beweglichen Element mit größerer Auslenkung aus der Mittellage verringert, kann durch die dadurch bewirkte Verstärkung des elektrischen Feldes ein Ausgleich des mit größerer Auslenkung durch die Federelemente 3a, 3b stei­ genden rücktreibenden Momentes erreicht werden.For an exclusively rotary movement of the element 2 of the positioning device 1 about its axis, the embodiment of the invention shown in FIG. 5 is provided. The electrode stacks 4 and 5 are arranged parallel to the long sides of the movable element 2 , the narrow sides of the electrodes facing the element 2 lying on an essentially circular-cylindrical surface. By means of this electrode assembly by the spring elements 3 a and 3 b element 2 held kept at a twist of the distance between it and the fixed electrodes approximately constant. However, if the electrode stacks 4 and 5 are arranged in such a way that the distance between the individual electrodes and the movable element with greater deflection from the central position is reduced, the amplification of the electric field thereby caused can compensate for that with greater deflection by the spring elements 3 a, 3 b rising back driving moment can be achieved.

Das Element 2 ist an seiner Oberseite mit einem zusätz­ lichen Funktionselement 14 versehen. Dieses Funktions­ element kann aus einer speziellen Beschichtung mit strahlungs- und/oder wellenemittierenden Eigenschaften bestehen oder als Reflektor bzw. Strahler ausgestaltet sein (Einsatzbereich optische Abtastsysteme) sowie sen­ sorische oder aktorische Aufgaben (Einsatzbereich Meßmit­ tel, Schaltelemente) übernehmen.The element 2 is provided on its upper side with an additional functional element 14 . This functional element can consist of a special coating with radiation and / or wave-emitting properties or be designed as a reflector or radiator (area of application optical scanning systems) as well as sensor or actuator tasks (area of application measuring medium, switching elements).

Eine in Fig. 6 perspektivisch dargestellte vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besitzt neben den zwei zur Po­ sitionierung des beweglichen Elements 2 der Positionie­ rungseinrichtung 1 erforderlichen Elektrodenpaaren (4a, 4b) und (5a, 5b) zwei zusätzliche Meßelektroden 15. Diese erstrecken sich unterhalb des beweglichen Elements 2 in einer zu diesem parallelen Ebene. Sie dienen der kapa­ zitiven Lagemessung des beweglichen Elements 2 und bilden die Voraussetzung für eine Regelung der Positionierungs­ einrichtung.An advantageous development of the invention shown in perspective in FIG. 6 has, in addition to the two positioning pairs required for positioning the movable element 2 of the positioning device 1 ( 4 a, 4 b) and ( 5 a, 5 b), two additional measuring electrodes 15 . These extend below the movable element 2 in a plane parallel to it. They are used for the capacitive position measurement of the movable element 2 and form the prerequisite for regulating the positioning device.

Wie in Fig. 7 dargestellt, befindet sich zwischen den einzelnen Elektroden 17 eines Stapels jeweils eine isolie­ rende Zwischenschicht 18, die die Isolation der jeweiligen Elektroden gegeneinander realisiert und die Position der Elektroden im Raum bestimmt. Die Anordnung von Iso­ lierschichten 18 zwischen den Elektroden 17 ermöglicht über eine gemeinsame Verbindungsleitung 16 in vor­ teilhafter Weise die Beaufschlagung mehrerer Elektroden mit dem gleichen Spannungspegel Ui. Neben der hier dargestellten Verknüpfung von jeder dritten Elektrode 17 eines Stapels mit der gleichen Spannung, ist auch die paarweise Kopplung von Elektroden von jeweils gegenü­ berliegenden Stapeln günstig, um das bekannte Funk­ tionsprinzip eines elektromagnetischen Schrittmotors auf diesen "elektrostatischen Schrittmotors" zu übertragen. Das entsprechende Spannungs-Winkel-Diagramm für eine Posi­ tioniereinrichtung mit Elektrodenstapeln gemäß Fig. 7 ist in Fig. 11 in schematisierter Form dargestellt. Das zeit­ lich gestaffelte Anlegen der Spannungen U5, U6, und U7 führt zu einer stufenweisen Änderung der Ablenkwinkels w.As shown in Fig. 7, there is between the individual electrodes 17 of a stack each an insulating intermediate layer 18 , which realizes the insulation of the respective electrodes from one another and determines the position of the electrodes in space. The arrangement of Iso lierschichten 18 between the electrodes 17 allows a common connecting line 16 in a geous manner before applying several electrodes with the same voltage level U i . In addition to the linkage shown here of every third electrode 17 of a stack with the same voltage, the pairwise coupling of electrodes from respective opposite stacks is also favorable in order to transfer the known functional principle of an electromagnetic stepping motor to this “electrostatic stepping motor”. The corresponding voltage-angle diagram for a positioning device with electrode stacks according to FIG. 7 is shown in a schematic form in FIG. 11. The staggered application of the voltages U 5 , U 6 and U 7 leads to a gradual change in the deflection angle w.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist in den Fig. 8 und 9 als Draufsicht bzw. als perspekti­ vische Ansicht schematisiert dargestellt. Danach ist das bewegliche Element 19 der Positionierungseinrichtung 1 im wesentlichen kreisförmig ausgebildet. Es ist an seiner Pe­ ripherie gleichmäßig von einer Mehrzahl von Elektroden um­ geben und wird durch vier Federn 30 in seiner Position in dem von den Elektroden begrenzten Bereich gehalten. Die Elektroden sind als Elektrodenstapel 20 bis 27 oder als Elektrodenpaare 20a und 20b bis 27a und 27b ausgebildet. Um die Gesamtanordnung in ihren räumlichen Abmessungen be­ sonders klein auszubilden ist es günstig, die einzelnen Elektroden so auszubilden, daß ihre dem Element 19 zuge­ wandten Seiten 29 der Form des Elements 19 weitestgehend angepaßt sind. Dies führt in günstiger Weise zusätzlich zu einer Homogenisierung des elektrostatischen Feldes zwi­ schen Elektroden und Element 19. Für die grundsätzliche Anordnung der Elektroden bezüglich des beweglichen Ele­ ments 19 gelten die zu den Fig. 1, 3, 4 und 5 vorste­ hend angegebenen Erläuterungen.Another advantageous development of the invention is shown schematically in FIGS . 8 and 9 as a top view and as a perspective view. Thereafter, the movable element 19 of the positioning device 1 is essentially circular. It is at its periphery evenly surrounded by a plurality of electrodes and is held in place by four springs 30 in the area delimited by the electrodes. The electrodes are designed as an electrode stack 20 to 27 or as electrode pairs 20 a and 20 b to 27 a and 27 b. The overall arrangement in their spatial dimensions be Sonders form small, it is favorable to design the individual electrodes that their shape of the element 19 facing sides 29 are adapted to the greatest possible extent 19 to the element. This advantageously leads to a homogenization of the electrostatic field between the electrodes and element 19 . For the basic arrangement of the electrodes with respect to the movable element 19 , the explanations given above for FIGS . 1, 3, 4 and 5 apply.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden in den Fig. 1 und 3 bis 9 die elektrischen Verbindungen der Elektroden mit den entsprechenden Spannungsquellen sowie die für den Aufbau der Positionierungseinrichtung erforderlichen me­ chanischen Halte- und Tragekonstruktionen nicht darge­ stellt.For the sake of clarity, the electrical connections of the electrodes to the corresponding voltage sources and the mechanical holding and supporting structures required for the construction of the positioning device were not shown in FIGS . 1 and 3 to 9.

Die erfindungsgemäße Einrichtung besitzt je nach Anzahl, Gestaltung und Anordnung der Elektroden und der Federele­ mente bezüglich des beweglichen Elements folgende wesent­ liche Vorteile:Depending on the number, the device according to the invention has Design and arrangement of the electrodes and the spring element elements regarding the movable element following essential advantages:

  • - Das bewegliche Element muß nicht leitfähig ausgebil­ det sein und kann in bis zu sechs unterschiedlichen Freiheitsgraden positioniert werden.- The movable element does not have to be conductive det and can be in up to six different Degrees of freedom can be positioned.
  • - Es kann grundsätzlich auf Lagerstellen für das beweg­ liche Element verzichtet werden, da diese Kräfte beidseitig tangential zur Fläche des beweglichen Ele­ ments wirken.- Basically it can be on storage points for moving Liche element can be dispensed with as these forces tangential to the surface of the movable ele on both sides act.
  • - Durch die spezifischen Konstruktionsmerkmale entsteht durch die Feldbündelung an den Kanten des beweglichen Elements und die kleinen mechanischen Abmaße des elektrostatischen Feldes ein großes Drehmoment, so daß auch schon bei niedrigen Spannungen Bewegungen mit einem Hub, der einem Vielfachen des Abstandes zwischen beweglichem Element und Elektroden ent­ spricht, erzeugbar sind.- The specific design features create by bundling the fields on the edges of the movable Element and the small mechanical dimensions of the electrostatic field a large torque, so that even at low voltages movements with a stroke that is a multiple of the distance ent between movable element and electrodes speaks, can be generated.
  • - Die Positionierungseinrichtung nach Fig. 1 bis 7 kann mit Technologien der Mikroelektronik (vorzugsweise mit auf einkristallines Silizium angewandten Ätzprozessen und Verfahren der chemischen Schichtauftragung) in großer Stückzahl bei geringsten Fertigungstoleranzen montagefrei hergestellt werden.The positioning device according to FIGS. 1 to 7 can be manufactured using technologies of microelectronics (preferably with etching processes and methods of chemical layer application applied to single-crystalline silicon) in large numbers with the smallest manufacturing tolerances.

Es ergeben sich eine Vielzahl Anwendungsmöglichkeiten, die alle Arten von Bereichen umfassen, bei denen es um die Er­ zeugung von Mikrobewegungen beliebiger Richtung mit großer Präzision geht.There are a multitude of possible applications that include all types of areas that deal with Er generation of micro movements in any direction with large Precision works.

Bei in den Fig. 10 und 11 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung ist an der Ober­ seite des beweglichen Elements mindestens ein Funktionse­ lement vorgesehen, dessen Eigenschaften in einer Rich­ tung die in einer Ebene des beweglichen Elements gelegen ist, die auch die Richtungen seiner maximalen Erstreckun­ gen enthält, örtlich unterschiedlich sind.In the preferred embodiments shown in FIGS. 10 and 11 according to the invention, at least one functional element is provided on the upper side of the movable element, the properties of which in a direction are located in a plane of the movable element, which also includes the directions of its maximum Extensions contains, are locally different.

Auf diese Weise können die für eine Anwendung jeweils not­ wendigen oder erwünschten Eigenschaften durch eine überla­ gerte Verschiebung des Elements in x-y-Richtung ausgewählt werden. Bei dem in Fig. 10 im Schnitt dargestellten Funk­ tionselement handelt es sich um einen Reflektor, der als Hohlspiegel ausgebildet ist.In this way, the properties necessary or desired for an application can be selected by a superimposed displacement of the element in the xy direction. In Fig. 10 in section radio tion element is a reflector which is designed as a concave mirror.

Bei dieser Anwendung ist das bewegliche Element nicht als Ebene ausgebildet, sondern ist an seiner das Funktionsele­ ment aufweisenden Oberfläche konkav gewölbt. Wird dieses in der xy-Ebene kreisförmig angetrieben (Überlagerung von zwei Translationsbewegungen (gemäß r2 = x2 + y2), so wird ein einfallender Lichtstrahl kreisförmig dejustiert. Damit ist es zum Beispiel für einen Beschriftungslaser möglich, die Strichbreite seines Bearbeitungsstrahles bedarfsweise zu vergrößern. In Fig. 10 ist ein Schnitt entlang der xz-Ebene mit zwei Beispiellichtstrahlen dargestellt. Es ist ersichtlich, wie der Lichtstrahl in Abhängigkeit von seinem Einfallsort auf dem Spiegel unterschiedlich ausge­ lenkt - und damit aufgefächert wird.In this application, the movable element is not designed as a plane, but is concave on its surface having the functional element. If this is driven in a circular fashion in the xy plane (superimposition of two translational movements (according to r 2 = x 2 + y 2 ), an incident light beam is circularly misaligned. This makes it possible, for example, for a marking laser to increase the line width of its processing beam if necessary A section along the xz plane with two example light beams is shown in Fig. 10. It can be seen how the light beam is deflected differently depending on its point of incidence on the mirror - and is thus fanned out.

In Fig. 11 ist ein Spiegel in Draufsicht dargestellt, der mit örtlich verschiedenen als Farbfilter wirkenden Refle­ xionsbereichen versehen ist. Diese teilen sich nach dem Dreifarbensystem in Bereich von Rot, Grün und Blau auf drei Sektoren von je 120° auf. Je nach Einfallsort eines zu reflektierenden Lichtstrahls wird dieser unterschied­ lich eingefärbt. Auf diese Weise kann ein Lichtstrahl - beispielsweise für Farbbildprojektionen zur Bilddarstel­ lung mittels Neigung des Spiegels ausgelenkt und durch Ver­ schieben des Spiegels in x-y-Richtung jeweils unterschied­ lich eingefärbt werden.In Fig. 11, a mirror is shown in plan view, which is provided with locally different as a color filter reflecting areas. According to the three-color system, these are divided into three areas of 120 ° each in the area of red, green and blue. Depending on the point of incidence of a light beam to be reflected, it is colored differently. In this way, a light beam - for example for color image projections for image display by means of tilting the mirror and deflected by shifting the mirror in the xy direction can be colored differently.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungs­ beispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.The invention is not restricted in its implementation to the preferred embodiment given above example. Rather, a number of variants are conceivable which of the solution shown also in principle makes use of different types.

Claims (24)

1. Elektrostatische Positionierungseinrichtung, vor­ zugsweise zur Anwendung in einem optischen und/oder meß­ technischen Gerät, mit einem beweglichen, im wesentlichen plattenförmigen Element, das unter dem Einfluß der Kraft­ wirkung eines, durch mehrere, relativ zu dem beweglichen Element fest angeordnete Elektroden erzeugten elektrosta­ tischen Feldes in seiner Lage veränderbar ist, insbesonde­ re gefertigt unter Einbeziehung eines Substrats aus mono­ kristallinem Silizium,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine der das plattenförmige Element mittels elektrostatischer Kräfte antreibender Elektroden (4a bis 13b, 20a bis 27b) derart angeordnet ist, daß sie eine das plattenförmige Element antreibende Kraftwirkung mit einer Komponente in einer Richtung erzeugen, welche in diejenige geometrische Ebene fällt, in die die Richtungen der maxi­ malen Erstreckungen des plattenförmigen Elements fallen, und
daß das plattenförmige Element mindestens in der Antriebsrich­ tung nachgiebig gelagert ist.1. Electrostatic positioning device, preferably for use in an optical and / or measuring technical device, with a movable, substantially plate-shaped element which acts under the influence of the force of an electrostatic generated by several electrodes arranged relatively to the movable element table field can be changed in its position, in particular manufactured using a substrate made of monocrystalline silicon,
characterized,
that at least one of the electrodes driving the plate-shaped element by means of electrostatic forces ( 4 a to 13 b, 20 a to 27 b) is arranged in such a way that they produce a force effect driving the plate-shaped element with a component in a direction which is in that geometric plane falls in which the directions of the maximum extents of the plate-shaped element fall, and
that the plate-shaped element is resiliently mounted at least in the drive direction. 2. Elektromechanische Positionierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode in der Ruhestellung des Plättchens einen Abstand zu einer seitlich benachbarten Elektrode aufweist, der mindestens dem vorgesehenen Hubbereich des plattenför­ migen Elements in dieser Richtung entspricht.2. Electromechanical positioning device after Claim 1, characterized in that the electrode in the rest position of the plate Has a distance to a laterally adjacent electrode,  the at least the intended stroke range of the plate corresponding elements in this direction. 3. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach ei­ nem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element (2, 19) durch an seinen Schmalseiten angeordnete, sich insbe­ sondere in der Ebene der maximalen Erstreckung des beweg­ lichen Elements verlaufende, Federelemente (3, 3a, 3b und 30) gehalten ist.3. Electrostatic positioning device according to egg nem of the preceding claims, characterized in that the movable element ( 2 , 19 ) arranged on its narrow sides, in particular in the plane of the maximum extension of the movable union elements, spring elements ( 3 , 3 a , 3 b and 30 ) is held. 4. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente als Zugfedern ausgestaltet sind.4. Electrostatic positioning device after Claim 3, characterized in that the spring elements are designed as tension springs. 5. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente an diagonal einander gegenüber­ liegenden Eckpunkten des beweglichen Elements angeordnet sind.5. Electrostatic positioning device after Claim 3, characterized in that the spring elements face each other diagonally lying corner points of the movable element are. 6. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (4a bis 13b und 20a bis 27b) jeweils paarweise angeordnet sind, wobei sich eine der Elektroden unterhalb und die andere Elektrode oberhalb der Ebene ma­ ximaler Erstreckung des beweglichen Elements (2, 19) be­ findet. 6. Electrostatic positioning device according to claim 1, characterized in that the electrodes ( 4 a to 13 b and 20 a to 27 b) are each arranged in pairs, one of the electrodes below and the other electrode above the level of the maximum extent of the movable Elements ( 2 , 19 ) be found. 7. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element (2) eine im wesentlichen rechteckige Form aufweist.7. Electrostatic positioning device according to one of the preceding claims, characterized in that the movable element ( 2 ) has a substantially rectangular shape. 8. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element (19) im wesentlichen kreisförmig ausgebildet ist.8. Electrostatic positioning device according to one of the preceding claims, characterized in that the movable element ( 19 ) is substantially circular. 9. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach ei­ nem der Ansprüche 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden jeweils einander ge­ genüberliegenden Schmalseiten des beweglichen Elements (2) benachbart angeordnet sind.9. Electrostatic positioning device according to egg nem of claims 1 and 6, characterized in that the electrodes are each adjacent ge opposite narrow sides of the movable element ( 2 ) are arranged adjacent. 10. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element (2, 19) elektrisch leitende Oberflächenbereiche aufweist.10. Electrostatic positioning device according to one of the preceding claims, characterized in that the movable element ( 2 , 19 ) has electrically conductive surface areas. 11. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Ober- und/oder Un­ terseite des beweglichen Elements (2, 19) mindestens ein Funktionselement (14) vorgesehen ist, dessen Eigenschaften in einer Richtung die in einer Ebene des beweglichen Ele­ ments gelegen ist, die auch die Richtungen seiner maxima­ len Erstreckungen enthält, örtlich unterschiedlich sind.11. Electrostatic positioning device according to one of the preceding claims, characterized in that on the top and / or Un bottom of the movable element ( 2 , 19 ) at least one functional element ( 14 ) is provided, the properties of which in one direction in a plane of Movable elements is located, which also contains the directions of its maximum extensions, are locally different. 12. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionselement (14) einen Reflektor oder Emitter bzw. Sensor für Strahlungs- und/oder Wellenenergie bildet.12. Electrostatic positioning device according to claim 11, characterized in that the functional element ( 14 ) forms a reflector or emitter or sensor for radiation and / or wave energy. 13. Elektromechanische Positionierungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor in der Ebene, welche die Richtungen seiner maximalen Erstreckungen enthält, lokal unterschiedliche Reflexionseigenschaften aufweist, ins­ besondere zur lokal unterschiedlichen Beeinflussung der Richtung, Intensität und/oder Farbe bzw. Wellenlänge der reflektierten Strahlung.13. Electromechanical positioning device according to Claim 12, characterized in that the reflector in the plane which is the directions contains its maximum extents, locally has different reflection properties, ins especially for influencing the local differences Direction, intensity and / or color or wavelength of the reflected radiation. 14. Elektromechanische Positionierungseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor als Hohlspiegel ausgebildet ist, örtlich unterschiedliche Farbfilter oder Absorptionseigenschaften aufweist.14. Electromechanical positioning device according to Claim 13, characterized in that the reflector is designed as a concave mirror, locally different color filters or absorption properties having. 15. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach An­ spruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionselement (14) einen Sensor mit in Abhängigkeit von der Positionierung des beweglichen Ele­ ments veränderbarer Empfindlichkeit bildet.15. Electrostatic positioning device according to claim 11, characterized in that the functional element ( 14 ) forms a sensor with depending on the positioning of the movable ele ment variable sensitivity. 16. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionselement (14) ein Betätigungselement für einen elektromechanischen Schalter bildet, dessen zusätz­ lichen Kontaktelemente als Elektroden ausgebildet sind.16. Electrostatic positioning device according to claim 11, characterized in that the functional element ( 14 ) forms an actuating element for an electromechanical switch, the additional union contact elements are designed as electrodes. 17. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß benachbart zu jeder Seiten­ kante des beweglichen Elements (2) mindestens eine Elek­ trode (7a bis 13b) vorgesehen ist.17. Electrostatic positioning device according to one of claims 1 and 6, characterized in that adjacent to each side edge of the movable element ( 2 ) at least one elec trode ( 7 a to 13 b) is provided. 18. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Einzele­ lektroden (17) jeweils stapelartig (6 bis 13 und 20 bis 27), gegebenenfalls mit einem räumlichen Abstand zwischen benachbarten Einzelelektroden, angeordnet sind.18. Electrostatic positioning device according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of individual electrodes ( 17 ) are each stack-like ( 6 to 13 and 20 to 27 ), optionally with a spatial distance between adjacent individual electrodes. 19. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenstapel (6 bis 13 und 20 bis 27) rota­ tionssymmetrisch zu einer Achse gelegen sind, die senk­ recht zur Ebene der maximalen Erstreckung des beweglichen Elements gerichtet ist bzw. spiegelsymmetrisch zu einer Fläche liegen, die diese Achse enthält.19. Electrostatic positioning device according to claim 18, characterized in that the electrode stack ( 6 to 13 and 20 to 27 ) are rotationally symmetrical to an axis which is perpendicular to the plane of the maximum extent of the movable element or mirror-symmetrical to a surface lie that contains this axis. 20. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Elektroden (17) der Stapel (6 bis 13 und 20 bis 27) je­ weils ein Isolierkörper (18) vorgesehen ist.20. Electrostatic positioning device according to one of claims 18 and 19, characterized in that between the individual electrodes ( 17 ) of the stack ( 6 to 13 and 20 to 27 ) each because an insulating body ( 18 ) is provided. 21. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Elektroden (17) ei­ nes Stapels das gleiche elektrische Potential aufweisen.21. Electrostatic positioning device according to one of claims 18 to 20, characterized in that a plurality of electrodes ( 17 ) egg nes stack have the same electrical potential. 22. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß einander nicht benachbarte Elektroden (17) eines Sta­ pels dasselbe Potential aufweisen.22. Electrostatic positioning device according to claim 21, characterized in that non-adjacent electrodes ( 17 ) of a stack have the same potential. 23. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ober- oder unterhalb der Ebene der größten Erstreckung des beweglichen Elements (2, 19) mindestens eine Meßelektrode (15) zur kapazitiven Positionsbestimmung des beweglichen Elements (2, 19) an­ geordnet sind. 23. Electrostatic positioning device according to one of the preceding claims, characterized in that above or below the plane of the greatest extent of the movable element ( 2 , 19 ) at least one measuring electrode ( 15 ) for capacitive position determination of the movable element ( 2 , 19 ) arranged are. 24. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem beweglichen Element (2, 19) zugewandten Seiten (28, 29) der Elektroden der Form der die Oberfläche des beweglichen Elements (2, 19) begrenzenden Kanten angepaßt sind.24. Electrostatic positioning device according to one of the preceding claims, characterized in that the movable element ( 2, 19 ) facing sides ( 28, 29 ) of the electrodes are adapted to the shape of the edges delimiting the surface of the movable element ( 2 , 19 ).
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