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Die
Erfindung betrifft eine piezoelektrische Einachsen-Verstelleinrichtung
mit einem Gehäuse, umfassend
eine Parallelogrammführung
mit Biegegelenken, einen im Gehäuse
befindlichen Piezowandler sowie Mitteln zum Erzeugen einer Vorspannung
gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Piezoelektrische
Nanopositionierer sind beispielsweise aus dem US-Patent
US 5903085 A und der
prioritätsseitig
verbundenen
DE 198
26 984 A1 vorbekannt.
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Bei
derartigen Positioniervorrichtungen kann ein Gegenstand, wie z.
B. ein magnetischer Aufzeichnungskopf bewegt werden.
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Die
bekannte Positioniervorrichtung weist ein Gehäuse mit einer Innenöffnung auf.
Das Gehäuse
liegt in einem Koordinatensystem mit einer x-Achse, einer y-Achse und einer z-Achse.
Ein Piezowandler ist mit der Innenöffnung des Gehäuses durch
mindestens zwei Biegegelenkeinsätze
verbunden. Expansion oder Kontraktion des Piezowandlers bewirken
eine Bewegung des Gehäuses
entlang der x- oder y-Achse.
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Die
Biegegelenkeinsätze
der bekannten Lösung
ermöglichen
es dem Wandler, während
der Montage derart innerhalb der Innenöffnung verstellt zu werden,
daß die
Bewegung des Gehäuses
aus der Ebene heraus entlang der z-Achse minimiert werden kann.
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Die
Problematik derartig bekannter Verstelleinrichtungen mit Parallelogrammführung liegt
in den herstellungsseitigen Aufwendungen der Gehäusekonstruktion mit speziellen
integrierten Biegegelenken.
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Die
WO 2005/088824 A1 zeigt,
eine piezoelektrische Einachsenverstelleinrichtung mit einer Parallelogrammführung mit
Biegeelementen. Zwischen den Schenkeln eines U-förmigen Hebelteils ist ein Piezoaktor
eingespannt, dessen eine stirnseitige Endfläche vollflächig an einem Sockel des Hebelteils
anliegt, während
die weitere stirnseitige Endfläche über ein
Biegegelenk mit einem Schenkel des Hebelteils verbunden ist. Die
Vorspannung des Piezoaktors wird somit ohne separate Vorspannfeder
durch Einspannen des Piezoaktors in das Hebelteil erreicht. Das
Antriebselement ist ebenfalls über
Biegegelenke mit dem Hebelteil verbunden. Der rechte Teil der erwähnten Parallelogrammführung kann
als Einführungsteil
interpretiert werden, und im Hebel- und im Führungsteil sind Biegezonen
vorhanden, die eine Parallelogrammführung realisieren.
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Aus
der vorstehend erwähnten
US 5903085 A sowie
der
US 2002/0005679
A1 und der
US 4570095
A sind jeweils piezoelektrische Einachsenverstelleinrichtungen
bekannt. In den ersteren beiden Druckschriften wird hierbei eine
Parallelogrammführung
mit Biegeelementen gelehrt, wobei jeweils die Vorspannung des Piezoaktors
ohne separate Vorspannfeder durch sein Einspannen in die Parallelogrammführung realisiert
wird. Bei der letzteren Druckschrift ist der Piezoaktor zwischen
einem U-förmigen
Führungsteil
und zwei L-förmigen
Hebelarmen eingespannt, welche über
Biegegelenke miteinander verbunden sind. Die Vorspannung des Piezoaktors wird
mit einer Blattfeder erzielt, die zwischen dem geschlossenen Ende
des Führungsteils
und den beiden Enden der Hebelarme platziert ist.
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Aus
den Druckschriften
DE
39 26 348 A1 ,
US 4694477
A und
DE
198 55 221 A1 sind jeweils piezoelektrische Einachsenverstelleinrichtungen
bekannt, die als Kippelemente ausgebildet sind, wobei jeweils ein
Piezoaktor zwischen den Schenkeln eines U-förmigen Hebelteils eingespannt
ist und seitlich neben dem Piezoaktor ein Federelement zur Vorspannung des
Piezoaktors angeordnet ist.
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Aus
dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte
piezoelektrische Einachsen-Verstelleinrichtung mit einem Gehäuse, umfassend
eine Parallelogrammführung
mit Biegegelenken anzugeben, wobei die Verstelleinrichtung konstruktiv
und herstellungstechnisch einfach realisiert werden kann, so daß z. B.
eine rein frästechnische
Bearbeitung möglich
ist. Darüber
hinaus soll bei der Montage der einzelnen Komponenten ein optimaler
kraftseitiger Kontakt realisierbar sein, und zwar insbesondere ist
durch eine steife Anbindung des Piezowandlers ein hoher mechanischer
Wirkungsgrad zu erzielen. Letztendlich gilt es, die notwendige Vorspannung
für die
Verstelleinrichtung nicht durch die Biegegelenke selbst, sondern
durch eine geeignete Konstruktion zu erzeugen, so daß der Einsatz
von unterschiedlichsten Materialien für das Führungsteil möglich wird.
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Die
Lösung
der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine piezoelektrische Einachsen-Verstelleinrichtung
gemäß der Merkmalskombination
nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen
und Weiterbildungen beinhalten.
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Erfindungsgemäß besteht
das Gehäuse
der piezoelektrischen Einachsen-Verstelleinrichtung
aus einem Führungsteil
und einem Hebelteil, wobei die Querschnittsfläche der vorerwähnten Teile
jeweils eine im wesentlichen U-Form
hoher Stabilität
aufweist.
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Im
U-förmigen
Hebelteil ist von den dort vorhandenen Schenkeln aufgenommen ein
Piezostapelaktor eingesetzt.
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Die
stirnseitige Endfläche
des Piezostapelaktors steht vollflächig mit dem einseitig geschlossenen
Ende des Hebelteils in steifem Kontakt. Der Aktor selbst wird durch
die U-Schenkel geführt
mit der Folge der gewünschten
steifen Anbindung und der Erzielung eines hohen mechanischen Wirkungsgrads.
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Die
weitere stirnseitige Endfläche
des Piezostapelaktors steht etwas aus dem U-förmigen Hebelteil hervor und
ist dort mit einer Auflageplatte in Kontakt gebracht, um in Wirkverbindung
mit dem Führungsteil
zu treten.
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Weiterhin
greift in das Führungsteil
mindestens ein Stift oder Bolzen ein, um mindestens eine Vorspannfeder
zu fixieren.
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Das
gegenüberliegende
Ende der Vorspannfeder ist mittels eines weiteren Stiftes oder Bolzens am
geschlossenen Ende des Hebelteils befestigt, wobei die U-Schenkel
der Führungsteils
die mindestens eine Vorspannfeder mindestens teilweise seitlich
umschließen.
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Das
Führungsteil
ist mit dem Hebelteil form- und kraftschlüssig, z. B. durch Verschraubung
oder Verbolzung verbindbar. Im Führungsteil
sowie im Hebelteil sind an sich bekannte, die Parallelogrammführung realisierende
Biegezonen vorgesehen.
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Ausgestaltend
ist mindestens im Biegegelenkbereich des Hebelteils ein Dehnmeßstreifen
als Vollbrückensensor
vorhanden.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung sind zwei parallel liegende Vorspannfedern vorgesehen,
wobei der Querschnitt des Führungsteils
in diesem Fall die Form eines Doppel-U aufweist und hierin jeweils
eine der Federn mindestens teilweise aufgenommen ist.
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Das
Führungsteil
umfaßt
zwei gegenüberliegende
beabstandete, im wesentlichen parallel verlaufende Biegegelenke,
welche z. B. durch Ausfräsungen
oder einen Erodierschritt gebildet sind. Außenseitig des Biegegelenks
schließt
sich jeweils ein Befestigungsblock an.
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Der
der Auflageplatte unmittelbare benachbart gegenüberliegende Befestigungsblock
bildet ein Befestigungsinterface.
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Der
dem geschlossenen Ende des Hebelteils gegenüberliegende Befestigungsblock
stellt den Abtrieb dar.
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Der
U-förmige
Hebelteil übernimmt
die Funktionalitäten
der Integration der Wegübersetzung,
bildet einen Teil der Parallelogrammführung, weist integrierte Mittel
zur Erzeugung der mechanischen Vorspannung auf, besitzt in einer
Ausgestaltung den vorerwähnten
DMS-Vollbrückensensor
und enthält
einen Befestigungsblock als mechanischen Abtrieb.
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Das
Führungsteil
bildet eine weitere Komponente der Parallelogrammführung und
weist die Eigenschaften der Integration der mechanischen Vorspannung
auf.
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Aufgrund
des separaten Aufbaus der Parallelogrammführung aus Hebel- und Führungsteil
können
diese Komponenten durch rein frästechnische Bearbeitung
hergestellt werden. Weiterhin kann während des Herstellungsprozesses
ein optimaler Kontakt aller mechanischen Teile zueinander sichergestellt
werden.
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Durch
die separat herstellbare Auflageplatte als Piezoauflage ist eine
vollflächige
Auflage zur Piezostirnfläche
und zum Führungsteil
gewährleistet. Hierdurch
ergibt sich die gewünschte
steife Anbindung, so daß ein
hoher mechanischer Gesamtwirkungsgrad erzielbar ist.
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Durch
die Ausbildung des Hebelteils als U-Profil wird eine mechanische
Deformation des Hebels bei Piezoauslenkung minimiert. Weiterhin
kann gleichzeitig durch die U-Profilierung die Gesamthöhe der Baugruppe
minimiert werden.
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Die
genutzte Parallelogrammführung
ermöglicht
ein sehr geringes laterales und rotatorisches mechanisches Übersprechen
während
der Einachsen-Sollauslenkung
der Verstelleinrichtung.
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Durch
den Vorteil, daß die
mechanische Vorspannung über
Federelemente und nicht über
die Gelenkbereiche der Parallelogrammführung dem System aufgeprägt wird,
besteht die Möglichkeit,
die Vorspannung in leichter Weise einzustellen, und zwar mittels
unterschiedlicher Federn oder durch eine alternativ vorgesehene
Federlängenverstelleinheit.
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Durch
den kompakten Aufbau und aufgrund des Einsatzes der U-Profile ergeben
sich mechanisch stabile Hebel- und Führungsteile, so daß die Aktoren
insgesamt eine sehr geringe Empfindlichkeit gegenüber äußeren mechanischen
Lasten besitzen.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter
Zuhilfenahme von Figuren näher
erläutert
werden.
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Hierbei
zeigen:
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1 eine
perspektivische Gesamtdarstellung der erfindungsgemäßen Versteileinrichtung;
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2 eine
seitliche Darstellung mit abgenommener Seitenverkleidung;
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3 eine
Darstellung der Versteileinrichtung mit ausgeblendetem Führungsteil;
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4 eine Detaildarstellung des Hebelteils und
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5 eine
Detaildarstellung des Führungsteils.
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Die
piezoelektrische Einachsen-Verstelleinrichtung 1 weist
einen Abtrieb 2 auf, wobei die Auslenkungsrichtung des
Abtriebs mit der Pfeildarstellung gemäß 1 symbolisiert
ist.
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Auf
dem der Abtriebsseite 2 gegenüberliegenden Ende ist ein Befestigungsinterface 3 als
einer der beiden Befestigungsblöcke
vorhanden.
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Die
Seitenansicht nach 2 zeigt das Grundprinzip der
zueinander gefügten
Teile, nämlich des
Hebelteils 4 und des Führungsteils 5.
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Beide
Teile besitzen hinter den Biegezonen bzw. Biegegelenken 6,
d. h. außenseitig
Befestigungsblöcke
bzw. Befestigungsflächen 7.
Diese Befestigungsblöcke
oder Befestigungsflächen 7 werden form-
und/oder kraftschlüssig,
z. B. durch Verschrauben miteinander verbunden, so daß insgesamt
eine steife, quasi monolithische Anordnung entsteht.
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Der
Piezowandler 8 ist vom Hebelteil 4 aufgenommen,
und zwar innerhalb einer Ausnehmung, die sich durch den U-förmigen Querschnitt
des Hebelteils 4 und dem einseitig geschlossenen Ende 9 ergibt.
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Mit
anderen Worten schließen
die beiden Schenkel 10 und das geschlossene Ende 9 den
als Stapelaktor ausgeführten
Piezowandler 8 ein.
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Das
weitere Ende des Piezowandlers 8 steht mit einer Auflageplatte 11 in
Verbindung.
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Diese
Auflageplatte 11 (siehe 2 und 3)
weist einen Fortsatz 12 auf, der vom Führungsteil 5 aufgenommen
ist. Weiterhin nimmt das Führungsteil
Stifte 13 auf. Diese Stifte 13 fixieren jeweils
ein Ende zwei parallel angeordneter Vorspannfedern 14.
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Das
gegenüberliegende
Ende der Vorspannfedern 14 ist über weitere Stifte 15 am
Hebelteil 4, und zwar im Bereich des geschlossenen Endes 9 gegengelagert.
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Die
in der 3 gezeigte Schraube 16 dient der Verbindung
zwischen Hebelteil 4 und Führungsteil 5.
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Im
Biegegelenkbereich 6 ist noch ein Dehnmeßstreifen-Vollbrückensensor 17 befindlich.
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Gemäß der Ausführungsform
nach 2 und 3 weist das Führungsteil 5 eine
Querschnittsfläche
in Form eines doppelten U auf, wobei zwischen den Doppel-U-Schenkeln 18 dann
die Vorspannfedern 14 aufgenommen werden.
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Wie
aus der 2 und 5 erkennbar,
besitzt das Führungsteil 5 zwei
gegenüberliegende
beabstandete Biegegelenke 6, welche durch Ausfräsungen oder
einen Erodierschritt gebildet sind.
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Außenseitig
dieser Biegegelenke 6 schließen sich die bereits erwähnten Befestigungsblöcke oder
Befestigungsflächen 7 an.
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Der
im montierten Zustand der Auflageplatte 11 gegenüberliegende
Befestigungsblock 7 (siehe 2) bildet
ein Befestigungsinterface (siehe
-
1).
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Der
dem geschlossenen Ende 9 des Hebelteils 4 gegenüberliegende
Befestigungsblock 7 bildet den Abtrieb 2 (siehe 1).
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- 1
- piezoelektrische
Einachsen-Verstelleinrichtung
- 2
- Abtrieb
- 3
- Befestigungsinterface
- 4
- Hebelteil
- 5
- Führungsteil
- 6
- Biegezone
oder Biegegelenk
- 7
- Befestigungsblock
- 8
- Piezowandler
- 9
- geschlossenes
Ende
- 10
- Schenkel
- 11
- Auflageplatte
- 12
- Fortsatz
- 13/15
- Stift
- 14
- Vorspannfeder
- 16
- Schraube
- 17
- DMS-Vollbrückensensor
- 18
- Doppel-U-Schenkel