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Technikgebiet
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Die
Vorliegende Erfindung bezieht sich auf Präzisions-Ultraschallantriebssysteme
und sie ist als Antrieb in verschiedenen Geräten der Feinpositionierung
gedacht, z.B. in Mikroskopietischen, in Geräten der Datenspeicherung, in
Mikrorobotern, in optischen Geräten,
z.B. in Miniaturobjektiven sowie in anderen derartigen mechatronischen
Geräten.
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Technikstand
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Bekannt
sind piezoelektrische Antriebssysteme in denen als Multilayer Aktuatoren
eingesetzt werden (verwiesen wird hier auf den Produktkatalog der
Firma Physik Instrumente (PI) GmbH & Co KG oder www.pi.ws NanoPositioners & Scanners der Reihe
P-XXX). Derartige Antriebssysteme zeichnen sich durch eine hohe,
im Bereich von 0,1 bis 1nm liegende Positioniergenauigkeit aus.
Als Nachteil solcher Antriebssysteme ist ein sehr kleine (0,05 bis 0,1mm)
Verstellbereich des angetriebenen Elementes anzusehen, der durch
die maximall mögliche
Ausdehnung des piezoelektrischen Multilayer Aktuators begrenzt wird.
Die Herstellung von Multilayeraktuatoren ist aufwendig so, dass
ihre Verwendung die Antriebssysteme verteuert. Multilayer Aktuators
haben relativ große
Abmessungen, was die Abmessungen der Antriebssysteme vergrößert. Der
genannten Nachteile von Multilayeraktuatoren begrenzen deutlich
den Einsatzbereich derartiger Systeme.
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Bekannt
sind weiterhin Ultraschall-Antriebssysteme in denen als Antriebselement
ein piezoelektrischer Linearmotor eingesetzt wird. Antriebssysteme
mit Verwendung eines piezoelektrischen Ultraschall-Linearmotors
zeichnen sich durch ein unbegrenztes Verstellbereich des Angetriebenen
Elementes aus und weisen außerdem
eine vergleichsweise hohe Positioniergenauigeit aus.
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Als
ein Beispiel für
derartige Ultraschall-Antriebssysteme ist den aus
EP 0 437 050 A1 bekannten
Ultraschallmotor zu nennen, der nach dem Prinzip einer resonanten
Anregung in einem geschlossenen Wellenleiter einer laufenden Ultraschall-Biegewelle
funktioniert. Die maximale Positioniergenauigkeit dieser Systeme
erreicht 10 bis 20 μm,
was relativ klein ist und auch als ein Nachteil anzusehen werden kann.
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Dieser
Nachteil ist dadurch zu erklären,
dass in den linearen piezoelektrischen Ultraschallmotoren mit Anregung
von Biegewellen ein ellipsenförmiger Wellenleiter
(Resonator) die Verwendung findet, wodurch ein relativ großer Unterschied
in den Bewegungsbahnen einzelnen Punkte der Friktionsoberfläche entsteht.
Zu Verringerung der negativen Auswirkung dieses Unterschiedes auf
die Funktionalität
des Friktionskontaktes wird die Friktionsoberfläche des beweglichen Elementes
aus einem weichen Material gefertigt. Die Verwendung eines weichen
Materials verbessert die Funktionalität des Friktionskontaktes führt aber
gleichzeitig bei einer statischen Last zum kriechen, was die Positioniergenauigkeit
begrenzt.
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Bekannt
sind Ultraschallantriebssysteme, in denen als Antriebselemente lineare
Ultraschallmotoren mit dem Oszillator in Form einer piezoelektrischen
Platte mit einem an seiner Stirnseite angeordneten Friktionselement
eingesetzt werden (siehe dazu
DE 199 45 042 C2 ). Die Funktionsweise solcher Motoren
beruht auf einer gleichzeitigen Anregung im Oszillator einer Longitudinal-
und einer Biegewelle. Als Ergebnis der Superposition beider Wellen
erfährt das
an dem Oszillator angeordnete Friktionselement eine elliptische
Bewegung, die zum Vorschub des beweglichen Elementes führt. Die
Bewegungsbahnen aller Punkte des Friktionselementes in Motoren solcher
Konstruktion sind gleich. Sowohl das Friktionselement als auch die
Friktionsoberfläche
bei diesen Motoren werden aus einem harten Werkstoff hergestellt
z.B. aus Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder ähnliches. Der Effekt des Kriechens
tritt nicht auf. Die Positioniergenauigkeit liegt im Bereich 30
bis 50 nm.
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Die
Angegebene Positioniergenauigkeit stellt für die betrachteten Systeme
auch den Grenzwert dar und ist, bedingt durch die Rauhigkeit der
Friktionsoberfläche,
mit dem Elementarschritt des Motors vergleichbar. Die Reuigkeit
der der Friktionsoberfläche
bestimmt die Schwelle, bei der der Motor seine Bewegung beginnt,
d.h. so ein Motor besitzt einen Schwellwert bei seiner Bewegung,
der die Positioniergenauigkeit begrenzt.
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Die
durch den Herstellungsprozeß der
Friktionsoberfläche
bedingte Anfangsrauhigkeit kann relativ hohe Werte annehmen. Nach
ca. 100 Betriebsstunden des Motors verschlechtern sie sich allmählich und
pendelt sich auf den konstanten Wert von ca. 0,1 bis 0,2 μm ein. Bei
einer solchen Rauhigkeit ist die Positioniergenauigkeit auf 30 bis
50 nm begrenzt. Ausserdem hängt
die Positioniergenauigkeit von der Lage des Friktionselementes im
Bezug auf jede einzelne Unebenheit der Friktionsoberfläche ab,
so dass die größte erreichbare
Genauigkeit einen instabilen Wert ergibt. Die stabil wiederholte
Genauigkeit liegt im Bereich zwischen 50 und 100 nm. Eine Positioniergenauigkeit
im Bereich 50 bis 100nm ist für
viele Fälle
nicht ausreichend, so beispielsweise beim Einsatz in modernen Antriebssystemen
der Halbleiterherstellungsindustrie oder in Systemen der Datenspeicherung.
Bei diesen Systemen wird heute eine im Bereich einiger Nanometer
liegende Positioniergenauigkeit gefordert beim gleichzeitigen Verfahrweg der
zu positionierenden Einheit von 50 bis 100 mm.
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Ziel der Erfindung
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Ziel
der Erfindung ist die Erhöhung
der Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Positionierung bei gleichzeitiger
Vergrößerung des
Verfahrensweges des zu positionierenden Elementes, Verringerung
der Baugröße der Positioniereinheit,
Verringerung der Herstellungskosten sowie Erhöhung der Funktionalität.
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Zugrunde
der Erfindung wurde die Aufgabe gelegt, ein elektromechanisches
Präzisions-Antriebssystems
in derartiger konstruktiver Ausführung zu
entwickeln, die eine gleichzeitige, zweikanalige Ansteuerung des
Ultraschallaktuator mit Hilfe einer elektrischen Spannung mit der
Resonanzfrequenz des Aktuators ermöglicht sowie durch eine elektrische,
langsam veränderbare
Gleichspannung, die den Aktuator statisch zum Biegen veranlaßt.
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Lösung der
Gestellten Aufgabe
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Die
gesellte Aufgabe wurde dadurch gelöst, dass in einem elektromechanischen
Präzisions-Antriebssystems mit
einem beweglichen Element sowie mit einem piezoelektrischen Aktuator
in Form einer rechteckigen piezoelektrischen Platte mit einem an der
Stirnseite angeordneten Friktionselement, mit einer gemeinsamen
Elektrode an der ersten gossen Seite und mit vier symmetrisch im
Bezug auf die Längs-
sowie Quersymmetrieachsen der großen Seite angeordneten Ansteuerungselektroden
an den anderer grossen Seite der Platte, mit einer senkrecht zu den
Elektroden verlaufenden Polarisation der piezoelektrische Platte
und außerdem
mit einer Ansteuerungsvorrichtung des Aktuators mit Hilfe einer
elektrischen Wechselspannung – zusätzlich ein
Ansteuerungsmodul des Aktuators mit Hilfe einer elektrischen Gleichspannung
eingeführt
wird (Gleichspannungsansteuerungsmoduls). Dabei sind jede von der
diagonal gegenüber
liegenden Elektroden miteinander durch zwei dem Wert gleichen, in
Reihe geschalteten Kondensatoren verbunden. Die Mittelpunkte dieser Verbindungen
sind mit Ausgängen
des Wechselspannungsansteuerungsmoduls verbunden. Jede von den Ansteuerungselektroden,
die auf der gleichen Seite der Längssymmetrieachse
liegen sind miteinander durch zwei dem Wert gleichen, in Reihe geschalteten
Widerstände
verbunden. Die Mittelpunkte dieser Verbindungen sind mit Ausgängen des Gleichspannungsansteuerungsmoduls
verbunden. Die gemeinsame Elektrode des Aktuators ist mit gemeinsamen
Ausgängen
beider Ansteuerungsmodule verbunden.
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Eine
solche konstruktive Lösung
ermöglicht die
Erhöhung
der Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Positionierung bei gleichzeitiger
Vergrößerung des
Verfahrensweges des zu positionierenden Elementes, Verringerung
der Baugröße der Positioniereinheit,
Verringerung der Herstellungskosten sowie Erhöhung der Funktionalität.
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In
einer weitere konstruktive Ausführung
des erfindungsgemäßen elektromechanischen
Präzisions-Antriebssystems
kann das Wechselspannungsansteuerungsmoduls zusätzlich ein Anpassungstransformator
sowie zwei Schaltelemente mit einer Ausgangselektrode, einer gemeinsamen
Elektrode sowie mit einer Ansteuerungselektrode einschließen. Dabei
wird jede Ausgangselektrode mit dem entsprechenden Ausgang des genannten
Ansteuerungsmoduls und die gemeinsame Elektrode mit dem gemeinsamen
Ausgang dieses Moduls verbunden. Die Ausgangswicklung (Sekundärwicklung)
des Anpassungstransformators wird mit ihren ersten Anschluß mit der
gemeinsamen Elektrode des Aktuators und mit dem zweiten Anschluß mit dem
gemeinsamen Ausgang des Ansteuerungsmoduls verbunden. Die Ansteuerungselektroden
sind mit dem Ausgang eines Treibers zum Umschalten der Bewegungsrichtung
verbunden.
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Diese
Variante ermöglicht
eine Vereinfachung der Ansteuerungsschaltung des Systems mit Hilfe
der elektrischen Wechselspannung mit der Frequenz, die der Resonanzfrequenz
des Aktor entspricht.
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Eine
weitere Konstruktive Ausführung
des erfindungsgemäßen elektromechanischen
Präzisions-Antriebssystems
kann das Gleichspannungsansteuerungsmodul mit zwei Ansteuerungskanälen ausgestattet
werden, derer Steuerungseingänge
mit einem Bewegungsrichtungsumschalter verbunden sind, welcher einen
Spannungspegeleingang sowie einen Bewegungsrichtungseingang einschließt.
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Diese
konstruktive Ausführungsvariante
ermöglicht
die Vereinfachung der Ansteuerungsschaltung des Systems mit Hilfe
der elektrischen Gleichspannung.
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Jede
Konstruktive Ausführung
des erfindungsgemäßen elektromechanischen
Präzisions-Antriebssystems
kann mit einem Positionsmeßsystem
des beweglichen Elementes ausgestattet werden, das mit einem digitalen
Positionsregler verbunden ist. Die Ausgänge des Digitalreglers sind
dabei mit Eingängen
des Wechselspannungsansteuerungsmoduls sowie des Gleichspannungsansteuerungsmoduls
verbunden.
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Eine
solche Ansteuerung des Aktors erlaubt die größtmögliche Positioniergenauigkeit
des zu positionierenden Elementes.
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Außerdem in
jeder Ausführungsvariante
des erfindungsgemäßen elektromechanischen
Präzisions-Antriebssystems
muss die Polarität
der elektrischen Spannung des Gleichspannungsansteuerungsmoduls
so gewählt
werden, das die Richtung des durch diese Spannung aufgebauten elektrischen Feldes
mit der Richtung des Polarisationsvektors der piezoelektrischen
Platte des Aktuators übereinstimmen.
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Dadurch
wird die größtmögliche Verbiegung des
Aktuators erreicht.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter
Zuhilfenahme von Figuren näher
erläutert
werden.
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Hierbei
zeigen:
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1 Schematische
Darstellung des mechanischen Teils des erfindungsgemäßen elektromechanischen
Präzisions-Antriebssystems
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2 Block-Schaltbild
des erfindungsgemäßen elektromechanischen
Präzisions-Antriebssystems
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3 Ein
vereinfachtes elektrisches Schaltbild des Systems
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4 Erfindungsgemäßes elektromechanisches
Präzisions-Antriebssystem
mit einem Positionsmeßsystem
des beweglichen Elementes
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5 Darstellung
dynamischen Deformationen des piezoelektrischen Aktuators
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6 Eine
Darstellung, die die statische Ansteuerung des Aktuators erklärt
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7 Darstellungen
statischer Deformationen des piezoelektrischen Aktuators
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Hauptvariante des erfindungsgemäßen elektromechanischen
Präzisions-Antriebssystems
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Das
erfindungsgemäße elektromechanische Präzisions-Antriebssystem
beinhaltet das in den Lager 3 des Gehäuses 4 angeordnet
bewegliche Element 1 mit der Friktionsschiene 2 (siehe 1)
sowie den piezoelektrischen Aktuator 5 mit dem Friktionselementen 6.
Der Aktuator 5 ist in form einer piezoelektrischen Platte 7 mit
einem an seiner Stirnseite 8 angeordneten Friktionselement 6 ausgeführt (Siehe 1, 2).
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Zur
Befestigung wird der piezoelektrische Aktuator 5 in den
elastischen plattenförmigen
Halterungen 9 angeordnet, so dass keine Bewegungsfreiheit
in der zu der Friktionsfläche 10 senkrechten Richtung
besteht, gleichzeitig aber in der dazu parallelen Richtung der Aktuator
starr fixiert ist.
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Der
piezoelektrische Aktuator 5 wird mit seinem Stosselement 6 mit
einer gewissen Anpreßkraft F
an die Friktionsoberfläche 10 angepresst.
Zum anpressen des Aktuators kann die Feder 11 oder eingesetzt
werden oder die Elastizität
der plattenförmigen Halterungen 9 benutzt
werden.
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Die
piezoelektrische Platte 7 des Aktuators 5 beinhaltet
eine gemeinsame, vollständig
ihre große Seite 13 überdeckende
Elektrode 12 (siehe 2). Außerdem befinden
sich an ihrer anderen grossen Seite 18 vier Anregungselektroden 14, 15, 16, 17 (siehe 1, 2).
Die Elektroden 14, 15, 16, 17 sind
dabei symmetrisch im Bezug auf die Längs- 19 sowie Quersymmetrieachse 20 angeordnet.
Die Elektroden werden als eine dünne
Metallschicht z.B. durch die Ionenzerstäubung von Kupfer, Nickel, Chrom,
durch das Einbrennen von Silber, durch ein chemisches Ausfällen von
Nickel oder auf eine andere Weise auf die Seiten 13, 18 aufgebracht.
Die Polarisation der Piezokeramik erfolgt senkrecht zu den Elektroden
wie dies in Fig. durch Pfeile verdeutlicht wird. Jede der Anregungselektroden 14, 15, 16, 17 bildet
mit der gemeinsamen Elektrode einen elektrischen Kondensator C0.
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Jede
der zwei diagonal gegenüber
liegenden Elektroden 14, 16 und 15, 17 sind
miteinander durch gleiche, in Reihe geschaltete Paare der Kondensatoren 21, 22.
Ihre Mittelpunkte sind mit den Ausgängen 23, 24 des
Ansteuerungsmoduls 25 verbunden.
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Das
Ansteuerungsmodul 25 dient der Ansteuerung des Aktuators
mit Hilfe einer – elektrischen Wechselspannung
mit der Frequenz, die der Arbeitsfrequenz ω0 des
entspricht. Die Kapazitäten
der Kondensatoren 21, 22 werden ca. 10 mal größer als
der Wert C0 gewählt.
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Jede
der auf einer Seite von der Längssymmetrieachse 19 liegenden
Anregungselektroden 14, 15 oder 16, 17 sind
miteinander durch zwei Paare der Widerstände 26, 27 verbunden.
Ihre Mittelpunkte werden an die Ausgänge 28, 29 des
Ansteuerungsmoduls 30 angeschlossen. Das Ansteuerungsmodul 30 dient
der Ansteuerung des Aktuators 5 mit Hilfe einer elektrischen
Gleichspannung. Die Widerstände 26, 27 werden
ca. 10 mal größer als
der Wert 1/(ω0C0) gewählt. Die
gemeinsame Elektrode 12 ist elektrisch mit dem gemeinsamen
Anschluß 31 jedes der
Ansteuerungsmodule 25, 30 verbunden.
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Jedes
der Ansteuerungsmodule 25, 30 (siehe 2)
ist mit einem Steuereingang des Steuersignalpegels 32, 33 ausgestattet,
hat Umschalter der Bewegungsrichtung 73, 74 sowie
die Eingänge 34, 35 zur
Steuerung der Bewegungsrichtung.
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In 3 ist
ein vereinfachtes elektrisches Schaltplan des erfindungsgemäßen Antriebssystems,
wobei die Hauptkomponente die Blocke 25, 30 einschließen.
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Das
Wechselspannungsansteuerungsmodul 23 schließt den Anpassungstransformator 36 sowie
die Schaltern 37 ein. Jeder von den Schaltern 37 besitzt
die Ausgangselektrode 38, die gemeinsame Elektrode 39 sowie
die Steuerelektrode 40 ein. Jede Ausgangselektrode 38 ist
mit dem entsprechenden Ausgang 23, 24 und jede
gemeinsame Elektrode 39 mit dem gemeinsamen Anschluß 31 des
Ansteuerungsmoduls 25 verbunden.
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Die
Ausgangswicklung 41 des Anpassungstransformators 36 wird
mit einem ihrer Anschlüsse über die
Induktivitätsspule 42 mit
der gemeinsamen Elektrode 12 des Aktuators 5 verbunden
und mit dem anderen Anschluß mit
dem gemeinsamen Anschluß 31 des
Ansteuerungsmoduls 25. Die Ansteuerungselektroden 40 werden
elektrisch mit den Ausgängen 43, 44 des
Bewegungsrichtungstreibers 45 verbunden. Die Eingangswicklung 46 des
Transformators 36 wird an den elektrischen Spannungsgenerator 47 angeschlossen,
der durch das Steuerglied 46 gesteuert wird und außerdem mit
einem Rückkopplungszweig 49 ausgestattet
werden kann.
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Das
Gleichspannungsansteuerungsmodul 30 schließt zwei
Hochspannungssteuerkanäle 50, 51 mit
den Steuereingängen 52, 53 ein,
den Bewegungsrichtungsumschalter 54 mit dem Spannungspegeleingang 33 sowie
mit dem Bewegungsrichtungseingang 35 ein.
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In 4 ist
eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Antriebssystems dargestellt,
das mit einem Positionsmeßsystem 55 des
beweglichen Elementes 1 ausgestattet. Als Positionsmeßsystem kann
ein hochpräzises
optisches, magnetisches oder jedes andere Meßsystem eingesetzt werden,
das eine Meßgenauigkeit
im Bereich von einigen nm. Gewährleistet.
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Das
Positionsmeßsystem 55 ist
mit einem mehrkanaligen Dateneingang ausgestattet, der seinerseits
mit dem digitalen Positionsregler 56 verbunden ist. Die
Ausgänge 57, 58, 59, 60 des
Digitalreglers 56 sind mit den Eingängen 32, 34, 33, 35 der
Ansteuerungsmodule 25 30 verbunden. Der Positionsregler 56 kann
zwecks Datenverarbeitung an einen Personalcomputer angeschlossen
werden.
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In 5 sind
Diagrammen simulierter dynamischer Deformationen des Aktuators 5 dargestellt bei
Anregen stehenden Longitudinalwelle (Pos. 63), Biegewelle
(Pos. 64) sowie die Überlagerung
beider Wellen (Pos. 65).
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6 offenbart
die Funktionsweise einer statischen Ansteuerung des Aktuators 1.
In Pos. 66 ist der Anschlußplan der elektrischen Gleichspannung
V dargestellt. Pos. 67 offenbart das Bereich 68, in
dem die elektrische Spannung angelegt wird. Pos. 69 zeigt
die Deformationsrichtung des Aktuator 1 unter Einfluß der elektrischen
Spannung V.
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In 7 sind
statische Deformationen des Aktuator 1 aufgrund der elektrischen
Spannung V dargestellt.
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Beschreibung
der Funktionsweise
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In
dem erfindungsgemäßen elektromechanischen
Präzisions-Antriebssystems
kommen zwei Ansteuerungsarten des Aktuators 5 zum Einsatz.
Das erste Prinzip beruht auf einer resonanten Ansteuerung des Aktuators.
Durch die resonante Ansteuerung wird eine relativ grobe Positionierung
des Systems realisiert. Das zweite Prinzip basiert auf der statischen
Verbiegung des Aktuator 5, mit derer Hilfe eine Präzisionspositionierung
des Systems realisiert wird.
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Die
resonante Ansteuerung des Aktuators 5 wird folgendermaßen realisiert:
Auf den Eingang 32 des Ansteuermoduls 25 wird
eine elektrische Wechselspannung gegeben, deren Frequenz ω0 der Arbeitsfrequenz des Aktuators 5 entspricht,
d.h. mit der Resonanzfrequenz des Aktuators, bei der eine gleichzeitige
Anregung von stehenden Iongitudinal- sowie Biegewelle stattfindet.
Die Spannung wird durch den Verstärker 25 verstärkt und
weiter durch die Kondensatoren 23 an die Anregungselektroden 15, 17 gegeben.
Im Folge dessen wird im Aktuator 1 gleichzeitig die stehende
Longitudinal- (Pos. 63, 5) sowie
Biegewelle (Pos. 64 5) angeregt. Durch
eine Überlagerung
der beiden Wellen (Pos. 65, 5) erfährt das
Friktionselement 6 des Aktuators 5 eine elliptische
Bewegung und treib somit das bewegliche Element 1 an.
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Durch
ein Steuersignal am Eingang 34 wird der Schalter 71 umgeschaltet
und die Anregungsspannung an den Ausgang 24 des Moduls 25 und weiter über den
Kondensator 21 an die Anregungselektroden 14, 16 gegeben.
Da die Anordnung dieser Elektroden symmetrisch den Elektroden 15, 17 im Bezug
auf die Längssymmetrieachse 19,
haben die von diesen Elektroden angeregten Longitudinal – sowie
Beigewelle einen entgegengesetzte Phasenverschiebung. Dies bedeutet,
dass die elliptische Bewegung des Friktionselementes 6 je
nach der Wahl der Elektroden ein entgegengesetzter Richtungssinn
besitzt, woraus eine Änderung
der Bewegungsrichtung des beweglichen Elementes resultiert.
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Die
maximal mögliche
Verschiebung des beweglichen Elementes 1 für den betrachteten
Betriebsfall wird durch die Länge
der Friktionsleiste 2 begrenzt und kann deswegen beliebig
lang sein. Die Positioniergenauigkeit wird in diesem Fall durch
den Elementarschritt bestimmt des beweglichen Elementes bestimmt
und liegt in der Größenordnung
der Oberflächenrauhigkeit
der Friktionsleiste. Die in der Praxis erreichbare Positioniergenauigkeit
liegt im bereich 50 bis 100nm.
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Die
statische Ansteuerung des Aktuators 5 findet folgendermaßen statt:
An den Eingang 33 des Moduls 30 (siehe 2)
wird die elektrische Gleichspannung gegeben, die nach der Verstärkung am Ausgang 29 erscheint.
Die Spannung am Ausgang 29 ist die Steuerspannung Vs (siehe 6) und sie
ist im Bereich von 0V bis +Vmax veränderbar.
Von dem Ausgang 29 wird die Steuerspannung über den
Widerstand 27 weiter auf die Elektroden 16, 17 des
Aktuators 5 weitergegeben.
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Die
Steuerspannung wird an die Elektroden 16, 17 wird
bezüglich
der gemeinsamen Elektrode 12 der Aktuatorplatte 7 angelegt
(siehe Pos. 66, 6). Da die Elektroden 16, 17 im
bezug and die Längssymmetrieachse 19 verschoben
angeordnet sind (Pos. 67), führt die Einwirkung der elektrischen
Spannung zum statischen Verbiegung des Aktuators 5 (Pos. 71).
Als Resultat dieser Verbiegung wird das Friktionselement 6 um
den Wert h ausgelenkt, was zur Verschiebung des beweglichen Elements
um den gleichen Wert führt.
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Beim
Beaufschlagen des Eingangs 35 (siehe 2)
mit dem Steuersignal wird der Schalter 74 umgeschaltet,
wobei die Steuerspannung an den Eingang 28 des Moduls 30 und
weiter über
die Widerstände 26 an
die Elektroden 14, 15 geleitet wird. Da die Elektroden 14, 15 auf
den anderen Seite, als die Elektroden 16, 17 der
Längssymmetrielinie 19 liegen findet
eine entgegengesetzte Verbiegung des Aktuators statt. In 7 sind
die statischen Deformationen der piezoelektrischen Platte 7 des
Aktuators 5 dargestellt (Pos. 71).
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Die
maximal mögliche
Auslenkung h wird durch die Durchschlagspannung zwischen den Elektroden 16, 17 sowie 14, 15 begrenzt.
Der Wert dieser Spannung liegt beim Abstand zwischen den Elektroden
1mm zwischen 1,5 bis 2kV. Die Biegeempfindlichkeit des Aktuators 5 mit
Abmessungen 40 × 10 × 3mm3 beträgt
0,5 nmN. Bei dem Wert der elektrischen Spannung von 1000V beträgt die Auslenkung des
Friktionselementes 6 bei diesem Aktuator 500 nm, was für die betrachtete
Ansteuerungsweise den maximalen Wert ergibt.
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Um
die mögliche
Depolarisation der Piezokeramik zu vermeiden sowie die Biegeempfindlichkeit
des Aktuators zu erhöhen,
ist es wichtig beim Anlegen der elektrischen Steuerspannung an das
Aktuator 5 die Polarität
der Spannung zu Beachten, die mit der Polarität der Spannung bei Polarisation
der Piezokeramik übereinstimmen
muss.
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Da
die Abhängigkeit
zwischen der Steuerspannung und der erzielten Verbiegung kein Bereich der
Unempfindlichkeit aufweist, können
bei der statischen Ansteuerung des Aktuators Schritte des beweglichen
Elementes bzw. der zu positionierenden Einheit zwischen 0,1 bis
0,5 nm erzielt werden. Die Genauigkeit der Positionierung hängt nicht
von der Rauhigkeit der Friktionsoberfläche und stellt einen stabil
wiederholbaren Wert dar.
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In
der in 3 dargestellten Konstruktionsvariante des Erfindungsgemäßen Antriebssystems ist
das Modul 25 mit dem Generator 47 ausgestattet, der
die elektrische Anregungsspannung für den Aktuator 5 zu
Verfügung
stellt. Die Anregungsspannung wird zunächst mal über den Transformator 36 an
die gemeinsame Elektrode 12 gegeben. Je nach gewünschter
Bewegungsrichtung des beweglichen Elementes 1 werden die
Elektroden 14, 16, 15, 17 mittels
der Schaltern 37 an den Anschluß 31 des Moduls 25 angeschlossen.
Die Steuerung der Schaltern 37 findet mit Hilfe des Treibers 45 statt.
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Um
die Frequenz des Generators 47 auf der Resonanzfrequenz
des Aktuators 5 zu halten kann der letzte mit einem Rückkopplungszweig
ausgestattet werden. Der Steuerungsglied 48 dient der Amplitudensteuerung
der vom Generator 47 kommenden elektrischen Spannung.
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Das
Modul 30 enthält
zwei Hochspannungs-Steuerkanäle 50, 51,
die zur Ansteuerung des Aktuators 5 im statischen Betrieb
notwendige Gleichspannungen zu Verfügung stellen. Diese Spannungen
erscheinen je nach der Stellung des Schalters 54 an den
Ausgängen 28, 29.
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Die
in 4 dargestellte Variante des erfindungsgemäßen Antriebssystems
stellt ein der Position des beweglichen Elementes 1 nach,
rückgekoppeltes
System dar. Das System ist mit dem Positionsmeßsystem 55 des beweglichen
Elementes 1 sowie mit dem digitalen Positionsregler 56 ausgestattet.
Als ein Positionsmeßsystem
kann ein inkrementelles optisches Meßsystem mit der Auflösung von
einigen nm. eingesetzt werden, z.B. ein von der Firma HEIDENHEIN", Deutschland.
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Das
in 4 dargestellte Antriebssystem hat folgende Funktionsweise:
an den Informationseingang des digitalen Positionsreglers 56 wird
von dem Rechner 61 ein Signal mit der gewünschten
Position des beweglichen Elementes 1 gegeben. Der Positionsregler 56 erzeugt
an den Ausgängen 57, 58, 59, 60 Steuersignale,
die an die Eingänge 32, 34 des Modu1s 25 bzw. 33, 35 des
Moduls 30 geleitet werden. Durch diese Steuersignale werden
die Module 25, 30 eingeschaltet und das bewegliches
Element beginnt sich in die gewünschte
Richtung zu bewegen. Die von dem Positionsmeßsystem kommende Information über die
momentane Position des beweglichen Elementes wird von dem Regler
laufend verarbeitet. In einem Abstand von 500nm von der gewünschten
Zielposition wird das Modul 25 von dem Regler 56 ausgeschaltet
und eine weitere Bewegung des beweglichen Elementes 1 findet
mittels statischer Biegung des Aktuators 5 statt.
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Ein
solches Steuerungssystem des Aktuator 5 ermöglicht eine
höchstpräzise, im
Bereich eines Counts des Meßsystems 55 liegende
Positionierungsgenauigkeit des Beweglichen Elementes 1.
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Die
durchgeführten
Tests zeigten eine Positioniergenauigkeit des Systems im Bereich
+/– 5
nm. Die erzielte Positionierungsgenauigkeit bleibt konstant beim
Verfahrweg des beweglichen Elementes 100mm. Eine solch hohe Positioniergenauigkeit
bei dem gleichzeitig hohen Verstellbereich erlaubt eine deutliche
Erhöhung
des Einsatzbereiches solcher Positionierungseinheiten. Der im System
eingesetzte einfache und billig herstellbare Aktuator in Form einer piezoelektrischen
Platte, ist auch das Antriebssystem mit diesem Aktuator billig in
der Herstellung und kann eine breite Anwendung in der Fertigungseinheiten eingesetzt
werden, in denen eine Positionierung in nm. Bereich gefordert wird.
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- 1
- Bewegliches
Element
- 2
- Friktionsschiene
- 3
- Lager
- 4
- Gehäuse
- 5
- Piezoelektrischer
Aktuator
- 6
- Friktionselement
- 7
- piezoelektrische
Platte des Aktuators 1
- 8
- Stirnseite
der Platte 7
- 9
- elastischen
plattenförmigen
Halterungen des Aktuators 5
- 10
- Friktionsfläche
- 11
- Feder
- 12
- Gemeinsame
Elektrode
- 13
- Grosse
Seite der Platte 7
- 14
- Ansteuerungselektrode
- 15
- Ansteuerungselektrode
- 16
- Ansteuerungselektrode
- 17
- Ansteuerungselektrode
- 18
- Grosse
Seite der Platte 7
- 19
- Längssymmetrieachse
- 20
- Quersymmetrieachse
- 21
- Kondensator
- 22
- Kondensator
- 23
- Ausgang
des Ansteuerungsmoduls 25
- 24
- Ausgang
des Ansteuerungsmoduls 25
- 25
- Ansteuerungsmodul
- 26
- Widerstand
- 27
- Widerstand
- 28
- Ausgang
des Ansteuerungsmoduls 30
- 29
- Ausgang
des Ansteuerungsmoduls 30
- 30
- Ansteuerungsmoduls 30
- 31
- Gemeinsame
Anschluß der
Ansteuerungsmodule 25, 30
- 32
- Pegelsteuereingang
des Ansteuerungsmoduls 25
- 33
- Pegelsteuereingang
des Ansteuerungsmoduls 30
- 34
- Bewegungsrichtungsteuereingang
des Ansteuerungsmoduls 25
- 35
- Bewegungsrichtungsteuereingang
des Ansteuerungsmoduls 30
- 36
- Anpassungstransformator
- 37
- Schalter
- 38
- Ausgangselektrode
des Schalters 37
- 39
- Gemeinsame
Elektrode des Schalters 37
- 40
- Ansteuerungselektrode
des Schalters 37
- 41
- Ausgangswicklung
des Transformators 36
- 42
- Induktivitätsspule
- 43
- Ausgang
des Treibers 45
- 44
- Ausgang
des Treibers 45
- 45
- Treiber
der Bewegungsrichtung
- 46
- Ausgangswicklung
des Transformators 36
- 47
- Generator
elektrischer Spannung
- 48
- Ansteuerungseinheit
des Generators 48
- 49
- Rückkopplungszweig
des Generators 47
- 50
- Ansteuerungskanal
des Ansteuerungsmoduls 30
- 51
- Ansteuerungskanal
des Ansteuerungsmoduls 30
- 52
- Ansteuerungseingang
des Kanals 50
- 53
- Ansteuerungseingang
des Kanals 51
- 54
- Bewegungsrichtungsumschalter
des Ansteuerungsmoduls 30
- 55
- Positionssensor
des beweglichen Elementes 1
- 56
- Digitaler
der Positionsregler des beweglichen Elementes 1
- 57
- Ausgang
des Positionsreglers 56
- 58
- Ausgang
des Positionsreglers 56
- 59
- Ausgang
des Positionsreglers 56
- 60
- Ausgang
des Positionsreglers 56
- 61
- Computer
- 62
- Tastatur
- 63
- Darstellung
dynamischer Deformationen des Aktuators 1
- 64
- Darstellung
dynamischer Deformationen des Aktuators 1
- 65
- Darstellung
dynamischer Deformationen des Aktuators 1
- 66
- Anschlußplan des
elektrischen Ansteuerungsspannung
- 67
- Eine,
die Lage des Bereichs 68 verdeutlichte Darstellung
- 68
- Bereich
des Anlegens der Ansteuerungsspannung
- 69
- eine
die Deformationsrichtung zeigende Darstellung
- 70
- statischen
Deformationen des Aktuators 5
- 71
- Umschalter
der Bewegungsrichtung
- 72
- Umschalter
der Bewegungsrichtung