DD144210A1

DD144210A1 - Piezoelektrische positionier-und stelleinrichtung

Info

Publication number: DD144210A1
Application number: DD21359879A
Authority: DD
Inventors: Harry Marth; Bernd Reinhold
Original assignee: Harry Marth; Bernd Reinhold
Priority date: 1979-06-14
Filing date: 1979-06-14
Publication date: 1980-10-08

Abstract

Dis Erfindung betrifft eine piezoelektrische Positionier« und Stelleinrichtung für hohe Genauigkeiten und kleine mechanische Leistungen und ist anwendbar unter anderem zur MagnetkopfPositionierung und Mikroskoptischfeinjustierung. Ziel der Erfindung ist eine Einrichtung mit geringem Gewicht, Volumen und Leistungs« aufnahme für größere «Stellwege, das sowohl schrittförmige als auch quasi gleichförmige Bewegungen ermöglicht. Die Aufgabe besteht in der Schaffung einer dynamisch betriebenen Positionier« und Stelleinrichtung, deren Schwingungen in eine Läuferbewegung umgewandelt v/erden. Erfindungsgemäß werden als stationäres Antriebselement ein oder zwei Piezokeramiken eingesetzt, die am Abkoppelpunkt zum elastisch angedrückten Läufer eine annähernd elliptische Bewegung erzeugen. Die Anregungsfrequenz entspricht einer mechanischen Resonanzfrequenz der Piezokeramik. Die annähernd elliptische Bewegung am Abkoppelpunkt wird durch zv/ei längsschwingende, phasenverschobene angeregte, zueinander rechtwinklig angeordnete stabförmige mit dem Abkoppelpunkt verbundene Piezokeramiken oder durch eine kombinierte Längs» und Biegeschwingungen ausführende Piezokeramik erzeugt. Hierbei befindet sich der Ab'koppalpunkt an der Stirnseite der Piezokeramik» - Fig.1 ~

Description

Piezoelektrische Positionier-'und Stelleinrichtung

•Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Positionier- und Stelleinrichtung für hohe Genauigkeiten und kleine mechanische Leistungen und ist anwendbar u.a. zur Magnetkopf positionierung und Mikroskoptischfeirg ustierunge

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Es sind bereits einige Antriebselemente bekannt, die Willkür- · lieh einsteilbare Mikrobewegungen ausführen können. Hierzu werden Mlationen und Kontraktionen benutzt, die zumeist auf physikalischen Prozessen beruhen (inverser piezoelektrischer Effekt, Magnetostriktion, thermische Längenänderungen)· Stellsysteme lassen sich in folgende Gruppen einteilen:

1o Zur Erzielung kleiner Wege und größerer Kräfte (<iOyt^m; >1O N) werden beispielsweise thermische Dehnstab- und piezoelektrische Stellkomponenten eingesetzt(Interferrometerjustierung mit piezoelektrischen Stellkomponenten, Physic-Instruments München)

2₉ Für mittlere Wege und kleine Stellkräfte (<: 1 mm ; 2 N) finden T-hermobimetalle, piezoelektrische Biinorphe lerne nte in Stab- und Schleifenform Verwendung (DD-PS 119 141; DB-OS 2 452 068)

3, Wenn größere Wege bei mittleren bis großen Kräften (> 2 N) gefordert sind, werden vor allem Systeme der 1» Gruppe eingesetzt, die durch zusätzliche Arretierungselemente zu Sehrittantriebeη erweiterbar sind, wobei die Stellgeschwindig» keit etwa 50 mm/6 betragen kann. (DD-PS 99264; DE-AS 2 413 192; US-PS 3 902 Q85; Budig: »Piezoelektrischer Schrittmotor» Elektric 8/73)

Die bereits bekannten Anordnungen von Positionier- und Stelleinrichtungen weisen einige Nachteile auf. Bei der Verwendung von Thermosystemeη ist die Zeitkonstante und die genaue Wärmedosierung problematisch. Piezoelektrische Bimorphelemente, die

in quasistatischer Betriebsweise (weit unterhalb der ersten mechanischen Eigenresonanz) betrieben wurden, sind für größere Stellwege durch ihre großen Abmessungen bzw« zu hohen Betriebsspannungen eingeschränkt· Weiterhin sind für die dritte Gi"-uppe zusätzliche Arretierungs« sowie Steuereinrichtungen erforderliche Dar mechanische und elektronische Aufwand steigt beträchtlich« Der Raumbedarf der bisher bekannt gewordenen lösungen ist für einige Anwendungsfälle in der Peingerätetechnik zu gxoß*

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer Positionier- und Stelleinrichtung mit geringem Gewicht, Volumen und Leistungsaufnahme für größere Stellwege und Geschwindigkeiten,' das sowohl schrittförmige als auch quasi gleichförmige Bewegungen ermöglicht und das lageunabhängig arbeitet,

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine piezoelektrisches dynamisch betriebene Positionier- und Stelleinrichtung zu schaffen, bei der mechanische Schwingungen in eine Läuferbewegung umgewandelt werden»

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß als stationäres Antriebselement mindestens eine zu einer annähernd elliptischen Bewegung an der Berührungsstelle mit dem Läufer, dem Abkoppelpunktj angeregte Piezokeramik eingesetzt ist, wobei die Anregungsfrequenz einer mechanischen Resonanzfrequenz der Piezokeramik entspricht«

Die in Bewegungsrichtung des Läufers liegende Komponente der annähernd elliptischen Bewegung des Abkoppelpunktes bringt dabei den Läufer durch Reibungsmitnahme in schrittweise Bewegung.

Zur Erzeugung der annähernd elliptischen Bewegung des Abkoppelpunktes sind zwei gleichzeitig längsschwingende, phasenverschoben angeregte^ zueinander rechtwinklig angeordnete und je« wells an einem Ende befestigte stabförmige Piezokeramiken verwendet, die an ihren anderen Enden mit dem Abkoppelpunkt verbunden sind, wobei eine Piezokeramik in ihrer Längsrichtung

parallel zur Bewegungsrichtung des Läufers am Abkoppelpunkt liegto

In einer zweiten Variante zur Erzeugung der annähernd elliptischen Bewegung des Abkoppelpunktes sind zwei in ihrer Längsrichtung unter 45 zur Bewegungsrichtung des Läufers am Abkop- · pelpunkt verlaufende, zueinander rechtwinklig angeordnete, längsschwingende und jeweils an einem Ende befestigte, stabförmige Piezckeramiken an ihren, anderen Enden mit dem Abkoppelpunkt verbunden, wobei entsprechend der gewählten Bewegungsrichtung des Läufers jeweils nur die Elektroden einer der beiden Piezokeramiken mit einem Frequenz-Generator verbunden sind. In einer dritten Variante zur Erzeugung der annähernd ellipti-"schen Bewegung des Abkoppelpunktes ist eine kombinierte Längsund Biegeschwingungen ausführende Piezokeramik in Form einer in Richtung der Dicke polarisierten, vorzugsweise rechteckigen Platte vorhanden, an deren seitlichen größten Flächen die Elektroden angebracht sind. Während auf der einen Seite eine Elektrode die gesamte Fläche bedeckt, sind auf der anderen Seite zwei Elektroden angebracht, deren Begrenzung zueinander entlang der Symmetrielinie in Längsrichtung verläuft. Entsprechend der gewählten Bewegungsrichtung des Läufers ist jeweils nur eine dieser beiden Elektroden mit dem Frequenz-Generator verbunden. Der Abkoppelpunkt befindet sich an den Stirnseiten auf der die Stirnseiten quer halbierenden Symmetrielinie bzw« deren Verlängerung in Längsrichtung,

Dabei kann sich zur parallelen Bewegungsabnahme an jeder Stirnfläche der Piezokeramik ein Abkoppelpunkt befinden. Fon der bisher üblichen quasistatischen Betriebsweise piezoelektrischer Antriebe - weit unterhalb der ersten mechanischen Eigenresonanz - wird also zur dynamischen Betriebsweise übergegangen. Dabei bringen die in der Piezokeramik erregten mechanischen Ultraschallschwingungen den Abköppelpunkt in eine annähernd elliptische Bewegung, deren Längskomponente durch Reibungsmitnahme in eine annähernd kontinuierliche translatorische oder rotatorische Bewegung (Mikroschritte) des Läufers bzw. Rotors umgewandelt wird.

Eine Grob- oder Feinpositionierung kann dadurch erreicht werden, daß die elektrische Erregung der Piezokeramik über eine Torschaltung nur für eine bestimmte Dauer eingeschaltet wird. Nach Ab-

schaltung der Erregung wird der Läufer durch die vorhandene Reibungskopplung abgebremste Eine zusätzliche Arretierung kann somit entfallene -

Ausführungsbeispiel ' .

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Pigt 1 Schema des Punktionsprinzips der Bewegung von Abkoppelpunkt und Läufer

Pigs 2 Schema einer Anordnung mit zwei gleichzeitig längsschwingenden, rechtwinklig zueinander angeordneten Piezokeramiken

Pig» 3 Schema einer kombinierte Längs™ und Biege schwingungen ausführenden Piezokeramik

Pig« 4 Schema einer Einrichtung zur Magnetkopfpositionierung

In Fig«, 1 ist schematisch die Erzeugung der Mikroschrittbewegung eines Läufers 1 durch die annähernd elliptischen Schwingungsbewegungen des Abkoppelpunktes 2 angegebene Wie zu erkennen ist, kann durch Änderung der Phasenlage der Schwingungen in x-Richtung die Bewegungsrichtung des Läufers 1 vorgegeben werden^

In Pig_c 2 ist schematisch die Anordnung zweier stabförmiger gleichseitig phasenverschoben längsschwingender Pieζokeraraiken 3 dargestellt» die rechtwinklig zueinander angeordnet sind, wobei eine Piezokeramik 3 in ihrer Längsrichtung parallel und die zweite Piezokeramik 3 in ihrer Längsrichtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Läufers 1 am Abkoppelpunkt 2 angeordnet ist.

In Pig« 3 ist eine kombinierte Längs- und Biegeschwingungen ausführende Piezokeramik"3 in Form einer in Richtung der Dicke polarisierten, rechtwinkligen Platte schematisch dargestellt» An den seitlichen größten Flächen sind die Elektroden 5 zur Erregung der Piezokeramik 3 angebracht» Die hintere Pläche ist dabei von einer einzigen Elektrode 5 bedeckt, die bei Erregung ständig mit dem Prequens«Generator verbunden ist, wogegen die vordere Pläche symmetrisch längsgeteilt von zwei Elektroden 5

bedeckt ist, von denen entsprechend der gewählten Bewegungsrichtung des Läufers 1 jeweils nur eine Elektrode 5 mit dem Frequenz-Generator verbunden iat₀ Die Abkoppelpunkte 2 befinden sich symmetrisch an den Stirnseiten der Piezokeramik 3,

Die Magnetkopfpositionierungseinrichtung in Fig. 4 besteht aus einer Piezokeramik 3 als Bewegungsquelle, einem Läufer 1, einem Magnetkopf 6, einem optischen Positionsgeber 7; 8; 9, hauptsächlich bestehend aus einer Lichtquelle 7, einem optischen Raster 8 und einer Fotoempfängerschaltung 9, einem. Frequenz-Generator 10, einem Ausschalttor 11, einem Umschalt-' tor 12, einer Schaltung, die den Soll-Ist-Vergleich 13 in der Position vornimmt, und einer Sollpositionseingabeeinrichtung H. Nach Vorwahl der Sollposition und Start wird der Frequenz-Generator 10 über das Ausschalttor 11 und das Umschalttor 12 an die Piezokeramik 3 geschaltet»

Die entstehenden mechanischen Schv/ingungen werden in beschriebener Weise in eine gleichmäßige (Mikroschritt-)Bewegung des Läufers 1 umgewandelt. Bei erreichter Sollposition wird am optischen Positionsgeber 7; 8; 9 ein Signal erzeugte Dieses Signal in der SoIl-Ist-Vergleichsschaltung 13 bewirkt . eine Signalunterbrechung im Ausschalttor 11₀ Die Piezokeramik 3 wird nicht mehr erregt und der Läufer 1 verbleibt in SoIlpositiono Je nach Richtung der Soll-Ist-Wertüberschreitung wird von der SoIl-Ist-Vergleichsschaltung 13 ein Signal an das Umschalttor 12 gegeben, das die Verstellrichtung vorgibt. Nach Eingabe einer neuen Sollposition und Start beginnt der beschriebene Zyklus von vorn_e

Claims

Erfindung sanspruch

1c Piezoelektrische Positionier- und Stelleinrichtung^ deren Antriebselement als stationäres Element und deren Läufer als bewegliches Element ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebselement-mindestens eine zu einer annähernd elliptischen Bewegung an der Berührungsstelle mit dem Läufer (1), dem Abkoppelpunkt (2)_; angeregte Piezokeramik (3) eingesetzt ist, wobei die Anregungsfrequenz einer mechanischen Resonanzfrequenz der Piezokeramik (3) entspricht, daß der Läufer (1) elastisch an das Antriebselement angedrückt ist und daß die Bewegungsrichtung des Läufers (1) am Abkoppelpunkt (2) liegende Komponente der annähernd elliptischen Bewegung des Ankoppelpunktes (2) durch Reibungsmitnähme den Läufer (1) in schrittweise Bewegung bringt ο
2* Piezoelektrische Positionier»» und Stelleinrichtung nach Punkt Ie dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der an»» nähernd elliptischen Bewegung des Ankoppelpunktes (2) zwei gleichzeitig längsschwingende, phasenverschoben angeregte, zueinander rechtwinklig angeordnete und jeweils an einem Ende befestigte stabförmige Piezokeramiken (3) an ihren anderen Enden mit dem Abkoppelpunkt (2) verbunden sindg wo«- . bei eine Piezokeramik (3) in ihrer Längsrichtung parallel zur Bewegungerichtung des Läufers (1) am Abkoppelpunkt (2) liegt*
3· Piezoelektrische Positionier- und Stelleinrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet _t daß zur Erzeugung der annähernd elliptischen Bewegung des Abkoppelpunktes (2) zwei in ihrer Längsrichtung unter 45° sur Bewegungsrichtung des Läufers (1) am Abkoppelpunkt (2) verlaufende, zueinander rechtwinklig angeordnete, längsschwingende und jeweils an einem Ende befestigte stabförmige Piezokeramiken (3) an ihren anderen Enden mit dem Ankoppelpunkt (2) verbunden sind, wobei entsprechend der gewählten Bewegungsrichtung des Läufers (1) am Abkoppelpunkt (2) jeweils nur die Elektroden einer der beiden Piezokeramiken (3) mit einem Frequenz-Generator 10 verbunden sind.

Piezoelektrische Positionier- und Stelleinrichtung nach Punkt 1_f dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der annähernd elliptischen Bewegung des Abkoppelpunktes (2) eine ' kombinierte Längs- und Biegeschwingungen ausführende Piezo«* keramik (3) in Form einer in Richtung der Dicke polarisiertem vorzugsweise rechtwinkligen Platte vorhanden ist* an deren seitlichen größten Flächen die Elektroden (45 5) angebracht sind, v/obei auf der einen Seite eine Elektrode (4) die gesamte Fläche bedeckt und auf der anderen Seite zwei Elektroden (5), deren Begrenzung zueinander entlang der Symmetrielinie in Längsrichtung verläuft, angebracht sind, daß entsprechend der gev/ählten Bewegungsrichtung des Läufers O) jeweils nur eine dieser beiden Elektroden (5) mit dem Frequenz-Generator (10) verbunden ist und daß der Abkoppelpunkt (2) sich an den Stirnseiten auf der die Stirnseiten quer halbierenden Symmetrielinie bzw« deren Verlängerung in Längsrichtung befindet.

Piezoelektrische Positionier- und Stelleinrichtung nach Punkt 1 und 4> dadurch gekennzeichnet, daß sich an jeder Stirnfläche der Piezokeramik (3) ein Abkoppelpunkt (2) zur parallelen Bewegungsabnahme befindet.