DE4224600A1 - Elektrostatische Positionierungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrostatische Positionie­ rungseinrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ange­ gebenen Art.

Derartige Einrichtungen kennen insbesondere als Ablenk- Einheit für optische Systeme benutzt werden, um un­ ter Ausnutzung elektrostatischer Kräfte einen Spiegel in unterschiedliche Stellungen zu führen.

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 er­ geben sich daher insbesondere im Bereich der Mikromecha­ nik, welche auf die bekannten Technologien der Mikroelek­ tronik zurückgreifen kann, mit denen mikromechanische Ele­ mente im µm-Bereich herstellbar sind.

Aus der EP-B1 00 40 302 ist eine elektrostatische Lichtab­ lenkeinheit 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 be­ steht aufgrund ihres Herstellungsverfahrens immer aus zwei, separat hergestellten Elementen, die montiert werden müssen.

Eine andere elektrostatische Positionierungseinrichtung ist aus der DE-33 88 758-A1 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 Torsionsplat­ te miteinander zu verbinden. In manchen Fällen ist es so­ gar nötig, eine Isolierschicht zwischen beiden Platten einzufügen.

Diese Lösungen weisen den wesentlichen Nachteil auf, daß die Kraftwirkung stets senkrecht zur Ebene der Torsions­ platte erfolgt. Um die geforderten großen Auslenkungen bei der Torsionsbewegung der zwischen den Elektroden angeord­ neten Drehplatte zu ermöglichen, ist ein großer Abstand zwischen den Elektroden zwingend nötig. Daraus folgt, daß relativ hohe Spannungen zur Ansteuerung dieser Anordnung nötig sind, um ein elektrostatisches Feld ausreichender Stärke aufbauen zu können. Dieser Umstand stellt einen ge­ wichtigen Nachteil dar. Durch den sich ändernden Abstand zwischen der festen und der jeweils beweglichen Elektrode sowie der quadratischen Abhängigkeit der wirkenden Kraft vom Abstand der Elektroden ergibt sich eine stark nicht­ lineare Kennlinie. Wird das bewegliche Element der vorste­ hend beschriebenen Lösungen nicht gelagert, so entsteht zusätzlich eine von den Torsionskräften abhängige Transla­ tion in Richtung der elektrostatischen Feldlinien. Dadurch sind Abbildungsfehler durch Parallelverschiebung der opti­ schen Achse des so gebildeten Systems unvermeidlich.

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.

Andere bekannte Positionierungseinrichtungen, die unter Ausnutzung elektromagnetischer oder piezoelektrischer Ef­ fekte arbeiten, haben gegenüber den vorbeschriebenen An­ ordnungen ebenfalls keine Vorteile. Elektromagnetisch angetriebene Anordnungen haben dazu noch den besonderen Nachteil, daß sie, bedingt durch die Mindestgröße von Per­ manentmagneten bzw. Spulen, eine Untergrenze für ihre mechanischen Abmaße besitzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektro­ mechanische Positionierungseinrichtung der eingangs ge­ nannten Gattung zu schaffen, bei der Bewegungen mit senkrecht zur Ebene der maximalen Erstreckung gerichteten Komponenten auch über relativ große Wegstrecken mit kleinen Potentialen erzeugt werden können. Die Einstellung soll dabei auch bei großen Auslenkungen noch präzise erfolgen können.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, daß durch eine Verlagerung der das elektrostatische Feld erzeugenden, feststehenden Elektroden in einen Bereich, der außerhalb der Projektion der Fläche der maximalen Erstreckung des anzutreibenden, beweglichen Elements gelegen ist, dessen Hubbereich vergrößert werden kann. Dadurch kann die Kante des beweglichen Elements bei einer Rotations- oder Translationsbewegung die jeweilige, das antreibende Feld erzeugende nächstliegende Elektrode passieren, um dann gegebenenfalls bei Fortsetzung der Bewegung in den Ein­ wirkungsbereich der nächsten Elektrode zu gelangen. Damit ist der Abstand zwischen dem anzutreibenden Element und der dessen Antrieb maximal beeinflussenden Elektrode im Mittel gegenüber dem Stand der Technik sehr stark herab­ gesetzt, so daß mit wesentlich niedrigeren Potentialen auch über große Hübe oder Schwenkwinkel relativ große Antriebskräfte verfügbar sind. Damit stehen in jeder Posi­ tion des beweglichen Elements - bezogen auf seine Masse - große Beschleunigungskräfte zur Verfügung.

Die Elektroden sind bevorzugt in der Weise angeordnet, daß ihre den Schmalseiten des beweglichen Elements zugewand­ ten Stirnseiten von dem Element bei seinen Rotations- oder Translationsbewegungen - vorzugsweise in möglichst kleinem Abstand - passiert werden können.

Insgesamt ist eine Verringerung der räumlichen Abmaße des Feldes möglich und es genügen bereits geringe Feldstärken bzw. geringe Spannungen, um die Bewegung des plattenför­ migen Elements und damit dessen gewünschte Position zu erreichen.

Weiterhin ist vorteilhaft, daß die Positionierungseinrich­ tung derart gestaltet werden kann, daß ihre Herstellung auch als Gesamtsystem ohne zusätzliche Montageprozesse mittels der Technologien der Mikrosystem-Technik (z. B. batch-Prozesse) in günstiger Weise möglich ist. Dabei ist es, auch im Hinblick auf die Vereinfachung des Herstel­ lungsprozesses der Positionierungseinrichtung von beson­ derem Vorteil, daß die Elektroden für den Aufbau des zur Ablenkung erforderlichen elektrostatischen Gesamtfeldes in einem Bereich angeordnet sind, das nicht von dem Volumen umfaßt ist, welches das Plättchen während seiner Bewe­ gungsabläufe bestreicht.

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 Mehrzahl von, vorzugsweise radial gerichteten Federelementen in einer vorbestimmten Ruheposition im Raum gehalten wird.

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.

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.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Er­ findung sind die Elektroden paarweise an allen vier, die Fläche des beweglichen Elements begrenzenden Seiten ange­ ordnet.

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 beweglichen 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.

Die Ansteuerung der Elektroden der einzelnen Elektroden­ stapel kann dabei 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.

Eine derartige diskontinuierliche Bewegung bei der Posi­ tionierung des beweglichen Elements kann bekanntermaßen 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.

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.

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.

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 Momentes möglich.

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.

Bei Verzicht auf Freiheitsgrade der Bewegung des anzutrei­ benden Plättchens können auch einfache Lagerungen (Schneidenlager, Spitzenlager, Führungen und dergleichen) verwendet werden.

Bei einer bevorzugten Anwendung der Erfindung wird der Re­ ferenzspiegel bei einem Michelson-Interferometer mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen angetrieben.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zu­ sammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer einfachen Aus­ führungsform der Erfindung,

Fig. 2 das elektrische Prinzip-Schaltbild der in Fig. 1 dargestellten Anordnung,

Fig. 3 eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Er­ findung in schematisierter Darstellung,

Fig. 4 die schematisierte Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Er­ findung in schematisierter Darstellung,

Fig. 6 eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung,

Fig. 7 die schematisierte Darstellung eines Details der Erfindung,

Fig. 8 eine vorteilhafte Weiterbildung der in Fig. 3 dargestellten Form der Erfindung,

Fig. 9 eine günstige Weiterbildung der in Fig. 8 sche­ matisch dargestellten Form der Erfindung,

Fig. 10 ein Diagramm zur Ansteuerung der in Fig. 2 dargestellten Anordnung,

Fig. 11 ein Diagramm zu einer Ablenkeinrichtung mit einer in Fig. 7 dargestellten Elektrodenanordnung sowie

Fig. 12 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur An­ wendung der Erfindung.

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.

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 einstellbare 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 Rota­ tionsbewegung um die x-Achse hervorgerufen. Mit einer Än­ derung der anliegenden Spannungsdifferenz ändern sich die wirkenden Kräfte und es lassen sich kontinuierliche Posi­ tionsänderungen erzielen.

Wenn im zweiten Fall das bewegliche Element 2 nicht mit dem Bezugspotential verbunden ist oder aus einem elek­ trisch nicht- oder schlechtleitenden, aber das elektrosta­ tische Feld gut bündelnden Werkstoff besteht, bildet sich durch die Potentiale der Spannungsquellen U₁ und U₃ ein elektrostatisches Feld zwischen den Elektroden 4a und 5b aus. Auf das in diesem Feld befindliche Element 2 wird da­ bei eine Rotationskraft ausgeübt, da das bewegliche Ele­ ment 2 bestrebt ist, dem Feld einen möglichst geringen Wi­ derstand entgegenzusetzen. Es bildet sich ein Kräfte­ gleichgewicht zwischen dem rücktreibenden Moment der Fede­ relemente 3a, 3b und den elektrostatischen Feldkräften aus. Durch die Änderung der anliegenden Spannungsdiffe­ renz, und somit durch die Stärke des elektrostatischen Feldes, ändert sich die Kraftwirkung auf das bewegliche Element 2 und ermöglicht ebenfalls eine kontinuierliche Positionsänderung dieses Elements. Durch die im Vergleich zum ersten Fall sehr viel größeren Elektroden sind ent­ sprechend größere Spannungen nötig, um ein Feld geeigneter Stärke aufzubauen.

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.

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 gewünscht Drehachse festlegt. Zum anderen kön­ nen geeignete leistenförmige Führungen rotatorische Bewe­ gungen ausschließen. In Fig. 10 ist der funktionelle Zusammenhang des Ablenkwinkels w als Funktion der Elektro­ denspannung U schematisch für eine in Fig. 2 gezeigte Anordnung dargestellt. Das Spannungs-Winkel-Diagramm gilt für den Fall, daß die Elektroden 4a und 5a das gleiche Potential (U₁ = U₄) führen. Der Kurvenverlauf ist im wesentlichen parabolisch ausgebildet.

Fig. 3 zeigt als perspektivische Ansicht in schematisier­ ter Darstellung eine elektromechanische Positionierungs­ einrichtung 1, deren bewegliches Element 2 an seiner ge­ samten Peripherie von paarweise plazierten Elektroden um­ geben ist. Diese sind nach dem bezüglich Fig. 1 erläuter­ ten Prinzip angeordnet. Dabei ist es für eine in feineren Stufen staffelbare Positionierung des Elements 2 beson­ ders günstig, die Elektrodenpaare je Außenseite des Ele­ ments 2 weiter zu untergliedern. Dadurch stehen für den zur Positionierung erforderlichen Aufbau des elektrostati­ schen Feldes insgesamt acht Elektrodenpaare (6a, 6b), (7a, 7b), (8a, 8b), (9a, 9b), (10a, 10b), (11a, 11b), (12a, 12b) und (13a, 13b) zur Verfügung. Diese Elektrodenanord­ nung ermöglicht bei geeigneter Ansteuerung drei Transla­ tions- und drei Torsionsbewegungen des Elements 2, das durch vier, an seinen Eckpunkten befestigte Federelemente 3 bei spannungslosen Elektroden in seiner Ruhelage fixier­ bar ist. Durch entsprechende Ansteuerung der Elektroden sind translatorische und rotatorische Bewegungen auch überlagerbar. Möglichkeiten zur Ansteuerung und die sich daraus ergebenden einzelnen Bewegungen sind in der folgen­ den Tabelle dargestellt:

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.

Die Ansteuerung der Elektrodenstapel 6 bis 13 ist bei der Anordnung gemäß Fig. 4 in günstiger Weise nach dem ge­ nannten Schrittmotor-Prinzip auch für eine translatorische Vertikalbewegung durchführbar. Dabei werden in Richtung der gewünschten Bewegung zeitlich und räumlich nacheinan­ der die entsprechenden Elektroden eines oder mehrerer Elektrodenstapel mit entsprechenden Spannungen derart be­ aufschlagt, 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 schritt­ weise Bewegung des Elements 2 erfolgt.

Werden die Potentiale der Elektroden hingegen kontinuier­ lich verändert, ist das Element auch in beliebige Zwi­ schenposition führbar und hat den Charakter eines analog positionierbaren Motors.

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 beispielsweise optischer Schaltelemente geeignet machen.

Für eine ausschließlich rotatorische Bewegung des Elements 2 der Positionierungseinrichtung 1 um dessen Achse zu er­ zeugen, ist die in Fig. 5 gezeigte Ausführungsform der Erfindung vorgesehen. Die Elektrodenstapel 4 und 5 sind parallel zu den Längsseiten des beweglichen Elements 2 an­ geordnet, wobei die dem Element 2 zugewandten Schmalseiten der Elektroden auf einer im wesentlichen kreiszylindrisch ausgebildeten Fläche liegen. Durch diese Elektrodenanord­ nung wird bei einer Torsion des durch die Federelemente 3a und 3b gehaltenen Elements 2 der Abstand zwischen ihm und den feste 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 verrin­ gert, kann durch die dadurch bewirkte Verstärkung des elektrischen Feldes ein Ausgleich des mit größerer Auslen­ kung durch die Federelemente 3a, 3b steigenden rücktrei­ benden Momentes erreicht werden.

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 be­ stehen oder als Reflektor bzw. Strahler ausgestaltet sein (Einsatzbereich optische Abtastsysteme) sowie sensorische oder aktorische Aufgaben (Einsatzbereich Meßmittel, Schal­ telemente) übernehmen.

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.

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 Isolier­ schichten 18 zwischen den Elektroden 17 ermöglicht über eine gemeinsame Verbindungsleitung 16 in vorteilhafter Weise die Beaufschlagung mehrerer Elektroden mit dem glei­ chen Spannungspegel U_i. Neben der hier dargestellten Ver­ knüpfung von jeder dritten Elektrode 17 eines Stapels mit der gleichen Spannung, ist auch die paarweise Kopplung von Elektroden von jeweils gegenüberliegenden Stapeln günstig, um das bekannte Funktionsprinzip eines elektromagnetischen Schrittmotors auf diesen "elektrostatischen Schrittmotors" zu übertragen. Das entsprechende Spannungs-Winkel-Diagramm für eine Positioniereinrichtung mit Elektrodenstapeln ge­ mäß Fig. 7 ist in Fig. 11 in schematisierter Form darge­ stellt. Das zeitlich gestaffelte Anlegen der Spannungen U₅, U₆, und U₇ führt zu einer stufenweisen Änderung der Ablenkwinkels 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.

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.

Die erfindungsgemäße Einrichtung besitzt je nach Anzahl, Gestaltung und Anordnung der Elektroden und der Federele­ mente bezüglich des beweglichen Elements folgende wesent­ liche Vorteile:

• - Das bewegliche Element muß nicht leitfähig ausgebil­ det sein und kann in bis zu sechs unterschiedlichen Freiheitsgraden positioniert werden.
• - Es kann grundsätzlich auf Lagerstellen für das beweg­ liche Element verzichtet werden, da diese Kräfte beidseitig tangential zur Fläche des beweglichen Ele­ ments wirken.
• - Durch die spezifischen Konstruktionsmerkmale entsteht durch die Feldbündelung an den Kanten des beweglichen Elements und die kleinen mechanischen Abmaße des elektrostatischen Feldes das 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.
• - Die Positionierungseinrichtung nach Fig. 1 bis 7 kann mit Technologien der Mikroelektronik (vorzugs­ weise mit auf einkristallines Silizium angewandten Ätzprozessen und Verfahren der chemischen Schichtauf­ tragung) in großer Stückzahl bei geringsten Ferti­ gungstoleranzen montagefrei hergestellt werden.

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.

In Fig. 12 ist ein Michelson-Interferometer in einer Prinzipdarstellung wiedergegeben.

Ein von einem Laser erzeugter Strahl gelangt über einem Strahlteiler zu einem Interferenzobjekt und zu einem Refe­ renzspiegel. Die von dort zurückgeworfenen Strahlanteile werden wiederum über den Strahlteiler in die Interferenze­ bene geführt, wo die Auswertung erfolgt.

Der Referenzspiegel in dem Michelson-Interferometer wird zur Einstellung des Referenzstrahles bezüglich seiner Richtung (zwei Torsionsachsen, entsprechend einer Rotation um die x- und die y-Achse) sowie seiner Phasenlage (eine Translationsrichtung entsprechend der z-Achse) benutzt. Mit dem erfindungsgemäßen elektrostatischen Positionie­ rungssystem ist es nun durch das Anlegen von entsprechen­ den Spannungen möglich, entsprechend diesen drei Frei­ heitsgraden die notwendigen Einstellungen vorzunehmen. Da die mechanischen Abmaße dieses Stellsystems dank der mi­ kromechanischen Bauweise extrem klein sind, ist das Refe­ renzsystem gegenüber den bisher verwendeten sehr stark mi­ niaturisierbar.

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.

Claims (27)

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 aus einem Substrat aus monokristallinem Sili­ zium, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden (4a bis 13b, 20a bis 27b) vollständig außerhalb der Projektion des plattenför­ migen Elements in einer Richtung senkrecht zu der Ebene gelegen ist, die die Richtungen der maximalen Erstreckun­ gen des Plättchens enthält.

2. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens eine der Elektroden (4a bis 13b, 20a bis 27b) in der Weise angeordnet ist, daß eine Schmalseite des beweglichen Elements (2, 19) in die Nachbarschaft ei­ ner dieser Schmalseite zugewandten Fläche oder Kante der Elektrode gelangen bzw. diese passieren kann.

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.

4. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente als Zugfedern ausgestaltet sind.

5. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente an diagonal einander gegenüberlie­ genden Eckpunkten des beweglichen Elements angeordnet sind.

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.

7. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element (2) eine im wesentlichen rechteckige Form aufweist.

8. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element (19) im wesentlichen kreisförmig ausgebildet ist.

9. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach ei­ nem der Ansprüche 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (5a, b und 6a, b e.g.) jeweils einander gegenüberliegenden Schmalseiten des beweglichen Elements (2) benachbart angeordnet sind.

10. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element (2, 19) elektrisch leitende Oberflächenbereiche aufweist.

11. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Ober- und/oder Un­ terseite des beweglichen Elements (2, 19) ein oder mehre­ re Funktionselemente (14) vorgesehen sind.

12. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionselement (14) als Strahlungsreflektor aus­ gestaltet ist.

13. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche einen Emitter für Strahlungs- und/oder Wellenenergie bildet.

14. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionselement (14) einen positionierbaren Sen­ sor, insbesondere mit durch die Positionierung des bewegli­ chen Elements veränderbarer Richtungsempfindlichkeit, bil­ det.

15. 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. 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. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Begrenzungsseite mehrere Elektrodenpaare vor­ gesehen sind.

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.

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.

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.

21. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Elektroden (17) ei­ nes Stapels das gleiche elektrische Potential aufweisen.

22. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß einander nicht benachbarte Elektroden (17) eines Sta­ pels dasselbe Potential aufweisen.

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.

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.

25. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Freiheitsgrade der Bewe­ gung des Elements (2, 19) durch mindestens eine Führung und/oder Lagerung eingeschränkt sind.

26. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach An­ spruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung und/oder Lagerung die Freiheitsgrade der Bewegung des Elements auf eine translatorische und/oder schwenkende Bewegung begrenzen.

27. Elektromechanische Positionierungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung auf eine Michelsoninterfe­ rometer, wobei das bewegliche Element den Referenzspiegel bildet.