DE102004011724A1

DE102004011724A1 - Miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtung

Info

Publication number: DE102004011724A1
Application number: DE102004011724A
Authority: DE
Inventors: Klaus Pollak; Stephan Günter
Original assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Current assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Priority date: 2004-02-06
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2024-03-11
Also published as: DE102004011724B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtung mit mindestens zwei Piezoaktuatoren sowie kraftübertragenden Hebelelementen und Festkörper-Biegegelenken als insgesamt flache, tischförmige Baugruppe zur Mikropositionierung und Bewegungsssteuerung von optischen, mechanischen oder sonstigen Einheiten. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist innerhalb eines Trägerrahmens eine im wesentlichen rechteckige oder quadratische Platte zur Aufnahme oder Befestigung der zu positionierenden oder zu bewegenden Einheiten vorgesehen, wobei die Platte gegenüber dem Trägerrahmen mittels der Festkörper-Biegegelenke geführt ist und die Festkörper-Biegegelenke sich jeweils im Platteneckbereich zum Trägerrahmen erstrecken. Weiterhin ist in zwei orthogonal zueinander liegenden Achsen im Bereich zwischen Trägerrahmen und Platte jeweils mindestens ein Piezoaktor angeordnet, wobei diese Piezoaktuatoren bewegungsseitig an den jeweils benachbarten, hebelartig ausgebildeten Festkörper-Biegegelenken angreifen. Das im Schnittpunkt der orthogonal zueinander liegenden Achsen befindliche Gelenk ist als Doppelgelenk zur Entkopplung der Piezoaktoren ausgebildet und das dem Doppelgelenk diagonal gegenüberliegende Gelenk wird als ein Kompensationsgelenk zur Reduzierung der Verkippung der Platte ausgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft eine miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtung mit mindestens zwei Piezoaktuatoren sowie kraftübertragenden Hebelelementen und Festkörper-Biegegelenken als insgesamt flache, tischförmige Baugruppe zur Mikropositionierung und Bewegungssteuerung von optischen, mechanischen oder sonstigen Einheiten, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Piezoaktive Betätigungseinrichtungen mit hoher Steifigkeit, die eine erste Baugruppe beinhalten, die aus einem mechanischen Bewegungsverstärker besteht, und welche eine zweite Baugruppe aufweisen, die lineare piezoaktive Elemente enthält, sind beispielsweise aus der DE 196 43 180 A1 vorbekannt.

Bei einer derartigen Vorrichtung zur Bewegungsverstärkung ist ein System von Gelenken und Hebelarmen vorgesehen, wobei sich die gewünschte Verstärkung der Bewegung dadurch ergibt, dass ein piezoelektrisches Teil auf die Hebelarme einwirkt. Die Gelenke bilden elastische Drehpunkte, die mittels lokaler verdünnter Stellen in einer Struktur hergestellt werden, so dass sich eine Biegeelastizität einstellt. Probleme derartiger Vorrichtungen liegen in der geringen mechanischen Steifigkeit infolge des auf die Gelenke zurückzuführenden Elastizitätseffekts. Die von einem solchen System erzeugten Kräfte sind gering und schränken die Effektivität und Wirksamkeit der Betätigungseinrichtung ein.

Ein weiteres Problem bei bekannten Betätigungseinrichtungen ist die notwendige Beseitigung des Spiels. Eine bekannte Lösung zur Beseitigung des Spiels besteht in Justierteilen aus metallischen Materialien, die nach Einstellung eine starre mechanische Verbindung mit den piezoaktiven Elementen bilden, und zwar in Form einer Druckausübung entlang der Querachse. Gemäß DE 196 43 180 A1 besitzt das dortige Justierteil zur Beseitigung des longitudinalen Spiels eine Schräge, die entlang einer gegenüber der Längsachse des mechanischen Verstärkers schiefen Ebene gleitend beweglich ist.

Bei dem piezoaktiven Motor mit unabhängigen Statormodulen nach EP 0 910 871 B1 ist eine Feinpositionierung möglich, wobei hierfür jedes Statormodul ein Paar von piezoaktiven Betätigungsvorrichtungen umfasst, die kolinear angeordnet und elektrisch erregt sind, um eine Verformung zu erzeugen, die zu kleinen Längsbewegungen führt. Außerdem ist ein mechanisches Kupplungselement vorhanden, an das die Bewegungen der vorgesehenen zwei Betätigungsvorrichtungen übertragbar ist, wobei das genannte Kupplungselement aus einem elastisch verformbaren Material hergestellt ist und aus einem als eine Schale ausgestalteten Ring besteht, der jedes Paar von Betätigungsvorrichtungen durch Befestigung an zwei gegenüberliegenden Stellen umgibt.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei den vorstehend erläuterten Lösungen des Standes der Technik eine Miniaturisierung nicht ohne weiteres möglich ist und eine gewünschte hohe Bewegungsdynamik nicht erreicht werden kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtung mit mindestens zwei Piezoaktuatoren sowie kraftübertragenden Hebelelementen und Festkörper-Biegegelenken anzugeben, welche mit geringem Fertigungsaufwand realisierbar ist und die die gewünschten Steifigkeiten bei ausreichender Bewegungsdynamik gewährleistet. Die zu schaffende Piezo-Betätigungseinrichtung soll so ausgeführt werden, dass die eigentlichen Piezoaktuatoren in die Einrichtung integrierbar sind und wobei mit einer minimalen Anzahl von Aktuatoren in reproduzierbarer Weise Bewegungen in unterschiedlichen Achsenrichtungen erzeugt werden können.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtung mit mindestens zwei Piezoaktuatoren sowie kraftübertragenden Hebelelementen und Festkörper-Biegegelenken als insgesamt flache, tischförmige Baugruppe gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen beinhalten.

Demnach wird erfindungsgemäß zunächst davon ausgegangen, einen Trägerrahmen zu bilden, innerhalb dessen eine im wesentlichen rechteckige oder quadratische Platte zur Aufnahme oder Befestigung der zu positionierenden oder zu bewegenden Einheiten vorgesehen ist.

Die Platte wird gegenüber dem Trägerrahmen mittels spezieller Festkörper-Biegegelenke geführt bzw. gelagert. Die Festkörper-Biegegelenke erstrecken sich bevorzugt jeweils vom Platteneckbereich zum jeweiligen Eckbereich im Inneren des Trägerrahmens.

In zwei orthogonal zueinander liegenden Achsen im Bereich zwischen Trägerrahmen und Platte oder aber auch im Rahmen eingebettet ist jeweils mindestes ein Piezoaktor angeordnet, wobei diese Piezoaktuatoren bewegungsseitig an den jeweils benachbarten, hebelartig ausgebildeten Festkörper-Biegegelenken angreifen.

Im Schnittpunkt der orthogonal zueinander liegenden Achsen ist ein spezielles Doppelgelenk zur Entkopplung der Piezoaktoren bzw. der Bewegung ausgebildet. Das dem Doppelgelenk diagonal gegenüberliegende Gelenk ist wiederum als Kompensationsgelenk zur Reduzierung der Verkippung der Platte bei deren Bewegung ausgeführt.

Durch die spezielle Integration von Führungen und Hebeln ergibt sich insgesamt eine kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen Einrichtung. Dadurch, dass keine definierten, statischen Gelenkpunkte, sondern Festkörper-Biegegelenke vorgesehen sind, ergeben sich die mit der Aufgaben stellung angestrebten Vorteile. Eine Kinematik mit idealen Gelenken wäre zu unbestimmt und erforderte nachteiligerweise zusätzliche diskrete Führungselemente. Die Hebelübersetzung ist durch verschiedene, leicht zu variierende Ausführungsformen der Festkörper-Biegegelenke veränderbar.

Die eine Hebelfunktion aufweisenden Festkörper-Biegegelenke weisen eine im wesentlichen V-Form auf, wobei ein Schenkel des jeweiligen Gelenks mit der Platte und der weitere Schenkel des jeweiligen Gelenks mit dem Trägerrahmen verbunden ist. Im Schenkelschnittpunkt greift dann der jeweilige Piezoaktor, z.B. ein Stapelaktor an.

Das vorerwähnte Doppelgelenk zur Entkopplung ist als ein am Schenkel gespiegeltes, symmetrisches V-förmiges Gelenk ausgeführt und weist genügend Bewegungsspielraum beim Aktivieren der jeweiligen Piezoaktoren auf.

Das Kompensationsgelenk besteht aus einem offenen kreuzförmigen Gelenk, dessen sich kreuzende Achsen im wesentlichen parallel bzw. entlang der rechteckigen oder quadratischen Platte verlaufen. Im Kreuzungsschnittpunkt des Kompensationsgelenks ist einerseits eine Verbindung mit dem Trägerrahmen und andererseits eine Verbindung mit der Platte vorgesehen. Bei einer Bewegung der Platte erzeugt das Kreuzungsgelenk eine Rückstellkraft, die zu einer Stabilisierung der Bewegung der Platte führt, und zwar auch dann, wenn z.B. ein einzelner Aktor eine Dehnungsbewegung ausführt, mit der Folge der sich dann ergebenden Längsverschiebung der Platte innerhalb des offenen Bereichs des Trägerrahmens.

Die Schenkel der V-förmigen Gelenke erstrecken sich mindestens teilweise in eine jeweilige Aussparung von Trägerrahmen und Platte, so dass sich durch diese Maßnahme eine weitere Verkleinerung der Gesamtanordnung erreichen lässt.

Zwischen Trägerrahmen und Platte ist je nach gewünschtem Bewegungsmaß ein Bewegungsspalt vorgesehen.

Bei Auslenkung einer der Piezoaktoren führt die im Trägerrahmen befindliche Platte eine Bewegung jeweils in x- oder y-Richtung; bei Auslenkung beider Aktoren führt die Platte eine Bewegung in x-y- oder y-x-Richtung bzw. in resultierender diagonaler Richtung aus.

Erfindungsgemäß kann die Gesamtanordnung aus Trägerrahmen, Platte und Gelenken einstückig ausgeführt und beispielsweise mittels Erodiertechnik oder Lasertrennen hergestellt werden.

Die Exaktheit bei der Herstellung der Gelenke bestimmt das rotatorische Übersprechen um die Z-Achse bei Auslenkung in X- oder Y-Richtung. Es wurde nachgewiesen, dass in überraschender Weise unter Nutzung eines aktiven Abgleichsprozesses das Übersprechen deutlich reduzierbar ist. Der Abgleichsprozess selbst stellt sich als definiertes Abtragen der Gelenkdicken mittels z.B. Fräsen dar. Bei einem nicht abgeglichenen Gelenk stellt sich eine unerwünschte Rotation um Z bei Ansteuerung in X- und/oder Y-Richtung von ca. 60 μrad ein. Im abgeglichenen Zustand beträgt die Rotation um Z bei Ansteuerung in X- und/oder Y-Richtung < 10 μrad.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
1 eine Draufsicht-Prinzipdarstellung der miniaturisierten Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtung und
2 verschiedene Darstellungen der Wirkung der Festkörper-Biegegelenke bzw. des Kompensationsgelenks beim Ausführen von Bewegungen unter Rückgriff auf die jeweiligen Piezoaktuatoren.
Die erfindungsgemäße miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtung besteht aus einem Trägerrahmen 1, z.B. aus einem metallischen Material.
Innerhalb des Trägerrahmens 1 ist eine Platte 2 befindlich, welche geeignet ist, z.B. einen Spiegel, Linsen, Fasern im Bereich der Optik, einen Positionierkopf als CD-ROM-Leseeinrichtung oder dergleichen aufzunehmen.
Wie ersichtlich, ist die Platte 2 gegenüber dem Trägerrahmen 1 mittels spezieller Festkörper-Biegegelenke geführt und gelagert.
Diese Festkörper-Biegegelenke 3 bis 6 erstrecken sich jeweils vom Platteneckbereich zum Trägerrahmen 1, und zwar hier zum jeweils gegenüberliegenden inneren Eckbereich des vorerwähnten Trägerrahmens 1.
In zwei orthogonal zueinander liegenden Achsen ist im Bereich des Trägerrahmens 1 bzw. im Bereich zwischen Trägerrahmen 1 und Platte 2 jeweils mindestens ein Piezoaktor 8 integriert. Diese Piezoaktuatoren 8 greifen bewegungsseitig an den jeweils benachbarten, hebelartig ausgebildeten Festkörper-Biegegelenken 3 und 4 bzw. 5 und 6 an.
Das im Schnittpunkt der orthogonal zueinander liegenden Achsen befindliche Gelenk 4/5 ist als Doppelgelenk zur Entkopplung der Piezoaktoren 8 ausgebildet.
Das dem Doppelgelenk 4/5 diagonal gegenüberliegende Festkörpergelenk ist ein Kompensationsgelenk 7 zur Reduzierung der Verkippung der Platte 2.
Die eine Hebelfunktion aufweisenden Festkörper-Biegegelenke 3, 4, 5, 6 besitzen bevorzugt eine V-Form, wobei ein erster Schenkel 9 mit der Platte 2 und ein zweiter Schenkel 10 mit dem Trägerrahmen 1 verbunden ist.
Im Schenkelschnittpunkt 11 greift der jeweilige Piezoaktor 8 an.
Das Doppelgelenk 4/5 ist als ein an den jeweiligen Schenkeln 9 und 10 gespiegeltes, symmetrisches, V-förmiges weiteres Gelenk ausgeführt.
Das Kompensationsgelenk 7 stellt ein offenes Kreuzgelenk dar, welches im Kreuzungsschnittpunkt einerseits (Bezugszeichen 12) mit dem Trägerrahmen 1 und andererseits (Bezugszeichen 13) mit der Platte 2 verbunden ist.
Die Schenkel 9 bzw. 10 der V-förmigen Gelenke 3, 4, 5 und 6 erstrecken sich mindestens teilweise in Aussparungen 14 entweder innerhalb der Platte 2 bzw. des Trägerrahmens 1.
Zwischen Trägerrahmen 1 und Platte 2 ist ein Bewegungsspalt 15 entsprechend der gewünschen Verstellbarkeit der Platte, die, wie bereits erwähnt, als Aufnahmetisch für z.B. optische Elemente dient, vorgesehen.
2 zeigt nunmehr einerseits im oberen Bildteil eine Darstellung, wie sich die Bewegung der Platte 2 beim Aktivieren beider Piezoaktoren 8 ergibt, und zwar in diesem Fall als Bewegung in x-y-Richtung. Hier ist im einzelnen erkennbar, wie sich die Wirkung und Bewegung der Festkörper-Biegegelenke 3, 4, 5 und 6 darstellt und welchen Verformungen das Kompensationsgelenk 7 unterliegt.
Bei der Darstellung im unteren Teil gemäß 2 erfolgt ein Aktivieren des unteren, im Bild horizontal verlaufenden Piezoaktors 8 mit der Folge einer y-Verschiebung der Platte 2. Auch hier ist die stabilisierende Wirkung des Kompensationsgelenks und die Doppelfunktion der Festkörper-Biegegelenke hinsichtlich Führung und Hebelübersetzung erkennbar.

1: Trägerrahmen
2: Platte
3 bis 6: Festkörper-Biegegelenke
7: Kompensationsgelenk
8: Piezoaktuator
9: erster Schenkel
10: zweiter Schenkel
11: Schenkelschnittpunkt
12; 13: Verbindungspunkte des Kompensationsgelenks
14: Aussparung
15: Bewegungsspalt

Claims

Miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtung mit mindestens zwei Piezoaktuatoren sowie kraftübertragenden Hebelelementen und Festkörper-Biegegelenken als insgesamt flache, tischförmige Baugruppe zur Mikropositionierung und Bewegungssteuerung von optischen, mechanischen oder sonstigen Einheiten, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Trägerrahmens eine im wesentlichen rechteckige oder quadratische Platte zur Aufnahme oder Befestigung der zu positionierenden oder zu bewegenden Einheiten vorgesehen ist, wobei die Platte gegenüber dem Trägerrahmen mittels der Festkörper-Biegegelenke geführt ist und die Festkörper Biegegelenke sich jeweils vom Platteneckbereich zum Trägerrahmen erstrecken, weiterhin in zwei orthogonal zueinander liegenden Achsen im Bereich zwischen Trägerrahmen und Platte jeweils mindestens ein Piezoaktor angeordnet ist, wobei diese bewegungsseitig an den jeweils benachbarten, hebelartig ausgebildeten Festkörper-Biegegelenken angreifen, das im Schnittpunkt der orthogonal zueinander liegenden Achsen befindliche Gelenk als Doppelgelenk zur Entkopplung der Piezoaktoren ausgebildet und das dem Doppelgelenk diagonal gegenüberliegende Gelenk als ein Kompensationsgelenk zur Reduzierung der Verkippung der Platte ausgeführt ist.
Miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Hebelfunktion aufweisenden Festkörper-Biegegelenke eine V-Form besitzen, wobei ein Schenkel mit der Platte und der weitere Schenkel mit dem Trägerrahmen verbunden ist sowie im Schenkelschnittpunkt der jeweilige Piezoaktor angreift.
Miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Doppelgelenk als ein im Schenkel gespiegeltes, symmetrisches V-förmiges Gelenk ausgeführt ist.
Miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationsgelenk ein offenes Kreuzgelenk ist, welches im Kreuzungsschnittpunkt einerseits mit dem Trägerrahmen und andererseits mit der Platte verbunden ist.
Miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel der V-förmigen Gelenke sich mindestens teilweise in eine jeweiligen Aussparung von Trägerrahmen und Platte erstrecken.
Miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Trägerrahmen und Platte ein Bewegungsspalt vorgesehen ist.
Miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Auslenkung einer der Piezoaktuatoren die Platte eine Bewegung jeweils in x- oder y-Richtung und bei Auslenkung beider Aktuatoren die Platte eine Bewegung in x-y- oder y-x-Richtung ausführt.
Miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörper-Biegelenke eine hohe Biegesteifigkeit aufweisen.
Miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtanordnung aus Trägerrahmen, Platte und Gelenken einstückig durch beispielsweise Erodiertechnik oder Lasertrennen ausgebildet ist.