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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
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 Positionin reasoner being 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 as a deflection unit for optical systems, particularly, to guide un ter utilization of electrostatic forces a mirror in different positions.

Kraftwirkungen im elektrostatischen Feld sind seit langem bekannt und nachgewiesen. Effects of force in electrostatic field have long been known and proved. 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. Due to having greater will be the geometrical distance square decreasing forces of the electrostatic field on a use is appli applications with small dimensions is limited, especially as the necessary forces to drive movable elements increase with increasing mass. 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. Uses therefore arise in particular in the field of micromechanical technology, which can rely on the known technologies of microelectronics with which micromechanical elements in the micrometer 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. From EP-B-00 40 302, an electrostatic light deflection unit is known in which a plate-shaped element can perform a one-dimensional torsional movement about an axis. Das bewegliche Element wird durch einen ani sotropen Ätzprozeß aus einkristallinem Silizium herge stellt. The movable member is provides by a ani sotropen etching of single crystal silicon Herge. 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. The driving electrostatic force is produced by means of two of the a reflective surface having torque plate mounted electrodes, the drive voltages between the fixed electrodes and the movable, lying at the reference potential target abut sion plate. Die Positionierungseinrichtung besteht aufgrund ihres Herstellungsverfahrens immer aus zwei, separat hergestellten Elementen, die montiert werden müssen. The positioning device is due to its manufacturing process always two, separately produced elements that must be assembled.

Eine andere elektrostatische Positionierungseinrichtung ist aus der DE-A-33 88 758 bekannt. Another electrostatic positioning device is known from DE-A-33 88 758th Hierbei sind mehrere Elektroden unterhalb der anzutreibenden Spiegelplatte an geordnet, wobei durch spezielle Federkonstruktionen eine zweidimensionale Torsionsbewegung möglich ist. Several electrodes are arranged below the mirror to be driven plate to, wherein by means of special spring constructions, a two-dimensional torsional movement is possible. Die Tor sionsplatte liegt dabei auf einem Loslager, welches den Drehpunkt der Torsionsbewegung definiert. The goal sion plate lies on a bearing, which defines the fulcrum of the torsion movement. Auch hier sind mindestens die Elektrodenplatte und die Torsionsplatte miteinander zu verbinden. Again, at least the electrode plate and the torsion plate to each other. In manchen Fällen ist es sogar nötig, eine Isolierschicht zwischen beiden Platten einzu fügen. In some cases it is even necessary to add an insulating layer between two plates einzu.

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. Furthermore, an apparatus is known from EP-A 0 00 50 970, is in the two-dimensional, lie in a plane mirror constricting elements with respect to an auxiliary mirror arranged are. Hiermit ist zwar die zweidimensionale Ablen kung eines Lichtstrahls möglich, aber es kommt zu größeren Montagetoleranzen und Tonnenverzeichnungen bei der Strahl ablenkung. This indeed is the two-dimensional Ablen effect of a light beam possible, but there are greater mounting tolerances and Tonnenverzeichnungen in beam deflection.

Alle Lösungen weisen den wesentlichen Nachteil auf, daß die Kraftwirkung stets senkrecht zur Ebene der Torsions platte gerichtet ist. All solutions have the significant disadvantage that the force effect is always directed perpendicular to the plane of the torsion plate. Auslenkungen in einer in der Ebene der Platte gelegenen Richtung sind nicht möglich. Deflections in an in-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. Other known positioning devices operating fect utilizing electromagnetic or piezoelectric Ef have, compared to the above to also trims any benefits. 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. Electromagnetic at powered devices have plus the particular disadvantage that, due manentmagneten by the minimum size of Per and coils have a lower limit on their me chanical 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 to provide an electro-mechanical positioning device of the initially named kind ge can be carried out at the movements in directions which are located in the plane of maximum extension of the driven plate.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved with the characterizing features of claim 1.

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 recognition that produced by a displacement of the electrostatic field, the fixed electrode in an area of ​​the driven outside the maximum extent, the movable member is located, the movement of which - at least with egg ner additional component - also in the plane can be carried out its largest area.

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 xy-Ebene angesteuert werden und es können hiermit bei der optischen Strahlablenkung örtlich unterschiedliche Reflexionseigenschaften des Plättchens gezielt angewählt werden. fall its greatest extents under the assumption that the spatial x and y directions falling in the plane of the plate, in which the directions, be belie bige positions in the xy plane can be controlled and there can hereby in the optical beam deflection locally different reflection properties of the plate are specifically selected. Damit kann zusätzlich zu einer beliebigen Strahlauslenkung durch Drehung um die x- und/oder y-Achse auch noch eine zusätzliche Modulation des Lichtstrahls erfolgen. Thus, in addition also be made to any beam deflection through rotation about the x and / or y-axis an additional modulation of the light beam. Beispiele dazu werden weiter unten näher dargestellt. Examples can be shown in more detail below.

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 driving electrodes are preferably arranged in such a way is that their narrow sides of the movable member facing at a distance from end faces of the element in its rotational or translational movement - can be passed - preferably in front of the small clearance.

Insgesamt genügen bereits geringe Feldstärken bzw. geringe Spannungen, um die Bewegung des plattenförmigen Elements und damit dessen gewünschte Position zu erreichen. Overall, even small field strengths or low voltages to achieve the movement of the plate-shaped member and thus 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. Furthermore, it is advantageous that the Positionierungseinrich processing can be designed so that their production as a whole system without additional assembly processes of the technology of microsystems technology medium (for example as a batch process) is possible in a favorable manner. 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. In this case, it is, also in view of the simplification of the manufacturing process of the positioning device of particular advantage that the electrode array for the construction of the necessary for the deflection electrostatic total are arranged in a region which is not covered by the volume that the plate during its movements sweeps.

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 be the electrostatic positioning means is composed of a movable plate-shaped member that is rectangular in we sentlichen and is held by a plurality of, preferably radially directed spring elements in a predetermined rest position in space.

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. The measures necessary for the generation of the electrostatic field electrodes are advantageously in pairs opposite one another in a spatial region of ordered, the are located in a plane extending in the plane of the largest extensions of the movable member directions outside the projection of the largest extension in a direction perpendicular thereto , Die Elektro denpaare befinden sich jeweils in fester Position an zwei, einander gegenüberliegenden Schmalseiten der beweglichen Platte. The electric denpaare are each located in a fixed position on two, mutually 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. The individual, preferably rectangular shaped electrodes of the electrode pairs are in particular in each case arranged in parallels planes that are above and below the plane defined by the movable member plane. Die bewegliche Platte ist bevorzugt an das Bezugspotential der Steuerspannungen angeschlossen, mit denen die Elektroden beaufschlagt werden. The movable plate is preferably connected to the reference potential of the control voltages with which the electrodes are applied. 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. Between said electrodes, an electrostatic field is established by the supply Spannungsbeaufschla by whose force effect changes the plate-shaped element of the electrostatically tables positioning means in the desired manner its position.

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 invention, the electrode pairs He limiting on all four, the area of ​​the movable member sides are arranged.

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. Since the various positions of the movable member by the different combinations of the voltage assignment of the individual electrodes are attainable, the variation width of the positioning of the movable member according to an embodiment of the invention can be further increased in a favorable manner by the individual electrode pairs in each case by "stack" of electrodes are replaced. 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. These stacks then preferably comprise one another each have the same number of individual electrodes, wherein the stack assembly in relation to the Move union element preferably symmetrically likewise effected such that above and below the plane defined by the moving member level the same number of A zelelektroden is present , Zwischen den einzelnen Elektroden der Stapel sind dünne Isolierschichten vorhan den, um die einzelnen Elektroden potentialmäßig sicher voneinander zu trennen. Between the individual electrodes of the stack of thin insulating layers are EXISTING the order in terms of potential sure to separate the individual electrodes 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. The control of the electrodes of the individual electrodes can be effected for addition to controlling vertical movements (in z-direction) or a rotation around the x- or y-axis after the step motor principle stack. 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. In this case, in the direction of the desired movement in time and space in sequence the respective electrodes of one or more electrode stacks are driven with one fe most potential. Auf diese Weise wird eine "Digitalisierung" der Bewegung hervorgerufen. In this way a "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 discontinuous movement in the posi tioning of the movable member can also be achieved that alternately electrodes are firmly connected electrically in parallel within the electrode stack and is carried out the control of these pairs of electrodes sequentially through a simplified embodiment.

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. A particular advantage of this arrangement is still in the fact that is possible by simply switching the driven electrodes, a discrete change in position, for example for use of the positioning device as a switch. 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. so that relatively high holding torque can be generated for each discrete positions can be realized due to the small distances between the electrodes with niedri gen voltages.

Nach einer weiteren günstigen Weiterbildung der Erfindung ist das bewegliche, sich zweidimensional erstreckende Ele ment der elektrostatischen Positionierungseinrichtung im wesentlichen kreisförmig ausgebildet. According to a further advantageous development of the invention, the movable two-dimensionally extending Ele is ment of the electrostatic positioning device is formed substantially circular. Die zur Positionie rung des Elements erforderlichen Elektrodensysteme sind gleichmäßig an seinem Umfang verteilt angeordnet. The necessary for POSITIONING of the element electrode systems are arranged uniformly distributed at its periphery. 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. Arranged as a pair or as a stack, sheetlike electrodes have a circular arc-shaped end edge in a favorable manner at their facing the be moveable element side. Diese Anpassung an die Form des beweglichen Elements ermöglicht eine bessere Anpassung des elektrosta tischen Feldes bei gleichzeitig verringerten Abmessungen der elektrostatischen Positionierungseinrichtung. This adaptation to the shape of the movable member allows a better adaptation of the field at the same time electrostatically schematically reduced dimensions of the electrostatic positioning means.

Entsprechend einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist an zwei einander gegenüberliegenden Seiten des beweglichen Elements jeweils ein Elektrodenstapel angeordnet. According to another development of the invention, an electrode stack is arranged on two mutually opposite sides of the movable member, respectively. 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. To NEN carried out in one or two directions Koen a pure torsional movement about the central axis of the movable member, the individual electrodes are arranged within the stack so that the side facing the movable element narrow sides of the plate-shaped electrodes lying on a substantially circular curve section. Durch diese Elektrodenanordnung wird der Abstand zwischen dem beweglichen Element und den feststehenden Elektroden während eines Positioniervorganges nahezu kon stant gehalten. By this arrangement of the electrode distance between the movable element and the fixed electrodes during a positioning process is maintained nearly con stant. 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. Is the distance of the electrode layer is reduced to be moveable element having the larger distance from the center, so a balance of at larger deflection acted be by the spring elements of the bearing of, increasing repulsive torque is 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. By choosing the to-use spring elements, which hold the element to be driven in the manner of a strain, rotational and translational movements of the movable element are superimposed on one another executable. Die Federn lassen sich in Konformität mit dem übrigen mikro mechanischen Herstellungsvorgang bevorzugt in Mäanderform erzeugen. The springs can preferably produce in meandering shape in conformity with the rest of micromechanical manufacturing process.

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. In preferred embodiments according to the invention is at the top and / or bottom of the movable ele ment, a functional element is provided at least the sen properties in a direction which is situated in a plane of the moving element, which also includes the directions of its maximum extents, are locally under different. Auf diese Weise können die für eine An wendung jeweils notwendigen oder erwünschten Eigenschaften durch eine überlagerte Verschiebung des Elements in xy-Richtung ausgewählt werden. In this way, the properties of each necessary or desired for a An application by a superimposed movement of the element in the xy direction can be selected. Das Funktionselement kann da bei insbesondere einen Reflektor oder Emitter bzw. Sensor für Strahlungs- und/oder Wellenenergie bilden. The functional element may form as in particular a reflector or emitter and sensor radiation and / or wave energy. 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. Where appropriate may also be respectively different areas of the sensor or emitter properties by moving in loading train can be selected individually on a screen, so that active and passive properties of an element according to Be may 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. In particular, a pre-on the movable member provided for the reflector layer in the plane containing the Richtun gen its maximum extents, locally under schiedliche reflection properties, so that a locally different influencing the direction, intensity and / or color or wavelength of the reflected radia tion can take place. 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. The reflector may be in particular formed as a concave mirror or locally different Liche color filter or absorption properties or in the case of a sensor different sensitivities in ways.

Durch die Verschiebung des mit elektrischen Kontaktmitteln nach Art eines elektromechanischen Schalters ausgestatte ten Funktionselements in Bezug auf eine sich in xy-Richtung erstreckende Kontaktmatrix sind galvanische Schaltvorgänge im Mikrobereich ausführbar. The displacement of the equipped with electrical contact means in the manner of an electromechanical switch th functional element with respect to a direction extending in the xy-matrix contact galvanic switching operations in the micro area can be executed.

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. Other advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims and will be described in more detail below together with the description of the preferred embodiments of the invention with reference to FIGS. Es zeigen: Show it:

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 form of the invention shown in Fig. 3,

Fig. 9 eine günstige Weiterbildung der in Fig. 8 sche matisch dargestellten Form der Erfindung sowie Fig. 9 is a favorable further development of specific in Fig. 8 matic form of the invention shown and

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 3 a und 3 b in einer bestimmten Ruhelage im Raum gehalten wird. Fig. 1 shows in perspective view the structure of an electrostatic prinzipiel len Positionierungsein device 1 with a movable member 2 which by means of two spring elements 3 a and 3 b is held in a specific resting position in space. Die paarweise an zwei gegenüberlie genden Seitenkanten des Elements 2 angeordneten Elektroden 4 a, 4 b bzw. 5 a, 5 b 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. The paired two gegenüberlie constricting side edges of the element 2 electrodes 4 a, 4 b and 5 a, 5 b are located in a region in a plane extending in the plane of maximum extension of the movable element 2 in the direction outside the projection of the largest extending in a perpendicular Rich tung is located. Die Elektroden 4 a, 4 b bzw. 5 a, 5 b 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. The electrodes 4 a, 4 b and 5 a, 5 b are arranged in planes which extend above and below the largest of the surface of the movable member 2 in the tensioned level and parallel thereto. Das Element 2 ist rechteckig ausgebildet. The element 2 is rectangular. Die dem Element 2 zugewandten Seitenkanten 28 der Elektroden 4 a, 4 b, 5 a und 5 b verlaufen, der Form des beweglichen Elements angepaßt, geradlinig. The said element 2 facing the side edges 28 of the electrodes 4 a, 4 b, 5 a and 5 b extend, adapted to the shape of the movable member in a straight line. 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. It can be seen that the side facing the adjacent narrow sides of the electrode end edges of the moveable member 2 be by the corresponding geometrical design of the vertical component attached to a driven member 2 may be happened in a small distance. 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. In this way it is with intervals in the micrometer range Mi relatively large forces with small Spannun gen transfer and thus achieve accelerations and large loading the item. 2

Das in Fig. 2 dargestellte elektrische Ersatzschaltbild einer mit zwei Elektrodenpaaren 4 a, 4 b und 5 a, 5 b 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. The illustrated in Fig. 2 electrical equivalent circuit diagram of a two pairs of electrodes 4 a, 4 b and 5 a, 5 b been upgraded positioning device 1 showing the movable element 2, which is electrically conductive in case 1 and thus set to a desired potential who the can. Dieses Potential bildet somit das Bezugspoten tial für die vier einstellbaren Spannungsquellen U 1 , U 2 , U 3 und U 4 . This potential therefore forms the reference Spoten tial for the four adjustable voltage source U 1, U 2, U 3 and U. 4 Werden geeignete Spannungen an die Elektroden 4 a und 5 b gelegt, so bilden sich zwei elektrostatische Fel der, jeweils zwischen dem beweglichen Element 2 und einer der beiden feststehenden Elektroden aus. Appropriate voltages to the electrodes 4 a and 5 b down, then two electrostatic the Fel, respectively between the movable element 2 and one of the two fixed electrodes are formed. 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. These produce an electrostatic force effect in the way that the areas moving element 2 is endeavored to reduce the distance between the most fe electrode and the movable element. Durch diese Kraftwirkung wird in diesem Fall eine Ver schiebung in Richtung der x-Achse hervorgerufen. Due to this force effect a shift Ver is caused in the direction of x-axis in this case. Mit einer Änderung der anliegenden Spannungsdifferenz ändern sich die wirkenden Kräfte und es lassen sich kontinuierliche Positionsänderungen erzielen. With a change in the applied voltage difference, the forces change, and it can be achieved continuous position changes.

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 U 1 und U 3 ein elektrostatisches Feld zwischen den Elektro den 4 a und 5 b aus. In the second case when the movable member 2 is not connected to the reference potential or consists of an electrically non-conductive or poorly conductive, but the electrostatic field well bundled material, U 1 and U 3 is formed by the potentials of the voltage sources, an electrostatic field between the electric Figures 4 a and 5 b from. 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. The left in this field Ele element 2, a rotational force is exerted thereby, since the movable member 2 is committed to oppose the field the lowest possible resistance. Es bildet sich ein Kräftegleichgewicht zwischen dem rücktreibenden Moment der Federelemente 3 a, 3 b und den elektrostatischen Feldkräften aus. Is formed from a balance of forces between the repelling torque of the spring elements 3 a, 3 b and the electrostatic field forces. 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. By changing the applied clamping voltage difference, and thus through the thickness of the electrostatically tables field, the force effect of changes to the movable member 2 and also enables a con tinuous change in position of this element. Durch die im Vergleich zum ersten Fall sehr viel größeren Elektroden sind entsprechend größere Spannungen nötig, um ein Feld geeigneter Stärke aufzubauen. The very much larger than in the first case, electrodes larger voltages are accordingly required to build 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 U 1 und U 4 bzw. U 2 und U 3 erzeugt werden. A purely translational motion can be generated for the case of charged with a certain potential member 2 by two magnitude equal voltages U 1 and U 4 and U 2 and U. 3 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 4 a und 5 a bzw. 4 b und 5 b erreichbar. In the event that the element 2 is not hit with a predetermined potential beauf, a translatory movement is by a potential difference between the electrodes 4 a and 5 a and 4 b and 5 b achievable.

Durch geeignete Kombination der Spannungsbelegung der Elektroden 4 a, 4 b, 5 a und 5 b 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. By appropriate combination of the voltage assignment of the electrodes 4 a, 4 b, 5 a and 5 b as well as the change of the clamping voltage level of the element 2 of the electrostatic Posi can perform tionierungseinrichtung 1 movements are arbitrary superimposed on the translational and rotational components. 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. Are supply components to exclude unwanted BEWE optionally additional bearings may or guide elements for the movable member 2 low, preferably as under the area center of gravity of the movable member 2 mounted (not dargestell TES) movable bearing (tip, blade or the like.) Is configured and the desired axis of rotation determines. Zum anderen kön nen geeignete leistenförmige Führungen rotatorische Bewe gungen ausschließen. rule on the other Kings nen suitable strip-shaped guides rotational BEWE conditions.

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. Fig. 3 shows a perspective view in schematisier ter representation of an electromechanical positioning device 1, the movable element 2 is surrounded at its whole periphery of pairs placed electrodes. Diese sind nach dem bezüglich Fig. 1 erläuterten Prinzip angeordnet. These are arranged with respect to the FIG. 1 explained principle. 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. It is particularly favorable for a staffelbare in finer steps positioning of the element 2, to divide the electrode pairs each outer side of the element 2 pass. Dadurch stehen für den zur Positionierung erforderlichen Aufbau des elektrosta tischen Feldes insgesamt acht Elektrodenpaare ( 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) und ( 13 a, 13 b) zur Verfügung. Characterized stand for the required positioning structure of the electrostatically tables field 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. 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. This arrangement enables electrodes with appropriate controlling three translational and three torsional movements of the element 2 by four elements, attached to its corners Federele 3 when energized electrodes in its rest position is fixable. Durch entsprechende Ansteuerung der Elektroden sind translatorische und rotatorische Bewe gungen auch überlagerbar. By appropriate control of the electrodes translational and rotational movements BEWE are also superimposed. Möglichkeiten zur Ansteuerung und die sich daraus ergebenden einzelnen Bewegungen sind in der folgenden Tabelle dargestellt: Options for control 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. An advantageous further development of the presented in FIG. 3 Darge embodiment of the invention Fig. 4 shows in a perspective view. Die in Fig. 3 beschriebenen Elektrodenpaare aus im wesentlichen plattenförmig ausge bildeten Einzelelektroden 6 a, 6 b bis 13 a, 13 b sind durch Elektrodenstapel 6 bis 13 ersetzt, um die Variationsbrei te für die Positionierung des beweglichen Elements 2 wei ter erhöhen zu können. The electrode pairs described in FIG. 3 of substantially plate-shaped being formed individual electrodes 6 a, 6 b to 13 a, 13 b are replaced by the electrode stack 6 to 13, the Variationsbrei te for the positioning of the movable member 2 to white increase ter. 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. The electrode stack 6 to 13, which are arranged laterally uniformly ver next to the movable member 2 divides, consisting of a plurality plat tenförmiger electrodes sym in the vertical direction are positioned symmetrical to the plane spanned by the element 2 plane inner half of 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. The control of the electrode stack 6 to 13 can be carried out in the arrangement of Fig. 4 in a favorable manner according to the genann th step motor principle for a translatory vertical movement. 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. In this case, in the direction of the desired movement in time and space in sequence the respective electrodes of one or more electrode stack with appropriate voltages are applied in such a way that the narrow side of the element 2 reaches each step in a position in which this one of these electrodes facing surface is adjacent. 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 electrodes can be made with various discrete values so here is that an incremental movement of the element 2 takes place.

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. The potentials of the electrodes, however, changed kon continuously, the element can be guided in any intermediate position and has the character of an analog-positioned engine.

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. The particular advantage of this arrangement is the fact that discrete positional changes of the bewegli chen element 2 can be forced simply by switching the potentials of the driven electrodes having the OF INVENTION dung proper positioning means for the Auslö solution of switching operations by operating z. B. optischer Schaltelemente geeignet machen. make as 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. For a purely rotational movement of the member 2 of the positioning device 1 to generate the axis of which is the embodiment of the invention shown in Figure 5. Is provided. 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. The electrode stack 4 and 5 are arranged parallel to the longitudinal sides of the movable element 2, the element 2 facing the narrow sides of the electrodes lie on a substantially kreiszy lindrisch formed surface. Durch diese Elektrodenanordnung wird bei einer Torsion des durch die Federelemente 3 a und 3 b gehaltenen Elements 2 der Abstand zwischen ihm und den festen Elektroden annähernd konstant gehalten. By this electrode arrangement is in a twist of by the spring elements 3 a and 3 b held member 2, the distance between it and the fixed electrodes kept approximately constant. 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 3 a, 3 b stei genden rücktreibenden Momentes erreicht werden. If the electrode stack 4 and 5, however, arranged so that the distance of the individual electrodes is reduced to the movable element of greater deflection from the central position, by the thus caused amplification of the electric field, a balance of with greater deflection by the spring elements 3 a, 3 b stei constricting Retrodriving torque can be achieved.

Das Element 2 ist an seiner Oberseite mit einem zusätz lichen Funktionselement 14 versehen. The element 2 is provided at its top with a zusätz union functional element fourteenth 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. This functional element can consist of a special coating with radiation and / or wave-emitting properties or exist as a reflector or radiator configured to be (Application optical scanning) and sen sorische or actuatory tasks (application area Meßmit tel, switching elements) accepts.

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 ( 4 a, 4 b) und ( 5 a, 5 b) zwei zusätzliche Meßelektroden 15 . A shown in perspective in FIG. 6 advantageous development of the invention has in addition to the two sitioning to Po of the movable member 2 of the Positionin reasoner 1 required electrode pairs (4 a, 4 b), and (5 a, 5 b), two additional test electrodes 15 °. Diese erstrecken sich unterhalb des beweglichen Elements 2 in einer zu diesem parallelen Ebene. These extend below the movable member 2 in a direction parallel to this plane. Sie dienen der kapa zitiven Lagemessung des beweglichen Elements 2 und bilden die Voraussetzung für eine Regelung der Positionierungs einrichtung. They serve to kapa zitiven position measurement of the movable member 2 and form the basis for a control of 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. As shown in Fig. 7, is located between the individual electrodes 17 of a stack in each case a isolie yield intermediate layer 18 against each other realizing the insulation of the respective electrodes, and determines the position of the electrodes in space. 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 U i . The arrangement of iso lierschichten 18 between the electrodes 17 allows via a common connecting line 16 in front part manner, the impingement of multiple electrodes with the same voltage level U i. 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. In addition to the illustrated linkage of each third electrode 17 of a stack with the same voltage, the paired coupling of electrodes of each gegenü berliegenden stacking is advantageous to transmit the known radio tion principle of an electromagnetic stepping motor to this "electrostatic stepper motor". Das entsprechende Spannungs-Winkel-Diagramm für eine Posi tioniereinrichtung mit Elektrodenstapeln gemäß Fig. 7 ist in Fig. 11 in schematisierter Form dargestellt. The corresponding voltage-angle diagram for a Posi tioniereinrichtung with electrode stacks shown in FIG. 7 is illustrated in Fig. 11 in schematic form. Das zeit lich gestaffelte Anlegen der Spannungen U 5 , U 6 , und U 7 führt zu einer stufenweisen Änderung der Ablenkwinkels w. The time-Lich staggered application of the voltages U 5, U 6, U 7 and leads to a gradual change of 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. Another advantageous development of the invention is shown schematically in FIGS. 8 and 9 as a plan view or as Perspecti vische view. Danach ist das bewegliche Element 19 der Positionierungseinrichtung 1 im wesentlichen kreisförmig ausgebildet. Thereafter, the movable member 19 of the positioning device 1 is formed substantially circular. 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. It is ripherie at its Pe give uniformly from a plurality of electrodes and is held by four springs 30 in position within the limited area of the electrodes. Die Elektroden sind als Elektrodenstapel 20 bis 27 oder als Elektrodenpaare 20 a und 20 b bis 27 a und 27 b ausgebildet. The electrodes are electrode stack as 20 to 27 or as pairs of electrodes 20 a and b formed 20 to 27 a and 27 b. 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. The overall arrangement be in their spatial dimensions form Sonders small, it is favorable to design the individual electrodes, the element 19 that their facing sides 29 of the shape of the element 19 are largely matched. Dies führt in günstiger Weise zusätzlich zu einer Homogenisierung des elektrostatischen Feldes zwi schen Elektroden und Element 19 . This results in a favorable manner in addition to homogenization of the electrostatic field Zvi rule element electrodes and 19th 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. For the basic arrangement of the electrodes with respect to the movable ele ment 19, the explanations given starting vorste to 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 appropriate voltage sources and required for the construction of the positioning device me chanical holding and supporting structures have not been represents Darge 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: The inventive device has, depending on the number, configuration and arrangement of the electrodes and the Federele elements with respect to the movable member following Wesent advan- tages:

  • - Das bewegliche Element muß nicht leitfähig ausgebil det sein und kann in bis zu sechs unterschiedlichen Freiheitsgraden positioniert werden. - The movable member need not be conductive ausgebil det and can be positioned in up to six different degrees of freedom.
  • - Es kann grundsätzlich auf Lagerstellen für das beweg liche Element verzichtet werden, da diese Kräfte beidseitig tangential zur Fläche des beweglichen Ele ments wirken. - It can be fundamentally dispensed with bearing points for the Move Liche element, since these forces act on both sides tangential to the surface of the movable ele ments.
  • - 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. - Due to the specific design features a large torque is produced by the field focusing on the edges of the movable member and the small mechanical dimensions of the electrostatic field so that even at low voltages movement with a stroke, the ent to a multiple of the distance between the movable element and electrodes speaks are 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 Figures 1 to 7 can be (preferably applied to monocrystalline silicon etching processes and methods of the chemical layer application) made permanent installation in large numbers at the lowest manufacturing tolerances with technologies of microelectronics.

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. This results in a variety of applications that include all kinds of areas where it comes to the generation of micro He moves any direction with great precision.

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. When in Figs. 10 and 11 illustrated preferred embodiments according to the invention at least one Funktionse is lement provided on the upper side of the movable element whose properties tung in a rich which is situated in a plane of the movable member, which is also the direction of its maximum contains Erstreckun gen, 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 xy-Richtung ausgewählt werden. In this way, for an application in each case not manoeuvrable or desired properties can be selected in the xy-direction by a Überla siege displacement of the element. Bei dem in Fig. 10 im Schnitt dargestellten Funk tionselement handelt es sich um einen Reflektor, der als Hohlspiegel ausgebildet ist. In the in Fig. 10 tion element is shown in the sectional radio is a reflector that is formed 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. In this application, the movable member is not formed as a layer, but is at its Funktionsele the element surface having a concave curvature. Wird dieses in der xy-Ebene kreisförmig angetrieben (Überlagerung von zwei Translationsbewegungen (gemäß r 2 = x 2 + y 2 ), 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. When this circularly driven in the xy plane (superposition of two translational motions (r in accordance with 2 = x 2 + y 2), as an incident light beam is misaligned circular. Thus it is, for example, for a laser marking systems possible, the line width of its machining beam as needed to . enlarge in Figure 10 is a section taken along the xz-plane is shown with two light beams example It can be seen deflected as the light beam depending on its incident position on the mirror being different -.. and is fanned out so.

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

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungs beispiel. The invention is not limited in its implementation to the above-described preferred execution example. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Rather, a number of variants which make use of the described solution even for basically different configurations.

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, 1. Electrostatic positioning means, before preferably for use in an optical and / or metrology device with a movable, substantially plate-shaped member which electrostatically under the influence of the generated force effect of a fixedly arranged by a plurality of, relative to the movable element electrodes field tables insbesonde re is variable in its position, made involving a substrate of mono-crystalline silicon,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
daß mindestens eine der das plattenförmige Element mittels elektrostatischer Kräfte antreibender Elektroden ( 4 a bis 13 b, 20 a bis 27 b) 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 that at least one of the plate-shaped element by means of electrostatic forces driving electrodes (4 a to 13 b, 20 a to 27 b) is arranged so as to produce a shaped element driving force action with a component in a direction in that geometric plane falls in the directions of the maxi paint extensions of the sheet element falls, and
daß das plattenförmige Element mindestens in der Antriebsrich tung nachgiebig gelagert ist. is stored that the plate-shaped member at least in the drive processing Rich resilient.
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 according to claim 1, characterized in that the electrode is spaced from a laterally adjacent electrode in the rest position of the plate corresponding to at least the intended stroke range of the plattenför-shaped element in that 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 , 3 a, 3 b und 30 ) gehalten ist. 3. Electrostatic positioning device of egg nem of the preceding claims, characterized in that the movable element (2, 19) arranged through on its narrow sides, in particular sondere in the plane of maximum extension of the Move union element extending, 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 according to claim 3, characterized in that the spring elements are configured 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 of claim 3, characterized in that the spring elements are arranged at diagonally opposing corners of the movable member.
6. Elektrostatische Positionierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden ( 4 a bis 13 b und 20 a bis 27 b) 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 arranged in pairs, with one of the electrodes below and the other electrode above the plane ma ximaler extension of the movable element (2, 19) will be.
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 circular substantially.
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 of egg nem of claims 1 and 6, characterized in that the electrodes face each other in each case ge genüberliegenden narrow sides of the movable member (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) having 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 underside of the movable member (2, 19) at least one functional element (14) is provided, whose properties in one direction in a plane of the mobile ele ment is located, which also contains the directions of its maxima len extents, 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 and sensor 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 containing the directions of its maximum extents, having locally different reflection characteristics, for locally different influencing the direction, intensity and / or color or wavelength of the reflected in particular Radiation.
14. Elektromechanische Positionierungseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor als Hohlspiegel ausgebildet ist, örtlich unterschiedliche Farbfilter oder Absorptionseigenschaften aufweist. 14 comprises electromechanical positioning device according to claim 13, characterized in that the reflector is formed as a concave mirror, locally different color filters or absorption properties.
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 demanding 11, characterized in that the functional element (14) forms a sensor having a function of the positioning of the movable ele ments 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 electro-mechanical switch whose union zusätz contact elements are formed 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 ( 7 a bis 13 b) 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 member (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 einzele lektroden (17) respectively stacked (6 to 13 and 20 to 27) are optionally arranged 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) rota located tion symmetrically with respect to an axis perpendicular is rather directed to the plane of maximum extension of the movable element or mirror-symmetrical to a surface are containing 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) is provided, the stack (6 to 13 and 20 to 27) depending weils an insulating body (18).
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 several electrodes (17) ei nes stack have the same electric 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) have a Sta pels 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 maximum extension of the movable element (2, 19) at least one measuring electrode (15) for the capacitive position determination of the mobile element (2, 19) at rated 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 said movable member (2, 19) facing sides (28, 29) of the electrodes of the shape of the surface of the movable member (2, 19) defining edges are matched.
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