DE102005022178B4 - Positioning device and method for compensation of acceleration forces - Google Patents

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Abstract

Positioniervorrichtung (100), welche ein erstes Stellglied (12) umfasst, welches an einem Trägerelement (14) angeordnet ist und dessen Ausdehnung in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des TrägereU1(t) (16) änderbar ist, wobei an dem Trägerelement (14) mindestens ein zweites Stellglied (22) angeordnet ist, dessen Ausdehnung in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Trägerelementes (14) in Abhängigkeit eines Kompensationssignals U2(t) (28) änderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellglieder unterschiedliche Massen oder Materialeigenschaften besitzen und das Kompensationssignal (28) mit Ausnahme eines konstanten Offsets U0 im Wesentlichen proportional zum Steuersignal (16) ist (U2(t) = U0 + αU1(t)), wobei sich die durch die Ausdehnungsänderungen des ersten Stellglieds (12) und des zweiten Stellglieds (22) auf das Trägerelement (14) ausgeübten Kräfte zumindest teilweise aufheben und wobei die Proportionalitätskonstante α gemäßeingestellt ist, wobei ci die Längenänderungskoeffizienten und m~ i die effektiven Massen der Stellglieder (12, 22) sind und wobei die Proportionalitätskonstante α positiv...Positioning device (100), which comprises a first actuator (12) which is arranged on a carrier element (14) and whose extension can be changed in a direction perpendicular to the surface of the carrier U1 (t) (16), on the carrier element (14) At least one second actuator (22) is arranged, the extent of which can be changed in a direction perpendicular to the surface of the carrier element (14) as a function of a compensation signal U2 (t) (28), characterized in that the actuators have different masses or material properties and that Compensation signal (28), with the exception of a constant offset U0, is essentially proportional to the control signal (16) (U2 (t) = U0 + αU1 (t)), the changes in the expansion of the first actuator (12) and the second actuator ( 22) at least partially cancel out the forces exerted on the carrier element (14) and the proportionality constant α is set accordingly, ci di e coefficients of change in length and m ~ i are the effective masses of the actuators (12, 22) and the proportionality constant α positive ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Positioniervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Kompensation von Beschleunigungskräften in einer Positioniervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.The invention relates to a positioning device according to the preamble of claim 1 and to a method for compensating acceleration forces in a positioning device according to the preamble of claim 8.

Aus dem Stand der Technik sind Positioniervorrichtungen bekannt, bei welchen eine Feinstpositionierung bei einem Stellbereich zwischen einigen Mikrometern und einigen hundert Mikrometern bei einer Auflösung beziehungsweise Schrittweite bis hinab zu einem Nanometer und darunter gewährleistet werden soll. In diesen Systemen ausgeführte Bewegungen sollen zwar klein sein, aber möglichst schnell und möglichst präzise durchgeführt werden können. Zudem sollen solche Systeme klein und leicht sein, wodurch der Aufbau zwar gegen statische Kräfte ausreichend stabil ist, aber nicht gegen hohe Kräfte, welche durch die zur Ausführung der Bewegungen benötigten Beschleunigungen auftreten.Positioning devices are known from the prior art, in which a Feinstpositionierung at a control range between a few micrometers and a few hundred micrometers at a resolution or step down to a nanometer and below to be guaranteed. Although movements made in these systems should be small, they should be able to be executed as quickly as possible and as precisely as possible. In addition, such systems should be small and light, whereby the structure is indeed sufficiently stable against static forces, but not against high forces, which occur due to the accelerations required to execute the movements.

Als typisches Beispiel eines solchen Positioniersystems ist ein Weggeber in einem Rastersondenmikroskop zu nennen. Bei der Rastersondenmikroskopie wird ein Piezostellglied zur Bewegung der Sonde benutzt. Wenn sich das Piezostellglied unter der Wirkung der an seinen Elektroden anliegenden Spannung zusammenzieht oder ausdehnt, wird die Sonde an eine gewünschte Position der Probe bewegt. Es gibt jedoch mehrere Faktoren, welche eine genaue Bestimmung der Position erschweren. So bewegt sich das Piezostellglied nicht linear, sondern mit einer gewissen Hysterese, welche bewirkt, dass das Stellglied bei Zurücksetzen der Spannung auf Null nicht auf seine ursprüngliche Position zurückgelangt. Als weiterer nicht linearer Effekt sei das so genannte Kriechen des Piezostellglieds genannt.A typical example of such a positioning system is a displacement sensor in a scanning probe microscope. Scanning probe microscopy uses a piezo actuator to move the probe. As the piezo actuator contracts or expands under the action of the voltage applied to its electrodes, the probe is moved to a desired position of the sample. However, there are several factors that make accurate location determination difficult. Thus, the piezo actuator does not move linearly but with some hysteresis which causes the actuator not to return to its original position upon resetting the voltage to zero. Another non-linear effect is the so-called creep of the piezo actuator.

Die DE 43 03 125 C1 offenbart eine Schaltungsanordnung, bei welcher zwei gleichartige piezoelektrische Stellantriebe an denselben Speisespannungserzeuger angeschlossen sind, wobei der zweite Stellantrieb an eine Längenmesseinrichtung angekoppelt ist, welche die Bewegung des ersten Stellantriebes abtastet und ein Ausgangssignal erzeugt, welches linear mit der Stellbewegung des Stellgliedes des ersten Stellantriebes verknüpft ist. Durch diese Rückkopplung können die Wirkungen von Hysterese, Kriechen oder Temperaturänderung eliminiert werden.The DE 43 03 125 C1 discloses a circuit arrangement in which two similar piezoelectric actuators are connected to the same supply voltage generator, wherein the second actuator is coupled to a length measuring device which senses the movement of the first actuator and generates an output signal which is linearly associated with the actuating movement of the actuator of the first actuator , This feedback eliminates the effects of hysteresis, creep or temperature change.

Neben den genannten nicht linearen Effekten treten bei den Positioniervorrichtungen Differenzen in der Amplitude und Phasenlage zwischen dem Steuersignal am Eingang und der realen Bewegungsbahn der Piezoaktuatoren auf. Eine Ursache dafür ist, dass die Basis, auf welcher der Piezoaktuator angeordnet ist, nicht ausreichend steif gestaltet werden kann, wodurch sich diese unter Einwirkung der Beschleunigungskräfte elastisch verformt und zu gedämpften Schwingungen angeregt wird, welche sich der Positionierbewegung überlagern. Dieses Problem macht sich insbesondere bei mehrachsigen Systemen bemerkbar, da hier höhere Massen bewegt werden müssen und Steifigkeit in allen Raumrichtungen schwieriger zu realisieren ist.In addition to the non-linear effects mentioned, differences in the amplitude and phase position occur between the control signal at the input and the real trajectory of the piezoactuators in the positioning devices. One reason for this is that the base on which the piezoactuator is arranged can not be made sufficiently rigid, as a result of which it is elastically deformed under the action of the acceleration forces and excited to damped oscillations, which overlap the positioning movement. This problem is particularly noticeable in multi-axis systems, since higher masses have to be moved here and rigidity is more difficult to realize in all spatial directions.

Die Wirkung der Bewegung des Piezoaktuators auf die Basis ist stark frequenzabhängig. Da die Beschleunigung, welche bei einer Schwingung mit einer festen Amplitude auftritt, proportional zum Quadrat seiner Frequenz ist, steigen die auf Basis ausgeübten Kräfte bei steigender Frequenz stark an. Neben der genannten Wirkung auf die Positionierungsgenauigkeit unterliegen dadurch die Werkstoffe der Basis einer hohen Ermüdung.The effect of movement of the piezoactuator on the base is highly frequency dependent. Since the acceleration which occurs in a vibration with a fixed amplitude is proportional to the square of its frequency, the forces exerted on the basis of strong increase with increasing frequency. In addition to the mentioned effect on the positioning accuracy, the materials of the base are subject to high fatigue.

Aus der DE 199 23 462 C1 ist eine Positioniervorrichtung bekannt, bei welcher das zur Positionierung eines Piezoaktuators vorgesehene Steuersignal durch einen Filter modifiziert wird. Die Berechnung der Koeffizienten des Filters wird dabei in Echtzeit vorgenommen, wodurch auf Systemänderungen reagiert werden kann. Ziel einer solchen Anordnung ist es, die am Aktuator anliegenden Frequenzkomponenten derart in Amplitude und Phase vorzubearbeiten, dass die Position der Sonde tatsächlich proportional zum ursprünglichen Steuersignal verläuft. Dies ist allerdings mit einem kausalen Filter nur näherungsweise möglich, so dass ein zufriedenstellendes Ergebnis nur in begrenzten Frequenzbereichen zu erwarten ist.From the DE 199 23 462 C1 a positioning device is known in which the control signal provided for positioning a piezoactuator is modified by a filter. The calculation of the coefficients of the filter is carried out in real time, which can be responsive to system changes. The aim of such an arrangement is to pre-process in amplitude and phase the frequency components applied to the actuator in such a way that the position of the probe actually proceeds in a manner proportional to the original control signal. However, this is only approximately possible with a causal filter, so that a satisfactory result can only be expected in limited frequency ranges.

Aus der DE 101 48 60 A1 ist eine Positioniervorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt, in der sich die von zwei symmetrisch angeordneten gleichartigen Stellgliedern ausgeübten Kräfte näherungsweise aufheben. Es ist nicht vorgesehen, dass die Stellglieder unterschiedliche Massen oder Materialeigenschaften besitzen.From the DE 101 48 60 A1 a positioning device with the features of the preamble of claim 1 is known in which the forces exerted by two symmetrically arranged identical actuators cancel forces approximately. It is not intended that the actuators have different masses or material properties.

Aus der DE 200 05 563 U1 ist ein Piezo-Scanner für ein Rastertunnelmikroskop bekannt, in dem durch Verwendung eines Gegengewichts erreicht wird, dass bei einer zeitabhängigen Längenänderung des Scanner-Röhrchens keine Kräfte an dessen Befestigungspunkt auftreten.From the DE 200 05 563 U1 a piezo-scanner for a scanning tunneling microscope is known in which is achieved by using a counterweight that occur at a time-dependent change in length of the scanner tube no forces at its attachment point.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Positionierungsvorrichtung anzugeben, welche in Situationen eingesetzt werden kann, wo hohe Geschwindigkeiten bei der Bewegung der Stellglieder sowie eine hohe Auflösung erforderlich sind.The object of the invention is to provide a positioning device which can be used in situations where high speeds in the movement of the actuators and a high resolution are required.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mittels einer Positioniervorrichtung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen oder mittels eines Verfahrens mit den im Anspruch 7 genannten Merkmalen gelöst.According to the invention this object is achieved by means of a positioning device with the in claim 1 mentioned features or by means of a method with the features mentioned in claim 7.

Dadurch, dass an dem Trägerelement mindestens ein zweites Stellglied angeordnet ist, dessen Ausdehnung in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Trägerelementes in Abhängigkeit eines Kompensationssignals änderbar ist, wobei das Kompensationssignal mit Ausnahme eines konstanten Offsets U0 im Wesentlichen proportional zum Steuersignal ist (U2(t) = U0 + αU1(t)) und wobei sich die durch die Ausdehnungsänderungen des ersten Stellglieds und des zweiten Stellglieds auf das Trägerelement ausgeübten Kräfte zumindest teilweise aufheben, wird der elastischen Verformung des Trägerelementes entgegengewirkt. Neben einer Erhöhung der Positioniergenauigkeit wird eine Verringerung der mechanischen Beanspruchung des Trägerelementes erreicht. Außerdem kann das Trägerelement extrem leicht gestaltet werden, was insbesondere bei mehrstufigen Positioniervorrichtungen von großem wirtschaftlichen Vorteil sein kann, da hier die Masse des Trägerelementes zugleich einem wesentlichen Teil der Transportmasse der vorhergehenden Positionierstufe ausmacht.Characterized in that on the carrier element at least a second actuator is arranged, whose extension in a direction perpendicular to the surface of the carrier element in response to a compensation signal is changeable, wherein the compensation signal with the exception of a constant offset U 0 is substantially proportional to the control signal (U 2 ( t) = U 0 + αU 1 (t)) and wherein the forces exerted by the expansion changes of the first actuator and the second actuator on the carrier element cancel at least partially, the elastic deformation of the carrier element is counteracted. In addition to an increase in the positioning accuracy, a reduction in the mechanical stress on the carrier element is achieved. In addition, the carrier element can be made extremely lightweight, which can be particularly advantageous in multi-stage positioning of great economic advantage, since here the mass of the carrier element at the same time constitutes a substantial part of the transport mass of the previous positioning stage.

Die erfindungsgemäße Positioniervorrichtung lässt sich derart gestalten, dass die beiden Stellglieder auf der gleichen Oberfläche des Trägerelementes oder aufeinander abgewandten Oberflächen des Trägerelementes angeordnet sind. Dabei ist die letztere Anordnung im Allgemeinen vorzuziehen, da sich dadurch auch das Auftreten von Scherkräften verhindern lässt.The positioning device according to the invention can be designed such that the two actuators are arranged on the same surface of the support element or surfaces facing away from the support element. In this case, the latter arrangement is generally preferable because it can also prevent the occurrence of shear forces.

Die Stellglieder besitzen unterschiedliche Massen oder Materialeigenschaften. Es ist vorgesehen, dass die Proportionalitätskonstante α gemäß

Figure 00030001
eingestellt ist, wobei ci die Längenänderungskoeffizienten und m ~i die effektiven Massen der Stellglieder sind und wobei die Proportionalitätskonstante α positiv ist, wenn die beiden Stellglieder auf einander abgewandten Oberflächen des Trägerelementes angeordnet sind. Dadurch überträgt das zweite Stellglied eine Kraft auf das Trägerelement, welche dem Betrag nach der ursprünglichen Kraft des ersten Stellglieds gleicht, aber die entgegengesetzte Richtung aufweist. Etwaige Schwingungen des Trägerelementes werden gedämpft und sterben ab.The actuators have different masses or material properties. It is provided that the proportionality constant α in accordance with
Figure 00030001
where c i are the coefficients of extensional change and m ~ i are the effective masses of the actuators and where the proportionality constant α is positive when the two actuators are arranged on opposite surfaces of the support element. Thereby, the second actuator transmits a force on the carrier element, which is equal to the amount of the original force of the first actuator, but has the opposite direction. Any vibrations of the carrier element are damped and die.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Positioniervorrichtung einen Regelkreis zur Regelung der Proportionalitätskonstante α umfasst, wobei der Regelkreis einen am Trägerelement angeordneten Positionssensor, eine Multiplikationsstufe zur Multiplikation eines vom Positionssensor gelieferten Signals mit dem Steuersignal sowie einen Filter zur Mittelung eines von der Multiplikationsstufe gelieferten Signals umfasst. Dadurch wird eine geregelte Nachführung der Ansteuerung des Kompensationsstellglieds auch in Fallen ermöglicht, in welchen die durch die Stellglieder bewegten Massen variabel oder unbekannt sind.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the positioning device comprises a control loop for controlling the proportionality constant α, the control loop comprising a position sensor arranged on the carrier element, a multiplication step for multiplying a signal supplied by the position sensor with the control signal and a filter for averaging one of the multiplication step supplied signal includes. As a result, a controlled tracking of the control of the compensation actuator is also possible in cases in which the masses moved by the actuators are variable or unknown.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kompensation von Beschleunigungskräften in einer Positioniervorrichtung ist vorgesehen, dass an dem Trägerelement mindestens ein zweites Stellglied angeordnet ist, dessen Ausdehnung in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Trägerelementes durch ein Kompensationssignal U2(t) so gesteuert wird, dass sich die durch die Ausdehnungsänderungen des ersten Stellglieds und des zweiten Stellglieds auf das Trägerelement ausgeübten Kräfte zumindest teilweise aufheben, wobei die Stellglieder unterschiedliche Massen oder Materialeigenschaften besitzen, wobei das Kompensationssignal (28) mit Ausnahme eines konstanten Offsets U0 im Wesentlichen proportional zum Steuersignal (16) ist (U2(t) = U0 + αU1(t)), wobei die Proportionalitätskonstante α gemäß

Figure 00040001
gewählt wird, wobei ci die Längenänderungskoeffizienten und m ~i die effektiven Massen der Stellglieder (12, 22) sind und wobei die Proportionalitätskonstante α positiv ist, wenn die beiden Stellglieder (12, 22) auf einander abgewandten Oberflächen des Trägerelementes (14) angeordnet sind. Potentielle Einsatzbereiche für ein solches Verfahren sind alle Antriebe im Bereich der Rastersondenmikroskopie sowie in der Mikroelektronik, wo mittels eines Greifers Chips oder Wafer schnell bewegt werden sollen. Außerdem lässt sich das Verfahren auch zur aktiven Schwingungsunterdrückung und somit zur Verhinderung von unerwünschter Schallerzeugung an schwingenden Flächen vieler Maschinen einsetzen.In the method according to the invention for compensating acceleration forces in a positioning device, it is provided that at least one second actuator is arranged on the carrier element whose extent in a direction perpendicular to the surface of the carrier element is controlled by a compensation signal U 2 (t) such that the forces exerted on the carrier element by the expansion changes of the first actuator and the second actuator, at least partially, wherein the actuators have different masses or material properties, wherein the compensation signal ( 28 ) with the exception of a constant offset U 0 substantially proportional to the control signal ( 16 ) is (U 2 (t) = U 0 + αU 1 (t)), where the proportionality constant α in accordance with
Figure 00040001
where c i is the coefficient of change in length and m i is the effective mass of the actuators ( 12 . 22 ) and wherein the proportionality constant α is positive when the two actuators ( 12 . 22 ) on opposite surfaces of the support element ( 14 ) are arranged. Potential applications for such a process are all drives in the field of scanning probe microscopy and in microelectronics, where by means of a gripper chips or wafers are to be moved quickly. In addition, the method can also be used for active vibration suppression and thus to prevent unwanted sound generation on vibrating surfaces of many machines.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

1a einen konventionellen, unkompensierten Piezoaktuator; 1a a conventional uncompensated piezoactuator;

1b Bahnverläufe der vom unkompensierten Piezoaktuator bewegten Masse; 1b Trajectories of the mass moved by the uncompensated piezoactuator;

2a eine erfindungsgemäße Positioniervorrichtung mit Kompensation; 2a a positioning device according to the invention with compensation;

2b einen Bahnverlauf der von der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung bewegten Masse und 2 B a trajectory of the moving of the positioning device according to the invention mass and

3 eine erfindungsgemäße Positioniervorrichtung mit Regelkreis. 3 a positioning device according to the invention with control loop.

1a zeigt einen Piezoaktuator 12 nach dem Stand der Technik, welcher auf einem Trägerelement 14 befestigt ist und eine Masse 10 in Abhängigkeit eines Steuersignals 16 auf einer vorgegebenen Bahn bewegen oder eine Schwingung mit vorgegebener Frequenz und Amplitude ausführen lässt. Dabei dehnt sich der Piezoaktuator 12 bei Anlegen einer geeigneten Spannung aus oder zieht sich zusammen, wodurch eine Längenänderung erreicht wird, welche zur Positionierung der Masse 10 dient. Soll eine Bewegung der Masse 10 von Position A auf die Position B erfolgen, dehnt sich der Piezoaktuator 12 entsprechend der Änderung der Spannung aus. In 1a sind drei Zeitpunkte während des Verstellprozesses dargestellt – die Ausgangslage in Ruhe (links), ein Zeitpunkt während der Ausdehnung des Piezoaktuators 12, bei welchem das Trägerelement 14 deformiert wird (Mitte), sowie der Endzustand in Ruhe (rechts). 1a shows a piezo actuator 12 according to the prior art, which on a support element 14 is attached and a mass 10 in response to a control signal 16 move on a given path or make a vibration of given frequency and amplitude. At the same time, the piezoactuator expands 12 upon application of a suitable voltage or contracts, whereby a change in length is achieved, which is used to position the mass 10 serves. Should a movement of the mass 10 from position A to position B, the piezoactuator expands 12 according to the change of voltage. In 1a three times are shown during the adjustment process - the initial position at rest (left), a point in time during the expansion of the piezo actuator 12 in which the carrier element 14 is deformed (center), and the final state at rest (right).

1b zeigt den zeitlichen Verlauf des Steuersignals 16 mit den entsprechenden Bahnverläufen 18 der bewegten Masse 10. Dabei steigt das Steuersignal 16 idealerweise rampenförmig an. Die beiden dargestellten Bahnverläufe 18 der bewegten Masse 10 entsprechen verschiedenen Steifigkeiten des Trägerelementes 14. Die gestrichelte Linie dient zum Vergleich mit dem Steuersignal 16. Die Form der Bahnverläufe 18 der bewegten Masse 10 kommt dadurch zustande, dass durch das Beschleunigen der bewegten Masse 10 eine Kraft entsteht, welche das Trägerelement 14 deformiert. Dies verzögert die Auslenkung der bewegten Masse 10 in der gewünschten Richtung und induziert außerdem ein Nachschwingen des Systems, dessen Frequenz durch den geometrischen Aufbau und die Steifigkeit des Systems bestimmt wird. Während ein verzögertes Anfahren der Position, außer bei zeitkritischen Wegverstellungen, noch tolerierbar wäre, ist der Nachschwingvorgang absolut unakzeptabel, da die bewegte Masse 10 zeitweise über die gewünschte Position B hinweg bewegt wird und dabei mit einem anderen Körper destruktiv kollidieren kann. 1b shows the timing of the control signal 16 with the corresponding trajectories 18 the moving mass 10 , The control signal increases 16 ideally ramped. The two illustrated courses 18 the moving mass 10 correspond to different stiffnesses of the carrier element 14 , The dashed line is for comparison with the control signal 16 , The shape of the tracks 18 the moving mass 10 is due to the fact that by accelerating the moving mass 10 a force is created which the carrier element 14 deformed. This delays the deflection of the moving mass 10 in the desired direction and also induces a ringing of the system whose frequency is determined by the geometric structure and rigidity of the system. While a delayed start of the position, except for time-critical path adjustments, would still be tolerated, the Nachschwingvorgang is absolutely unacceptable because the moving mass 10 is temporarily moved across the desired position B and thereby can collide destructively with another body.

2a zeigt eine erfindungsgemäße Positioniervorrichtung 100, bei welcher auf der Rückseite des Trägerelementes 14 ein Kompensationsaktuator 22 angeordnet ist, welcher ebenfalls ein Piezoaktuator ist und eine Kompensationsmasse 20 bewegt. Im einfachsten Fall wären die Eigenschaften der beiden Piezoaktuatoren 12, 22 und die bewegten Massen 10, 20 gleich. Dann würde es genügen, den Kompensationsaktuator 22 durch das gleiche Steuersignal 16 anzusteuern. Auf diese Weise würde die Kompensationsmasse 20 genau in die Gegenrichtung mit dem gleichen Betrag und der gleichen Beschleunigung bewegt, so dass das Trägerelement 14 nur noch symmetrisch komprimiert, aber nicht mehr nach unten ausgelenkt würde. Somit entfiele der Zeitaufwand für die Verbiegung des Trägers, und die bewegte Masse 10 würde ihre Sollauslenkung B schneller erreichen. Weiterhin fände keine Relaxation der Verbiegung des Trägerelementes 14 statt, so dass das in 1b dargestellte Nachschwingen entfiele und die Auslenkung der bewegten Masse 10 den Punkt B nicht überschreiten würde. 2a shows a positioning device according to the invention 100 in which on the back of the support element 14 a compensation actuator 22 is arranged, which is also a piezoelectric actuator and a compensation mass 20 emotional. In the simplest case, the properties of the two piezoactuators would be 12 . 22 and the moving masses 10 . 20 equal. Then it would suffice, the compensation actuator 22 by the same control signal 16 head for. That way, the compensation mass would 20 moved exactly in the opposite direction with the same amount and the same acceleration, so that the support element 14 only symmetrically compressed, but not deflected down. Thus, the time required for the bending of the carrier, and the moving mass would be eliminated 10 would reach its desired deflection B faster. Furthermore, there would be no relaxation of the bending of the carrier element 14 instead, so that in 1b Repeated swinging omitted and the deflection of the moving mass 10 would not exceed the point B.

Im vorliegenden Fall sind die Eigenschaften der beiden Piezoaktuatoren 12, 22 verschieden. So können beispielsweise Piezoaktuatoren 12, 22 verwendet werden, welche aus einer verschiedenen Anzahl von einzelnen platten- oder scheibenförmigen Piezoelementen bestehen, welche in Sandwichweise aneinander gereiht und elektrisch parallel geschaltet sind. Außerdem können sich die bewegten Massen 10, 20 unterscheiden. In diesem Fall muss der Kompensationsaktuator 22 mit einem modifizierten Kompensationssignal 28 angesteuert werden, welches proportional zum Steuersignal 16 ist.In the present case, the properties of the two piezo actuators 12 . 22 different. For example, piezoactuators 12 . 22 may be used, which consist of a different number of individual plate or disc-shaped piezo elements, which are lined up in sandwiched together and electrically connected in parallel. In addition, the moving masses can 10 . 20 differ. In this case, the compensation actuator must 22 with a modified compensation signal 28 be controlled, which is proportional to the control signal 16 is.

Um die zugehörige Proportionalitätskonstante α zu bestimmen, wird die Länge der Piezoaktuatoren 12, 22 als Zwangsbedingung betrachtet, das heißt, es wird angenommen, dass die Zeitskala, auf der sich die Länge eines Aktuators auf eine angelegte Spannung einstellt, sehr klein ist gegenüber der Zeitskala, auf der sich die angelegte Spannung ändert. Die Bewegung der Piezoaktuatoren 12, 22 erfolge in x-Richtung. Die Ruhelage des Trägerelementes 14 sei bei X = 0, die Längen der Piezoaktuatoren 12, 22 ohne angelegte Spannung seien L1 und L2. Die näherungsweise linearen Längenänderungen durch die angelegten Spannungen seien ΔLi = ciUi. Die Massen mi der Piezoaktuatoren 12, 22 seien gleichmäßig über deren Länge verteilt, so dass sie auf halber Länge bei xi zusammengefasst werden können. Die an den vom Trägerelement 14 abgewandten Enden der Piezoaktuatoren 12, 22 bei x'i angebrachten Massen 10, 20 seien mit m'i bezeichnet. Dann lauten die Zwangsbedingungen: x1 = X + (L1 + c1U1)/2 x'1 = X + (L1 + c1U1) x2 = X – (L2 + c2U2)/2 x'2 = X – (L2 + c2U2). In order to determine the associated proportionality constant α, the length of the piezoactuators becomes 12 . 22 It is assumed that the time scale on which the length of an actuator adjusts to an applied voltage is very small compared to the time scale on which the applied voltage changes. The movement of the piezoactuators 12 . 22 successes in the x-direction. The rest position of the support element 14 Let X = 0 be the lengths of the piezoactuators 12 . 22 without applied voltage let L 1 and L 2 . The approximately linear changes in length due to the applied voltages are ΔL i = c i U i . The masses m i of the piezoactuators 12 . 22 are distributed uniformly over their length, so that they can be summarized at half the length at x i . The to the from the support element 14 remote ends of the piezoactuators 12 . 22 masses attached to x ' i 10 . 20 be designated with m ' i . Then the constraints are: x 1 = X + (L 1 + c 1 U 1 ) / 2 x ' 1 = X + (L 1 + c 1 U 1 ) x 2 = X - (L 2 + c 2 U 2 ) / 2 x' 2 = X - (L 2 + c 2 U 2 ).

Die einzigen äußeren Kräfte sind die Dämpfungskraft –δẊ und die Rückstellkraft –kX. Damit ist die Bewegungsgleichung für die Schwerpunktbewegung: m11 + m'1ẍ'1 + m22 + m'2ẍ'2 + Mẍ = –δẊ – kX. The only external forces are the damping force -δẊ and the restoring force -kX. Thus, the equation of motion for the gravity movement is: m 11 + m ' 1 ẍ' 1 + m 22 + m ' 2 ẍ' 2 + Mẍ = -δẊ - kX.

Nach zweimaliger Ableitung der Zwangsbedingungen und Einsetzen in die Bewegungsgleichung ergibt sich folgende Gleichung: (m1 + m'1 + m2 + m'2 + M)ẍ + (m1/2 + m'1)c1Ü1 – (m2/2 + m'2)c2Ü2 = –δẊ – kX beziehungsweise μẍ + m ~1c1Ü1 – m ~2c2Ü2 = –δẊ – kX, wobei μ = m1 + m'1 + m2 + m'2 + M die Gesamtmasse des Systems und m ~i = mi/2 + m'i die effektiven Massen der Stellglieder sind. Im Folgenden werden nur diese effektiven Massen berücksichtigt, welche aus Anteilen der bewegten Massen 10, 20 und der Piezoaktuatoren 12, 22 bestehen.After two derivations of the constraints and insertion into the equation of motion, the following equation results: (m 1 + m '1 + m 2 + m' 2 + M) x + (m 1/2 + m '1) c 1 P 1 - (m 2/2 + m' 2) c 2 P 2 = - δẊ - kX respectively μẍ + m ~ 1 c 1 P 1 - m ~ 2 c 2 P 2 = -δẊ - kX, where μ = m 1 + m ' 1 + m 2 + m' 2 + M is the total mass of the system and m ~ i = m i / 2 + m ' i are the effective masses of the actuators. In the following, only these effective masses are taken into account, which consist of shares of the moving masses 10 . 20 and the piezoactuators 12 . 22 consist.

Nach Ausführung einer Fouriertransformation ergibt sich: [–μω2 + iδω + k]X = ω2[m ~1,c1U1 – m ~2c2U2]. After execution of a Fourier transformation results: [-Μω 2 + iδω + k] X = ω 2 [m ~ 1 , c 1 U 1 -m ~ 2 c 2 U 2 ].

Damit führt

Figure 00080001
zu X = 0. Dies ist die Trivialbedingung, bei welcher eine vollständige Kompensation erreicht wird.
Figure 00080002
ist somit die erforderliche Proportionalitätskonstante α, mit welcher das Steuersignal 16 multipliziert werden muss, um ein Kompensationssignal 28 zur Ansteuerung des Kompensationsaktuators 22 zu ergeben, so dass sich die auf das Trägerelement 14 ausgeübten Kräfte zu Null addieren.With it leads
Figure 00080001
to X = 0. This is the trivial condition where complete compensation is achieved.
Figure 00080002
is thus the required proportionality constant α, with which the control signal 16 must be multiplied by a compensation signal 28 for controlling the compensation actuator 22 to give, so that the on the support element 14 Add applied forces to zero.

Oftmals ist mindestens eine der Größen mi, m'i und ci nicht bekannt, so dass die Proportionalitätskonstante α aus Messungen am System bestimmt werden muss. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird an das Trägerelement 14 ein Positionssensor angebracht. Nun wird in einem Testbetrieb ein sinusförmiges Steuersignal 16 und ein dazu proportionales Kompensationssignal 28 gemäß U2(t) = αU1(t) verwendet. Die Messung von X(ω) durch den Positionssensor bei der festen Frequenz für zwei verschiedene Werte der Proportionalitätskonstante α führt wegen der Linearität der oben aufgeführten Bedingung im Fourierraum zu einer eindeutigen Lösung von dem α, für welches die Trivialbedingung erfüllt ist.Often at least one of the variables m i , m ' i and c i is not known, so that the proportionality constant α has to be determined from measurements on the system. In an embodiment not shown is to the support element 14 a position sensor attached. Now in a test mode, a sinusoidal control signal 16 and a compensation signal proportional thereto 28 according to U 2 (t) = αU 1 (t) used. The measurement of X (ω) by the position sensor at the fixed frequency for two different values of the proportionality constant α leads to a clear solution of the α, for which the trivial condition is fulfilled, because of the linearity of the condition mentioned above in Fourier space.

Um eine geeignete Kompensation auch im laufenden Betrieb zu erreichen, wird die Positioniervorrichtung 100 in einem Regelkreis betrieben. Ziel der Regelung ist eine Annäherung an die Trivialbedingung auch in Situationen, in welchen die verwendeten Massen oder Längenausdehnungseigenschaften der Aktuatoren sich zeitlich verändern.In order to achieve a suitable compensation during operation, the positioning device 100 operated in a closed loop. The aim of the control is to approximate the trivial condition even in situations in which the masses or linear expansion properties of the actuators used change over time.

3 zeigt einen Regelkreis, welcher die Proportionalitätskonstante α nachführt. Eine Steuersignal-Eingabeeinrichtung 24 erzeugt ein Steuersignal 16, welches zur Ansteuerung des Piezoaktuators 12 dient. Gleichzeitig wird das Steuersignal 16 einem Proportionalitätsregler 26 zugeführt, welcher das Steuersignal 16 mit der Proportionalitätskonstante α multipliziert und dadurch das Kompensationssignal 28 zur Ansteuerung des Kompensationsaktuators 22 erzeugt. An dem Trägerelement 14 ist ein Positionssensor 30 angeordnet, welcher ständig die Position X(t) des Trägerelementes 14 feststellt und ein Messsignal an eine Multiplikationsstufe 32 leitet, in welcher das Signal X(t) mit dem Steuersignal 16, U1(t), multipliziert wird. Das so ermittelte Produkt der beiden Zeitsignale wird einem zeitlichen Integrationsglied (I-Regler) 34 zugeführt, welches das Produktsignal X(t)U1(t) geeignet integriert und dadurch seinen Gleichstromanteil misst. Dieser Gleichstromanteil ist die Regelgröße des erfindungsgemäßen Regelkreises. Sein Sollwert ist 0, und die Stellgröße ist α. Auf der Basis der Stellgröße α wird der Proportionalitätssteller 26 angesteuert, um eine Änderung an die Trivialbedingung zu erreichen. Die Änderung des Gleichstromanteils des Signals X(t)U1(t) gibt die Richtung an, in welche die Stellgröße α zu verändern ist. 3 shows a control loop which tracks the proportionality constant α. A control signal input device 24 generates a control signal 16 , which is used to control the piezoactuator 12 serves. At the same time the control signal 16 a proportionality controller 26 which is the control signal 16 multiplied by the proportionality constant α and thereby the compensation signal 28 for controlling the compensation actuator 22 generated. On the support element 14 is a position sensor 30 arranged, which constantly the position X (t) of the support element 14 determines and a measurement signal to a multiplication stage 32 conducts, in which the signal X (t) with the control signal 16 , U 1 (t), is multiplied. The thus determined product of the two time signals is a temporal integration element (I controller) 34 supplied, which integrates the product signal X (t) U 1 (t) suitably and thereby measures its DC component. This DC component is the controlled variable of the control circuit according to the invention. Its setpoint is 0, and the manipulated variable is α. On the basis of the manipulated variable α, the proportionality controller becomes 26 controlled to achieve a change to the trivial condition. The change in the DC component of the signal X (t) U 1 (t) indicates the direction in which the manipulated variable α is to be changed.

In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein zweiter Positionssensor an die Kompensationsmasse 20 oder an den Kompensationsaktuator 22 angebracht. Durch eine Differenzbildung der Signale des zweiten Positionssensors und des Positionssensors 30 kann auf die Längenänderung des Kompensationsaktuators 22 geschlossen werden. Durch Vergleich der gemessenen Längenänderung mit dem Steuersignal 16 können Rückschlüsse auf nicht lineare Effekte wie Hysterese und Kriechen gezogen werden. Durch geeignete Regelung kann das Steuersignal 16 so modifiziert werden, dass die nicht linearen Effekte eliminiert werden.In a non-illustrated embodiment, a second position sensor to the compensation mass 20 or to the compensation actuator 22 appropriate. By subtraction of the signals of the second position sensor and the position sensor 30 can change the length of the compensation actuator 22 getting closed. By comparing the measured change in length with the control signal 16 conclusions about non-linear effects like hysteresis and creep can be drawn. By suitable regulation, the control signal 16 be modified so that the non-linear effects are eliminated.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
bewegte Massemoving mass
1212
erstes Stellglied/Piezoaktuatorfirst actuator / piezo actuator
1414
Trägerelementsupport element
1616
Steuersignalcontrol signal
1818
Bahnverlauf der bewegten MasseTrajectory of the moving mass
2020
Kompensationsmassecompensating mass
2222
zweites Stellglied/Kompensationsaktuatorsecond actuator / compensation actuator
2424
Steuersignal-EingabeeinrichtungControl signal input means
2626
ProportionalitätsstellerProportionalitätssteller
2828
Kompensationssignalcompensation signal
3030
Positionssensorposition sensor
3232
Multiplikationsstufemultiplication stage
3434
zeitliches Integrationsgliedtemporal integration element
100100
Positioniervorrichtungpositioning

Claims (8)

Positioniervorrichtung (100), welche ein erstes Stellglied (12) umfasst, welches an einem Trägerelement (14) angeordnet ist und dessen Ausdehnung in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Trägerelementes (14) in Abhängigkeit eines Steuersignals U1(t) (16) änderbar ist, wobei an dem Trägerelement (14) mindestens ein zweites Stellglied (22) angeordnet ist, dessen Ausdehnung in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Trägerelementes (14) in Abhängigkeit eines Kompensationssignals U2(t) (28) änderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellglieder unterschiedliche Massen oder Materialeigenschaften besitzen und das Kompensationssignal (28) mit Ausnahme eines konstanten Offsets U0 im Wesentlichen proportional zum Steuersignal (16) ist (U2(t) = U0 + αU1(t)), wobei sich die durch die Ausdehnungsänderungen des ersten Stellglieds (12) und des zweiten Stellglieds (22) auf das Trägerelement (14) ausgeübten Kräfte zumindest teilweise aufheben und wobei die Proportionalitätskonstante α gemäß
Figure 00110001
eingestellt ist, wobei ci die Längenänderungskoeffizienten und m ~i die effektiven Massen der Stellglieder (12, 22) sind und wobei die Proportionalitätskonstante α positiv ist, wenn die beiden Stellglieder (12, 22) auf einander abgewandten Oberflächen des Trägerelementes (14) angeordnet sind.
Positioning device ( 100 ), which is a first actuator ( 12 ), which on a support element ( 14 ) is arranged and its extension in a direction perpendicular to the surface of the support element ( 14 ) in response to a control signal U 1 (t) ( 16 ) is variable, wherein on the support element ( 14 ) at least one second actuator ( 22 ) whose extent is in a direction perpendicular to the surface of the carrier element ( 14 ) in response to a compensation signal U 2 (t) ( 28 ) is changeable, characterized in that the actuators have different masses or material properties and the compensation signal ( 28 ) with the exception of a constant offset U 0 substantially proportional to the control signal ( 16 ) is (U 2 (t) = U 0 + αU 1 (t)), which is due to the expansion changes of the first actuator ( 12 ) and the second actuator ( 22 ) on the carrier element ( 14 ) exerted forces at least partially cancel and wherein the proportionality constant α according to
Figure 00110001
where c i is the coefficient of change in length and m ~ i is the effective mass of the actuators ( 12 . 22 ) and wherein the proportionality constant α is positive when the two actuators ( 12 . 22 ) on opposite surfaces of the support element ( 14 ) are arranged.
Positioniervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den vom Trägerelement (14) abgewandten Enden der Stellglieder (12, 22) von diesen bewegte Massen (10, 20) angeordnet sind.Positioning device according to claim 1, characterized in that to the carrier element ( 14 ) facing away from the actuators ( 12 . 22 ) of these moving masses ( 10 . 20 ) are arranged. Positioniervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellglieder (12, 22) Piezoaktuatoren sind.Positioning device according to one of the preceding claims, characterized in that the actuators ( 12 . 22 ) Piezoactuators are. Positioniervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stellglieder (12, 22) auf der gleichen Oberfläche des Trägerelementes (14) angeordnet sind.Positioning device according to one of the preceding claims, characterized in that the two actuators ( 12 . 22 ) on the same surface of the carrier element ( 14 ) are arranged. Positioniervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stellglieder (12, 22) auf einander abgewandten Oberflächen des Trägerelementes (14) angeordnet sind.Positioning device according to one of the preceding claims, characterized in that the two actuators ( 12 . 22 ) on opposite surfaces of the support element ( 14 ) are arranged. Positioniervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Regelkreis zur Regelung der Proportionalitätskonstante α umfasst, wobei der Regelkreis einen am Trägerelement (14) angeordneten Positionssensor (30), eine Multiplikationsstufe (32) zur Multiplikation eines vom Positionssensor (30) gelieferten Signals mit dem Steuersignal (16) sowie einen Filter (34) zur Mittelung eines von der Multiplikationsstufe (32) gelieferten Signals umfasst.Positioning device according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a control loop for controlling the proportionality constant α, wherein the control loop a on the support element ( 14 ) arranged position sensor ( 30 ), a multiplication stage ( 32 ) for multiplying a position sensor ( 30 ) supplied with the control signal ( 16 ) as well as a filter ( 34 ) for averaging one of the multiplication stage ( 32 ) supplied signal. Verfahren zur Kompensation von Beschleunigungskräften in einer Positioniervorrichtung (100), welche ein erstes Stellglied (12) umfasst, welches an einem Trägerelement (14) angeordnet ist und dessen Ausdehnung in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Trägerelementes (14) durch ein Steuersignal U1(t) (16) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Trägerelement (14) mindestens ein zweites Stellglied (22) angeordnet ist, dessen Ausdehnung in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Trägerelementes (14) durch ein Kompensationssignal U2(t) (28) so gesteuert wird, dass sich die durch die Ausdehnungsänderungen des ersten Stellglieds (12) und des zweiten Stellglieds (22) auf das Trägerelement (14) ausgeübten Kräfte zumindest teilweise aufheben, wobei die Stellglieder unterschiedliche Massen oder Materialeigenschaften besitzen, wobei das Kompensationssignal (28) mit Ausnahme eines konstanten Offsets U0 im Wesentlichen proportional zum Steuersignal (16) ist (U2(t) = U0 + αU1(t)), wobei die Proportionalitätskonstante α gemäß
Figure 00130001
gewählt wird, wobei ci die Längenänderungskoeffizienten und m ~i die effektiven Massen der Stellglieder (12, 22) sind und wobei die Proportionalitätskonstante α positiv ist, wenn die beiden Stellglieder (12, 22) auf einander abgewandten Oberflächen des Trägerelementes (14) angeordnet sind.
Method for compensating acceleration forces in a positioning device ( 100 ), which is a first actuator ( 12 ), which on a support element ( 14 ) is arranged and its extension in a direction perpendicular to the surface of the support element ( 14 ) by a control signal U 1 (t) ( 16 ), characterized in that on the carrier element ( 14 ) at least one second actuator ( 22 ) whose extent is in a direction perpendicular to the surface of the carrier element ( 14 ) by a compensation signal U 2 (t) ( 28 ) is controlled so that by the expansion changes of the first actuator ( 12 ) and the second actuator ( 22 ) on the carrier element ( 14 ) at least partially cancel the forces exerted, wherein the actuators have different masses or material properties, wherein the compensation signal ( 28 ) with the exception of a constant offset U 0 substantially proportional to the control signal ( 16 ) is (U 2 (t) = U 0 + αU 1 (t)), where the proportionality constant α in accordance with
Figure 00130001
where c i is the coefficient of change in length and m i is the effective mass of the actuators ( 12 . 22 ) and wherein the proportionality constant α is positive when the two actuators ( 12 . 22 ) on opposite surfaces of the support element ( 14 ) are arranged.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Proportionalitätskonstante α durch folgende zusätzlichen Verfahrensschritte geregelt wird: – Messung der Position X(t) des Trägerelementes (14); – Bildung des Produktes X(t)U1(t); – Mittlung des Produktes X(t)U1(t) in einem geeigneten Zeitfenster; – Korrektur der Proportionalitätskonstante α in Abhängigkeit des gemittelten Produktes X(t)U1(t).A method according to claim 7, characterized in that the proportionality constant α is controlled by the following additional method steps: - Measurement of the position X (t) of the carrier element ( 14 ); - formation of the product X (t) U 1 (t); Averaging of the product X (t) U 1 (t) in a suitable time window; Correction of the proportionality constant α as a function of the averaged product X (t) U 1 (t).
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