DD143128A1

DD143128A1 - Piezoelektrischer positionssteller mit grossem verstellbereich

Info

Publication number: DD143128A1
Application number: DD79212380A
Authority: DD
Inventors: Hans-Guenter Woschni
Original assignee: Woschni Hans Guenter
Priority date: 1979-04-21
Filing date: 1979-04-21
Publication date: 1980-07-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisch steuerbares Hilfsmittel zur Feinpositionierung von Teilen wissenschaftlicher Geräte zueinander über einen Bereich von mehr als 10 gm mit Hilfe piezoelektrischer Verstellelemente. Die durch die zur Zeit bekannten Piezomatsrialien und deren Abmessungen gegebenen Grenzen von linearen oder Winkeländerungen werden durch entsprechende Übersetzungen erweitert. Dabei wirkt der Positionssteller sowohl als Antriebswie als Führungselement, so daß eine getrennte Lagerung des zu positionierenden Teiles nicht erforderlich ist. Fig.2 zeigt eine spezielle Ausführung des Gedankens. Jeweils zwei einander parallel liegende Piezoelemente ändern ihre Länge gegensinnig. Der Einsatz mehrerer Elementepaare erhöht die Steifigkeit, durch entsprechende Orientierung der Elementepaare kann die Steifigkeit in einer oder mehreren Vorzugsrichtungen erhöht werden. Die Erfindung kann außerdem in einer Ablenkeinheit für Lichtstrahlen über Spiegelkippung genutzt werden.

Description

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a) Titel der Erfindung

Piezoelektrischer Positionssteller mit großem Verstellbereich

b) Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht eich auf einen piezoelektrischen Positionssteller, insbesondere zur Peinpositionierung von Werkzeugen bzw.. Werkstücken oder Bauteilen wissenschaftlicher Geräte. Sie kann ferner angewendet v/erden zur feinfühligen Justierung zweier oder mehrerer Teile zueinander, z. B. beim fotolithografischen Übertragen von Strukturen von einer Maske auf ein Halbleitersubstrat o. ä., oder z. B. zur feinfühligen Winkeländerung· eines Spiegels für die Ablenkung eines Lichtstrahles.

c) Charakteristik der bekannten technischen lösungen

Die Herateilung geringer Verschiebungen im wissenschaftlichen Gerätebau erfolgt im allgemeinen in bekannter Weise durch die Anwendung von Hebeln, motorgetriebenen Spindeln, Exzentern, pneumatisch oder hydraulisch betätigten Kolben oder deren Kombination oder auch durch Anwendung weiterer, z. B. magnetostriktiver Elemente, mit deren Hilfe eine Längenänderung erzeugt v/ird. Die Führungen werden im allgemeinen durch Anwendung von Rollen-, Kugel- und Gleitlagern oder auch durch Einsatz von Parallelogrammen verwirklicht.

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Unter anderem sind piezoelektrische Verstellelemente "bekannt, die eine Längenänderung auf Grund eines aber dessen Elektroden zugeführten elektrischen Signales erzeugen. (Spectra - Physiecs, Rochester, N.I. 14625 Datenblatt zu Mod. 470 "Optical Spectrum Analyser"; G. Heike, "Praktische Anwendungen einer Piezokeramik mit hoher Dielektrizitätskonstanten und großem piezoelektrischem Effekt" Hermsdorfer Technische Mitteilungen 44/1975 s. 1390) Die Längenänderungen sind i. a. nicht linear mit der an die Elemente angelegten Spannung verknüpft. Ss gibt jedoch Verfahren (DS - AS 2313107 "Verfahren und Schaltungsanordnung zum Steuern der Ausdehnung eines piezoelektrischen Elementes" Anmelder: Hewlett-Pachard GmbH 7030 Böblingen, Erfinder: Knoll, Dieter, 7032 SindelfIngen v. 16. 3. 1973), die lineare, hysteresefreie Auslenkungen gestatten. Die bekannten piezoelektrischen iSlemente, die Dickenänderungen oder Scherungen für Verstellungen ausnutzen, gestatten im allgemeinen nur Verstellungen bis ca. 10/um bei Abmessungen und Spannungen, die noch günstig zu verarbeiten sind.

Entsprechend den bekannten Einrichtungen und Verfahren wurde versucht, durch Zusammenschalten mehrerer Elemente (DE OS 2542228 Heywang-Siemens AG (Mehrschichtelemente)), bzw. durch Verwendung von Biegestreifen, einen größeren Verstellbereich zu erzielen. Y/ährend durch Zusammenschalten von Elementen nur'eine Verringerung der Betriebsspannung erzielt werden kann, die mögliche Auslenkung jedoch wesentlich durch die Gesamtdicke (bzw. Länge) des Stapels begrenzt wird, nutzt man beim Einsatz von Biegeelementen eine Hebelwirkung auf Grund unterschiedlicher Dehnungen zweier verklebter Piesostreifen aus. Die-ae Lösung hat neben dem Vorteil der Vergrößerung des Verstellbereiches ö.en Nachteil einer geringeren Federsteife. Der Winkel, der über das als Hebel wirkende Biegoelement wirksam wird und

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zur Verstellung fuhrt, muß sich erst längs des Biegestreifens ausbilden. Damit ist eine volle Ausnutzung des gesamten Effektes der durch Spannung hervorgerufenen Längenänderung für eine Verschiebung nicht möglich. Bei gleichzeitiger Verwendung der Biegestreifen als Parallelogramraführung (DE - OS 2045108 Guntersdorfer-Braun AG (Biegestreifen)) ist eine S-förmige Biegung des Streifens zur Realisierung einer Verlagerung erforderlich. Dadurch wird erneut der mögliche Verlagerung^effekt reduziert, weil die jeweils v/irksame Streifenlänge halbiert wird, und die Verlagerung des Endpunktes des Biegestreifens proportional dem Quadrat der Länge desselben ist.

d) Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist, ein Verstellelement zu schaffen, das Verstellwege zuläßt, die wesentlich über die durch Biegeelemente oder einfache, bzw. zusammengesetzte Dickenoder Scherschwinger gegebenen Grenzen hinausgehen. Diese sollen weiterhin den bei Biegeelementen vorhandenen Nachteil geringer Federkonstanten der Elemente umgehen.

e) Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,.eine Versetzung in einer Koordinate zu erzielen und durch eine Kombination bekannter piezoelektrischer Elemente mit Parallelogrammführungen sowohl den Vorteil großer Ver*3tellwege als auch hoher Federkonstanten zu erreichen.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht Stellwege die wesentlich über die durch Biegeelemente oder zusammengesetzte Dicken- oder Scherschwinger gegebenen Grenzen hinausgehen. Die Aufgabe wird durch einen piezoelektrischen Positionssteiler mit mindestens einem in seiner Länge durch Anlegen einer elektrischen Spannung veränderbaren Piezoelement dadurch gelöst, daß zwei Piezoelemente parallel zueinander mit einem ihrer Enden mit einem prismatischen Grundkörper

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fest und mil; ihren anderen Enden über jeweils ein Gelenk mit einem Hebel beweglich verbunden sind. Besonders vorteilhaft ist dne Ausführungsform, bei der zur Erhöhung der Steifigkeit mindestens ge ein Piezoelement mit einem Ende mit einer der beiden Schenkelinnenseiten eines L-förmigen Grundkörpers, dessen Schenkel einen Winkel von vorzugsweise 90° einschließen, fest und mit seinem anderen Ende über ein Gelenk mit dem Hebel verbunden ist. .

Zur Erzielung eines größeren Verstellweges ist es vorteilhaft, wenn je zwei parallel zueinander angeordnete Piezoelement e zur Verbindung von Schenkelinnenseiten und Hebel vorgesehen sind.

Es ist auch möglich, eines der beiden Piezoelemente durch ein Verbindungsglied konstanter Länge zu ersetzen. Mehrere erfindungsgemäße Positionssteiler können zu einer Parallelogrammführung zusammengesetzt v/erden.

f) Ausführungsbeispiel

An Hand einiger Ausführungsbeispiele soll die Erfindungnäher erläutert v/erden.

Die Längenänderung von piezoelektrischen Einzelelementen I₁, Ip, wird entsprechend Fig. 1 in eine Winkeländerung des Teiles C transportiert und diese Winkeländerung mit Hilfe der gleichzeitig als Hebel wirkenden Elemente (Hebellänge L) in eine entsprechend größere Längenänderung umgeformt, wobei die durch die Piezoelemente möglichen Verschiebungen - im Gegensatz zu Biegestreifen - voll ausgenutzt werden. Die Winkeländerung des Teiles C kann auch allein zur Positionsstellung dieses Teiles um denWinkel f ausgenutzt werden. Zur Erhöhung der Steifigkeit der Anordnung in unterschiedlichen Richtungen können weitere Piezostäbe unter beliebigen Winkeln hinzugezogen werden.

Entsprechend der zugehörigen Längenänderung der Einzelstreifen läßt sich die Verstellung aus der durch die Elemente gebildeten Hebellänge und dem durch den Abstand und die Längenänderung erzeugten Winkel ermitteln.

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Bei einer durch den Piesoeffekt hervorgerufenen Änderung der Längen I₁ - l_o =<4l muß sich der Endpunkt A des Hebels der

Al X

Länge L um den V/ert χ entsprechend ^- = ν verlagern:

x - L Ai

^x - ^L a

Da Piezoelemente zur Vermeidung einer Depolarisation nur in einer Richtung elektrisch belastet werden dürfen, sind die beiden Elemente, ausgehend von einer festen zulässigen Spannung elektrisch gegenläufig zu belasten (z. B. ausgehend von 500 V ist das eine Element bis ITu 11 zu steuern, das andere bis 1000 V und umgekehrt bei Umkehrung der Verlagerungsrichtung). Bei Verzicht auf den halben Verstellbereich kann, insbesondere zur Erzielung einer höheren Belastbarkeit des Elementes in y-Richtung und zur Erhöhung der Federsteife in x-Richtung an Stelle des einen Elementes ein entsprechender wesentlich stärkerer Stab anderen Materials, evtl* ohne Piezoeffekt, möglichst gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, eingesetzt werden.

Die in !'ig. T durch χ bezeichneten, für die Punktion des Stellers notwendigen Gelenke können als Blattfedern ausgebildet sein. Dabei erweist sich die Verbindung der Halterung für die Piezoelemente mit dieser Feder in der Weise als vorteilhaft, indem beide aus dem gleichen Material durch entsprechende Formgebung hergestellt werden. Die durch die o. a. Längenänderungen in Verbindung mit Gelenken erzeugbaren Winkeländerungen können weiterhin zur Herstellung der Winkeländerung eines Spiegelsausgenutzt v/erden, so daß damit ein Lichtstrahl abgelenkt werden kann. Solche Elemente können in Abtasteinrichtungen für z. B. fotoelektrische Mikroskope als Scanner eingesetzt werden. Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. An einem Grundkörper 1 sind einerseits zwei gegeneinander wirkende Piezoeiemente 2 und 3 fest angeordnet. Unter einem Ϋ/inkel, vorzugsweise von 90 , sind andererseits zwei weitere Piezoelemente 4 und 5 an diesem Grundkörper 1

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fest angeordnet. Die Enden der Piezoelemente 2; .3; 4 und 5 sind mit einem Hebel 6 über Gelenke 7; 8; 9; 10 beweglich verbunden. Es besteht die Möglichkeit, weitere Elementenpaare unter anderen Y/inkeln hinzuzufügen. Eine Längenänderung der Piezoelemente 2 und 4 in der gleichen Weise, z. B. eine Dehnung, bewirkt eine Drehung des Hebels 6, die zu einer gewünschten Verlagerung eines Gelenkpünktes 6,1 gegenüber dem Grundkörper T führt. Je nach Länge de3 Hebels 6 kann diese Verlagerung größer oder kleiner als die Längenänderung der Piezoelemente 2; 3; 4; 5 sein.

Die Drehung des Hebels 6 kann zur Kippung eines an dem Hebel 6 befestigten Spiegels 6,2 bzw. als Scanner für fotoelektrische Mikroskope verwendet werden.

Durch Zusammenbau zweier derartiger Anordnungen 11 und 12 (Pig. 3)» bei denen die Gelenkpunkte 6,1 mit einer Platte verbunden sind, ergibt sich eine Parallelogrammführung für die Platte 13. Bei einer Betätigung der Anordnungen 11 und 12 in der vorgeschriebenen Weise ergibt sich eine Verlagerung der Platte 13 parallel zur Verbindungslinie der Punkte 6,1 zur Anordnung 11 und zur Anordnung 12.

Die für die Funktion des Stellers notwendigen Gelenke 7; 8; 9; 10 können als Blattfedern ausgebildet sein. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, diese mit den Piezoelementen 2; 3; 4; 5 so zu verbinden, daß beide aus dem gleichen Material durch entsprechende Formgebung hergestellt werden.

Pig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Gelenke durch Schwächen des !,iaterials als Blattfedern ausgebildet sind. Zur Erhöhung der Steifigkeit des Stellers sind hier 3 Piezoelemente, die in gleicher Richtung wirken, eingesetzt. Darüber hinaus wurde auf die gegenläufig wirkenden Piezoelemente, ebenfalls aus Gründen der höheren Steifigkeit, verzichtet. Als kurzer Hebelarm wirkt hier die Länge a, als langer Hebelarm der Abstand der Gelenke L.

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Die Ausführung nach Pig. 5 wirkt in der gleichen Weise wie diejenige nach Pig. 4. In diesem Palle wurden die Gelenke durch die durchgehende Blattfeder B an deren freien Stellen gebildet. Auf das dritte Gelenk wurde zugunaten der Erhöhung der Pedersteife verzichtet und statt eines Gelenkes wird die Durchbiegung der Piezoelemente bei deren Längenänderung ausgenutzt. Als kurzer Hebelarm wirkt hier ebenfalls a, als langer Hebelarm L. Die mit A bezeichneten Teile der Piguren 4 und 5 haben gleiche Punktion. Baut man die Piezoelemente so ein, daß bei Anlegen einer Spannung nur eine Verkürzung eintreten kann, so kann bei der Montage des Stellers auf einen Spalt zwischen dem Teil A und dem unteren Teil sowie zwischen dem mit A zur Klemmung der Peder verschraubten Teil C und dem oberen Teil verzichtet werden.

Claims

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Erfindungsanspruch

1. Piezoelktrischer Positions steller mit großem Verstellbereich, der mindestens ein in seiner Länge durch Anlegen einer elektrischen Spannung veränderbares Piezoelement enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Piezoelemente parallel zueinander mit einem ihrer Enden mit einem prismatischen Grundkörper fest mit ihren anderen Enden über jeweils ein Gelenk mit einem Hebel beweglich verbunden sind.
2. Piezoelektrischer Positionssteiler nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Steifigkeit mindestens je ein Piezoelement mit einem Ende mit einer der beiden Schenkelinnenseiten eines L-förmigen Grundkörpers, dessen Schenkel einen Winkel von vorzugsweise 90° einschließen, fest und mit seinem anderen Ende über ein Gelenk mit dem Hebel verbunden ist.
3..Piezoelektrischer Positionssteiler nach Punkt 2, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei parallel zueinander angeordnete Piezoelemente zur Verbindung von Schenkelinnenseiten und Hebel vorgesehen sind.
4. Piezoelektrischer Positionssteller nach Punkt 3» dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eines der beiden Piezoelemente durch ein Verbindungsstück konstanter Länge ersetzt ist.
5. Piezoelektrischer Positionssteller nach Punkt 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Enöhung der Pedersteife des Stellers das an das Piezoelement anschließende Gelenk durch eine starre Verbindung ersetzt ist.
6. Piezoelektrischer Positionssteller nach Punkt 1-5» dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Positionssteller zu Parallelogrammführungen zusammengesetzt sind.

Hierzu JLSeiien Zeichnungen