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
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
Aus der
Aus der
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 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 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 (
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:
Im vorliegenden Fall sind die Eigenschaften der beiden Piezoaktuatoren
Um die zugehörige Proportionalitätskonstante α zu bestimmen, wird die Länge der Piezoaktuatoren
Die einzigen äußeren Kräfte sind die Dämpfungskraft –δẊ und die Rückstellkraft –kX. Damit ist die Bewegungsgleichung für die Schwerpunktbewegung:
Nach zweimaliger Ableitung der Zwangsbedingungen und Einsetzen in die Bewegungsgleichung ergibt sich folgende Gleichung:
Nach Ausführung einer Fouriertransformation ergibt sich:
Damit führtzu X = 0. Dies ist die Trivialbedingung, bei welcher eine vollständige Kompensation erreicht wird. ist somit die erforderliche Proportionalitätskonstante α, mit welcher das Steuersignal
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
Um eine geeignete Kompensation auch im laufenden Betrieb zu erreichen, wird die Positioniervorrichtung
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein zweiter Positionssensor an die Kompensationsmasse
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)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20110923 |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |