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Die Erfindung betrifft einen Piezolinearantrieb mit einer Gruppe von Piezostapelaktoren, welche einen Läufer antreiben, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Piezoantriebe bekannt. Beispielsweise wird auf die
US 6,353,278 B1 verwiesen, welche einen keramischen piezoelektrischen Wandler mit einem Kompressionsmechanismus aufweist. Dieser Mechanismus besteht beispielsweise aus einer Schraube und einer Mutter, die auf den Wandlerkörper in dessen Längsrichtung eine gegebene Druckspannung aufbringen, um während des Betriebs eine sich aus Schwingungen des Wandlerkörpers ergebende Zugspannung zu absorbieren, was es gestattet, eine von dem Wandler ausgegebene Energie zu erhöhen.
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Des Weiteren ist es bekannter Stand der Technik Aktoren mittels miteinander verbundener Einzelschichten aufzubauen und die Polarisationsrichtung der Schichten alternierend auszuführen, um gegenphasige Auslenkungen im Aktor zu erzeugen. Hierzu sei beispielhaft die
US 5,939,816 A genannt.
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Gemäß der Lehre nach
US 6,246,157 B1 bzw.
DE 1 933 205 A sind Piezolinearantriebe mit einem im Läufer angeordneten Piezoaktor, der für die Vorwärtsbewegung des Aktor sorgt, bekannt.
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Aus der
WO 2004/066405 A1 ist beispielsweise ein Piezolinearantrieb mit einer Gruppe von Piezostapelaktuatoren, welche einen in einer Führung befindlichen Läufer antreiben, bekannt. Hierbei weisen die Aktuatoren mehrere auf einem gemeinsamen Trägerelement befindliche Stapel auf. Innerhalb eines Stapels ist ein erstes Stapelteil ausgehend vom Trägerelement als Longitudinal- und wenigstens ein zweites Stapelteil als Scheraktor ausgebildet. Die einzelnen Stapel stehen in Klemm- und/oder Scherkontakt mit dem Läufer, wobei die einzelnen Stapel in einem Schrittbetrieb wechselseitig Klemm- und Vorschubbewegungen ausführen.
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Auch aus der
DE 101 48 267 A1 , dem nächstliegendem Stand der Technik, ist ein Piezolinearantrieb mit einer Gruppe von Piezostapelaktoren sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Antriebs vorbekannt.
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Die dortige Lehre betrifft einen Piezolinearantrieb mit einer Gruppe von Piezostapelaktoren, welche einen in einer Führung befindlichen Läufer antreiben. Die dortigen Aktoren stellen eine auf einem gemeinsamen Substrat befindliche Hybridanordnung dar, wobei innerhalb eines Stapels, ausgehend vom Substrat, ein erstes Stapelteil als Longitudinal- und ein zweites oder drittes Stapelteil als Scheraktor ausgebildet sowie letzteres mit einer verschleißfesten Endscheibe versehen ist, welche in Klemm- und ggfs. auch Scherkontakt mit dem Läufer steht, um einerseits den Läufer zu führen und andererseits eine gewünschte Scherbewegung zu übertragen. Identische Aktoren befinden sich nebeneinander oder gegenüberliegend, um im Schrittbetrieb wechselseitige Klemm- und Vorschubbewegungen auszuführen. Mit einer derartigen Piezolinearantriebs-Anordnung einer Gruppe von Piezostapelaktoren besteht die Möglichkeit, einerseits in kurzer Zeit große Stellwege zurückzulegen, andererseits aber auch am oder in der Nähe des Zielpunkts Feinpositionierungen hoher Genauigkeit zu erreichen.
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Bei dem in der
DE 101 48 267 A1 beschriebenen Verfahren zum Betreiben des vorstehend kurz erläuterten Piezolinearantriebs wird für eine Grobpositionierung der Antrieb im Schrittmodus aktiviert, wobei hierfür die benachbarten und gegenüberliegenden Aktoren wechselseitig oder wechselseitig gegenphasig die gewünschten Klemmungen und Vorschubbewegungen ausführen. Die Steuerspannungen werden über einen entsprechenden Generator in der gewünschten Puls- bzw. Schrittweite eingestellt. Für die Feinpositionierung sind alle zweiten Stapelteile der Aktoren parallel geschaltet und werden analog angesteuert, so dass im Bereich um die momentane Mittellage bei wesentlich geringerer Spannung im Vergleich zum Schrittbetrieb die exakte Zielposition des Läufers einstellbar ist. Im energielosen oder, wie erwähnt, Analogmodus befinden sich sämtliche erste Stapelteile in Klemmung, um die gewünschten Haltekräfte und Steifigkeiten zu erreichen.
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Die Feinpositionierung im Analogmodus gemäß dem Stand der Technik erfolgt ausschließlich durch die Scheraktoren, die einen Verstellbereich von einigen μm realisieren können und welche symmetrisch um die Mittellage arbeiten.
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Im Analogmodus liegt die nominal zulässige Feldstärke der Scheraktoren bei maximal 25% der Feldstärke, die bei d33-Aktoren an Luft verwendet wird. Bei einer Annäherung an die Zielposition über den Schrittmodus auf 0,1 μm werden gemäß dortigem Ausführungsbeispiel die Scheraktoren beim Umschalten in den Analogmodus mit lediglich 1 bis 2% der nominalen Feldstärke an Luft betrieben, was für die Langzeitstabilität der Anordnung von Vorteil ist. Ergeben sich größere Abweichungen als solche, die der Analogstellbereich abdeckt, oder sind die benötigten Betriebsfeldstärken zu hoch, muss durch Umschalten auf Einzelschrittbetrieb wieder auf die Mittellage nachgeführt bzw. eingestellt werden.
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Zusammenfassend sind mit dem Antrieb nach
DE 101 48 267 A1 zwar präzise Zustellbewegungen mit kurzen Reaktionszeiten im Analogmodus möglich, jedoch nur mit eingeschränkter Auslenkungsamplitude im Bereich weniger Mikrometer, und zwar aufgrund der vorliegenden Bauform und der vorgegebenen Andruckkräfte. Im Schrittbetrieb hingegen sind zwar theoretisch unendlich große Stellwege mit sehr hoher Auflösung realisierbar, wobei jedoch die Zustellzeiten sowohl durch die notwendige Schrittfolge selbst als auch durch die dynamischen Störungen, die durch die Kontaktwechsel der Reibflächen der einzelnen Teilstapel mit den Reibflächen des Läufers erzeugt werden, limitiert sind. Diese vorerwähnten dynamischen Störungen durch Kontaktwechsel können sich besonders bei der Kombination mehrerer Piezolinearantriebe in Mehrachsensystemen mit voneinander unabhängigen Achssteuerungen als nachteilig erweisen, da hierbei unkontrolliertes Übersprechen entsteht.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten Piezolinearantrieb mit einer Gruppe von Piezostapelaktoren, welche einen Läufer antreiben, anzugeben, welcher bei Wahrung kompakter äußerer Abmessungen einen vielfach vergrößerten Zustellweg im Analog-Betriebsmodus aufweist.
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Durch den zu gewinnenden erweiterten analogen Stellbereich soll es möglich werden, Schrittbewegungen in zeitkritischen Stellphasen zu vermeiden bzw. zu reduzieren, so dass nicht nur ein unkontrolliertes Übersprechen in den anderen Prozeßphasen unterbunden, sondern auch die Stellzeiten verkürzbar sind.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch einen Piezolinearantrieb mit einer Gruppe von Piezostapelaktoren, welche einen Läufer antreiben, wobei die Aktoren auf einem gemeinsamen Substrat befindliche Mehrschicht-Keramik-Hybridanordnungen sind, gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
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Der Piezolinearantrieb mit Aktoren, die auf einem gemeinsamen Substrat befindliche Mehrschicht-Keramik-Hybridanordnungen sind, weist innerhalb eines jeweiligen Stapels ausgehend vom Substrat ein erstes Stapelteil als Longitudinal- und ein zweites Stapelteil als Scheraktor auf. Letzteres Stapelteil hat bezüglich des Läufers eine Klemm- und/oder Scherauslenkung, wobei mindestens zwei derartige Hybridanordnungen in Läuferlängsachsenrichtung nebeneinander befindlich und diesen Hybridanordnungen bezogen auf den Läufer gegenüberliegend mindestens zwei wie beschrieben ausgebildete weitere Hybridanordnungen vorgesehen sind, um gegenphasige wechselseitige Klemm- und Vorschubbewegungen des Läufers auszuführen.
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Erfindungsgemäß ist stellbereichsvergrößernd der Läufer selbst als piezoelektrischer Vielschichtaktor ausgebildet oder im Läufer, oder an dessen freiem Ende ein zusätzlicher, piezoelektrischer Vielschichtaktor angeordnet.
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Durch den stellbereichsvergrößernden Läufer wird unter Erhalt der kompakten äußeren Abmessungen des Antriebs sowie unter Wahrung der mechanischen Funktionen die bisherige Beschränkung des analogen Stellbereichs auf wenige Mikrometer überwunden.
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Mit dem so gewonnenen größeren analogen Stellbereich können Schrittbewegungen in zeitkritischen Stellphasen vermieden bzw. verringert werden.
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Der stellbereichsvergrößernde Aktor kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein longitudinaler piezoelektrischer Vielschicht- oder rohrförmiger d31-Aktor sein.
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Zur Erzeugung von Zugkräften besteht die Möglichkeit, den stellbereichsvergrößernden Aktor so auszubilden, dass dieser im Zentrum und in Längsrichtung durchbohrt wird und innerhalb der Bohrung ein Dehnungselement aufnimmt, welches unter mechanischer Vorspannung gehalten ist.
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Gemäß einem relativ unabhängigen Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens zwei Hybridanordnungen in Richtung einer Läuferlängsachse nebeneinander angeordnet sind und auf der, bezogen auf den Läufer, gegenüberliegenden Seite ein Gegenlager oder mindestens eine weitere Hybridanordnung vorgesehen ist. Es muss also als Gegenlager nicht notwendigerweise eine Mehrschicht-Keramik-Hybridanordnung vorgesehen sein, sondern dieses kann etwa durch eine Rollenführung gebildet sein.
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Die Hybridanordnungen sind als Module mit n Aktoren (n ≥ 2) ausgebildet, wobei zur Lastaufteilung bei Anordnungen mit n ≥ 3 jeweils die ungeradzahligen und die geradzahligen Aktoren untereinander parallel geschaltet werden können.
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Zwischen den auf dem gemeinsamen Substrat befindlichen Aktoren ist ein auf die Scherbewegung, speziell die hierfür vorbestimmte Auslenkung, abgestimmter Abstand vorgesehen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die Aktoren in einer Array- oder Quadrantenanordnung von mindestens vier Stapeln ausgebildet sein, wobei jeweils die diagonal gegenüberliegenden Stapel eines Aktors parallel angesteuert werden.
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Gemäß einem weiteren relativ selbständigen Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass in mindestens einem der ersten und/oder mindestens einem der zweiten Stapelteile Kontaktierungselektroden der Einzelschichten miteinander verbunden sind und die Polarisationsrichtung der Schichten alternierend festgelegt ist, um die gegenphasige Auslenkung im jeweiligen Klemm- bzw. Scherteil zu erzeugen. Hierdurch wird es möglich, die erforderliche Anzahl von Ansteuerkanälen für den Piezolinearantrieb um einen zu verringern. Als nützlichen Nebeneffekt bewirkt die Durchkontaktierung der Elektroden der Einzelschichten über alle Stapelaktoren im „Klemmteil”, dass der Antrieb in Antriebsrichtung steifer wird und damit höhere Kräfte erzeugen kann.
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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 einen hybriden piezoelektrischen Antrieb mit Klemm- und Scherelementen, Läufer sowie axial steifer und lateral weicher Ankopplung der Last gemäß Stand der Technik;
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2 eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines weiterentwickelten Piezolinearantriebs mit stellbereichsvergrößerndem Läufer, welcher einen integrierten zusätzlichen longitudinalen piezoelektrischen Vielschicht- oder rohrförmigen d31-Aktor aufweist,
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3 eine Ausführungsform der Erfindung mit einem durchbohrten piezoelektrischen Vielschichtaktor, in dessen Bohrung ein Dehnelement zur mechanischen Vorspannung eingebracht ist, so dass mit dem Piezolinearantrieb auch Zugkräfte erzeugt werden können und
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4A und 4B eine schematische Darstellung der Elektroden-Durchverbindung zwischen den einzelnen Hybridanordnungen (Aktoren) einer Ausführung des Piezolinearantriebes.
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Bei dem in der
1 dargestellten Piezolinearantrieb des Standes der Technik handelt es sich um eine Ausführungsform zurückgehend auf die Firma Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, repräsentiert beispielsweise in der
DE 101 48 267 A1 .
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Mit einem solchen Aktor ist eine Grobpositionierung im Schrittmodus möglich, wobei hierfür die benachbarten und/oder gegenüberliegenden Aktoren wechselseitig oder wechselseitig gegenphasig Klemm- und Vorschubbewegungen ausführend, elektrisch angesteuert werden. Für die Feinpositionierung werden alle zweiten oder dritten Stapelteile der Aktoren parallel geschaltet und analog angesteuert, so dass im Bereich um die jeweilige momentane Mittellage bei wesentlich verringerter Spannung und Feldstärke die Zielposition des Läufers eingestellt werden kann.
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Der Piezolinearantrieb besitzt hierfür auf einem gemeinsamen Substrat 1 jeweils angeordnete Mehrschicht-Keramik-Hybridanordnungen 2.
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Innerhalb eines Stapels ist ausgehend vom Substrat 1 ein erstes Stapelteil als Longitudinalaktor 3 und ein zweites Stapelteil als Scheraktor 4 ausgebildet.
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Der Scheraktor 4 steht mit der Außenoberfläche des Läufers 5 in Klemmkontakt, wobei mindestens zwei Hybridanordnungen in Läuferlängsachsenrichtung nebeneinander befindlich sind und diesen Hybridanordnungen 2, bezogen auf den Läufer 5, gegenüberliegend weitere wie beschrieben ausgebildete Hybridanordnungen 2 angeordnet sind. Im Beispiel ist eine Ausführung dargestellt, bei der auf beiden Seiten des Läufers jeweils 5 Hybridanordnungen bzw. Teil-Stapel vorgesehen sind, von denen jeweils die beiden äußeren geringer dimensioniert sind. Diese Ausführung bietet nach Erfahrungen der Erfinder Vorteile hinsichtlich des Symmetrieverhaltens des Antriebes.
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Gemäß Ausführungsbeispiel ist die Last 6 axial steif und lateral weich bezogen auf den Läufer 5 angekoppelt.
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Gemäß Darstellung nach 2 wird in den Läufer ein zusätzlicher longitudinaler piezoelektrischer Vielschicht- oder rohrförmiger d31-Aktor 7 integriert, um den analogen Stellweg unter Wahrung der äußeren Abmessungen des Piezolinearantriebs zu vergrößern. Die mechanische Funktion der Lastankopplung wird dabei mit Bezug auf die Darstellung des Standes der Technik nach 1 gewahrt.
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Neben der Vergrößerung des analogen Stellweges hat die vorgeschlagene Lösung den Vorteil, dass die anwenderseitig gewünschte Funktionalität „Ankopplung am Abtrieb axial steif/lateral weich” auch bei der Vergrößerung des Stellweges erhalten bleibt. Ansteuerungsseitig ist hierzu insbesondere vorgesehen, dass die am Läufer angreifenden Antriebselemente (Aktoren) ausschließlich zum Schrittbetrieb eingesetzt werden, während der in den Läufer ein- bzw. an diesen angefügte zusätzliche Aktor zur Realisierung der Analogbewegung dient. Hierdurch lässt sich die komplexe Funktionalität des Antriebs mit vergrößertem Analoghub, bei komplett gegenphasig verschalteten Teilstapeln, mit insgesamt nur drei Ansteuerkanälen realisieren.
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Um nun mit einem derartigen Antrieb auch Zugkräfte erzeugen zu können, wird gemäß der Darstellung nach 3 im Zentrum des stellbereichsvergrößernden Aktors 7 eine Bohrung 8 eingebracht, welche in Längsrichtung verläuft. In diese Bohrung 8 wird ein Dehnungselement 9, welches unter mechanischer Vorspannung steht, eingebracht.
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Die so erhaltene Vorspannung verhindert das Auftreten von mechanischen Zugspannungen im keramischen Aktorelement, so dass dessen Langzeitstabilität nicht beeinträchtigt wird.
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4A und 4B zeigen in schematischer Darstellung, und zwar in Art einer Querschnittsdarstellung, (4A) sowie einer Draufsicht (4B) eine spezielle Art der Verschaltung der einzelnen Kontaktelektroden der Schichten zweier beispielhafter Hybridanordnungen 2' eines (hier nicht insgesamt dargestellten) Piezolinearantriebs der oben beschriebenen Art.
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Die Antriebskomponente 2' umfasst im dargestellten Beispiel zwei Hybridanordnungen 2.1' und 2.2', welche jeweils einen Scheraktor 2S' und, von diesem durch eine Isolierschicht 2I' getrennt, einen Klemmaktor 2K' umfassen. In der dargestellten Ausführung umfasst wiederum jeder der insgesamt vier Aktoren vier (nicht einzeln bezeichnete) Piezo-Schichten, deren Stirn- und Grenzflächen jeweils mit (ebenfalls nicht einzeln bezeichneten) Kontaktelektroden belegt sind. Wie in der Figur zu erkennen ist, sind vertikal übereinander folgende Piezo-Schichten sowohl des Scher- wie des Klemmaktors jeweils gegenpolig polarisiert. Die auf den Deckflächen beider Stapel sowie zwischen den einzelnen Schichten vorgesehenen Kontaktelektroden sind über ein Verbinder-Teil 2C zwischen den beiden Hybridanordnungen 2.1' und 2.2' durchkontaktiert und alternierend zu einem negativen Potential „–” bzw. einem positiven Potential „+” geführt.
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Die Ausführung ist nicht auf die hier gezeigten und erläuterten Beispiele und hervorgehobenen Aspekte beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen. Derartige Abwandlungen sind insbesondere hinsichtlich der Anzahl und des spezifischen Aufbaus der Hybridanordnungen sowie auch des Läufers möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- gemeinsames Substrat
- 2; 2'
- Mehrschicht-Keramik-Hybridanordnung
- 2.1', 2.2'
- Hybridanordnung (Teilstapel)
- 2C'
- Verbinder-Teil
- 2I'
- Isolierteil
- 2K'
- Klemmaktor
- 2S'
- Scheraktor
- 3
- Longitudinalaktor
- 4
- Scheraktor
- 5
- Läufer
- 6
- Last
- 7
- stellbereichsvergrößernder Aktor
- 8
- Bohrung
- 9
- Dehnungselement
