DE2018483B2 - Vorrichtung zur präzisen Bewegung eines Körpers - Google Patents
Vorrichtung zur präzisen Bewegung eines KörpersInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur präzisen Bewegung eines Körpers
parallel zu einer Stützfläche mit wenigstens einem periodisch in Bewegungsrichtung elastisch verformbaren
Bauteil, das mit dem zu bewegenden Körper fest verbunden ist und wenigstens zwei Abstützungen
aufweist, die abwechselnd abgestimmt auf die Deformationsperiode des elastischen Bauteils, fest an die
Stützfläche andrückbar sind. Eine solche Vorrichtung ist aus »Neues aus der Technik«, 1967, Heft 1, Seite 4 unter
der Überschrift »Werkzeugverschiebung bei Werkzeugmaschinen auf piezoelektrischem Wege« bekannt.
Bei dieser bekannten Ausbildung ist das elastisch verformbare Bauteil ein Stab aus piezoelektrischem
Material und kann an seinen beiden abgestützten Enden magnetisch festgeklemmt werden und wird dadurch
schrittweise bewegt, daß bei Festlegung des ersten und Lösung des zweiten Endes des Stabes eine Längenänderung
desselben herbeigeführt wird, wonach bei Lösung des ersten und Festlegung des zweiten Endes diese
Längenänderung wieder rückgängig gemacht wird.
Nachteilig in bei der bekaüiucn Ausbildung, daß das
gelöste Ende des Stabes nicht frei von Reibung bewegt werden kann. Auch der abgeschaltete Elektromagnet
am gelösten Ende des Stabes schleift über die Stützfläche, so daß zur Bewegung die Überwindung von
Reibung erforderlich ist. Es ist in der genannten Quelle zwar noch die Möglichkeit einer piezoelektrischen
Klemmung der Stabenden erwähnt; jedoch bleibt unklar, wie dies geschehen soll und die Möglichkeit
einer reibungsfreien Bewegung des gelösten Stabendes ist nicht ersichtlich.
Die bei der bekannten Ausbildung auch auftretende Reibung bei der Bewegung des nicht festgelegten Endes
des Stabes verhindert eine völlige Ausnutzung der kleinsten elastischen Deformationen des verformbaren
Bauteils, da solche unter der Wirkung der Reibung ri entweder überhaupt nicht mehr Zustandekommen oder
uiikorurollierbar werden. Dadurch wird die Präzision
der Bewegung reduziert auf die Genauigkeit von herkömmlichen Verschiebungsantrieben wie Schraube/
Mutter oder dergleichen.
hi Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine
Verformung zur präzisen Bewegung eines Körpers zu schaffen, deren Genauigkeit erheblich erhöht ist und mit
der beliebig kleine Schritte gemacht werden können. Die erreichbare Genauigkeit soll bis hinunter auf
ι · Hunderstel eines Mikrons gehen, was besondere
Bedeutung auf den Gebieten der Mikroelektronik und der Optik hat.
Ausgehend von dei eingangs beschriebenen Ausbildung wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß
:« vorgeschlagen, daß die Abstützungen durch elastische
Verformbarkeit in senkrechter Richtung zu der Stützfläche auf dieser festlegbar und unter Bildung eines
Spaltes von dieser abhebbar sind.
Bei eine; solchen Ausbildung ist die gelöste
j· Abstützung völlig frei von Reibung, so daß minimale
Bewegungen des Körpers möglich sind, während sonst die Haftreibung bewirken würde, daß zunächst eine
gewisse Kraft wirken muß bis die Bewegung beginnt und diese dann einen gewissen Mindestbetrag nicht
in unterschreiten kann, weil die Gleitreibung geringer ist
als die Haftreibung. Mit der anmeldungsgemäßen Ausbildung sind mithin kleinste Präzisionsverschiebungen
möglich, wie sie bei den Tischen von Koordinaten-Meßmaschinen, Mikroskopen, optisch-mechanischen
■ Ί Geräten, Fertigungsmaschinen in der Halbleiterindustrie
und in der Weltraumforschung notwendig sein können.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung sind in den Abstützungen für die elastische Verformbar-
Hi keit in senkrechter Richtung zu den Stützflächen
piezoelektrische Wandler eingebaut.
Es kann zweckmäßig sein, wenn gegenüberliegend zur ersten Stützfläche eine zweite Stützfläche vorgesehen
ist und die Abstützungen zwischen diesen
ι; festklemmbar und abhebbar sind.
Wenn Bewegungen in mehr als einer Richtung über eine Stützfläche notwendig werden, so ist es zweckmäßig,
eine Mehrzahl von Abstützungen vorzusehen, an deren jeder zwei waagerechte Wandler angreifen, deren
V) Wirkungsrichtungen parallel zur Stützfläche verlaufen
und einen rechten Winkel einschließen.
Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnungen
weiter erläutert. Es zeigt
j > F i g. 1 eine Vorrichtung zur präzisen Bewegung eines
Körpers mit einem Freiheitsgrad in geschnittener Seitenansicht;
Fig. 2 den Schnitt H-Il aus F ig. 1;
F i g. 3 eine Vorrichtung zur präzisen Bewegung eines
F i g. 3 eine Vorrichtung zur präzisen Bewegung eines
wi Körpers mit drei Freiheitsgraden in Draufsicht;
F i g. 4 den Schnitt IV-IV aus F i g. 3;
Fig.5 Diagramm der elektrischen Signale für die piezoelektrischen Wandler zur Bewegung des Körpers. Die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung zur präzisen
F i g. 4 den Schnitt IV-IV aus F i g. 3;
Fig.5 Diagramm der elektrischen Signale für die piezoelektrischen Wandler zur Bewegung des Körpers. Die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung zur präzisen
"■· Bewegung eines Körpers 1 besitzt zwei Abstützungen 2
und 3, die an den Enden des Körpers einstückig mit diesem ausgebildet sind. Jede Abstützung kann Stützflächen
berühren, welche von den einander zugewandten
Oberflächen zweier Leisten 4, 5 gebildet sind. Die Stützfläche der Leiste 4 ist eben ausgeführt, während die
Her Leiste 5 aus zwei unter einem Winkel zueinander
liegenden Ebenen zusammengestellt ist, wie dies aus der
Fig.2 ersichtlich ist Diese Form der Stützflächen s begrenzt die Zahl der Freiheitsgrade des bewegten
Körpers auf einen, nämlich auf die translatorische Bewegung längs der Leisten.
Die Leisten 4 und 5 sind ortsfest mit einem solchen
Abstand parallel zueinander angeordnet, daß im in unverformtec Ruhezustand der Abstützungen 2 und 3
zwischen den Berührungsflächen derselben und den Stützflächen der Leisten 4 und 5 ein Spalt 6 in der
Größenordnung von 0,5 bis 2,0 μπι vorhanden ist
Innerhalb jeder Abstützungen 2,3 ist ein piezoelektri- ι >
scher Wandler 8, 10 eingesetzt, dessen Wirkungsrichtung recntwinklig zu den Stützflächen verläuft und
zwischen den Abstützungen sind im Körper 1 zwei piezoelektrische Wandler 7, 9 eingesetzt, deren
Wirkungsrichtung mit der Bewegungsrichtung des Körpers zusammenfäll«.
Jeder der piezoelektrischen Wandler stellt einen Satz von Scheibe« aus Piezokeramik dar, welche zu einem
Stab zusammengestellt sind. An den Scheibenrändern sind Beläge vorgesehen, welche von einer nicht r,
gezeigten Steuereinheit unter elektrische Spannung gesetzt werden können. Die Stäbe sind in Hülsen 11 aus
einem Dielektrikum eingelegt und in entsprechenden Ausschnitten des Körpers 1 bzw. der Abstützungen 2
und 3 angeordnet. Die Stäbe sind an die inneren Flächen i"
dieser Ausschnitte mit Hilfe von Keilpaaren 1? angedrückt.
Die Steuereinheit kann rechtwinklige und sägezahnförmige Impulse einstellbarer Amplitude, Dauer und
Phasenlage erzeugen. : >
In Fig.3 und 4 ist eine Vorrichtung zur präzisen
Bewegung eines Körpers 13 mit drei Freiheitsgraden gezeigt; der Körper hat in der Ebene seiner Stützfläche
20 zwei translatorische und einen rotatorischen Freiheitsgrad. -in
Zum Unterschied von der in Fig. 1 dargestellten
Vorrichtung sind hier sechs Abstützungen 14 bis 19 vorhanden. Jede Abstützung hat die Form einer Stütze
mit quadratischem Querschnitt. Die oberen Enden der Stützen 14—19 sind einstückig mit dem Körper 13 r>
verbunden und ihre unteren Enden treten abwechselnd mit der Stützfläche 20 in Berührung, welche eine Ebene
ist.
Innerhalb jeder der Stützen 14 bis 19 ist eine Bohrung vorgesehen, in der senkrecht ein piezoelektrischer ίο
Wandler angeordnet und mittels eines Schraubenstopfens 21 zusammengedrückt ist. In Fig.4 sind zwei
solcher Wandler 22 und 23 zu sehen.
Außerdem greifen an jeder der Stützen 14 bis 19 in
der Nähe von deren unterem Ende zwei piezoelektn- "
sehe Signalwandler 24, 25; 26, 27; 28, 29; 30, 31; 32, 33;
34, 35 an, deren Achsen zueinander unter 90° in der waagerechten Ebene verlaufen. Den Andruck dieser
Wandler verwirklichen Keilpaare 36. Ist eine Stütze 14 bis 19 nicht durch den in ihr sitzenden Wandler w>
verformt, nämlich gelängt, so bleibt zwischen ihrer Bodenfläche und der Stützfläche 20 ein Spalt 37.
Der Betrieb der Vorrichtung gemäß F i g. 1/2 verläuft wie folgt:
Um den Körper 1 zu bewegen, wird an die t>piezoelektrischen
Wandler 7 bis 10 eine Spannung in Form von periodischen Impulsen angelegt. Die Impulsform
und Phasenverhältnisse zwischen den Impulsen sind qualitativ in F i g. 5 angedeutet wo auf der Abzisse
die Zeit t und längs der Ordinate die Spannung U am piezoelektrischen Wandler aufgetragen ist. Die impulse
38 beaufschlagen den piezoelektrischen Wandler 7, Impulse 39 den Wandler 8, Impulse 40 den Wandler 9
und Impulse 41 den Wandler 10.
Das in Fig.5 wiedergegebene Impulsdiagramm entspricht einer kontinuierlichen Bewegung des Körpers
1 in der Richtung, wie sie in F i g. 1 mit dem Pfeil A angegeben ist Am piezoelektrischen Wandler 8 wird die
Spannung 39 in Form eines rechteckigen Impulses angelegt die infolge des Piezoeffektes eine axiale
Dehnung des Stabes und damit auch dienelastische Verformung der Abstützung 2 verursacht Infolge der
elastischen Verformung werden die Berührungsflächen der Abstützung unter Verschwinden der Spalte 6 an die
Stützflächen der Leisten 4 und 5 angedrückt Die Abstützung 2 ist in Fig. 1, 2 in dieser Stellung
dargestellt, in welcher sie zwischen den Leisten 4, 5 festgeklemmt ist
In diesem Zusammenhang wird dem piezoelektrischen Wandler 7 eine stetig ansteigende Spannung 38
zugeführt, die durch elastische Verformung der beidseitig des Wandlers 7 liegenden Wände des Körpers
1 in waagerechter Richtung eine Rechtsbewegung desselben mit der Abstützung 3 zusammen in Richtung
des Pfeiles A bewirkt Während dieser Bewegung bleibt die Abstützung 3 außer Berührung mit den Stützflächen
der Leisten 4, 5 und ist deshalb keiner Reibung ausge ;etzt
1 Välirend dieser Phase wird auf den piezoelektrischen
Wandler 9 eine schnell steigende Spannung 40 gegeben, die sich dann monoton zu vermindern beginnt. Dieser
Umstand verursacht eine Linksbewegung der freien Abstützung 3, dem Festkörper 1 entgegen, die sich der
betrachteten Rechtsbewegung überlagert. Sobald die Geschwindigkeit dieser Bewegung der der Rechtsbewegung
des Festkörpers 1 gleich ist, bleibt die freie Abstützung 3 in bezug auf die Stützflächen der Leisten
4,5 unbeweglich.
Während dieser kurzen Zeitspanne 71, nachdem der abnehmende Kurvenast der Spannung 40 am piezoelektrischen
Wandler 9 eingesetzt hat, kann dann die Spannung 41 an den piezoelektrischen Wandler 10
gelegt werden, der das Andrücken auch der Abstützung 3 an die Stützflächen der Leisten 4, 5 bewirkt Das
Andrücken vollzieht sich rucklos und reibungsfrei, da während dieser Phase die Abstützung 3 unbeweglich
bleibt. Während einer gewissen Zeit I2 bewegt sich der
mittlere Teil des Körpers 1 mit zwei angedrückten Abstützungen nur durch elastische Verformungen in
waagerechter Richtung.
Als dann wird die Spannung vom piezoelektrischen Wandler 8 weggenommen, wodurch zwischen den
Stützflächen der Leiter. 4, 5 und d-.r Abstützung 2 der
Spalt 6 entsteht. Nach einem kurzen Intervall /3 wird nun
die Spannung 38 am piezoelektrischen Wandler 7 schnell auf Null fallen gelassen, was eine Verschiebung
der freien Abstützung 2 nach rechts bewirkt. Die Bewegung der freien Abstützung 2 erfolgt dabei auch
ohne Reibung, weil sie zu diesem Augenblick die Stützflächen der Leisten 4,5 nicht berührt.
Nach einem schnellen Abfall der Spannung 38 am piezoelektrischen Wandler 7 steigt diese wieder
langsamer an, wodurch die freie Abstützung 2 wieder ihre Position gegenüber den Stützflächen der Leisten 4,
5 beibehält. Infolgedessen kann die Spannung 39 wieder an den piezoelektrischen Wandler 8 angelegt werden
und während der Zeitspanne fct bewegt sich der Körper
1 wieder mit zwei angedrückten Abstützungen 2 und 3. wonach die Spannung 41 vom piezoelektrischen
Wandler 10 weggenommen und das obengeschriebene Spiel wiederholt wird. Auf diese Weise erfolgt die
kontinuierliche Bewegung des Körpers 1, wobei deren Konstanz durch eine Überlagerung der Arbeitsgänge
der beiden Abstützungen 2, 3 erreicht wird. Die Bewegungsgeschwindigkeit hängt von der Frequenz
und der Amplitude der von der Steuereinheit kommenden Impulse ab. Eine Spannung von etwa 500 V
entspricht bei den ausgeführten Vorrichtungen einer Verformung von ca. 1 μπι, was bei einer Frequenz
10 kHz Bewegungsgeschwindigkeit von mehreren Hunderten mm/min erreichen läßt. Eine stufenlose Einstellung
der Bewegungsgeschwindigkeit wird in einem weiten Bereich (vom Maximalwert bis auf Null) nur
durch Verkleinerung der Impulsamplitude vorgenommen, was für die Anlagen mit automatischer Steuerung
von besonderer Bequemlichkeit ist. Durch die Beseitigung der Reibung und durch die Möglichkeit, kleinste
Schritte zu verwirklichen, kann eine Genauigkeit der Bewegung bzw. des Anhaltens in der Größenordnung
von 10-3 μπι erzielt werden.
Die Vorrichtung zur präzisen Bewegung von Körpern mit drei Freiheitsgraden gemäß F i g. 3 und 4
wird wie folgt betrieben:
Die rechteckigen Impulse beaufschlagen die sechs senkrechtstehenden piezoelektrischen Wandler, die in
den Bohrungen der Abstützungen 14 bis 19 sitzen, und die sägezahnförmigen Impulse die zwölf waagerechtliegenden
piezoelektrischen Wandler 24 bis 35.
Wenn z. B. gleichzeitig die drei senkrechten piezoelektrischen Wandler in den Abstützungen 14,16 und 18
beaufschlagt werden, so dehnen diese sich und auf Grund ihrer Abstützungen hebt sich der Körper 13 hoch
und zwischen den Abstützungen 15, 17, 19 und dei Stützfläche 20 entsteht ein Spalt 37, der der Größe dei
elastischen Verformung der Abstützungen 14, 16, If gleich ist. In dieser Stellung bewirkt eine gleichzeitige
ι Spannungsabgabe an die drei waagerechten piezoelek
frischen Wandler 24, 28, 33 bzw. 25, 29, 32 dei Abstützungen 14,16, 18 eine Bewegung des Körpers \1
gegenüber der Tragfläche 20. Das Vorhandenseir zweier waagerechter piezoelektrischer Wandler ar
κι jeder Abstützung gibt die Möglichkeit, die Bewegung
des Körpers 13 längs der zwei Koordinaten in dei waagerechten Ebene zu bewerkstelligen, sowie durcf
entsprechende Steuerung eine Rotation zu bewirken.
Die Festlegung des Körpers auf jeweils dre
ι·« gedehnten Abstützungen geschieht dabei durch seir Eigengewicht. Wenn dies nicht ausreichen sollte, se
kann die Reibungskraft zwischen den festgelegter Abstützungen und der Stützfläche 20 durch Magnetkräfte
verstärkt werden, da auf Grund der Konstruktior
2ii sichergestellt ist, daß die freien Abstützungen reibungsfrei
gehen.
Die Bewegungen dieser Vorrichtung sind so genau dosierbar, daß zur Bewegungsablesung übergenaue
Anlagen, z. B. Laser-Interferometer anzuwenden sind.
:■) Bei den beiden vorstehenden Beschreibungen ist vor
der Verwendung piezoelektrischer Wandler ausgegangen, jedoch kann anstelle des piezoelektrischen Effekts
auch der Magnetostriktionseffekt und andere Erscheinungen Verwendung finden.
in Es sei noch bemerkt, daß bei der zweiten Ausführung
der Vorrichtung die Möglichkeit besteht, eine konstante Höhenlage des Körpers aufrechtzuerhalten, indem man
die Temperaturänderungen in den Abstützungen durch Überlagerung einer entsprechenden konstanten Kom-
r. ponente in das Signal an die senkrechten piezoelektrischen
Wandler ausgleicht.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Vorrichtung zur präzisen Bewegung eines Körpers parallel zu einer Stützfläche mit wenigstens
einem periodisch in Bewegungsrichtung elastisch verformbaren Bauteil, das mit dem zu bewegenden
Körper fest verbunden ist und wenigstens zwei Abstützungen aufweist, die abwechselnd, abgestimmt
auf die Deformationsperiode des elastischen Bauteils, fest an die Stützfläche andrückbar sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützungen (2,3; 14 bis 19) durch elastische Verformbarkeit
in senkrechter Richtung zu der Stützfläche (4; 20) auf dieser festlegbar und unter Bildung eines
Spaltes (6; 37) von dieser abhebbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Abstützungen für die elastische
Verformbarkeit in senkrechter Richtung zu den Stützflächen piezoelektrische Wandler (8,10; 14 bis
19) eingebaut sind.
3. Vorrichtung nach Ansprüchen I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüberliegend zur ersten
Stützfläche (4) eine zweite Stützfläche (5) vorgesehen ist und die Abstützungen (2, 3) zwischen diesen
festklemmenbar und abhebbar sind.
4. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Abstützungen
(14 bis 19), an deren jeder zwei waagerechte Wandler (24 bis 35) angreifen, deren Wirkungsrichtungen
parallel zur Stützfläche verlaufen und einen rechten Winkel einschließen.
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