DE102005010073B4 - Elektromechanisches Präzisions-Antriebssystem - Google Patents

Abstract

Elektromechanisches Präzisions-Antriebssystem mit einem beweglichen Element und mit einem in Form einer rechteckigen piezoelektrischen Platte ausgeführten piezoelektrischen Aktuator, auf dessen Stirnseite ein Friktionselement angeordnet ist, mit einer sich auf einer der großen Seiten der Platte befindlichen gemeinsamen Elektrode sowie mit vier symmetrisch im Bezug auf die Längs- sowie Quersymmetrieachsen der Platte angeordneten Ansteuerungselektroden auf der anderen großen Plattenseite, mit einer senkrecht zu den Elektroden verlaufenden Polarisation der Platte und außerdem einer Ansteuerungsvorrichtung des Aktuators mittels einer elektrischen Wechselspannung, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem zusätzlich mit einem Modul zur Ansteuerung des Aktuators mit Hilfe einer elektrischen Gleichspannung ausgestattet ist, jede von den zwei diagonal liegenden Ansteuerungselektroden miteinander durch zwei im Wert gleiche, in Reihe geschaltete Kondensatoren verbunden sind und die Mittelpunkte dieser Verbindungen mit entsprechenden Ausgängen des Wechselspannungsansteuerungsmoduls verbunden sind, beide auf der gleichen Seite der Längssymmetrieachse liegenden Ansteuerungselektroden miteinander durch zwei im Wert gleiche, in Reihe geschaltete Widerstände verbunden sind, und die Mittelpunkte dieser Verbindungen an die entsprechenden Ausgänge des Gleichspannungsansteuerungsmoduls angeschlossen sind, und die gemeinsame Elektrode mit gemeinsamen Anschlüssen jedes von beiden Ansteuerungsmodule verbunden ist.

Description

• Technikgebiet
• Die Vorliegende Erfindung bezieht sich auf Präzision-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.
• Technikstand
• 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 1 nm liegende Positioniergenauigkeit aus. Als Nachteil solcher Antriebssysteme ist ein sehr kleine (0,05 bis 0,1 mm) 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.
• 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 Positioniergenauigkeit aus.
• 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.
• 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.
• 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 Friktionsoberfäche 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.
• 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.
• 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 100 nm 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.
• Ziel der Erfindung
• 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.
• 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.
• Lösung der Gestellten Aufgabe
• 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 grossen 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.
• 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.
• 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.
• Diese Variante ermöglicht eine Vereinfachung der Ansteuerungsschaltung des Systems mit Hilfe der elektrischen Wechselspannung mit der Frequenz, die der Resonanzfrequenz des Aktor entspricht.
• 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.
• Diese konstruktive Ausführungsvariante ermöglicht die Vereinfachung der Ansteuerungsschaltung des Systems mit Hilfe der elektrischen Gleichspannung.
• 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.
• Eine solche Ansteuerung des Aktors erlaubt die größtmögliche Positioniergenauigkeit des zu positionierenden Elementes.
• Außerdem in jeder Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen elektromechanischen Präzision-Antriebssystems muss die Polarität der elektrischen Spannung des Gleichspainnungsansteuerungsmoduls so gewählt werden, das die Richtung des durch diese Spannung aufgebauten elektrischen Feldes mit der Richtung des Polarisationsvektors der piezoelektrischen Platte des Aktuators übereinstimmen. Dadurch wird die größtmögliche Verbiegung des Aktuators erreicht.
• Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
• Hierbei zeigen:
• 1 Schematische Darstellung des mechanischen Teils des erfindungsgemäßen elektromechanischen Präzision-Antriebssystems
• 2 Block-Schaltbild des erfindungsgemäßen elektromechanischen Präzisions-Antriebssystems
• 3 Ein vereinfachtes elektrisches Schaltbild des Systems
• 4 Erfindungsgemäßes elektromechanisches Präzisions-Antriebssystem mit einem Positionsmeßsystem des beweglichen Elementes
• 5 Darstellung dynamischen Deformationen des piezoelektrischen Aktuators
• 6 Eine Darstellung, die die statische Ansteuerung des Aktuators erklärt
• 7 Darstellungen statischer Deformationen des piezoelektrischen Aktuators
• Hauptvariante des erfindungsgemäßen elektromechanischen Präzisions-Antriebssystems
• Das erfindungsgemäße elektromechanische Präzision-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 Fuktionselementen 6. Der Aktuator 5 ist in form einer piezoelektrischen Platte 7 mit einem an seiner Stirnseite 8 angeordneten Fuktionselement 6 ausgeführt (Siehe 1, 2).
• Zur Befestigung wird der piezoelektrische Actuator 5 in den elastischen plattenförmigen Halterungen 9 angeordnet, so dass seine Bewegungsfreiheit in der zu der Friktionsfläche 10 senkrechten Richtung besteht, gleichzeitig aber in der dazu parallelen Richtung der Aktuator starr fixiert ist.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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 Co gewählt.
• 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.
• 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.
• In 3 ist ein vereinfachtes elektrisches Schaltplan des erfindungsgemäßen Antriebssystems, wobei die Hauptkomponente die Blocke 25, 30 einschließen.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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).
• 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.
• In 7 sind statische Deformationen des Aktuator 1 aufgrund der elektrischen Spannung V dargestellt.
• Beschreibung der Funktionsweise
• In dem erfindungsgemäßen elektromechanischen Präzision-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.
• 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 longitudinal- 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.
• 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.
• 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 100 nm.
• 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 V_s (siehe 6) und sie ist im Bereich von 0 V bis +V_max veränderbar. Von dem Ausgang 29 wird die Steuerspannung über den Widerstand 27 weiter auf die Elektroden 16, 17 des Aktuators 5 weitergegeben.
• 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.
• 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).
• 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 1 mm zwischen 1,5 bis 2 kV. Die Biegeempfindlichkeit des Aktuators 5 mit Abmessungen 40 × 10 × 3 mm³ beträgt 0,5 nm/V. Bei dem Wert der elektrischen Spannung von 1000 V beträgt die Auslenkung des Friktionselementes 6 bei diesem Aktuator 500 nm, was für die betrachtete Ansteuerungsweise den maximalen Wert ergibt.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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 Moduls 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 500 nm 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.
• Ein solches Steuerungssystem des Aktuator 5 ermöglicht eine höchstpräzise, im Bereich eines Counts des Meßsystems 55 liegende Positionierungsgenauigkeit des Beweglichen Elementes 1.
• Die durchgeführten Tests zeigten eine Positioniergenauigkeit des Systems im Bereich +/–5 nm. Die erzielte Positionierungsgenauigkeit bleibt konstant beim Verfahrweg des beweglichen Elementes 100 mm. 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.
• Bezugszeichenliste

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 Anlegen der Ansteuerungsspannung

69

eine die Deformationsrichtung zeigende Darstellung

70

statischen Deformationen des Aktuators 5

71

Umschalter der Bewegungsrichtung

72

Umschalter der Bewegungsrichtung

Claims (5)

1. Elektromechanisches Präzisions-Antriebssystem mit einem beweglichen Element und mit einem in Form einer rechteckigen piezoelektrischen Platte ausgeführten piezoelektrischen Aktuator, auf dessen Stirnseite ein Friktionselement angeordnet ist, mit einer sich auf einer der großen Seiten der Platte befindlichen gemeinsamen Elektrode sowie mit vier symmetrisch im Bezug auf die Längs- sowie Quersymmetrieachsen der Platte angeordneten Ansteuerungselektroden auf der anderen großen Plattenseite, mit einer senkrecht zu den Elektroden verlaufenden Polarisation der Platte und außerdem einer Ansteuerungsvorrichtung des Aktuators mittels einer elektrischen Wechselspannung, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem zusätzlich mit einem Modul zur Ansteuerung des Aktuators mit Hilfe einer elektrischen Gleichspannung ausgestattet ist, jede von den zwei diagonal liegenden Ansteuerungselektroden miteinander durch zwei im Wert gleiche, in Reihe geschaltete Kondensatoren verbunden sind und die Mittelpunkte dieser Verbindungen mit entsprechenden Ausgängen des Wechselspannungsansteuerungsmoduls verbunden sind, beide auf der gleichen Seite der Längssymmetrieachse liegenden Ansteuerungselektroden miteinander durch zwei im Wert gleiche, in Reihe geschaltete Widerstände verbunden sind, und die Mittelpunkte dieser Verbindungen an die entsprechenden Ausgänge des Gleichspannungsansteuerungsmoduls angeschlossen sind, und die gemeinsame Elektrode mit gemeinsamen Anschlüssen jedes von beiden Ansteuerungsmodule verbunden ist.
2. Elektromechanisches Präzisions-Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wechselspannungsansteuerungsmodul einen Anpassungstransformator sowie zwei Ausschaltelemente beinhaltet, wobei jedes der zwei Ausschaltelemente eine Ausgangselektrode, eine gemeinsame Elektrode sowie eine Steuerelektrode beinhaltet, wobei jede Ausgangselektrode mit dem entsprechenden Ausgang des Wechselspannungsansteuerungsmoduls verbunden ist, die gemeinsame Elektrode mit dem gemeinsamen Anschluss des Ansteuerungsmoduls verbunden ist, die Sekundärwicklung des Anpassungstransformators mit ihrem ersten Anschluss elektrisch mit der gemeinsamen Elektrode des Aktuators verbunden ist, mit ihrem zweiten Anschluss mit dem gemeinsamen Anschluss des Ansteuerungsmoduls verbunden ist, und die Steuerungselektroden mit dem Ausgang eines Treibers zum Umschalten der Bewegungsrichtung verbunden sind.
3. Elektromechanisches Präzisions-Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichspannungsansteuerungsmodul zwei Ansteuerungskanäle beinhaltet, deren Eingänge mit einem Umschalter der Bewegungsrichtung verbunden sind, welcher einen Spannungspegeleingang sowie einen Bewegungsrichtungseingang beinhaltet.
4. Elektromechanisches Präzisions-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Positionsmessvorrichtung des beweglichen Elementes ausgestattet ist, die mit einem digitalen Positionsregler verbunden ist, dessen Ausgänge mit Eingängen des Wechselspannungs- sowie Gleichspannungsansteuerungsmoduls verbunden sind.
5. Elektromechanisches Präzisions-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch kennzeichnet, dass die Polarität der Ausgangsspannung des Gleichspannungsansteuerungsmoduls mit der Polarität des Polarisationsvektors der piezoelektrischen Platte des Aktuators übereinstimmt.

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