-
Die
Erfindung betrifft Verfahren zur elektrischen Ansteuerung von Antrieben
mit piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuatoren für eine schrittweise
Bewegung in zB. Verschiebe- und Positioniervorrichtungen nach dem
Oberbegriff der nebengeordneten Ansprüche 1, 4 und 8. Derartige Verfahren
sind aus der gattungsbildenden Druckschrift
US 5,589,723 A bekannt. Bei
solchen Verschiebe- und Positioniervorrichtungen können Objekte
mit geeigneten elektrischen Spannungssignalen sowohl im Bereich
der Längenänderung
des Aktuators als auch schrittweise, zB. nach dem Trägheitsprinzip,
verschoben und positioniert werden.
-
Die
Ansteuerung von piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuatoren,
die im folgenden auch nur als Aktuatoren bezeichnet werden und zB.
als Scher-, Rohr- oder plättchenförmige Piezoelemente ausgebildet
sein können,
erfolgt in solchen Antrieben durch ein Spannungssignal, das sich
im allgemeinen zumindest aus folgenden Teilen zusammensetzt:
Ein
Teil des Spannungssignals, zB. die Flanke eines sägezahnartigen
Spannungssignals, führt
aufgrund einer hohen Spannungsänderungsgeschwindigkeit dU/dt
zu einer stossartigen Längenänderung
des piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuators, sodass eine
Trägheitskraft
F=ma der Objektmasse m, die im folgenden als bewegliche, zu positionierende Masse
angenommen wird, hervorgerufen wird, die zu einer Verschiebung des
Kraftübertragungselements an
der Klemmstelle führt.
Das Kraftübertragungselement
in oder an der Klemmeinrichtung überwindet also
die Haftreibung an der Klemmstelle, der Betrag der Verschiebung
bestimmt die Schrittweite. Unter Kraftübertragungselement wird im
folgenden ein Element verstanden, das fest mit dem Aktuator, der
Referenzmasse oder der Objektmasse verbunden ist und die vom Aktuator
hervorgerufenen Kräfte,
wie zB. Trägheitskräfte auf
eine Klemmeinrichtung, die zB. auch nur aus einer Reibfläche für das Kraftübertragungselement
bestehen kann, überträgt. Die
Referenzmasse wird im folgenden als statisch angenommen.
-
Ein
zweiter Teil des Spannungssignals, zB. der flache Spannungsanstieg
bzw. -abfall eines sägezahnartigen
Spannungssignals, führt
zu einer ausreichend langsamen Längenänderung
des piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuators, sodass keine
Verschiebung des Kraftübertragungselements in
der Klemmeinrichtung zB. aufgrund der zu kleinen Trägheitskraft
der Objektmasse hervorgerufen wird. Dadurch wird die bewegliche
Objektmasse verschoben entsprechend der Längenänderung des Aktuators bzw.
der Spannungsänderung
am Aktuator.
-
Unter
Spannungssignal U(t) wird also im folgenden eine zeitliche Spannungsvariation
U(t) als die Signaleinheit verstanden, die am Aktuator angelegt werden
muss, um einen Bewegungsschritt des Objekts zu erreichen. Eine zB.
periodische Folge von solchen Spannungssignalen führt zu einer
Folge von schritweisen Verschiebungen des Objekts mit einer Verschiebegeschwindigkeit
bei gegebenem Spannungssignal, die sich aus der Schrittweite pro
Spannungssignal multipliziert mit der Wiederholfrequenz ergibt.
Die maximal mögliche
Wiederholfrequenz beträgt
2π/ΔT mit ΔT, dem Zeitintervall
für ein
Spannungssignal.
-
Gemäß dem Stand
der Technik sind unterschiedliche Verfahren zur elektrischen Ansteuerung von
Trägheitsantrieben
mit piezoelektrischen Aktuatoren bekannt, die zu einer schrittweisen
Bewegung führen:
Ein
Verfahren, piezoelektrische Aktuatoren in Trägheitsantrieben anzusteuern,
ist ein Spannungssignal anzulegen mit zykloidem Spannungsverlauf (Ch.Renner
et al., A vertical piezoelectric inertial Silder, Rev.Sci.Instrum.,
Vd.61, No.3, S.965 (1990),
DE 39
332 91 C1 ). Der zykloide Spannungsverlauf führt an den
Umkehrpunkten zu einer hohen Beschleunigung der beweglichen Masse
in einer Richtung und zu einer ausreichend schwachen Beschleunigung
in der anderen Richtung, sodass eine schrittweisen Bewegung der
Objektmasse erfolgt, wie oben erläutert. Die Nachteile von diesem
Verfahren sind das aufwendig zu erzeugende Spannungssignal mit einer quadratischen
Zeitabhängigkeit,
sowohl bei analog als auch bei digital generierten Signalen. Bei
digital generierten Signalen ist ein DA-Wandler mit hoher Wandlerfrequenz
nötig,
um insbesondere bei niedrigen Spannungsamplituden, d.h. bei kleinen
Schrittweiten eine ausreichend gut definierte Wellenform zu erzeugen.
Die Schrittweite wird bei dieser Signalform über die Spannungsamplitude
eingestellt, sodass nachteilig eine Variation der Betriebsspannung
und damit auch eine Variation der Signalform zur Einstellung der
Schrittweite erforderlich ist.
-
Andere
Verfahren benutzen sägezahnartige Spannungssignale,
um eine schrittweise Bewegung von Trägheitsantrieben zu erreichen
(
EP 0611 485 B1 ;
US 5,410,206 A ,
DE 196 44 550 C1 ,
US 5,589,723 A ).
Die grosse Spannungsänderungsgeschwindigkeit
dU/dt der steilen Spannungsflanke erzeugt zB. eine grosse Trägheitskraft
der Objektmasse, die die Blockierkraft des Antriebs übertreffen,
wie oben erläutert.
Der langsam ansteigende oder abfallende Teil des Spannungssignal
führt zu
einer Verschiebung des Objekts wie in
1 der
Patentschrift
DE 196
44 550 C1 gezeigt. Die sägezahnartigen Spannungssignale
in der Patentschrift
US
5,589,723 A in
25 und
26 bzw.
US 5,410,206 A in
18 werden
mit Hilfe von Steuerverfahren erzeugt, die Konstantstrom-Quellen
bzw. Induktivitäten
aufweisen. Dadurch wird erreicht, dass der Abschnitt sich langsam ändernder
Spannung nach begrenzter Zeit auf Referenzspannung oder Betriebsspannung
ist. Der Nachteil dieser Verfahren ist, dass bei dieser Signalform
die Schrittlänge
pro Sägezahn
nur über
die Betriebsspannung eingestellt werden kann. Zudem wird bei Abschnitten
nach einer e-Funktion sich langsam ändernder Spannung ein relativ
langer Zeitraum ΔT
benötigt,
um die Spannung im langsam variierenden Teil des Spannungssignals
auf den ursprünglichen
Spannungswert hier zB. 0V, die hier auch als Referenzspannung bezeichnet
wird, zu bringen, was die Wiederholfrequenz des Spannungssignals
und damit die Verschiebegeschwindigkeit der Objektmasse begrenzt,
wie oben erläutert.
Verkürzt
man die Abfallzeit und lässt
man den Wert nicht bis zum Ausgangswert abfallen, wird die anliegende
Betriebsspannung nachteilig nicht voll genutzt, was die maximal
mögliche
Schrittweite verkürzt
und damit ebenfalls die Verschiebegeschwindigkeit limitiert.
-
Zur
Feineinstellung des Objekts wird häufig nicht die Schrittweite
variiert, sondern am piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuator
wird eine statische Spannung angelegt (
EP 0611 485 B1 ). Nachteilig
ist bei diesem Verfahren, dass die Spannung am Aktuator zeitlich
einen konstanten Wert aufweisen muss, um die eingestellte Position
zu halten. Die eingestellte Position wird also nachteilig nicht
im stromlosen bzw. spannungslosen Zustand gehalten.
-
Zudem
sind Verfahren bekannt die zur Ansteuerung von Trägheitsantrieben
mit mindestens zwei piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuatoren,
deren Bewegung gegenphasig erfolgen muss, um eine schrittweise Bewegung
zu erreichen (
DE 39 33
296 A1 ). Dies ist zB. erforderlich, wenn die gegenüberliegenden
Seiten der Objektmasse in Bewegungsrichtung mit Aktuatoren versehen
sind. Diese gegenüberliegend
an der Objektmasse angebrachten Aktuatoren werden einzeln mit Spannungssignalen
angesteuert (siehe
DE
39 33 296 A1 , wie oben erläutert, die zeitlich korreliert
und zB. spannungsmässig
invertiert sind. Dazu ist nachteilig eine aufwendige Elektronik
erforderlich. Zudem sind Doppelstapelantriebe bekannt (
EP 0 800 220 A1 ), die zwar keine
Trägheitsantiebe
darstellen, aber aufgrund der Anordnung gegensinnig angesteuert
werden müssen.
Nachteilig ist, dass die Auslenkung des Objekts auf Längenänderung
der Piezoelemente mit der Spannung begrenzt ist. Die eingestellte
Position kann nicht im strom- und spannungslosen Zustand gehalten
werden. Bei Kraft-Weg-Übersetzungen
wie in
EP 0 800 220
A1 wird zwar aufgrund der Hebelwirkung ein relativ grosser
Verschiebeweg auf Kosten der Einstellgenaugikeit gemäss des Hebelgesetzes erreicht.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Trägheitsantriebe zu positionieren,
wobei die eingestellte Position im strom- und spannungslosen Zustand
gehalten wird und die oben erwähnten
Nachteile von den Verfahren vermindert oder beseitigt werden.
-
Die
Aufgabe wird mit den erfindungsgemässen Verfahren gelöst. Nach
Anspruch 1 weist das Spannungssignal U(t) zur Ansteuerung von piezoelektrischen
oder elektrostriktiven Aktuatoren zB. in Trägheitsantrieben vorteilhaft
eine Kombination von zumindest einer ansteigenden und zumindest
einer abfallenden Spannungsflanke auf mit zB. unterschiedlich grossen
Spannungshüben ΔU. Diese Spannungsflanken
besitzen eine Spannungsänderungsgeschwindigkeit
dU/dt , die am piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuator
eine stossartige Längenänderung
hervorruft, sodass zB. aufgrund der Trägheitskraft F=ma der Objektmasse
m eine Verschiebung des Kraftübertragungselements
in oder an der Klemmeinrichtung des Antriebs ermöglicht wird. Neben dem oben
erwähnten
Spannungsflanken weist das Signal vorteilhaft auch zB. einen Bereich mit
ausreichend langsam abfallender oder ansteigender Spannung auf,
in dem die Trägheitskraft
der beweglichen Objektmasse zu keiner Verschiebung des Kraftübertragungselements
in oder an der Klemmeinrichtung des Antriebs führt. In diesem Signalbereich verschiebt
sich die bewegliche Objektmasse, zB. der Läufer eines Positioniertisches,
entsprechend der Längenänderung
des Aktuators bzw. der Spannungsänderung
am Aktuator. Vorteilhaft ergibt sich die Schrittweite pro Spannungssignal
aus der Differenz der Spannungshübe ΔU, die bestimmt
werden durch die ansteigenden und abfallenden Spannungsflanken.
Mit derartigen Spannungssignalen können zB. Rohr-, Scherpiezoelemente
oder plättchenartige Vielschichtpiezoelemente
angesteuert werden.
-
Das
oben Gesagte gilt analog auch für äquivalente
Signalformen, zB. kann das Spannungssignal zuerst eine abfallende
und anschliessend eine ansteigende Spannungsflanke besitzen oder
mehrere ansteigende und/oder abfallende Spannungsflanken mit verschiedenen
Krümmungen
und mit mehreren Bereichen langsamer Spannungsänderungsgeschwindigkeiten aufweisen.
Die Betriebsspannung kann positive wie negative Werte annehmen.
Zudem wird der Aktuator meistens mit einer periodischen Folge von
Spannungssignalen angesteuert, um die bewegliche Masse über einen
Bereich schrittweise mit einer von der Wiederholfrequenz und Schrittweite abhängigen Geschwindigkeit
zu verschieben.
-
Vorteilhaft
kann nach Anspruch 2 bei einem solchen Spannungssignal die Höhe der Spannungsflanken
eingestellt werden, um Schrittweiten zB. eines piezoelektrischen
Trägheitsantriebs
zu variieren ohne die Betriebsspannung zu ändern. Das ermöglicht,
insbesondere eine Positionierung des Objekts mit einer Genauigkeit
im Nanometerbereich vorzunehmen. Die Schrittweite pro Spannungssignal
ergibt sich vorteilhaft aus der Differenz der Spannungshübe ΔU der ansteigenden
und abfallenden Spannungsflanken im Spannungssignal. D.h. es muss,
wie erwähnt,
vorteilhaft nicht die Betriebsspannung variiert werden, um die Schrittweite
zu variieren, sondern nur eine geeignete Differenz der Spannungshübe der beiden
Spannungsflanken eingestellt werden mit zB. einem Bereich langsamer
Spannungsänderungsgeschwindigkeit
zwischen den Spannungsflanken. Dies erfordert vorteilhaft keine
aufwendige Elektronik. Von Vorteil ist auch, dass die eingestellte
Position des Objekts durch dieses Positionierverfahren im strom-
und spannungslosen Zustand gehalten wird im Gegensatz zu einer Positionierung
mit einer statischen Spannung am Aktuator.
-
Nach
Anspruch 3 kann es vorteilhaft sein, den Spannungshub ΔU zumindest
einer Spannungsflanke so klein zu wählen, dass das Kraftübertragungselement
in der Klemmstelle nicht verschoben wird. Aufgrund der Spannungsänderungsgeschwindigkeit
dU/dt der Spannungsflanke würde
zB. die Trägheitskraft
der Objektmasse ausreichen, eine Verschiebung hervorzurufen. Der
Spannungshub wird vorteilhaft aber, wie erwähnt, so klein gewählt, dass
die Längenänderung
des Aktuator kleiner ist als die mindestens erforderliche Längenänderung,
um eine Verschiebung des Kraftübertragungselements
in der Klemmung zu erreichen. Der Schwellenwert für die mindestens
erforderliche Längenänderung
ist eine Systemgrösse
des Antriebs und wird zB. durch die Steifigkeit der Antriebselemente
bestimmt. Mit einer solchen Spannungsflanke in Bereich des Signals mit
langsamer Spannungsänderungsgeschwindigkeit
wird erreicht, dass innerhalb eines kürzeren Zeitintervalls des Spannungssignal ΔT die Referenzspannung
oder die Betriebsspannung erreicht wird ohne nachteilig in diesem
Bereich eine Verschiebung hervorzurufen als ohne diese Spannungsflanke.
Das ermöglicht
vorteilhaft eine hohe Wiederholfrequenz für ein solches Spannungssignal,
wie oben erläutert, und
damit eine hohe Verschiebegeschwindigkeit des Antriebs.
-
Nach
einem vorteilhaften Verfahren in Anspruch 4 weist das Spannungssignal
eine Kombination von zumindest einen Bereich mit langsam ansteigender
bzw. abfallender Spannung und einer an den Bereich anschliessenden
ansteigenden bzw. abfallenden Spannungsflanke, die zB, das Spannungssignal
auf Betriebsspannung bzw. Referenzspannung schaltet, auf. Im Bereich
langsam variierender Spannung bzw. an der Spannungsflanke wird durch
die Spannungsänderungsgeschwindigkeits
keine bzw. eine Verschiebung des Kraftübertragungselements in oder
an der Klemmeinrichtung hervorgerufen. Die Höhe des Spannungshubs der Spannungsflanke wird
gesteuert durch den Bereich mit langsam variierender Spannung. Vorteilhaft
kann durch das Zusammenwirken bzw. durch die Kombination des Bereichs langsam
variierender Spannung und der Spannungsflanke die Schrittweite,
die durch die Spannungsflanke hervorgerufen wird, eingestellt werden,
ohne die Betriebsspannung zu variieren. Die Spannungsänderung
in dem Bereich mit langsam variierender Spannung wird im wesentlichen
bestimmt zB. durch ein RC-Glied bestehend aus Lade- bzw. Entladewiderstand
R und Kapazität
C des Piezoelements. Bei Steuerung der Schrittweite mit gleicher
die Lade- bzw. Entladezeit ist die Spannungsänderung beim Laden gleich der
beim Entladen des Piezoelements, unabhängig von der Kapazität der Piezoelements. Dadurch
wird vorteilhaft erreicht, dass die Spannungshübe der Spannungsflanken und
damit die dadurch hervorgerufene Schrittweite für beide Bewegungsrichtungen
unabhängig
von der Kapazität
des Piezoelements im wesentlichen gleich gross sind.
-
Nach
Anspruch 5 kann es vorteilhaft sein, dass ein Spannungssignal nach
Anspruch 4 zumindest zwei Bereiche mit zB. einer langsam zunehmenden
bzw. abnehmenden Spannungsänderung
und einer nachfolgenden ansteigender bzw abfallender Spannungsflanke
aufweist. Durch Einstellen der Beladezeit relativ zur Entladezeit
der Kapazität
des Aktuators kann die Schrittweite und Bewegungsrichtung eingestellt
werden. Diese Zeiten lassen sich zB. digital über einen MOS-FET-Transistor
als Schalter einfach einstellen und steuern.
-
Ein
vorteilhaftes Verfahren zur Feinpositionierung des Objekts im Nanometerbereich
ist im Anspruch 6 angegeben, wobei die Position des Objekts im spannungs-
und stromlosen Zustand gehalten wird. Das Spannungssignal weist
vorteilhaft eine Kombination von zumindest einen Bereich, indem
die Länge
des Aktuators mit einer Spannung, zB. per Hand über ein Potentiometer oder
per Maus oder Joystick über
Computer, eingestellt oder eingeregelt wird, bis das Objekt sich
in der richtigen Position befindet, und von zumindest einer Spannungsflanke auf.
Nach dem Positionieren wird vorteilhaft die Spannung am Aktuator
mit der Spannungsflanke abgeschaltet. Die Spannungsänderungsgeschwindigkeit
der Spannungsflanke wird so gross gewählt, dass zB. die Trägheit der
Objektmasse eine Verschiebung des Kraftübertragungselements in der Klemmeinrichtung
oder an einer Reibungsfläche
hervorruft. Das Objekt wird also durch das Abschalten der Spannung
mit der Spannungsflanke vorteilhaft im wesentlichen in der eingestellten
Position bleiben, wobei der Aktuator sich in einem spannungs- und stromlosen
Zustand befindet. Es muss vorteilhaft keine zeitlich konstante Spannung
angelegt werden, um die Position zu halten. Dieses Verfahren erlaubt
die genauest mögliche
Positionierung des Objekt im spannungs- und stromlosen Zustand,
die mit einer gegebenen Positioniervorrichtung erreichbar ist. Systemparameter
von Positioniervorrichtungen, wie Steifigkeit des Kraftübertragungselements
usw. begrenzen die Genauigkeit. Die Schrittweite wird also vorteilhaft
während
der Positionierung des Objekts mit der einstellbaren oder regelbaren
Spannung festgelegt, bevor der Aktuator durch eine Spannungsflanke
in einen stromlosen Zustand überführt wird.
-
Zur
Feinpositionierung des Objekts kann es erforderlich sein, vorteilhaft
zuerst den Aktuator zB. zu dehnen durch eine Spannungsflanke, wie
in Anspruch 9 angegeben, sodass das Kraftübertragungselement zB. durch
die Trägheit
der Objektmasse in der Klemmstelle verschoben wird. Anschliessend wird
mit dem in Anspruch 6 angegebenen Verfahren die Position des Objekts
eingestellt und der Aktuator mit einer entsprechenden Spannungsflanke
in einen spannungs- und stromlosen Zustand überführt.
-
Bei
der Überführung des
Aktuators mit einer Spannungsflanke in einen stromlosen Zustand
nach Anspruch 6, kann es zu systematischen Verschiebungen kommen,
insbesondere wenn zB. die Trägheit
der Objektmasse, hervorgerufen durch die Spannungsflanke, nicht
sehr gross ist gegen die Klemmkraft des Kraftübertragungselements. Diese
systematischen Abweichungen können
vorteilhaft nach Anspruch 7 durch eine geeignet eingestellte Spannungsänderung
vor dem Abschalten der Spannung mit einer Spannungsflanke zumindest
teilweise kompensiert werden. Das Objekt wird also mit einer einstellbaren
Spannung positioniert, vor dem Abschalten der Spannung mit der Spannungsflanke
nach Anspruch 6 wird die eingestellte Spannung nach Anspruch 7 geändert, sodass
die Verschiebung des Objekts durch die Spannungsflanke durch eine
entsprechend geänderte
Länge des
Aktuators vorteilhaft möglichst
vollständig
ausgeglichen wird. Mit diesem Verfahren lässt sich die Positioniergenauigkeit
des Antriebs verbessern.
-
Ein
weiteres vorteilhaftes Verfahren zur Kompensation von systematischen
Verschiebungen beim Abschalten der Spannung über eine Spannungsflanke nach
Anspruch 6 ist in Anspruch 8 angegeben. Für Antriebe, bei welchen diese
Verschiebung im wesentlichen unabhängig ist von dem Spannungshub
der Spannungsflanke und diese Verschiebung für ansteigende und abfallende
Spannungen im wesentlichen betragsmässig gleich, richtungsmässig aber
entgegengesetzt ist, kann die Verschiebung wie folgt kompensiert
werden: Nach Positionierung des Objekts mit einer einstellbaren
Spannung, wie in Anspruch 6 erläutert,
wird die Spannung vorteilhaft erst mit einer Spannungsflanke erhöht, bevor
sie mit einer Spannungsflanke abgeschaltet wird. Dadurch kann zumindest
ein Teil der Verschiebung des Objekts durch eine abfallende Spannungsflanke
kompensiert werden.
-
Ein
vorteilhaftes Verfahren zur Ansteuerung von zumindest zwei Aktuatoren
mit gegenphasiger, zeitlich korrelierter Bewegung ist in Anspruch
10 angegeben, das vorteilhaft auch mit obigen Verfahren zur Ansteuerung
kombiniert werden kann. Gegenphasige zeitlich korrelierte Bewegung
ist zB. für
Aktuatoren erforderlich, die an den gegenüberliegenden Seiten des Objekts
in Bewegungsrichtung, zB. eines Läufers von einem Positioniertisch,
angebracht sind. Erfindungsgemäss
werden dazu die zumindest zwei Aktuatoren elektrisch in Serie geschaltet
und eine Vorspannung, zB. die Betriebsspannung angelegt. Aktuatoren
die eine gleichphasige Bewegung durchführen müssen werden parallel geschaltet.
Das Spannungssignal zur Ansteuerung der Aktuatoren, zB. ein Signal
wie oben erläutert,
wird vorteilhaft auf die Kontakte der Aktuatoren gegeben, die elektrisch miteinander
verbunden sind. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass die Ansteuerung
der Aktuatoren mit nur einem Spannungssignal erfolgen kann und die
Aktuatoren gegenphasig und zeitlich richtig korreliert die Länge ändern ohne
aufwendige Steuerelektronik.
-
Nach
Anspruch 11 ist es vorteilhaft, die Vorspannung in Anspruch 10 vor
dem Anlegen des Spannungssignals anzuschalten und nach dem Signal
abzuschalten, da es beim An- und Abschalten der Vorspannung zu einer
Verschiebung der Objektmasse kommen kann.
-
Vorteilhaft
sind die Aktuatoren dann nach jedem Schritt in einem spannungs-
und stromlosen Zustand, die eingestellte Position ohne Spannung
gehalten werden.
-
Nach
Anspruch 12 ist es vorteilhaft, die Vorspannung mit Spannungsflanken
zu- oder abzuschalten, wobei die Spannungsänderungsgeschwindigkeit so
gross gewählt
wird, dass sich die Objektmasse zB. aufgrund der auftretenden Trägheitskräfte im wesentlich
nicht bewegt, sondern das bzw. die Kraftübertragungselement bzw. -elemente
in der bzw. den Klemmeinrichtung bzw. -einrichtungen. Dadurch wird
vorteilhaft erreicht, dass die Verschiebung beim Zu- oder Abschalten
der Vorspannung möglichst
klein gehalten wird.
-
Vorteilhaft
wird nach Anspruch 13 die Vorspannung so angelegt, dass sie zB. über den
Aktuator von den mindestens zwei Aktuatoren abfällt, der die kleinere Klemmkraft
des Kraftübertragungselements
in der Klemmeinrichtung aufweist. Bei mehreren Aktuatoren wird die
Vorspannung vorteilhaft an die Gruppe von parallel geschalteten
Aktuatoren angelegt, die im Vergleich zur anderen Gruppe in der Summe
die kleinere Klemmkraft der Kraftübertragungselemente in den
Klemmeinrichtungen aufweist. Dadurch wird erreicht, dass beim Ein-
und Ausschalten der Vorspannung die Objektmasse nicht verschiebt.
Vorteilhaft bleibt die Objektmasse nach diesem Verfahren in der
Position, die durch die Spannungssignale eingestellt worden ist.
-
Die
erzielbaren Vorteile werden an den nun folgenden Ausführungsbeispielen
erläutert.
In den Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise veranschaulicht
und zwar zeigen
-
die 1a bis 1d wie
ein Aktuator in einem Trägheitsantrieb
mit erfindungsgemässen
Spannungssignal angesteuert wird, um eine schrittweise Bewegung
zu erreichen.
-
die 2a und 2b Spannungssignale mit
gleicher Betriebsspannung aber unterschiedlicher Schrittweite.
-
die 3a und 3b Spannungssignale mit
gleicher Betriebsspannung und gleicher Schrittweite, aber mit unterschiedlich
langen Zeitintervallen.
-
die 4a bis 4c Spannungssignale, bei
denen der Spannungshub einer Spannungsflanke durch eine Bereich
mit langsam variierender Spannung gesteuert wird.
-
die 5a bis 5c erfindungsgemässe Spannungssignale
zur Feinpositionierung eines piezoelektischen oder elektrostriktiven
Antriebs.
-
die 6a und 6b einen
Messtisch mit piezoelektischen Trägheitsantrieb, wobei die Aktuatoren
für eine
schrittweise Bewegung eine gegenphasige Längenänderung durchführen müssen.
-
die 7a und 7b Vorspannung
und Spannungssignale zum Ansteuern von Aktuatoren.
-
die 8 einen
schematischen Schaltplan, zum Erzeugen von den erfindungsgemässen Spannungssignalen.
-
In 1a bis 1d ist
die Bewegung eines Trägheitsantriebs
in Abhängigkeit
von einem erfindungsgemässen
Spannungssignal U(t) 1 schematisch dargestellt. In diesem
Beispiel setzen sich die Spannungssignale 1, aus folgenden
Teilen zusammen:
Einer Referenzsspannung 5, die als
0V angenommen wird, einer Betriebsspannung 6, die positive oder
negative Spannungswerte relativ zur Referenzspannung haben kann,
der ansteigenden Spannungsflanken 2, der abfallenden Spannungsflanken 3 und
einem Bereich mit einer langsam variierender Spannung 4.
Der Trägheitsantrieb
besteht aus einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuator 7 mit
einer zu positionierenden Objektmasse 9 und einem Kraftübertragungselement 8,
das sich in einer Klemmvorrichtung 10 befindet. Die Klemmvorrichtung 10 ist
mit der Referenzmasse 11 verbunden, die als ortfest angenommen
wird. Die elektrischen Anschlüsse
des Aktuators 7 sind übersichtshalber
nicht eingezeichnet.
-
In 1a liegt keine Spannung am Aktuator 7 an.
Nun wird eine Spannungsflanke 2 auf den Aktuator 7 gegeben,
wie in 1b gezeigt, mit einer Spannungsänderungsgeschwindigkeit
der Spannungsflanke 2, die vorteilhaft so gross gewählt, dass die
Trägheitskraft
der zu positionierenden Objektmasse 9 eine Verschiebung
des Kraftübertragungselements 8 in
der Klemmeinrichtung 10 hervorruft.
-
Anschliessend
wird in 1c eine langsam abfallende
Spannung 4 am Aktuator 7 angelegt mit einer Spannungsänderungsgeschwindigkeit
der Spannung 4, die vorteilhaft so gewählt ist, dass die Trägheitskraft
der zu positionierenden Objektmasse 9 nicht ausreicht eine
Verschiebung des Kraftübertragungselements 8 in
der Klemmeinrichtung 10 hervorzurufen. Durch die Längenänderung
des Aktuators 7 mit der Spannungsänderung 4 verschiebt
sich die Objektmasse 9, wie in 1c gezeigt.
-
In 1d wird nun die Spannung 4 mit
der Spannungsflanke 3 am Aktuator 7 auf Referenzspannung
0V 5 gebracht. Die Spannungsänderungsgeschwindigkeit der
Spannungsflanke 3 wird vorteilhaft so gross gewählt, dass
die Trägheitskraft
der zu positionierenden Objektmasse 9 eine Verschiebung
des Kraftübertragungselements 8 in
der Klemmeinrichtungl 10 hervorruft und sich die Objektmasse 9 im wesentlichen
nicht bewegt, wie in 1d dargestellt. Vorteilhaft
ergibt sich die Schrittweite der Verschiebung der Objektmasse pro
Spannungssignal 1 aus der Differenz der Spannungshübe der Spannungsflanken 2 und 3.
Das Spannungssignal 1 kann periodisch mit einer gewissen
Wiederholfrequenz am Aktuator 7 angelegt werden, um eine
einstellbare Verschiebegeschwindigkeit der Objektmasse 9,
die sich aus Schrittweite mal Wiederholfrequenz ergibt, zu erreichen.
-
Vorteilhaft
kann durch Einstellen der Spannungsdifferenzen der Spannungsflanken 2 und 3 die Schrittweite
pro Spannungssignal 1, 1' eingestellt werden ohne die Betriebsspannung
variieren zu müssen,
wie in 2a und 2b gezeigt.
Die Spannungssignale 1, 1' auf der linken Seite von 2a und 2b erzeugen
einen grösseren
Verschiebeschritt der Objektmasse 9 pro Spannungssignal 1 als
die Signale 1, 1' auf
der rechten Seite. Vorteilhaft kann also eine genaue Positionierung
des Objekts 9 mit diesem Verfahren vorgenommen werden, die
Position wird dann im spannungslosen bzw. stromlosen Zustand des
Aktuators 7 gehalten. Die Spannungssignale 1' in 2b unterscheiden
sich von den Spannungssignalen 1 in 2a dadurch, dass
sie das Objekt 9 in die entgegengesetzte Richtung bewegen,
wie in 1a–d gezeigt.
-
Vorteilhaft
kann nach 3a und 3b eine
Spannungsflanke 2' oder 3 dazu
genutzt werden, das Zeitintervall T' auf das Zeitintervall T zu verkürzen, ohne
die Gesamtschrittweite zu ändern
im Vergleich zu einem Spannungssignal ohne die Spannungsflanken 2' oder 3 (gestrichelte
Linien). Die Spannungshübe
der Spannungsflanken 2' und 3 müssen so
klein gewählt
werden, dass die Längenänderung
des Aktuators 7 nicht ausreicht, das Kraftübertragungselement 8 in
der Klemmvorrichtung 10 zu verschieben aufgrund der nicht
unendlich grossen Steifigkeit des Antriebs. Auf diese Weise kann
vorteilhaft die Spannung des Spannungssignals 1, 1' schnell wieder
auf die Referenzspannung 5 gebracht werden, ohne die Schrittweite
zu verkürzen.
Die maximale Wiederholfrequenz erhöht sich von 2π/T' auf 2π/T und damit
vorteilhaft die maximale Verschiebegeschwindigkeit.
-
In
den 4a und 4b sind
Spannungssignale 1, 1' gezeigt, die einen Bereich 4'', 4''' mit einer Spannungsänderungsgeschwindigkeit
aufweisen, die zu keiner Verschiebung des Kraftübertragungselements 8 in
oder an der Klemmeinrichtung 10 des Antriebs führt, und
einer sich daran anschliessenden Spannungsflanke 2, 3'. Die Spannungshub der
Spannungsflanke 2, 3' wird vorteilhaft über die Spannungsänderung
im Bereich 4'', 4''' gesteuert und
damit die durch die Spannungsflanke 2, 3' hervorgerufene
Schrittweite. Die Schrittweite pro Spannungssignal 1, 1' rechts in 4a und 4b ist
kürzer
als die pro Signal 1, 1' links. Vorteilhaft wird die Spannungsänderung
im Bereich 4'' bzw. 4''' gesteuert über die
Lade- bzw. Entladezeit. Unabhängig
von der Kapazität
C des Piezoelements 7, bedingt durch im wesentlichen gleiche
RC-Konstanten, mit R einem Lade- bzw. Entladewiderstand, erhält man dann gleich
grosse Spannungsänderungen
im Bereich 4'' und 4''',
und damit in beiden Bewegungsrichtungen (vgl. 4a und 4b)
im wesentlichen gleich grosse Schrittweiten durch die Spannungsflanken 2, 3'. Vorteilhaft
kann die Lade- und Entladezeit zB. digital mit einem MOSFET als
Schalter eingestellt werden, wie zB. in 8 gezeigt.
-
Das
Spannungssignal 1' in 4c weist
vorteihaft zwei Bereiche 4' bzw. 4''' mit
der sich daran anschliessenden Spannungsflanke 2' bzw. 3' auf . Die Schrittweite
und die Bewegungsrichtung kann bei einem solchen Signal 1' in 4c über die
Beladezeit t1 und die Entladezeit t2 eingestellt werden, ohne die Betriebsspannung 6 variieren
zu müssen.
Für t1 > t2 bewegt sich der Antrieb in die entgegengesetzte Richtung
als für
t1 < t2. Die Grösse
der Differenz |t1-t2| bestimmt
im wesentlichen die Schrittweite des Antriebs pro Spannungssignal 1'.
-
5a bis 5c zeigen
erfindungsgemässe
Spannungssignale 1'', die sich insbesondere
zur Feinpositionierung von Objekten 9 eignen. Die Feinpositionierung
des Objekts 9 erfolgt im Bereich der Längenänderung des Aktuators 7 mit
einer einstellbaren oder regelbaren Spannung 4'''' des Spannungssignals 1'', zB. per Hand über ein Potentiometer oder über Joystick
per Computer. Entscheidend ist, dass vorteilhaft nach Justierung
mit einer Spannung 4'''',
die Spannung am Aktuator 7 mit einer Spannungsflanke 3'' auf Referenzspannung 5 gebracht
wird, d.h. es liegt nach dem Positioniervorgang keine Spannung am
Aktuator 7 an. Die Spannungsänderungsgeschwindigkeit der
Spannungsflanke 3'' wird vorteilhaft
so gross gewählt,
dass zB. die Trägheitskraft
der zu positionierenden Objektmasse 9 eine Verschiebung
des Kraftübertragungselements 8 in
der Klemmeinrichtung 10 hervorruft und sich die Objektmasse 9 im
wesentlichen nicht bewegt.
-
Die
mit der Spannung 4'''' eingestellte
Position des Objekts 9 wird vorteilhaft nach Abschalten
der Spannung am Aktuator 7 im spannungs- und stromlosen
Zustand gehalten. Dieses Verfahren erlaubt eine Feinpositionierung
im Nanometerbereich bzw. eine sehr genaue Positionierung im stromlosen
Zustand, die nur aufgrund zB. der Mechanik und Steifigkeit des Antriebs
begrenzt ist.
-
Zur
Feinpositionierung des Objekts 9 kann es erforderlich und
vorteilhaft sein, den Aktuator 7 zuerst zB. mit einer ansteigenden
Spannungsflanke 2'' auf die Spannung 6' zu dehnen,
um dann eine Feineinstellung in die Bewegungsrichtung vorzunehmen, wie
in 1a–d angegeben. Die Spannungsänderungsgeschwindigkeit
der Spannungsflanke 2'' ist vorteilhaft
so gross gewählt,
dass die Trägheitskraft der
zu positionierenden Objektmasse 9 eine Verschiebung des
Kraftübertragungselements 8 in
der Klemmeinrichtung 10 hervorruft und sich die Objektmasse 9 im
wcsentlichen nicht bewegt. Anschliessend wird, wie oben erläutert, das
Objekt 9 mit der Spannung 4'''' feinpositioniert, und schliesslich
die Spannung 4'''' mit
der Spannungsflanke 3'' am Aktuator 7 abgeschaltet.
Ein solches Spannungssignal 1'' ist
in 5b gezeigt. Mit den Spannungssignalen 1'' in 5a wird
eine Feinpositionierung für
einen Antrieb, wie in 1a–d schematisch
gezeigt, genau in die entgegengesetzte Richtung, wie für das Spannungssignal 1'' in 5b, vorgenommen.
-
Beim
Abschalten der Spannung 4'''' am
Aktuator 7 mit der Flanke 3'' kann
es systembedingt zu einer Verschiebung der Objektmasse 9 kommen,
wodurch die Positioniergenauigkeit begrenzt wird. Diese Verschiebung
kann kompensiert werden durch eine Spannungsänderung 3''',
die die Länge
des Aktuators 7 um den Betrag ändert, der beim Abschalten
der Spannung 4'''' durch
die Spannungsflanke 3'' als Verschiebung
zu erwarten ist. Solche Spannungssignale 1'' sind
in 5c gezeigt. Mit diesem Verfahren lassen sich systembedingte
Verschiebungen durch die Spannungsflanke 3'' des
Antriebs zumindest teilweise kompensieren und die Einstellgenauigkeit
erhöhen.
-
In 5a,
rechtes Signal 1'', wird eine
Verschiebung durch die Spannungsflanke 3'' mit
einer Spannungsflanke 3'''' zumindest
teilweise kompensiert. Dieses Verfahren eignet sich dann vorteilhaft, wenn
die auftretende Verschiebung betragsmässig unabhängig ist von der Höhe des Spannungshubes der
ansteigenden 3'''' und
der abfallenden Spannungsflanke 3'' ist,
aber richtungsmässig
verschieden ist. Der Aktuator 7 wird zB. von der eingestellten Spannung 4'''' auf Betriebsspannung 6 geschaltet
mit der Spannungsflanke 3'''' und
anschliessend mit der Spannungsflanke 3'' abgeschaltet,
wie in 5a im rechten Signal 1'' gezeigt.
-
In 6a und 6b ist
ein Verschiebetisch mit einem Läufer 9 gezeigt,
der als das zu verschiebende Objekt 9 fest durch drei Kraftübertragungselemente 8 über die
Klemmeinrichtung 10 am Stator als Referenzmasse 11 eingespannt
ist. Diese Anordnung führt
vorteilhaft zu einer absoluten Spielfreiheit des Läufers 9.
Zur Verschiebung des Läufers 9 muss eine
zeitlich und spannungsmässig
korrelierte Ansteuerung der Aktuatoren 7, 7' erfolgen. Die
piezoelektischen oder elektrostriktiven Aktuatoren 7 und 7' müssen so
angesteuert werden, dass der Aktuator 7 im Vergleich zu
den Aktuatoren 7' eine
gegenphasige Bewegung, d.h. Längenänderung
durchführt,
um den Läufer 9 zu
bewegen. Erfindungsgemäss
werden die Aktuatoren 7 und 7' elektrisch in Serie geschaltet,
wie durch die elektrischen Leitungen 14 dargestellt. Die Aktuatoren 7' führen eine
gleichpasige Bewegung durch und sind daher elektrisch parallel geschaltet. Zwischen
den Anschlüssen 13 und 13' wird die Vorspannung 15,
die vorzugsweise der Betriebsspannung 6 entspricht, angelegt.
Vorteilhaft wird das Spannungssignal 1''' auf die Anschlüsse 12, 12' der Aktuatoren 7, 7' gegeben, die
elektrisch verbunden sind. Mit diesem erfindungsgemässen Verfahren
wird erreicht, dass mit einem Signal 1''' die drei Aktuatoren 7, 7' zeitlich richtig
angesteuert werden: Der Aktuator 7 wird kontrahiert, wenn
die Aktuatoren 7' durch
das Spannungssignal 1''' gedehnt werden und umgekehrt,
um zB. eine schrittweise Bewegung des Läufers 9 zu erreichen.
-
Vorteilhaft
fällt die
Vorspannung 15 am Aktuator 7 ab, ohne Spannungssignal 1''' liegen 12 und 12' auf Referenzspannung 5.
Ohne Signal 1''' liegt also keine Spannung an den
Aktuatoren 7' an.
Zudem wird angenommen, dass die Summe der Klemmkräfte der
Kraftübertragungselemente 8,
die mit den Aktuatoren 7' verbunden
sind, grösser
sind als die Klemmkraft des Kraftübertragungselements 8 von
Aktuator 7. Unter diesen Bedingungen verschiebt sich vorteilhaft
beim Ein- und Ausschalten der Vorspannung 15 das Kraftübertragungselement 8 von
Aktuator 7, der Läufer 9 wird
vorteilhaft nicht verschoben.
-
7a und 7b zeigen,
wie das Spannungssignal 1''' und die Vorspannung 15 vorteilhaft zeitlich
geschaltet werden können.
In 7a wird die Vorspannung 15 mit Spannungsflanken 15' und 15'' ein- und ausgeschaltet, wobei
die Spannungsänderungsgeschwindigkeit
der Spannungsflanken 15' und 15'' vorteilhaft so gross gewählt ist,
dass zB. die Trägheit
der Objektmasse 9 eine Verschiebung der Kraftübertragungselemente 8 in
den Klemmeinrichtungen 10 bewirkt. Dadurch wird erreicht,
dass beim Ein- und Ausschalten der Vorspannung 15 weitgehend
eine Verschiebung der Objektmasse vermieden wird, die Position des
Objekts 9 wird im wesentlichen durch das Spannungssignal 1''' eingestellt. 7b zeigt
Vorspannung 15 und Signalspannung 1''' für den Fall,
dass die Vorspannung 15 vor dem Anfang des Signals 1''' eingeschaltet
und nach den Ende des Signals 1''' ausgeschaltet
wird. Nach jedem Schritt ist die Objektmasse 9 vorteilhaft
im spannungs- und stromlosen Zustand positioniert, eine Verschiebung der
Objektmasse 9 durch das Ein- und Ausschalten der Vorspannung 15 kann
einfach zur Verschiebung des Objektmasse 9 durch das Spannungssignal 1''' hinzuaddiert
werden, um so die Gesamtverschiebung pro Signaleinheit zu erhalten.
-
8 zeigt
einen schematischen Schaltplan mit vier MOSFET-Transistoren M1,
M2, M3, M4, den Belade- R1 und Entladewiderstand R2 zB. mit R1 = R2,
sowie die Kapazität 7'' als Ersatzschaltbild für einen
piezoelektischen oder elektrostriktiven Aktuator 7. Die
MOSFET-Transistoren
M1-M4 können
direkt mit einem digitalen Signal über die Gate-Elektrode geschaltet
werden. Bereiche, zB. 4, 4',4'',
im Spannungssignal 1 mit langsam ansteigenden bzw. abfallenden
Spannungsänderungsgeschwindigkeiten können mit
R1 und M1 bzw. R2 und M2, ansteigende bzw. abfallende Spannungsflanken,
zB. 2, 3 , können mit
M3 bzw. M4 erzeugt werden. Die Spannungssignale 1'' in 5a bis 5c lassen
sich zB. im Bereich 4'''' durch
Einstellen des Widerstandwerts von R1 und/oder R2 bei durchgeschalteten
M1 und M2 erzeugen, wobei R1 und/oder R2 in diesem Fall zB. Potentiometer
darstellen.