DE19546279A1

DE19546279A1 - Mikro-Positioniersystem

Info

Publication number: DE19546279A1
Application number: DE1995146279
Authority: DE
Inventors: Dirk Meyer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-12-12
Filing date: 1995-12-12
Publication date: 1996-06-27

Description

Die Erfindung betrifft ein Positioniersystem, basierend auf der thermisch bedingten Längen- bzw. Volumenänderung von Festkörpern, Flüssigkeiten oder Gasen als Stellgröße, welches Stellwege bis in den mm- Bereich (10^-3 m) mit einer Auflösung in der Größe von nm (10^-9 m) erlaubt und zur Positionierung in der Mikrosystemtechnik oder für Meßaufgaben eingesetzt werden kann.

Nach dem Stand der Technik sind Mikro-Positioniersysteme (mechanische Verstellsysteme hoher Genauigkeit) bekannt, die auf der Grundlage der elastischen Verformung von Festkörpern durch piezoelektrische, piezoresistive, magnetoresistive oder elektro statische Effekte arbeiten. Piezoelektrische Mikro-Positio niersysteme erlauben Verstellungen im Bereich von ca. 10 µm mit hoher Dynamik (Frequenzen von ca. 10 kHz und mehr). Solche Systeme erreichen in Kombination mit geeigneten Wegmeßsystemen, durch deren Einbindung in einen Regelkreis Fehler infolge Hysterese- und Drifteinflüssen korrigiert werden können, Genauigkeiten von etwa 0.1% bezogen auf ihre Nennausdehnung. In DE 43 15 628 A1 wird ein inkrementelles Positionier- und Meßsystem beschrieben, welches Stellbewegungen mit atomarer Auflösung (Größenordnung 10^-10 m) bei Stellwegen bis in den mm-Bereich realisieren und frei von Hysterese- und Driftfehlern bei hoher Dynamik (Frequenzen bis zu GHz) arbeiten soll. Dieses System arbeitet mit einem Translator und einem Stator, die jeweils durch atomar ebene Flächen, die durch atomare Bindungskräfte, die durch eine monomolekulare Zwischenschicht geschwächt werden, miteinander verbunden sind. Für die bekannten Mikro-Positio niersysteme bestehen Einschränkungen hinsichtlich der Einsatzorte (z. B. Vakuumfestigkeit bei Hochspannungs- Piezopositioniersystemen), sie stellen für die technischen Systeme einen wesentlichen Kostenfaktor dar. Die thermische Ausdehnung von Medien wird vor allem im Zusammenhang mit Schaltprozessen genutzt (Bi-Metall).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein zuverlässig arbeitendes und preisgünstig zu produzierendes Positioniersystem zu schaffen, welches Stellwege im Bereich von ca. 10^-6-10^-3 m mit einer Auflösung in der Größe von ca. 10^-9 m erlaubt und zur Positionierung in der Mikrosystemtechnik oder für Meßaufgaben ohne wesentliche Anforderungen an den Einsatzort eingesetzt werden kann. Die Steifigkeit der Anordnung soll mit der üblicher Festkörpermaterialien vergleichbar sein. Als Anwendungsgebiete werden Aufgaben mit geringen Anforderungen an die Dynamik der Stellbewegung für den maximalen Stellweg gesehen (1 Sekunde bis mehrere Sekunden).

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Ausnutzung der thermisch bedingten Längen- bzw. Volumenänderung von Medien (Festkörper, Flüssigkeiten oder Gase) als Stellgröße in Verbindung mit einem thermischen Element, das auf Grundlage des Peltier-Effektes arbeitet, gelöst. Dies bedeutet, daß ein im beschriebenen Positioniersystem enthaltenes Medium durch Zuführung von Wärme expandiert oder sich durch thermischen Kontakt mit einem kälteren Medium abkühlt und dadurch seine Längen- bzw. Volumenausdehnung ändert.

Im Vergleich zu den, nach dem Stand der Technik bekannten, die thermisch bedingte Längen- bzw. Volumenänderung von Medien nutzenden Stellelementen, die zumeist Widerstands-Heizelemente als Wärmequelle nutzen, besteht die Idee dieser Erfindung in der Kombination solcher Medien mit mindestens einem thermischen Element, das auf Grundlage des Peltier-Effektes arbeitet.

Der, nach Jean Peltier benannte Peltier-Effekt [1] besteht in Temperatur-Besonderheiten, die an der Berührungsstelle zweier verschiedener Leiter bei elektrischem Stromfluß auftreten; fließt ein elektrischer Strom durch den Übergang zwischen zwei verschiedenen Materialien, wird an diesem Übergang Wärmeenergie freigesetzt oder absorbiert. Dieser Effekt existiert zusätzlich zur Entwicklung von Joule′scher Wärme, die z. B. in den oben genannten Widerstands-Heizelementen genutzt wird. Von Bedeutung für die Anwendung im Sinne dieser Erfindung ist die Tatsache, daß mit Änderung des Vorzeichens des Stromflusses, also einer Umkehr der Stromrichtung im zugehörigen Stromkreis, die Peltier- Wärmeentwicklung an einer betrachteten Kontaktstelle ihr Vorzeichen ändert, d. h. man kann diese Kontaktstelle entweder aufheizen oder abkühlen. Befindet sich diese Kontaktstelle in thermischem Kontakt mit einem Medium, dessen thermisch bedingte Längen- bzw. Volumenänderung als Stellgröße für ein Positionier- System genutzt werden soll, kann durch die Stromrichtung an dieser Kontaktstelle eine Kontraktion oder Expansion dieses Mediums ausgelöst werden. Beispielsweise für Festkörper kann durch Bezugnahme auf eine weitere, bei einer festen, oder bekannten Temperatur befindlichen Kontaktstelle des Stromkreises damit bei berechenbarer oder meßbarer Temperatur des betreffenden (Stell-) Festkörpers bei bekanntem linearem Wärmeausdehnungskoeffizienten α (Verhältnis zwischen relativer Längenänderung und Temperaturdifferenz) des verwendeten Materials und der Ausgangslänge l₀ dieses Festkörpers bei einer Bezugstemperatur T₀ die resultierende Länge l für die Temperatur T₁ nach Einstellung eines thermischen Gleichgewichtes durch die Gleichung

l = l₀ (1+α (T₁-T₀))

ermittelt werden (s. z. B. [2]).

Der Vorteil der Verwendung eines Peltier-Elementes in dieser Anordnung im Sinne dieser Erfindung besteht in einer größeren Dynamik des Stellprozesses, das heißt durch die mögliche Kühlwirkung ist das oben erwähnte thermische Gleichgewicht, für das eine bestimmte Länge des Stellkörpers resultiert, für verschiedene Situationen der Stellbewegung schneller einstellbar. Daraus resultieren bei Verwendung gebräuchlicher Materialien wie, z. B. Stahl, für Stellwege mit Amplituden im Bereich von 10^-6 m Einstellzeiten im Sekundenbereich. Eine Bezugs- Kontaktstelle des Stromkreises kann zur Gewährleistung einer stabilen Bezugsbasis mit Bauteilen des technischen Systems mit großer Wärmekapazität oder einem Kreislauf in thermischen Kontakt gebracht werden, die im Falle einer Abkühlung des Stellkörpers die erzeugte Wärmeleistung abführen bzw. im Falle einer Erwärmung des Stellkörpers die Temperatur der Bezugsbasis durch mögliche Wärmeaufnahme durch die Kotaktstelle stabilisieren. Die äußeren Komponenten des Positioniersystems, welche die Stellbewegung übertragen, können durch den Einsatz von geeigneten Materialien thermisch von dem Stellkörper und auch der Bezugsbasis isoliert werden.
[1] "Effekte der Physik und ihre Anwendungen", Hrsg. Manfred von Ardenne u. a., VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin (1988)
[2] Taschenbuch der Physik, Horst Kuchling, Verlag Harri Deutsch, Thun und Frankfurt/Main (1987)

Claims

1. Positioniersystem, basierend auf der thermisch bedingten Längen- bzw. Volumenänderung von Medien (Festkörper, Flüssigkeiten oder Gase) als Stellgröße, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beeinflussung der Temperatur eines solchen Mediums und damit dessen Längen- bzw. Volumenausdehnung, dieses mit einem Teil mindestens eines, auf Grundlage des Peltier-Effektes arbeitenden Elementes in thermischen Kontakt gebracht und durch Wahl der Stromrichtung in dem dieses Element enthaltenden Stromkreis abgekühlt oder erwärmt wird.

2. Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Stellbewegung auslösende Medium selbst Teil eines auf Grundlage des Peltier-Effektes arbeitenden Elementes ist.