DE2452068A1 - Einrichtung zur feinfuehligen elektromechanischen positionsstellung - Google Patents

Einrichtung zur feinfuehligen elektromechanischen positionsstellung

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DE2452068A1
DE2452068A1 DE19742452068 DE2452068A DE2452068A1 DE 2452068 A1 DE2452068 A1 DE 2452068A1 DE 19742452068 DE19742452068 DE 19742452068 DE 2452068 A DE2452068 A DE 2452068A DE 2452068 A1 DE2452068 A1 DE 2452068A1
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Description

Einrichtung zur feinfühligen elektromechanischen Positionsstellung
Die Erfindung "betrifft eine Einrichtung, im folgenden als Stellglied bezeichnet, die Präzisionsverstellungen zur Positionierung von Gegenständen gestattet mit einer Feinfühligkeit in der Größenordnung von 0,1 jam. und einem Verstellbereich größer als 100 juw. Insbesondere in der Halbleitertechnik, wo die Anforderungen an genaue Positionierung bei nicht übermäßig großen Verstellwegen ständig wachsen, werden !Stellglieder mit derartigen Eigenschaften sehr dringend benötigt.
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Gegenwärtig sind Einrichtungen zur feinfühligen Positionierung bekannt, die "in herkömmlicher Weise mit Antriebsmotoren, die über eine entsprechende Übertragungskette zur Erreichung einer hohen Feinfühligkeit an die Verstelleinrichtung angeschlossen sind, arbeiten· Für sehr feinfühlige Stell bewegungen werden auch elektro- und magnetos triktive Antriebe verwendet. Zur Verstellung in sehr feinen Schritten über größere. Stellwege werden ferner magnetostriktive Linear- Schrittmotoren eingesetzt· Auch ist die hochgenaue Verstellung unter Verwendung der Wärme aus dehnung von Materialien nicht ungewöhnlich.
Mangelhaft ist bei herkömmlichen Antrieben mit Übertragungskette der hohe mechanische Aufwand sowie der in gewissen Grenzen durch Spiel und Elastizität immer vorhandene Totgang· Bauelemente zur mechanischen Verstellung, die auf dem elektro- oder magnetostriktiven Effekt aufbauen, besitzen zwar eine hohe Wegauflösung, wodurch sich sehr große Feinfühligkeiten erreichen lassen, jedoch werden deren Abmessungen sehr groß, wenn man größere Verstellwege benötigt· Piezoelektrische Keramiken, die für Positionierprobleme Anwendung finden, gestatten beispielsweise Stellwege von etwa 2 - 3 yum pro 10 mm Keramiklänge bei Feldstärken von 1 kV/mm· Um diese Mängel zu beseitigen, wurden piezoelektrische Linearschrittmotoren entwickelt, die jedoch für ein stabiles Arbeiten mechanisch sehr genau gefertigt werden müssen,
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geringe Schrittgenauigkeit aufweisen sowie langsam arbeiten. Die Verwendung der thermischen Ausdehnung zur Verstellung ist ebenfalls in den Stellwegen begrenzt und außerdem so träge, daß damit nur langsame Positionierregelungen realisiert werden können·
Zweck der Erfindung ist es, einen spielfreien Antrieb zu schaffen, der für eine sehr feinfühlige Verstellbewegung geeignet sowie an den erforderlichen Stellweg anpassungsfähig ist und den für derartige Antriebe üblichen hohen Aufwand zu reduzieren. Außerdem soll der Antrieb schnell arbeiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stellglied zur Positionsregelung zu entwickeln, das einerseits eine sehr hohe Feinfühligkeit besitzt und damit eine hohe Wegauflösung gestattet, wie beispielsweise elektrostriktive Materialien, andererseits aber auch einen hinreichend großen Stellweg gewährleistet. Um die grob zueinander positionierte Scheibe und Schablone in Überdeckung zu bringen, werden Stellwege von 10 bis 100 yum benötigt mit einer Feinfühligkeit der Einstellung von 0,01 bis 0.1 /im. Außerdem soll das Stellglied keinen Totgang besitzen und schnell arbeiten, so daß es für genaue Positionsregelungen sehr gut geeignet ist·
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß sogenannte piezoelektrische Biegeelemente, wie sie zur mechanisch- elektrischen Energieumwandlung in Tonabnehmern und Mikrophonen Anwendung finden sowie auch unter Ausnutzung des reziproken Piezoeffektes für Steuerzwecke geeignet sind, als Antriebselemente des Stellgliedes verwendet werden. Ein solches Biegeelement besteht aus zwei piezoelektrischen Keramikplättchen, die fest miteinander verbunden werden. Die Polarisationsrichtungen, Elektrodenanordnungen und angelegten Spannungen werden so gewählt, daß sich das eine Plättchen ausdehnt, während das andere Plättchen seine Länge beibehält oder sich zusammenzieht. Auf diese Weise erhält man eine Durchbiegung der miteinander verbundenen Plättchen. In seiner Funtkionsweise kann somit ein solches Biegeelement mit einem Bimetallstreifen verglichen werden.'
Das Biegeelement wird als Stellglied beidseitig oder einseitig eingespannt und an der Stelle der maximalen Auslenkung die Verstelleinrichtung angekoppelt. Dabei sind Einspannung und mechanische Ankopplung stets so zu wählen, daß sie in Verstellrichtung möglichst starr, in der Ausdehnungsrichtung der Plättchen jedoch elastisch wirken. Durch die Wahl der Abmessungen und die Art der Einspannung der Biegeelemente lassen sich die Parameter des Stellgliedes, wie der maximale Stellweg, die Stellkraft und die Wegauflösung variieren und damit dem je-
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•Γ*
weiligen Positionierproblem anpassen. Eine weitere Möglichkeit, beispielsweise den Stellweg und/oder die-Stellkraft zu vergrößern besteht darin, in einem Stellglied mehrere Biegeelemente in Reihe und/oder parallel zu schalten. Die Wirksamkeit der Biegeelemente hängt neben der Bauform von der Güte der Verbindung der beiden Plättchen miteinander ab.
Zur Positionsregelung wird die Elektrodenspannung geregelt, wodurch bei optimaler Anpassung eine sehr hohe Wegauflösung erreicht wird. Dabei ist es vorteilhaft, durch entsprechende Polung der Elektrodenspannung die Peldrichtung immer in Polarisationsrichtung der Keramik zu legen, damit keine Depolarisationserscheinungen auftreten. Das Stellglied ist vorzugsweise zur Positionsregelung geeignet, d.h. daß es in einem Regelkreis mit einem entsprechenden Wegmeßsystem in Verbindung steht.
Durch die Erfindung ist es möglich, sich an das jeweilige Positionierproblem angepaßte Stellglieder zur Positionsregelung zu schaffen. Diese Stellglieder arbeiten sehr zuverlässig, sind einfach zu fertigen und damit auch billig. Sie besitzen die den piezoelektrischen Materialien eigene, sehr hohe Wegauflösung, gestatten aber gleichzeitig verhältnismäßig große Stellwege, ohne daß ihre Abmessungen besonders groß sein müssen.
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Die Erfindung soll nachstellend, an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen ist dargestellt ϊ
Fig. 1: Stellglied mit einem "beidseitig eingespannten
Biegeelement
Fig. 2: Stellglied mit einem einseitig eingespannten
Biegeelement
Fig. 3* Schematische Anordnung des Stellgliedes in einer Verstelleinrichtung
A Das Stellglied ist direkt mit dem Fundament verbunden.
B Zwischen Stellglied und Fundament ist ein
Grobtrieb angeordnet.
Fig. 4: Schematische Darstellung der Kennlinien von Stellgliedern mit beidseitig eingespanntem Biegeelement bei Variation der Breite und der Länge der piezoelektrischen Keramikplätt-
chen.
Fig. 5* Stellglied mit Reihen- und Parallelschaltung von Biege element en.
Fig. 1 zeigt den Grundaufbau eines Stellgliedes 1 mit beidseitig eingespanntem Biegeelement 2. Das keramische Biegeelement 2 ist in den beiden Befestigungsblöcken 3 eingeklebt, die über Blattfedern 4 mit der Grundplatte 5 verbunden sind. In der Mitte zwischen den beiden Befestigungsblöcken 3 ist fest mit dem piezoelektrischen Keramikplättchen 6 das Ankoppelelement 7 für den Verstelltisch 11 angebracht. Die beiden 609823/0 803
Außenelektroden 8 und die Mittelelektrode 9 sind mit den elektrischen Anschlüssen 10 verbunden. Bei an den elektrischen Anschlüssen 10 angelegten Spannungen biegt sich je nach Polung das Biegeelement 2 nach oben oder nach unten durch, wobei die dabei auftretende Verkippung der Befestigungsblöcke 3 durch die elastische Verbiegung der Blattfedern 4 aufgenommen wird·
Fig. 2 zeigt den Aufbau eines Stellgliedes 1 mit einseitig eingespanntem Biegeelement 2. Entspricht die Verbindung mit der Grundplatte 5 der bereits in Fig. 1 dargestellten Befestigungs.art, so ist am freien Ende des Biegeelementes 2 ein starres Ankoppelelement 7 angebracht. Es sind auch Ausführungen möglich, bei denen die Einspannung mit der Grundplatte 5 über den Befestigungsblock 3 starr erfolgt und als Ankoppelelement 7 eine Blattfeder 4 verwendet wird. Bei Verwendung gleichartiger Biegeelemente 2 ergeben Stellglieder 1 mit einseitiger Einspannung größere Stellwege, jedoch geringere Stellkräfte als solche mit beidseitiger Einspannung.
In Fig. 3 A und 3 B sind zwei Varianten für die Anordnung des Stellgliedes 1 in einer Verstelleinrichtung dargestellt. Bei ausreichendem Stellweg des Stellgliedes 1 kann dieses, wie in Fig. 3 A gezeichnet, direkt zwischen Fundament 12 und Verstelltisch 11 angeordnet werden. In diesem Fall wird die Grundplatte 5 mit dem ' Fundament 12 und das Ankopp el element 7 mit dem Verstell-
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tisch 11 verbunden. Reicht der Stellweg des Stellgliedes 1 nicht aus, kann zwischen Fundament 12 und Stellglied 1 ein Grobtrieb 13 eingefügt werden. Diese Möglichkeit ist in Fig. 3 B dargestellt. Dann ist der Grobantrieb 13 einerseits mit dem Fundament 12 und andererseits mit der Grundplatte 5 des Stellgliedes 1 verbunden·
Fig. 4 stellt&das Stellkraft- Stellweg- Kennlinienfeld dar, wie man es für ein Stellglied 1 mit beidseitig eingespanntem Biegeelement 2 nach Fig. 1 bei Variation der Breite und der Länge des Biegeelementes 2 erhält. Bei Kennlinie B ist die länge des Biegeelementes 2, während bei Kennlinie G die Breite des Biegeelementes2, das die Kennlinie A besitzt, verdoppelt. Aus der Kennlinie B ist zu entnehmen, daß bei Verdoppelung der Länge der piezoelektrischen Keramikplättchen 6 sich auch der Stellweg bei konstanter Stellkraft verdoppelt. Durch Verdoppelung der Breite der piezoelektrischen Keramikplättchen 6 wird sich, wie in der Kennlinie O der Fig. dargestellt, die Stellkraft bei konstantem Stellweg verdoppeln. Praktisch kann man eine Verbreiterung der piezoelektrischen Keramikplättchen durch parallele Anordnung mehrerer Biegeelemente 2 erreichen. Kennlinie O kann man somit auch erhalten, wenn an Stelle eines Biegeelementes 2 mit doppelter Breite der piezoelektrischen Keramikplättchen 6 zwei Biegeelemente 2 mit einfacher Breite der piezoelektrischen Keramikplättchen 6 parallel
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angeordnet werden. Durch die Auswahl der Abmessungen der piezoelektrischen Keramikplättchen 6 kann demzufolge das Stellglied 1 an die jeweilige Verstelleinrichtung angepaßt werden. Jedoch lassen sich nicht "beliebige Abmessungen herstellen·
Fig. 5 zeigt Möglichkeiten zur weiteren Variation des Stellweges und der Stellkraft, indem Biegeelement 2 in Reihe oder parallel angeordnet werden. Die zeichnerisch dargestellten Varianten bei einseitiger und beidseitiger Einspannung enthalten jeweils nur zwei Biegeelemente 2. Vom Prinzip her ist jedoch die Anordnung auch mehrerer Biegeelemente 2 in einem Stellglied möglich.
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Claims (5)

  1. Patentansprüche:
    1Λ Einrichtung zur feinfühligen elektromechanischen Positionsstellung, insbesondere für Positionierzwecke in der Halbleitertechnik, unter Verwendung von Biegeelementen, die. aus zwei verklebten piezoelektrischen Keramikplättchen bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegeelement (2) ein- oder beidseitig mit einer Grundplatte- (5), die am Fundament (12) direkt oder über einen Grobantrieb (13) befestigt ist, verbunden und daß am Punkt der maximalen Auslenkung des Biegeelementes (2) gegenüber der Grundplatte (5) ein Ankoppelelement (7) angeordnet ist, wobei die Verbindung des Biegeelementes (2) mit der Grundplatte (5) und dem Ankoppelelement (7) starr in der Biegerichtung und elastisch in der Richtung der Längenänderung der piezoelektrischen Keramikplättchen (6) erfolgt»
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ein- bzw. zweiseitig mit der Grundplatte (5) verbundene Biegeelement (2) in der Biegerichtung starr, jedoch in der Richtung der Längenänderung der piezoelektrischen Keramikplättchen (6) elastisch mit der Grundplatte (5) und starr mit dem Ankoppelelement (7) verbunden ist.
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  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einseitig mit der Grundplatte (5) verbundene Biegeelement (2) über den Befestigungsblock (3) starr mit der Grundplatte (5) und starr in der Biegerichtung jedoch elastisch in der Richtung der Längenänderung der piezoelektrischen Keramikplättchen (6) mit dem Ankoppelelement (7) verbunden ist·
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3» dadurch gekennzeichnet, daß zur teils elastischen, teils starren Einspannung Blattfedern (4·) angeordnet sind.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung des Stellweges und/oder der Stellkraft mehrere Biegeelemente (2) in Reihe oder parallel angeordnet werden.
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GB1475671A (en) 1977-06-01
DD108172A1 (de) 1974-09-05
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