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Die
Erfindung betrifft eine piezoelektrische Bewegungseinrichtung, insbesondere
einen Motor, mit einer piezoelektrischen Vorrichtung, die einen
Bewegungsausführungsbereich
und zwei Klemmbereiche aufweist, und mit einem Bewegungskörper, der
auf oder in einem Lager oder der piezoelektrischen Vorrichtung gelagert
ist, wobei ein Klemmbereich ausgestaltet ist oder beide Klemmbereiche
ausgestaltet sind, um eine Kraft in Richtung des Bewegungskörpers, insbesondere
queraxial zu einer Längsachse
der piezoelektrischen Vorrichtung, auf den Bewegungskörper auszuüben.
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Eine
derartige piezoelektrische Bewegungseinrichtung ist bekannt. Es
handelt sich hierbei um den so genannten Inchworm der Firma EXFO,
vormals Burleigh Instruments, Inc., East Worchester, N.Y.
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Der
Inchworm ist beispielsweise in der
US 3,902,084 A und der
US 3,902,085 A ausführlich beschrieben.
Es handelt sich hierbei um eine piezoelektrische Bewegungseinrichtung
mit einer Piezoröhre bzw.
einer piezoelektrischen Vorrichtung, in der ein Schaft bzw. ein
Bewegungskörper
in der Röhre
eingebracht ist. Um den Schaft bzw. den Bewegungskörper translatorisch
zu bewegen, wird ein Endbereich der Piezoröhre durch Anlegen einer Spannung
vom lichten Durchmesser her verkleinert, so dass eine Klemmung des
Bewegungskörpers
stattfindet. Anschließend
wird ein Mittelbereich der Piezoröhre ausgedehnt oder zusammengezogen. Für dieses
Beispiel wird angenommen, dass der Mittelbereich verlängert wird.
Es wird dann auch der andere Endbereich vom lichten Durchmesser
her durch Anlegen einer Spannung verkleinert, um den Bewegungskörper einzuklemmen.
Anschließend
wird der erste Endbereich geöffnet
und der Mittelbereich in längsaxialer Richtung
zusammengezogen, um so eine Bewegung des Bewegungskörpers in
längsaxialer
Richtung zu ermöglichen.
Anschließend
wird wieder der erste Endbereich in radialer Richtung bzw. quer
zur längsaxialen Richtung
verkleinert, d.h. der lichte Durchmesser verkleinert, um den Bewegungskörper zu
klemmen und der zweite Endbereich wieder geöffnet bzw. die Klemmung beendet,
so dass die Bewegungen von vorne beginnen können. Insgesamt ergibt sich
eine schrittweise Bewegung des Bewegungskörpers in längsaxialer Richtung.
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Der
Inchworm gemäß diesen
beiden US-Patentschriften ist sehr stabil, ist allerdings auch verbesserungsfähig. Zum
einen ist die Auslenkung in radialer Richtung bzw. die Durchmesserverkleinerung
beim Klemmen des Bewegungskörpers
relativ klein, so dass bei tiefen Temperaturen eine sichere Klemmung
nicht gewährleistet
sein kann. Außerdem
reibt das Piezomaterial am Bewegungskörper, so dass ein relativ hoher
Verschleiß gegeben
ist. Schließlich
ist ausschließlich
eine translatorische Bewegung möglich.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Einsatzbereich einer
entsprechenden piezoelektrischen Bewegungseinrichtung zu erweitern
und die Handhabung eines Bewegungskörpers der piezoelektrischen
Bewegungseinrichtung sicherer zu gestalten.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch eine piezoelektrische Bewegungseinrichtung,
insbesondere einen Motor, mit einer piezoelektrischen Vorrichtung,
die einen Bewegungsausführungsbereich
und zwei Klemmbereiche aufweist, und mit einem Bewegungskörper, der
auf oder in einem Lager oder der piezoelektrischen Vorrichtung gelagert
ist, wobei ein Klemmbereich ausgestaltet ist oder beide Klemmbereiche
ausgestaltet sind, um eine Kraft in Richtung des Bewegungskörpers, insbesondere
queraxial zu einer Längsachse
der piezoelektrischen Vorrichtung, auf den Bewegungskörper auszuüben, wobei
der Bewegungsausführungsbereich
ein piezoelektrischer Körper
ist und die Klemmbereiche jeweils wenigstens einen piezoelektrischen
Körper
und einen weiteren Körper
umfassen, die miteinander, insbesondere über Kontaktflächen, verbunden
sind.
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Durch
die erfindungsgemäße piezoelektrische
Bewegungseinrichtung und insbesondere dadurch, dass die Klemmbereiche
jeweils wenigstens einen piezoelektrischen Körper und einen weiteren Körper umfassen,
die miteinander über
Kontaktflächen
verbunden sind, ist eine viel größere Ausdehnung
bzw. Verbiegung in Richtung auf den Bewegungskörper erzielbar, da analog des
Effekts der Verbiegung bei einem Bimetall eine entsprechend große Ausdehnung
ermöglicht
ist. Hierbei kann der weitere Körper
aus einem Material ohne Piezoeffekt bzw. Elektrostriktionseffekt
sein. Vorzugsweise ist der weitere Körper ein piezoelektrischer
Körper, da
durch eine Art Zweielement-Piezokörper, der in der Literatur „Bimorph" genannt wird, die
Auslenkung in Richtung des Bewegungskörpers im Vergleich zu dem Inchworm
deutlich erhöht
ist. Es kann zudem eine größere Kraft
beim Klemmen erfolgen. Hierdurch erhöht sich insbesondere der Einsatzbereich
der piezoelektrischen Bewegungsein richtung auch zu tiefen Temperaturen
hin, da die Verringerung des piezoelektrischen Koeffizienten zu
tiefen Temperaturen durch den stärkeren
Verbiegungseffekt und dadurch die stärkere Kraftausübung auf
den Bewegungskörper
mehr als kompensiert werden kann.
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Unter
dem Begriff Piezoeffekt wird im Rahmen der Erfindung insbesondere
auch der Effekt der Elektrostriktion, also der dem Piezoeffekt entgegengesetzte
Effekt verstanden. Eine piezoelektrische Bewegungseinrichtung ist
somit insbesondere auch eine Bewegungseinrichtung, die aufgrund
von Bewegungen von piezoelektrischen Kristallen bzw. einem piezoelektrischen
Material aufgrund des Anlegens elektrischen Potentials oder einer
Spannung geschieht.
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Der
Bewegungsausführungsbereich
ist im Rahmen der Erfindung insbesondere der Bereich der piezoelektrischen
Vorrichtung, der für
eine translatorische und/oder rotatorische Bewegung des Bewegungskörpers verantwortlich
ist.
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Im
Rahmen der Erfindung ist die Längsachse
insbesondere entlang der längsten
Ausdehnung der piezoelektrischen Vorrichtung ausgerichtet.
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Vorzugsweise
sind die Normalen der Kontaktflächen
im Wesentlichen parallel zur Richtung der ausgeübten Kraft angeordnet. Hierdurch
ergibt sich ein klassischer Zweielement-Körper bzw. ein Bimorph. Dieses kann
als eine Art Sandwich verstanden werden, wobei zwischen den beiden
Piezokörpern
ein Klebstoff vorgesehen sein kann.
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Vorzugsweise
ist zwischen den zwei piezoelektrischen Körpern der Klemmbereiche eine
Elektrode angeordnet. Es sind ferner vorzugs weise auf den entgegen
gesetzten Seiten der piezoelektrischen Körper, also den Flächen, die
parallel zu der Kontaktfläche
sind, Elektroden angeordnet.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform,
die eigenständigen
erfinderischen Charakter hat, liegt dann vor, wenn an wenigstens
einem piezoelektrischen Körper
eines Klemmbereichs an der Oberfläche, die benachbart zum Bewegungskörper angeordnet
ist, ein Zwischenkörper
aus einem anderen Material als der piezoelektrische Körper vorgesehen
ist. Dieses andere Material kann beispielsweise abriebfest sein
und/oder eine größere Reibung
zum Bewegungskörper
aufweisen, so dass beim Kontakt des Zwischenkörpers zum Bewegungskörper anstelle
eines Kontaktes eines Piezomaterials zum Bewegungskörper ein
deutlich geringerer Verschleiß an
der Grenzfläche
zwischen dem Bewegungskörper
und dem Zwischenkörper
entsteht bzw. die Bewegung verlässlicher
wird. Hierdurch kann die Lebensdauer der piezoelektrischen Bewegungseinrichtung deutlich
erhöht
werden.
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Vorzugsweise
ist der Zwischenkörper
mit einem piezoelektrischen Körper
verbunden und insbesondere vorzugsweise verklebt.
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Eine
besonders elegante Lösung
der Aufgabe liegt dann vor, wenn das Lager Teil der piezoelektrischen
Vorrichtung ist. Dieses kann beispielsweise dann gegeben sein, wenn
die piezoelektrische Vorrichtung eine piezoelektrische Röhre umfasst
oder zwei parallele piezoelektrische Stäbe, die durch ein weiteres
Material oder piezoelektrisches Material an den jeweiligen längsaxialen
Seitenflächen
verbunden sind, vorgesehen ist, und der Bewegungskörper innerhalb
einer derartigen piezoelektrischen Vorrichtung angeordnet ist. Vorzugsweise
ist die piezoelektrische Vorrichtung ein langer, an den Endbereichen
bzw. Klemmbereichen offener Hohlkörper. Insbeson dere vorzugsweise
ist der Hohlkörper
eine, insbesondere zylindrische, Röhre.
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Äußerst effizient
wird die Aufgabe dadurch gelöst,
dass die piezoelektrische Vorrichtung in den Klemmbereichen längsaxial
geschlitzt ausgeführt
ist. Durch Vorsehen von Schlitzen in den Klemmbereichen, insbesondere
im Fall eines Hohlkörpers,
kann die stärkere
Auslenkung der Zweischicht-Piezokörper sehr gut auf den Bewegungskörper übertragen
werden, so dass eine entsprechend große Haltekraft ermöglicht ist.
Das Vorsehen von Schlitzen im Klemmbereich eines Hohlkörpers bzw.
einer Röhre
hat auch eigenständigen
erfinderischen Charakter.
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Vorzugsweise
erstreckt sich der Bewegungsausführungsbereich
längsaxial
im Wesentlichen über
die gesamte piezoelektrische Vorrichtung.
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Die
Aufgabe wird ferner durch eine piezoelektrische Bewegungseinrichtung
gelöst,
wobei eine piezoelektrische Vorrichtung vorgesehen ist, die einen
Bewegungsausführungsbereich
und zwei Klemmbereiche aufweist und einen Bewegungskörper, der
auf oder in einem Lager oder der piezoelektrischen Vorrichtung gelagert
ist, wobei ein Klemmbereich ausgestaltet ist oder beide Klemmbereiche
ausgestaltet sind, um eine Kraft in Richtung des Bewegungskörpers, insbesondere
queraxial zu einer Längsachse
der piezoelektrischen Vorrichtung, auf den Bewegungskörper auszuüben, wobei
der Bewegungsausführungsbereich
der piezoelektrischen Vorrichtung wenigstens eine Elektrode aufweist,
die schräg
zur Längsachse
der piezoelektrischen Vorrichtung angeordnet ist. Vorzugsweise ist
zu der wenigstens einen Elektrode jeweils eine weitere Elektrode
vorgesehen, die als Gegenelektrode fungiert. Es kann auch eine einzige
Gegenelektrode vorgesehen sein, die beispielsweise auf Masse li egt.
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Durch
Vorsehen einer derartigen schräg
angeordneten Elektrode im Bewegungsausführungsbereich ist es erstmalig
möglich,
mit einer entsprechenden piezoelektrischen Bewegungseinrichtung
eine rotative Bewegung des Bewegungskörpers und auch eine translatorische
Bewegung des Bewegungskörpers
zu erreichen. Schräg
zur Längsachse
angeordnet bedeutet im Rahmen der Erfindung insbesondere auch schräg zu einer
parallel zur Längsachse
angeordneten Achse und insbesondere in einem Winkel zur Längsachse
vorzugsweise zwischen 10° und
80°, insbesondere
vorzugsweise im Bereich von 30° bis
60° und
weiterhin insbesondere vorzugsweise im Bereich von ca. 45°. Die Winkel
hängen
von der Länge
des Bewegungsausführungsbereichs
längsaxial
zur Längsachse
ab und der Breite quer hierzu bzw. im Falle einer Röhre der
Mantelbreite, die, sofern diese abgerollt wäre, auch queraxial zur Längsachse
angeordnet wäre.
Der Winkel hängt
ferner naturgemäß auch davon
ab, wie viele schräg
angeordnete Elektroden quer zur Längsachse des Mittelbereiches bzw.
der piezoelektrischen Vorrichtung insbesondere auf dem Umfang angeordnet
sind und wie groß die
Breite der Elektrode ist und ob die Breite entlang der schrägen Anordnung
gleich bleibend ist oder sich vergrößert oder verkleinert.
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Vorzugsweise
sind mehrere Elektroden schräg
zur Längsachse
der piezoelektrischen Vorrichtung angeordnet, wobei diese insbesondere
in längsaxialer
Richtung hintereinander und/oder im Wesentlichen senkrecht hierzu
nebeneinander angeordnet sind. Im Wesentlichen senkrecht hierzu
nebeneinander bedeutet im Rahmen der Erfindung insbesondere auch
radial nebeneinander. Für
den Fall, dass die piezoelektrische Vorrichtung einen Piezokörper aufweist,
der in Form eines Stabes vorliegt, beispielsweise eines quaderförmigen Stabes,
können
so mehrere Elektroden im Wesentlichen senkrecht zu Längsachse
nebeneinander angeordnet sein. In einem Fall, in dem die piezoelektrische
Vorrichtung einen Hohlkörper
als piezoelektrischen Körper
umfasst, ist mit im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse gemeint, dass diese
auf der Mantelfläche,
so diese abgerollt ist, im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse
nebeneinander angeordnet sind. Es ist auch eine Ausgestaltung denkbar,
bei der die Elektroden wendelförmig
bzw. spiralförmig
nebeneinander angeordnet sind.
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Vorzugsweise
ist der Bewegungskörper
drehbar gelagert. Besonders bevorzugt ist die piezoelektrische Bewegungseinrichtung
dann, wenn wenigstens eine Elektrode wenigstens abschnittsweise
spiralförmig ist.
Vorzugsweise sind jeweils Paare von schräg angeordneten Elektroden vorgesehen,
die unterschiedlich zueinander ausgerichtet sind, beispielsweise
entgegengesetzt relativ zur Längsachse
der piezoelektrischen Vorrichtung oder zueinander verkippt. Vorzugsweise
sind wenigstens zwei Elektroden um eine Ebene, die die Längsachse
und eine gemeinsame Grenzlinie umfasst, spiegelsymmetrisch angeordnet.
In diesem Fall kann sehr einfach eine translatorische Bewegung des
Bewegungskörpers
erzielt werden aber auch eine gleichweite Links- oder Rechtsdrehung
erfolgen. Die Bewegungen erfolgen hierbei schrittweise. Besonders
einfach und elegant ist die piezoelektrische Bewegungseinrichtung
dann, wenn der piezoelektrische Körper des Bewegungsausführungsbereichs
einstückig
mit einem piezoelektrischen Körper
eines Klemmbereiches ist.
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Die
piezoelektrische Bewegungseinrichtung, die vorstehend beschrieben
wurde, wird vorzugsweise zur Erzeugung einer translatorischen und/oder
rotatorischen Bewegung des Bewegungskörpers verwendet.
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Es
ist ferner erfindungsgemäß ein Verfahren
zur Manipulation eines Bewegungskörpers in oder an einer piezoelektrischen
Bewegungseinrichtung, die vorstehend beschrieben wurde, angegeben,
wobei zur längsaxialen
Ausdehnung oder Verkürzung
des Bewegungsausführungsbereiches
der piezoelektrischen Vorrichtung an die schräg zur Längsachse angeordneten Elektroden
des Bewegungsausführungsbereichs
gleichgesinnte elektrische Potentiale bzw. Spannungen insbesondere
relativ zur Innenelektrode angelegt werden. Hierdurch kann sich
eine Translation des Bewegungskörpers
ergeben, wobei dieser dargestellte Verfahrensschritt den Verfahrensschritten,
die vorstehend beschrieben wurden, entsprechen, bei dem der Bewegungsausführungsbereich
längsaxial
ausgedehnt oder verkürzt
wurde. Es können
somit die an sich vom Inchworm aus den genannten US-Schriften bekannten
Verfahrensschritte zur Vervollständigung
des Verfahrens zur Manipulation eines Bewegungskörpers angewendet werden.
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Die
Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Manipulation eines Bewegungskörpers in
oder an einer piezoelektrischen Bewegungseinrichtung, die vorstehend
beschrieben wurde, gelöst,
wobei zur Rotation des Bewegungskörpers die im Bewegungsausführungsbereich
der piezoelektrischen Vorrichtung relativ zur Längsachse quer oder im Wesentlichen
senkrecht hierzu bzw. radial nebeneinander angeordnete Elektroden mit örtlich alternierenden
elektrischen Potentialen versorgt werden.
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Vorzugsweise
wirkt die Ausdehnung oder Verkürzung
und/oder eine Verdrehung des Bewegungsausführungsbereichs mit dem Klemmen
und Öffnen
von zwei Klemmbereichen derart zusammen, dass eine Rotations- und/oder
Translationsbewegung des Bewegungskörpers erfolgt.
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemei nen Erfindungsgedankens
anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Bezüglich aller
im Text nicht näher
erläuterten
erfindungsgemäßen Einzelheiten
wird ausdrücklich
auf die Zeichnungen verwiesen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer piezoelektrischen Bewegungseinrichtung
gemäß dem Stand
der Technik zur Erklärung
des Klemmmechanismus des Inchworm gemäß
US 3,902,084 A bzw.
US 3,902,085 A ,
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2 eine
schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen Bewegungseinrichtung
zur Erklärung
des Klemmmechanismus,
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3 einen
Teil einer piezoelektrischen Bewegungseinrichtung gemäß 2 in
einer schematischen Schnittdarstellung,
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4 eine
schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Bewegungseinrichtung in einer anderen Ausführungsform,
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5 schematisch
die piezoelektrische Bewegungseinrichtung gemäß 4 in Klemmposition,
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6 eine
schematische Draufsicht eines Teils der piezoelektrischen Bewegungseinrichtung
aus den 4 und 5,
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7 eine
erfindungsgemäße piezoelektrische
Bewegungseinrichtung in schematischer Schnittdar stellung in einer
weiteren Ausführungsform,
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8 den
Ausschnitt A1 aus 7 in schematischer Darstellung,
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9 eine
schematische Schnittdarstellung einer weiteren erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Bewegungseinrichtung,
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9a eine
schematische Darstellung des Ausschnitts A2 aus 9,
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10 eine
schematische Darstellung eines entsprechenden Ausschnitts wie in 9a in
einer anderen Ausführungsform,
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11 eine
schematische dreidimensionale Darstellung eines Teils einer weiteren
erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Bewegungseinrichtung, die auch der Ausführung gem. 7 entsprechen
kann,
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12 eine
schematische Darstellung der Abrollung eines Teils der piezoelektrischen
Bewegungseinrichtung gemäß 11 in
einer Ebene,
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13a)–d)
Spannungs-über-Zeit
Diagramme der an Elektroden angelegten Spannungen U, und
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14 eine
weitere in die Zeichenebene abgerollte Mantelfläche eines Teils einer weiteren
piezoelektrischen Bewegungseinrichtung gemäß einer weite ren erfindungsgemäßen Ausführungsform.
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1 zeigt
eine schematische Seitenansicht einer bekannten piezoelektrischen
Bewegungseinrichtung gemäß der
US 3,902,084 A bzw.
US 3,902,085 A .
1 dient
zur Erläuterung
des Klemmmechanismus des in diesen Dokumenten beschriebenen so genannten
Inchworm bei der piezoelektrischen Bewegungseinrichtung gemäß dem Stand
der Technik. Der Innendurchmesser der Piezoröhre
10 ist mit D dargestellt.
Die Piezoröhre
10 hat
eine Dicke bzw. Höhe
h des Piezomaterials. Es ist eine erste Elektrode
25 im
Außenmantelbereich
dargestellt und eine zweite Elektrode
26 im Innenmantelbereich.
Außerdem
ist in
1 schematisch der Bewegungskörper
11 in Form eines
zylindrischen Schaftes dargestellt. Wird nun eine Spannung U zwischen
der ersten Elektrode
25 und der zweiten Elektrode
26 angelegt,
verändert
sich die der Innendurchmesser D gemäß der folgenden Formel
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Bei
Verwendung eines weichen Piezomaterials, beispielsweise PZT (Bleizirkonattitanat;
Bleizirkonat; Bleititanat), beispielsweise PZT-5H, das einen großen piezoelektrischen Koeffizienten
d31 bei Raumtemperatur von ungefähr 2,7 × 10–8 cm/V
aufweist, und bei einer relativen hohen elektrischen Feldintensität von 4kV/cm würde die Änderung
des Durchmessers ΔD = 1.1 × 10–4 D (2)betragen.
Das Piezomaterial PZT-5H oder andere Piezomaterialien sind beispielsweise
in Chen, C.J., Introduction to Scanning Tunneling Microscopy, Chapter
9 und Appendix F, Oxford Univ. Press 1993, offenbart.
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Für eine Piezoröhre mit
einem Durchmesser von 1 cm würde
die Änderung
des Durchmessers 1 μm bedeuten
und somit eine Auslenkung der Piezoröhre zum Bewegungskörper 11 hin
von 0,5 μm.
Dieses erfordert also beim Stand der Technik eine sehr hohe Genauigkeit
bei der Herstellung und entsprechend niedrige Toleranzen. Derart
niedrige Toleranzen sind notwendig, um ein effektives Klemmen des
Bewegungskörpers
zu ermöglichen.
Die Toleranzen müssen
deutlich kleiner als 1 μm
sein. Aufgrund dieser geringen Ausdehnung kann ein Inchworm auch
nur schwer bei tiefen Temperaturen Verwendung finden. Zum einen
ist der thermische Ausdehnungskoeffizient bei einem typischen piezokeramischen
Material bei 5 × 10–6/K.
Das heißt,
dass bei einer Temperatuaränderung
von 260 K eine Durchmesseränderung
von ΔD = 1.3 × 10–3 D (3)erfolgen
würde.
Sofern also die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der Piezoröhre 10 und des
Bewegungskörpers 11 mehr
als 10 % betragen würde,
könnte
der Klemmmechanismus nicht mehr korrekt funktionieren. Außerdem sind
die piezoelektrischen Koeffizienten der Piezokeramiken bei niedrigen
Temperaturen deutlich verringert. Für das Material PZT-5H reduziert
sich der piezoelektrische Koeffizient auf 0,5 × 10–8 cm/V
bei 260 K unter Raumtemperatur. Dies ist 1/5 des Wertes bei Raumtemperatur.
Hierdurch ergibt sich eine Reduzierung der Änderung des Durchmessers wie
folgt ΔD = 2 × 10–5 D (4)
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Sofern
also die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des
Bewegungskörpers 11 und des
Piezomaterials der Piezoröhre 10 mehr
als 2 % beträgt,
ist der Klemmmechanismus des Inchworm nicht mehr gewährleistet.
Außerdem
entsteht ein relativ hoher Abrieb des piezoelektrischen Material
aufgrund der Reibung mit dem Bewegungskörper 11, so dass die
Lebensdauer für
den Inchworm seitens des Herstellers auf 2000 m beschränkt wird,
was insbesondere bei Anwendungen im Weltraum oder bei Rastertunnelmikroskopen oder
Rasterkraftmikroskopen zu einer deutlichen Beschränkung der
Lebensdauer entsprechender Instrumente mit einem Inchworm führt. Außerdem ist
die relativ kleine Durchmesseränderung
zum Klemmen des Bewegungskörpers,
die der Inchworm ausführt,
problematisch.
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Demgegenüber ist
der Klemmmechanismus, der gemäß der Erfindung
vorgesehen ist, deutlich verlässlicher
und auch bei tiefen Temperaturen ermöglicht. Zur Erläuterung
dieses Teils der Erfindung wird insbesondere auf die 2 und 3 sowie 7 und 11 verwiesen.
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Gemäß der Erfindung
wird in dem Ausführungsbeispiel
der 2 und 3 ein geschlitzter Zylinder bzw.
eine geschlitzte Röhre
verwendet, die im Bereich des Klemmens des Bewegungskörpers 11 ein
piezoelektrisches Material aus zwei Schichten aufweist.
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2 zeigt
eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Klemmmechanismus
einer piezoelektrischen Vorrichtung. 3 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung der Ausführungsform gemäß 2 bzw.
einen Teil einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Motors in einer Drehung um 90°.
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Es
ist erkennbar, dass anstelle einer einfachen Piezoröhre zum
Klemmen eine doppelte Piezoröhre (bzw.
eine Piezoröhre
aus zwei Piezoschichten) mit einem Kragen 14 Verwendung
findet, wobei die Zweischicht-Piezoröhre, die auch als Bimorph bezeichnet
wird, eine äußere Piezoröhre 12 und
eine innere Piezoröhre 13 umfasst,
die miteinander verbunden sind, und zwar an einer Kontaktfläche 31.
Tatsächlich
ist in diesem Ausführungsbeispiel
an den Kontaktflächen 31 der äußeren Piezoröhre 12 und
der inneren Piezoröhre 13 eine
Mittelelektrode 32 vorgesehen. Es sind außerdem eine äußere Elektrode 25 und
eine innere Elektrode 26 vorgesehen.
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Die
Zweischicht-Piezoröhre
ist an dem einen Ende mit einer Halterung 16 versehen,
die eine Fixierung der Lage der Piezoröhre ermöglicht. Die Schlitze 17 können in
einer Länge
L wie dargestellt vorgesehen sein. Diese können allerdings auch kürzer oder
länger
sein. Es ist außerdem
ein Kragen 14 vorgesehen, der aus einem anderen Material
als einem piezoelektrischen Material besteht, um beispielsweise
den Abrieb mit dem Bewegungskörper 11 zu
verringern. Es ist außerdem
zur besseren Veranschaulichung eine Längsachse 15 dargestellt.
Die Halterung 16 kann ein Haltering sein. Vorzugsweise
ist die Piezoröhre
entlang der Länge
des Halterings nicht geschlitzt. Der Kragen 14 ist in einer
Länge b
ausgestaltet. Der Kragen 14 ist auch entsprechend geschlitzt.
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Beide
Piezoröhren 12 und 13 sind
in der gleichen radialen Richtung gepolt. Diese werden allerdings mit
elektrischen Feldern vorzugsweise in gleicher Größe allerdings in entgegengesetzte
Richtungen versetzt. Aus diesem Grund funktioniert die Zweischicht-Piezoröhre bzw.
funktioniert die Ausführungsform
gemäß 2 und 3 wie
ein Bimorph. Es sind auch Piezoröhren 12, 13 denkbar,
die entgegengesetzt elektrisch polarisiert sind und an die die gleiche
Spannung von der Richtung der elektrischen Felder her angelegt wird.
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Unter
der Annahme, dass die Breite des Kragens b deutlich kleiner ist
als die Länge
der geschlitzten Piezoröhre,
kann die radiale Auslenkung der Piezoröhre und damit die radiale Auslenkung
des Kragens
14 wie folgt dargestellt werden:
wobei L die Länge des
geschlitzten Teils der Piezoröhre
ist und h die Dicke der ineinander liegenden Piezoröhren
12,
13 bzw.
die Dicke der Zweischicht-Piezoröhre.
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Da
die radiale Auslenkung proportional zum Quadrat von L/h ist, kann
diese eine Größenordnung
größer als
bei einer Piezoröhre
gemäß dem Stand
der Technik sein. Aus diesem Grund können sogar harte piezoelektrische
Keramiken Verwendung finden, die üblicherweise einen geringeren
piezoelektrischen Koeffizienten aufweisen, beispielsweise EBL PZT-8
mit einem d31 von ≈ 1,0 × 10–8 cm/V.
Bei Anwendung von 400 V und den Dimensionen L = 1 cm, h = 0,075
cm ergibt sich eine radiale Auslenkung von ΔD ≈ 21 μm.
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Dieses
ist ungefähr
40-mal so groß wie
beim Klemmmechanismus des Inchworm. Bei der Temperatur von flüssigem Helium
(4,2K) ist der piezoelektrische Koeffizient von PZT-8 um den Faktor
2 reduziert. Die radiale Auslenkung verbleibt trotz allem bei ungefähr 10 μm, also ein
Faktor von 20 größer als
bei dem Klemmmechanismus des Inchworm bei einem weichen piezoelektrischen
Material, also bei einem Material, das an sich einen größeren piezoelektrischen
Koeffizienten aufweist.
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Die
Vergrößerung der
radialen Auslenkung zum Klemmen löst auch das möglicherweise
vorhandene Problem im Hinblick auf die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient
von PZT-8 liegt bei 3 bis 4 × 10–6/K
und das von Aluminiumoxid (alumina), das ein bevorzugtes Material für den Bewegungskörper 11 ist,
beträgt
ungefähr
2 × 10–6/K.
Die Differenz ist < 2 × 10–6/K.
Für eine
Röhre mit einem
Durchmesser von 1 cm wäre
somit die Durchmesseränderung
in einem Bereich von 0°K
bis 300°K
weniger als 6 μm,
so dass die radiale Auslenkung sich weni ger als 3 μm ändert. Dieses
ist deutlich geringer als die radiale Auslenkung des Klemmkragens 14 durch
die Piezoröhren 12 und 13 von
10 μm.
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Damit
ist auch der Effekt des Verschleißes deutlich reduziert. Bei
einem Verschleiß bzw.
Abrieb von 0,5 μm
würde bei
den obigen Beispielen der Inchworm nicht mehr funktionieren. Ein
derartiger Abrieb hätte allerdings
auf die erfindungsgemäße Vorrichtung
im Hinblick auf das Klemmen des Bewegungskörpers 11 im Wesentlichen
keine Auswirkung. Außerdem
kann beispielsweise durch die geschlitzte Ausführung ein Saphir oder Al2O3 oder allgemein
Aluminiumoxid (alumina) als Bewegungskörper 11 Verwendung
finden und auch als Kragen 14, so dass sich der Abrieb
noch deutlicher verringert.
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Da
ferner die radiale Auslenkung zum Klemmen gemäß der Erfindung deutlich größer ist,
ist es außerdem
möglich,
den Kragen immer in Kontakt mit dem Schaft bzw. dem Bewegungskörper 11 zu
halten, und zwar auch ohne Anlegen einer Spannung. Auch auf diese
Weise sollte die erfindungsgemäße Vorrichtung
noch ordnungsgemäß funktionieren.
Beispielsweise könnte
der innere Durchmesser des Kragens 14 im spannungslosen
Zustand ein klein wenig kleiner sein als der äußere Durchmesser des Bewegungskörpers 11 und
ein Öffnen
nur durch Anlegen einer entsprechenden Spannung ermöglicht sein.
Die entgegen gesetzte Spannung würde
dann zu einer Verstärkung
des Drucks des Kragens 14 auf den Bewegungskörper 11 führen.
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In
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 ist
eine Sektorierung in vier Sektoren, d.h. ein Schlitzen der Röhre bzw.
Röhren
mit vier Schlitzen 17 vorgesehen. Die Steifigkeit einer
derartigen Ausführungsform
ist größer als
die Steifigkeit in einer Ausführungsform
mit beispielsweise sechs Schlitzen aber kleiner als mit beispielsweise
drei Schlitzen. Für
PZT-8 mit einem Young Modul von 8,7 × 106 N/cm2 mit einem Klemmmechanismus, der einen Radius
von 0,65 cm aufweist, einer Dicke des Zweischicht-Piezokörpers (Dicke
der äußeren Piezoröhre 12 zzgl.
Dicke der inneren Piezoröhre 13 und
ggf. zzgl. der Dicke der Zwischenschicht in Form der Mittelelektrode 32 und
etwaigem Klebstoff) von 0,075 cm und einer Länge L von 1 cm wäre die Steifigkeit
K ≈ 2,57 N / μm.
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Bei
einer Temperatur von Flüssig-Helium
ist die radiale Auslenkung 10 μm.
Aus diesem Grund ist die Kraft, die angewendet werden kann, 25 N.
Der Reibungskoeffizient von Saphir auf Saphir ist 0,2. Aus diesem Grund
beträgt
die Haltekraft 5 N. Da zwei Klemmvorrichtungen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beispielsweise gemäß 4 bis 7 und
auch gem. 7, 9 und 11 vorgesehen
sind, kann die Vorrichtung ungefähr
1 kg an Gewicht halten oder heben. Die Steifigkeit des Inchworm
ist zwar etwas größer, nämlich typischerweise
bei 10 N/μm,
die Steifigkeit der piezoelektrischen Vorrichtung gemäß der Erfindung
ist allerdings größer als
die meisten ähnlichen
Vorrichtungen und auf jeden Fall ausreichend für Anwendungen beim Rastertunnelmikroskop
und Rasterkraftmikroskop als auch bei extraterrestrischen Anwendungen.
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5 zeigt
eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Motors in einer schematischen Schnittdarstellung, wobei zur besseren
Veranschaulichung zwischen der piezoelektrischen Vorrichtung 6 umfassend
den Piezostab 20 und den beiden inneren Piezokörpern 12 und
dem Bewegungskörper 11 ein Abstand
dargestellt ist. Es ist eine Darstellung gewählt worden, bei der keine elektrische
Spannung an die Piezoelemente angelegt ist. Der Bewe gungskörper 11 lagert
auf zwei Lagern 22, die mit einer Bodenplatte 24 verbunden
sind. 6 zeigt eine entsprechende schematische Schnittdarstellung
gemäß 5,
wobei allerdings an beiden Enden der piezoelektrischen Vorrichtung 6 eine
elektrische Spannung angelegt ist, so dass eine Verbiegung der Endbereiche 19 erfolgt.
Im Mittelbereich 18, der dem Bewegungsausführungsbereich
entspricht, ist die piezoelektrische Vorrichtung 6 mit
einem Halter 23 fixiert. Eine längsaxiale Bewegung des Bewegungskörpers 11 in
dem Zeichenblatt der 5 und der 6 nach
links oder nach rechts kann auf übliche Art
und Weise geschehen wie bei einem Inchworm. Die Verbiegung der Endbereiche 19 aufgrund
des Anlegens von Spannung ist grundsätzlich sehr schön in der
Veröffentlichung
Chen, C.J., Introduction to Scanning Tunneling Microscopy, Oxford
University Press, 1993, Seite 223, 224, dargestellt.
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6 zeigt
eine schematische Draufsicht auf die piezoelektrische Vorrichtung 6 aus
den 4 und 5. Es sind insbesondere die
beiden ersten Elektroden 25 und 25' dargestellt, die zum Verklemmen
des Bewegungskörpers 11 bzw.
zum Freilassen des Bewegungskörpers 11 dienen.
Es sind außerdem
eine erste Schrägelektrode 27 und
eine zweite Schrägelektrode 28 dargestellt,
die im Mittelbereich des Piezostabes 20 angeordnet sind.
Der Piezostab 20 kann wie in diesem Beispiel ausgeführt ist,
vollumfänglich
aus einem piezoelektrischen Material sein und außerdem einstückig, wie
in den Beispielen der 4 bis 6 dargestellt. Der
Piezostab kann allerdings auch aus mehreren piezoelektrischen Körpern bzw.
Körperteilen
oder -stücken bestehen
bzw. diese aufweisen, die aneinander geklebt sind bzw. auf andere
Art und Weise miteinander verbunden sind. Schließlich kann zwischen den piezoelektrischen
Körpern
ein anderes Material angewendet sein, das den Piezoeffekt nicht
zeigt. Außerdem
kann der Piezostab 20 in dem Bereich, der nicht durch eine
Elektrode bedeckt ist, auch aus einem anderen Ma terial hergestellt
sein.
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Die
Schrägelektroden 27 und 28 sind
spiegelsymmetrisch zu der Längsachse
des Piezostabs 20 angeordnet. Wenn nun eine Spannung zwischen
jeweils einer Gegenelektrode, von der in den 4 und 5 nur
eine mit der Bezugsziffer 26 dargestellt ist, und der ersten
Schrägelektrode 27 und
der zweiten Schrägelektrode 28 angelegt
wird, die gleichgerichtet ist, würde
sich das Piezomaterial, das im Bereich der Elektroden 27 und 28 angeordnet
ist, gleichförmig
ausdehnen oder zusammenziehen, so dass eine lineare Bewegung des Bewegungskörpers 11 ermöglicht ist.
Es kann auch nur eine Gegenelektrode vorgesehen sein, die gegenüber den
Elektroden über
die gesamte Fläche
oder einen Teil der Fläche
sich erstreckt. Um den Bewegungskörper 11 linear zu
bewegen, wird zunächst
beispielsweise das linke Klemmende 19 durch Anlegen einer
Spannung nach unten verbogen, um eine Kraft auf den Bewegungskörper 11 auszuüben. Es
wird dann eine Spannung an die Elektroden des Mittelbereichs 18 angelegt,
um beispielsweise den Mittelbereich zu kontrahieren. Es wird dann
eine Spannung an die Elektroden des rechten Klemmbereichs aus 5 angelegt,
um eine Kraft auf den Bewegungskörper 11 auszuüben. Es
wird dann die Klemmung im linken Klemmbereich 19 aus 5 aufgehoben
und anschließend
der Mittelbereich 18 durch entsprechendes Anlegen einer
Spannung ausgedehnt. Durch dieses Verfahren wird der Bewegungskörper 11 schrittweise
nach rechts in 5 bewegt. Die entsprechende
translatorische Bewegung geschieht bei einer Fixierung der piezoelektrischen
Vorrichtung 6 in der Mitte vom Mittelbereich 18 durch
den Halter 23 sowohl bei der Kontraktionsbewegung als auch
bei der Expansionsbewegung.
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Durch
Verwendung der Schrägelektroden 27 und 28 kann
allerdings auch eine Rotation des Bewegungskörpers 11 vorgenommen
wer den, sofern dieser drehbar im Lager 22 gelagert ist.
Hierzu müssen
derartige elektrische Spannungen an die Elektroden 27 und 28 angelegt
werden, dass sich das Piezomaterial im Bereich der ersten Schrägelektrode 27 zusammenzieht
bzw. ausdehnt und im Bereich der zweiten Schrägelektrode entsprechend andersherum
ausdehnt oder zusammenzieht. Hierdurch würde bei Fixierung des Piezostabs 20 an
den Halter 23 es zu einer Bewegung entsprechend der in 6 schematisch
angedeuteten Pfeile der Endstücke 19 des
Piezostabs 20 kommen. In 6 ist zur
besseren Veranschaulichung der Halter 23 nicht eingezeichnet.
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Durch
das Anlegen einer entgegengesetzt gerichteten Spannung ist es möglich, den
Bewegungskörper 11 in
eine Drehbewegung zu versetzen. Es ist somit möglich, mit der piezoelektrischen
Vorrichtung 6 bzw. dem piezoelektrischen Motor 5 eine
Linearbewegung und eine Rotationsbewegung des Bewegungskörpers 11 vorzusehen.
Der erfindungsgemäße Motor 5 integriert
somit in einer einzigen kompakten Bauform eine Linear- und eine
Rotationsbewegung.
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Eine
elegantere und stabilere erfindungsgemäße Ausführungsform ist in den 7, 9 und 11 dargestellt.
In diesen Figuren sind rotationssymmetrische piezoelektrische Vorrichtungen 6 dargestellt,
die einen rotationssymmetrischen Bewegungskörper 11 sowohl translatorisch
als auch drehend bewegen können.
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7 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
eines piezoelektrischen Motors 5. Es ist eine Piezoröhre 10 vorgesehen,
die einen Mittelbereich 18, der dem Bewegungsausführungsbereich
entspricht, der piezoelektrischen Vorrichtung 6 aufweist
und sich in die Endbereiche 19, 19' die den Klemmbereichen entsprechen,
hinein erstreckt. Im Endbereich 19 der Piezoröhre 10 ist
eine innere Piezoröhre 13 angeordnet und
außerdem
ein Kragen 14. Die Piezoröhre 10 und die innere Piezoröhre 13 sind
im Endbereich 19 mit Schlitzen ausgeführt, die nicht dargestellt
sind, allerdings entsprechend beispielsweise der 11 oder
der 2, wobei anstelle von vier Schlitzen auch drei
Schlitze, zwei Schlitze, fünf
Schlitze oder mehr Schlitze vorgesehen sein können.
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Bei
der Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels
soll von vier Schlitzen ausgegangen werden. Der Halter 23 ist
nicht zentral auf der Piezoröhre 10 angeordnet
sondern im Anfangsbereich eines Endbereichs der einen Seite. Der
Halter 23 kann allerdings auch an einer anderen Stelle
angebracht sein. In 8 ist zur besseren Veranschaulichung
der Ausschnitt A1 aus 7 schematisch dargestellt. Es
sind dort insbesondere auch die Kontaktflächen 31 dargestellt.
Es kann wie im Ausführungsbeispiel
der 3 auch eine entsprechende Anordnung der Elektroden
vorgesehen sein, also eine Mittelelektrode 32 im Bereich
der Kontaktflächen 31 und
eine äußere Elektrode 25 und
eine innere Elektrode 26, wobei die Polarisation des piezoelektrischen
Materials der Piezoröhre 10 und
der inneren Piezoröhre 13 gleich
ausgerichtet ist. Es wird dann eine entgegengesetzte Spannung an
die Elektroden angelegt, um ein Verbiegen der Zweischicht-Körper umfassend
die Körper 12 und 13 zu
erzielen. In diesem Ausführungsbeispiel
erstreckt sich die Piezoröhre 10 bis
in den Körper 12 hinein
bzw. der Körper 12 ist
Teil der Piezoröhre 10.
Es kann allerdings auch eine entgegen gesetzte Polarisation des
piezoelektrischen Materials vorgesehen sein und eine gleichgerichtete
Spannung angelegt werden, um diesen Effekt zu erzielen. Es kann
auch eine Ausführungsform
denkbar sein, bei der keine Mittelelektrode Verwendung findet sondern
lediglich eine Innenelektrode. In diesem Fall sollte die Polarisation
des piezoelektrischen Materials in der äußeren Piezoröhre und
der inneren Piezoröhre
wenigstens teilweise entgegen gesetzt sein.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
wird beispielsweise ein elektrisches Potential von +U an die äußere Elektrode 25 und
die innere Elektrode 26 angelegt und von 0 an die mittlere
Elektrode 32.
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Die
erfindungsgemäßen Vorrichtungen
haben den Vorteil, dass beide Endbereiche einen Druck auf den Bewegungskörper 11 ausüben können, allerdings
eine Seite einen größeren Druck
als die andere Seite, so dass bei einer Längenänderung des mittleren Bereichs
der Piezoröhre 10 oder
bei einer Verdrehung dieses mittleren Bereichs die Seite des Bewegungskörpers 11 durch
die Klemmung durchrutscht, an der eine geringere Kraft bzw. ein
geringerer Druck ausgeübt
wird. Hierdurch ist eine sehr genaue und verlässliche Bewegung des Bewegungskörpers 11 ermöglicht.
Durch den großen
erzielbaren Hub bzw. die große
erzielbare Auslenkung der Klemmbereiche können diese so weit geöffnet werden,
dass die Klemmung vollständig
aufgehoben wird.
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9 zeigt
eine etwas andere erfindungsgemäße Ausführungsform
eines piezoelektrischen Motors 5 in schematischer Schnittdarstellung,
wobei die Piezoröhre 10 ausschließlich zur
transversalen oder Rotationsbewegung des Bewegungskörpers 11 beitragen
kann, da der Teil der piezoelektrischen Vorrichtung 6,
der für die
Verklemmung des Bewegungskörpers 11 vorgesehen
ist, innerhalb der Piezoröhre 10 mit
einem Abstandshalter bzw. einem Verbindungsstück 29 an der Piezoröhre 10 angebracht
ist. 9a zeigt den Ausschnitt A2 aus 9 in
schematischer Schnittdarstellung zur besseren Veranschaulichung.
Es können über die
gesamte Piezoröhre 10 Elektroden
vorgesehen sein, die für
eine Drehbewegung und/oder eine translatorische Bewegung sorgen.
Der Halter 23 kann auch an anderer Stelle, beispielsweise
in der Mitte der Piezoröhre 10 angeordnet
sein.
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Die
Ausführungsform
gemäß 7 nutzt
also eine lange Piezoröhre 10 für die Bewegung
des Bewegungskörpers 11 und
den äußeren Bereich
dieser Röhre 10 für den Klemmmechanismus.
In der Ausführungsform
der 7 dient der äußere Bereich 12 der
Piezoröhre 10 zusammen
mit dem Piezokörper 13 zur
Klemmung des Bewegungskörpers 11.
Die beiden inneren Piezoröhren 13 werden
auf die Innenseite der langen Piezoröhre 10 im Bereich
der äußeren Piezoröhre 12 zusammen
mit dem Kragen bzw. den Kragen 14 eingeklebt. Der Zweischicht-Körper, der
die innere Piezoröhre 13 und
die äußere Piezoröhre 12 umfasst,
ist entsprechend wenigstens teilweise geschlitzt, und zwar längsaxial
zur Längsachse 15.
Es werden vorzugsweise drei oder vier Sektoren verwendet. Die Ausführungsform
gemäß 9 benutzt
zwei separate Bimorphs bzw. Zweischicht-Körper zum Klemmen und eine lange
Piezoröhre 10,
die für
die Bewegung zuständig
ist. Unter Zweischicht-Körper
wird im Rahmen der Erfindung ein Körper mit wenigstens zwei piezoelektrischen
Schichten verstanden.
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Die
innere Piezoröhre 13 und
die äußere Piezoröhre 12 werden üblicherweise
vor Befestigung an der Piezoröhre 10 gemäß 9 zusammengeklebt.
Außerdem
werden auch die entsprechenden Schlitze vor dem Anbringen in der
Piezoröhre 10 vorgenommen.
Eine elektrische Kontaktierung der Elektroden der äußeren und der
inneren Piezoröhre 12 und 13 kann über entsprechende Öffnungen
geschehen, die vorzugsweise durch das Verbindungsstück 29 bzw.
die Verbindungsstücke 29 und
den Kragen 14 vorgesehen sind (beispielsweise durch die
Schlitze hindurch).
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10 zeigt
eine andere Variante des Ausschnitts A2 der 9. In diesem
Ausführungsbeispiel
ist besonders gut erkennbar, wie Potentiale angelegt werden können. Die
Elektroden 25 und 26 liegen in dieser Ausführungsform
auf Masse genauso wie die innere Elektrode 26' der Piezoröhre 10.
In den anderen Ausführungsbeispielen
kann die innere Elektrode 26',
also die Elektrode, die im Innenbereich der Piezoröhre 10 angeordnet
ist, auch auf Masse liegen.
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Der
Piezokörper 12 wird
mit einem elektrisch leitenden Kleber in die Piezoröhre 10 geklebt
und eine entsprechende Verbindung wird zwischen dem Piezokörper 13 und
dem Piezokörper 12 vorgenommen.
Um die Elektrode 25 entsprechend zu kontaktieren, genügt es, die
innere Elektrode 26' zu
kontaktieren. Die Piezokörper 10, 12 und 13 werden
somit versetzt angeordnet. Durch die versetzte Anordnung der entsprechenden in
diesem Ausführungsbeispiel
vorliegenden Röhren 10, 12, 13 ist
das Kontaktieren der Elektroden wesentlich vereinfacht. Das Versetzen
könnte
auch andersherum geschehen, also aus der Röhre 10 heraus. In
diesem Ausführungsbeispiel
ist auch das. Verbindungsstück 29 nicht
notwendig.
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In 11,
die eine schematische dreidimensionale Darstellung einer weiteren
Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Vorrichtung 6 zur Verwendung für einen piezoelektrischen Motor 5 bzw. die
Ausführungsform
gem. 7 darstellt, dient zur Erläuterung der Rotationsbewegung
bzw. auch zur Möglichkeit
einer translatorischen Bewegung bei schräg oder spiralförmig angeordneten
Elektroden im mittleren Bereich 18 der piezoelektrischen
Vorrichtung 6. Der mittlere Bereich 18 kann sich
bis in die Endbereiche 19 hinein erstrecken.
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Wie
in den vorherigen Beispielen sind geschlitzte Endbereiche 19 vorgesehen,
die eine äußere Piezoröhre 12,
eine innere Piezoröhre 13 und
einen Kragen 14 aufweisen. Es ist auch die erste Elektrode 25 im
oberen Bereich der 11 dargestellt und eine erste
Elektrode 25' im
unteren Bereich dargestellt. Die entsprechenden Gegen elektroden
sind auch vorhanden und ferner jeweils eine Mittelelektrode. Diese
sind allerdings in 11 der besseren Übersichtlichkeit
wegen nicht mit Bezugszeichen versehen. Ferner ist auch der Bewegungskörper 11 nicht
dargestellt. Der obere Endbereich 19 definiert eine obere
Klemme 41 und der untere Endbereich 19 definiert
eine untere Klemme 40. Im Mittelbereich 18 der
Piezoröhre 10,
die einstückig
mit den äußeren Piezoröhren 12 ausgestaltet
sein kann oder aber mit diesen verbunden sein kann, sind vier Schrägelektroden
vorgesehen, von denen aufgrund der Darstellung in 11 nur
zwei sichtbar sind, nämlich
eine erste Schrägelektrode 27 und
eine zweite Schrägelektrode 28.
Zwischen den beiden Schrägelektroden 27 und 28 ist
eine Grenzlinie 33 definiert, die die beiden Elektroden
voneinander isoliert.
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12 ist
eine Draufsicht auf einen Teil der piezoelektrischen Vorrichtung 6 aus 11 im
abgerollten Zustand. Es ist ein Teil der oberen ersten Elektrode 25 und
der unteren ersten Elektrode 25' dargestellt und es sind zwei erste
Schrägelektroden 27 und 27' und zwei zweite
Schrägelektroden 28 und 28' dargestellt.
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In 12 ist
die Funktionalität
für die
Rotationsbewegung besser verständlich.
Die Schrägelektroden 27, 27', 28 und 28' sind spiralförmig, wie
in 12 deutlich erkennbar ist. Die ersten Schrägelektroden 27 und 27' sind entgegengesetzt
zu den zweiten Schrägelektroden 28 und 28' orientiert.
Damit ist insbesondere eine Umkehr der Windungsrichtung der in Spiralform
vorliegenden Schrägelektroden
gemeint. Man könnte
auch von Spirale und Antispirale sprechen. Die weiß gelassenen
Flächen
in 11 und 12 sind
nicht mit Elektrodenmaterial versehen oder nicht elektrisch kontaktiert.
Um eine Rotation zu erzeugen, werden Spannungen an die ersten Schrägelektroden 27, 27' und die zweiten
Schrägelektroden 28, 28' relativ zu
einer auf Masse liegenden Innenelektrode angelegt, die entge gengesetzt
sind, so dass die ersten Schrägelektroden
sich beispielsweise ausdehnen, wie durch die Pfeile in 12 angedeutet
ist, und die zweiten Schrägelektroden 28 und 28' sich zusammenziehen,
wie auch durch die Pfeile entsprechend angedeutet ist. Hierdurch
ergibt sich eine Bewegung des oberen Endbereichs bzw. der oberen
Klemme 41 nach rechts in der Ebene der 12 und
eine Bewegung der unteren Klemme 40 nach links, also eine
Rotation der oberen relativ zur unteren Klemme in 11.
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Durch
den erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Motor ist es selbst bei nicht extrem runden Bewegungskörpern 11 und
entsprechend runden Piezoröhren
möglich,
eine Rotation des Bewegungskörpers 11 vorzusehen.
Die Auslenkung auf den Umfang kann im Bereich von mehreren Zehntel μm sein, so
dass auch eine schnelle Rotationsbewegung möglich ist. Da die Rotationsbewegung
nicht wie im Stand der Technik üblich
von Reibung und Impuls abhängt,
ist auch eine hohe Stabilität
und Verlässlichkeit
sowie Genauigkeit möglich.
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In 13 sind schematisch Spannungs-über-Zeit
Diagramme dargestellt, die das Anlegen von Spannungen an die Klemmelektroden 25, 25' bzw. 26 angeben,
und zwar unterteilt in den Elektroden der unteren Klemme 40 und
der oberen Klemme 41. Außerdem sind die Spannungen
angedeutet, die an die Schrägelektroden 27 bzw. 27' und 28 bzw. 28' angelegt werden.
Mit der Spannungsfolge gemäß 13a ist eine Rotation im Uhrzeigersinn möglich, mit
einer Spannungsabfolge gemäß 13b eine Rotation entgegen dem Uhrzeigersinn.
Mit einer Spannungsabfolge gemäß 13c ist beispielsweise die Annäherung einer Spitze eines Rastertunnelmikroskops
an eine Probe ermöglicht
und mit einer Spannungsabfolge gemäß 13d das
Entfernen der Spitze von der Probe, also jeweils eine translatorische
Bewegung.
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Es
ist auch möglich,
eine Rotations- und Translationsbewegung mit jedem Schritt gleichzeitig
zu erzeugen. Hierzu müssen
die entgegengesetzt polarisierten Spannungen, die an die jeweils
benachbarten und unterschiedlich angeordneten Schrägelektroden
angelegt werden, vom Betrag her unterschiedlich groß sein.
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14 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Vorrichtung 6, wobei die Mantelfläche einer entsprechenden Piezoröhre auch
in der Zeichenebene der 14 abgerollt
ist und auch wieder wie im vorherigen Beispiel gem. der 12 nur
ein Teil der oberen ersten Elektrode 25 und ein Teil der
unteren ersten Elektrode 25' dargestellt
ist.
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Es
ist erkennbar, dass in längsaxialer
Richtung der Piezoröhre 10 vier
Quadrupole von Schrägelektroden
hintereinander angeordnet sind, wobei jeweils quer zur Längsachse
vier Schrägelektroden
nebeneinander angeordnet sind. Hierdurch kann die erzielbare Winkelschrittweite
vervielfacht werden. Es sind auch Bereiche vorgesehen, die im Wesentlichen
ohne Elektrodenmaterial vorgesehen sind, allerdings mit Elektrodenverbindungen 37 und 37' sowie 38 und 38'. Die Elektrodenverbindung 37 verbindet
die ersten Schrägelektroden 27, die
in längsaxialer
Richtung hintereinander angeordnet sind und die Elektrodenverbindung 37' die ersten Schrägelektroden 27'. Entsprechendes
gilt für
die Elektrodenverbindung 38 zu den zweiten Schrägelektroden 28 und 38' zu den zweiten
Schrägelektroden 28'.
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Die
Elektrodenverbindungen können
auch außen
angebrachte Drähte
sein, die einen Kontakt der Elektroden herstellen.
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Es
sind auch die entsprechenden Pfeile dargestellt, die Stress im Material
andeuten, der dadurch entsteht, dass Bereiche in der Nachbarschaft
der Schrägelektroden,
die nicht kontaktiert sind, ge dehnt oder gestaucht werden. Es wird
so eine Rotationsbewegung bzw. eine rotative Auslenkung der unteren
Klemme 40 und der oberen Klemme 41, die durch
entsprechendes Anlegen von elektrischen Spannungen auf der Piezoröhre 10 erzeugt
werden, angedeutet.
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Die
Winkelgeschwindigkeit der Rotation kann entsprechend berechnet werden.
Angenommen, es wird ein PZT-4 Material von Staveley Sensors mit
einer piezoelektrischen Konstante d31 =
0,135 nm/V mit einer Dicke der Piezoröhre von 0,75 mm und einem Durchmesser
von 12,7 mm und einer maximalen Spannung von U = 250 V verwendet.
In diesem Fall beträgt
die lineare Auslenkung für
jede Periode T Δx ≈ 1,8 μm. Bei einer Frequenz
von 1 kHz bewegt sich der Rotor somit um 1,8 mm pro Sekunde auf
dem Umfang. Hieraus ergibt sich eine Winkelgeschwindigkeit von ungefähr 2,6°/s. Entsprechend
ist bei der linearen Bewegung bzw. bei der transversalen Bewegung
bei 1 kHz mit einer Geschwindigkeit von 1,8 mm/s. zu rechnen. Es
ist eine Steuerung sowohl der Drehbewegungsgeschwindigkeit als auch
der linearen Bewegungsgeschwindigkeit möglich, beispielsweise durch
Variation der Frequenz und/oder der angelegten Spannungsamplitude.
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Es
kann auch noch eine Variation der Ausführungsform gemäß 14 vorgesehen
sein, dergestalt, dass beispielsweise zwei Vierergruppen von Schrägelektroden,
die nebeneinander quer zur Längsachse
angeordnet sind, für
die Rotationsbewegung verwendet werden und zwei dieser Gruppen für die translatorische Bewegung.
Hierzu müssten
dann die Elektrodenverbindungen beispielsweise in der Mitte zwischen
der ersten Elektrode 25 und der ersten Elektrode 25' getrennt sein.
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Der
Gegenstand der Erfindung kann überall
dort zum Einsatz kommen, wo der so genannte Inchworm der Firma EXFO,
vormals Bur leigh, USA, zur Anwendung kommt. Die Erfindung kann also
zur hochpräzisen Translations-Positionierung
im Bereich von mm und nm Verwendung finden. Dabei wird das Einsatzgebiet
wesentlich erweitert, insbesondere durch Tieftemperaturtauglichkeit.
Völlig
neue Anwendungen können
erschlossen werden durch die zusätzliche
Fähigkeit,
hochpräzise
Drehbewegungen mit der Möglichkeit
sehr kleiner Schrittweiten auszuführen. Dieses erlaubt einen
Einsatz im Bereich der Nanotechnologie. Da der Motor völlig ohne
Schmiermittel auskommt, ist er insbesondere für den Einsatz im Ultrahochvakuum,
etwa auf dem Gebiet der Rastersonden-Mikroskopie, von Vorteil. Anwendungsfelder
gibt es beispielsweise auch im Bereich der Luft- und Raumfahrt.
Erfindungsgemäß ist auch
nur eine einzige Vorrichtung notwendig, um eine stabile und verlässliche
Rotations- und Translationsbewegung eines Bewegungskörpers zu
ermöglichen.
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- 5
- piezoelektrischer
Motor
- 6
- piezoelektrische
Vorrichtung
- 10
- Piezoröhre
- 11
- Bewegungskörper
- 12
- äußere Piezoröhre
- 13
- innere
Piezoröhre
- 14
- Kragen
- 15
- Längsachse
- 16
- Halterung
- 17
- Schlitz
- 18
- Mittelbereich
- 19
- Endbereich
- 20
- Piezostab
- 21
- innerer
Piezokörper
- 22
- Lager
- 23
- Halter
- 24
- Bodenplatte
- 25,
25'
- erste
Elektrode
- 26,
26'
- zweite
Elektrode
- 27,
27'
- erste
Schrägelektrode
- 28,
28'
- zweite
Schrägelektrode
- 29
- Verbindungsstück
- 30
- Bimorph
bzw. Zweischicht-Körper
- 31
- Kontaktfläche
- 32
- mittlere
Elektrode
- 33
- Grenzlinie
- 37,
37'
- Elektrodenverbindung
- 38,
38'
- Elektrodenverbindung
- 40
- untere
Klemme
- 41
- obere
Klemme
- U
- Spannung
- D
- Durchmesser
- h
- Höhe
- b
- Breite
- L
- Länge
- A1
- Ausschnitt
- A2
- Ausschnitt
