DE3304811C2

DE3304811C2 -

Info

Publication number: DE3304811C2
Application number: DE3304811A
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Osaka Jp Taniguchi
Original assignee: WEST ELECTRIC CO Ltd OSAKA JP
Current assignee: WEST ELECTRIC CO Ltd OSAKA JP
Priority date: 1982-02-12
Filing date: 1983-02-11
Publication date: 1988-05-05
Also published as: US4454441A; JPH0440951B2; DE3304811A1; JPS5917876A

Description

Die Erfindung geht aus von einer piezoelektrischen Antriebsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige piezoelektrische Antriebsvorrichtungen weisen ein angetriebenenes Teil auf, welches im Bezug auf ein festes Teil beweglich ist. Durch das gezielte Anlegen von Spannungen an Elektroden, welche an den piezoelektrischen Elementen angeordnet sind, kann eine Bewegung erreicht werden.

Eine piezoelektrische Antriebsvorrichtung ist beispielsweise aus der JP-AS 51-12 497 bekannt. Das Prinzip einer piezoelektrischen Antriebsvorrichtung der JP-AS 51-12 497 ist in Fig. 1 dargestellt. Das heißt, die Vorrichtung weist ein festes Teil 4 und ein bewegliches Teil 23 auf, welches ein erstes Endstück 2 und ein zweites Endstück 3 aufweist, die beide gleitbeweglich auf dem festen Teil 4 angeordnet sind. Zwischen dem ersten beweglichen Teil 2 und dem zweiten beweglichen Teil 3 ist ein rohrförmiges piezoelektrisches Element 1 angeordnet, wobei die Endbereiche mit dem ersten Endstück 2 und dem zweiten Endstück 3 mittels Kupplungsteilen, wie beispielsweise Verbindungsschichten oder Hartplastik-Kupplungsstücken 12 bzw. 13 zwischen diesen verbunden sind. Das rohrförmige piezoelektrische Element 1 weist Elektroden 11 und 11′ auf der Außenseite bzw. auf der Innenseite auf, und eine Gleichspannungsquelle E₁ ist über einen Schalter S₁ mit den Elektroden verbunden. Mit dem ersten Endstück 2 und dem festen Teil 4 ist eine zweite Gleichspannungsquelle E₂ über einen Schalter S₂ verbunden. Ferner ist mit dem zweiten Endstück 3 und dem festen Teil 4 eine dritte Gleichspannungsquelle E₃ über einen Schalter S₃ verbunden.

Die beschriebene bekannte Vorrichtung funktioniert wie folgt: Zunächst wird der Schalter S₂ geschlossen und dadurch das erste Endstück 2 mittels elektrostatischer Anziehungskräfte an dem festen Teil 4 festgehalten. Dann wird durch Schließen des Schalters S₁ das piezoelektrische Element veranlaßt, sich in Längsrichtung auszustrecken und dadurch das zweite Endstück 3 nach rechts bewegt. Daraufhin wird der Schalter S₃ geschlossen und dadurch das zweite Endstück 3 mittels elektrostatischer Anziehungskräfte an dem festen Teil 4 festgehalten. Dann wird der erste Schalter S₂ geöffnet und dadurch die Anziehung des ersten beweglichen Endstückes 2 aufgehoben. Dann wird der Schalter S₁ geöffnet und dadurch das piezoelektrische Element 1 auf seine normale Länge zurückgeführt. Daraufhin wird der Schalter S₂ geschlossen und der Schalter S₃ geöffnet. Somit wird das bewegliche Teil 23 um einen Schritt nach rechts in einer Bewegung wie ein "Regenwurm" bewegt. Durch Wiederholung dieses Ablaufes kann eine schrittweise Bewegung erreicht werden.

Die erwähnten Vorrichtungen verwenden jedoch Festhaltevorrichtungen, die mit elektrostatischer Kraft wirken, und daher ist die Verwendbarkeit der Vorrichtungen beschränkt. Beispielsweise erfordern die erwähnten elektrostatischen Festhaltevorrichtungen Spezialteile und beeinflussen auch infolge der großen für die Absorption erforderlichen Gleichspannung die Umgebung. Ferner weist die oben erwähnte, bekannte Vorrichtung piezoelektrische Einheiten und zwei elektrostatische Festhaltevorrichtungen auf. Die elektrostatischen Festhaltevorrichtungen stehen in keiner Beziehung zur der piezoelektrischen Bewegung. Dementsprechend erfordert die oben beschriebene Funktion, welche wie eine Bewegung eines Regenwurmes abläuft, eine besonders gesteuerte Betätigung der Schalter S₁, S₂ und S₃ in einem gut festgelegten zeitlichen Verhältnis zueinander, und daher muß eine besondere Sorgfalt aufgewendet werden. Dies stellt auch einen Grund dar, weshalb die Anwendbarkeit der bekannten Vorrichtung beschränkt ist.

Desweiteren ist aus der DE-OS 30 06 973 eine Anordnung zur Erzeugung einer steuerbaren linearen Bewegung mit einem elektromechanischen Wandler bekannt. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung anzugeben, mit der die Eigenschaft eines Piezokörpers, sich bei Anlegen einer Spannung an die Elektroden eines solchen Körpers zu deformieren, zur Erzeugung einer steuerbaren, linearen Bewegung ausgenutzt wird. Diese Aufgabe wird gemäß der DE-OS 30 06 073 dadurch gelöst, daß eine zu bewegende Achse von einem rohrförmig ausgebildeten auf seiner inneren und seiner äußeren Mantelfläche Kontaktflächen aufweisenden piezoelektrischen Wandlerelement konzentrisch umschlossen ist, daß eine der Kontaktflächen in mindestens drei Kontaktabschnitte unterteilt ist, und daß die einzelnen Kontaktabschnitte unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbar sind.

Eine solche Anordnung kann als steuerbarer Linearmotor, insbesondere für langsamt Bewegungen eingesetzt werden.

Ebenso ist aus der US-PS 33 89 274 eine piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, die rohrförmig ausgebildet ist, und bei der dieses Rohr aus einer Mehrzahl von piezoelektrischen Blöcken besteht. Aufgrund der Dicke dieser einzelnen Blöcke und aufgrund der Tatsache, daß die mittleren Elektroden jeweils die Elektrode für die benachbarten Blöcke bilden, muß sukzessive von Block zu Block bzw. von Elektrode zu Elektrode eine höhere Spannung angelegt werden, um in jedem Block die gleiche Längenausdehnung zu verursachen. Damit ergibt sich bei dieser Antriebsvorrichtung der entscheidende Nachteil, daß mit hohen Betriebsspannungen gearbeitet werden muß, falls eine lineare Längenveränderung gewünscht wird.

Schließlich beschreibt die US-PS 35 51 764 eine piezoelektrische Antriebsvorrichtung mit gestapelten piezoelektrischen Scheiben, welche zwischen Isolationsscheiben so angeordnet sind, daß benachbarte Scheiben jeweils eine entgegengesetzte Polarisationsrichtung aufweisen. Die in der vorstehend genannten US-PS beschriebene Struktur enthält eine stationäre Achse und einen beweglichen externen Zylinder. Innerhalb dieses Zylinders ist eine piezoelektrisches Kupplungsrohr koaxial angeordnet. Durch eine geeignete Steuerung der an den piezoelektrischen Scheiben und dem piezoelektrischen Kupplungsrohr anliegenden Spannungen werden die piezoelektrischen Elemente so beeinflußt, daß der mechanische Eingriff durch das piezoelektrische Rohr bewirkt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, welche eine Mehrzahl von piezoelektrischen Einheiten verwendet, mittels derer verschiedene Arten der Bewegung bzw. des Antriebs, d. h. schnelle Bewegung, langsame, aber sehr fein auflösende Bewegung und kurze, zusätzliche Feineinstellung erreichbar sind.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 eingegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Dadurch, daß die erfindungsgemäße piezoelektrische Antriebsvorrichtung lediglich unter Verwendung des Piezoeffektes arbeitet, ergibt sich zunächst die Möglichkeit, auf andere Festhalteverfahren, wie beispielsweise elektrostatische Anziehung oder dergleichen, zu verzichten.

Ferner ergibt sich der besondere Vorteil, daß erfindungsgemäß ein Antriebsteil mit einem piezoelektrischen Element mit einer Mehrzahl von Blöcken vorgesehen sein kann, welche individuell steuerbar sind, und daß ferner ein festes Teil vorgesehen sein kann, welches mechanisch mit dem Antriebsteil in Eingriff steht. Der besondere Vorteil ergibt sich daraus, daß die zusammengesetzten Blöcke des Antriebsteils sich relativ zu dem festen Teil einfach dadurch bewegen können, daß Spannungen an die piezoelektrischen Elemente in einer vorgegebenen Folge angelegt werden.

Ausführungsformen der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht der bekannten piezoelektrischen Antriebsvorrichtung;

Fig. 2 (a) eine Vorderansicht zur Darstellung der Arbeitsweise einer piezoelektrischen Scheibe in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 (b) eine Seitenansicht einer piezoelektrischen Scheibe gemäß Fig. 2 (a) mit dem zugehörigen Schaltkreis;

Fig. 3 (a) eine Seitenansicht eines beweglichen Teiles mit einer Anzahl von piezoelektrischen Scheiben gemäß Fig. 2 (a) und Fig. 2 (b);

Fig. 3 (b) eine Vorderansicht im Schnitt durch das bewegliche Teil gemäß Fig. 3 (a);

Fig. 3 (c) eine seitliche Schnittansicht eines festen Teils, welches mit dem beweglichen Teil zusammenwirken kann, welches in Fig. 3 (a) und Fig. 3 (b) dargestellt ist;

Fig. 3 (d) eine Vorderansicht eines festen Teiles gemäß Fig. 3 (c);

Fig. 3 (e) eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antriebsvorrichtung mit dem in Fig. 3 (a) und Fig. 3 (b) dargestellten beweglichen Teil und dem in Fig. 3 (c) und Fig. 3 (d) dargestellten festen Teil;

Fig. 4 (a), Fig. 4 (b), Fig. 4 (c), Fig. 4 (d), Fig. 4 (e), Fig. 4 (f) schematische Seitenansichten zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antriebsvorrichtung gemäß Fig. 3 (e);

Fig. 5 (a), Fig. 5 (b), Fig. 5 (c), Fig. 5 (d), Fig. 5 (e), Fig. 5 (f), Fig. 5 (g) und Fig. 5 (h) schematische Seitenansichten zur Erläuterung einer anderen Wirkungsweise der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antriebsvorrichtung gemäß Fig. 3 (e);

Fig. 6 eine schematische Seitenansicht eines beweglichen Teiles der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antriebsvorrichtung gemäß Fig. 3 (e) mit einer anderen elektrischen Beschaltung;

Fig. 7 eine seitliche Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antriebsvorrichtung, bei welcher das piezoelektrische Element ein durchgehendes rohrförmiges piezoelektrisches Element 5′ aufweist, auf welchem eine Mehrzahl von Paaren angeordnet sind, die aus einer Innenelektrode und einer Außenelektrode bestehen; und

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antriebsvorrichtung, bei welcher die piezoelektrischen Elemente als rechteckige Platten ausgebildet sind.

Bei einer piezoelektrischen Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1 kann das feste Teil ein Rohr sein, wenn das bewegliche Teil eine Mehrzahl von gestapelten Scheiben aus piezoelektrischem Material hat oder - alternativ - kann das feste Teil ein Stab sein, wenn das bewegliche Teil eine Mehrzahl von gestapelten piezoelektrischen Scheiben aufweist, welche Ausnehmungen haben, in welche der Stab eingeführt ist. Ferner kann das bewegliche Teil ein Rohr aus piezoelektrischem Material sein, wobei eine Mehrzahl von ringförmigen Elektrodenpaaren auf der Innenwand und auf der Außenwand vorgesehen sind. In einem derartigen Falle kann das feste Teil ein starres Rohr sein, welches das bewegliche Teil in Form des piezoelektrischen Rohres aufnimmt, oder - alternativ - kann das feste Teil ein in die Ausnehmung des piezoelektrischen Rohres einzuführender Stab sein.

Das bewegliche Teil weist eine Mehrzahl von piezoelektrischen Scheiben auf, und ist in eine Mehrzahl von Blöcken unterteilt, von denen jeder einige piezoelektrische Scheiben aufweist. Die Scheiben sind mit den Elektroden abwechselnd geschichtet und mittels Klebstoff, beispielsweise mittels eines wärmehärtbaren Harzklebers, geklebt. Die benachbarten Blöcke aus der Mehrzahl von Blöcken des piezoelektrischen Elementes sind durch einen elektrisch inaktiven Bereich getrennt. Der inaktive oder abgeschaltete Bereich kann eine piezoelektrische Scheibe sein, an welche kein elektrisches Feld angelegt wird, oder ein gewöhnliches Isolierteil, wie beispielsweise eine Plastikscheibe. Um die Mehrzahl von piezoelektrischen Scheiben wirksam mit elektrischer Spannung zu versorgen, ist es besonders vorteilhaft, daß die zueinander benachbarten piezoelektrischen Scheiben so ausgelegt sind, daß sie zueinander entgegengesetzte Polarisierungen aufweisen.

In Fig. 2 (a) ist eine Frontansicht einer piezoelektrischen Scheibe aus einem piezoelektrischen Block dargestellt, welche für das Zusammensetzen des beweglichen Teiles geeignet ist. Fig. 2 (b) ist eine Seitenansicht der Scheibe mit dem zugehörigen elektrischen Schaltkreis. Wie es in Fig. 2 (a) und Fig. 2 (b) dargestellt ist, nimmt die piezoelektrische Scheibe 5 in ihrer Dicke ab und in ihrem Durchmesser zu, wie es durch gestrichelte Linien in Fig. 2 (a) und Fig. 2 (b) dargestellt ist, wenn eine Spannung mit einer Polarität in der gleichen Richtung wie die Polarisierung oder Polarisation der piezoelektrischen Scheibe über die Elektroden der piezoelektrischen Scheibe 5 angelegt wird. Wenn die Polarität der Spannung umgedreht wird, zieht sich die piezoelektrische Scheibe in ihrer Radialrichtung zusammen und dehnt sich in ihrer Dicke aus. Eine Beziehung zwischen der Polarität der Spannung und der Bewegung des Ausdehnens und Zusammenziehens hängt von der internen dielektrischen Polarisation der piezoelektrischen Scheibe 5 ab. Derartiges reziprokes piezoelektrisches Verhalten von piezoelektrischen Materialien ist bei keramischen Materialien mit Piezoeffekt bekannt.

Die vorliegende Erfindung verwendet die oben erwähnten Änderungen der Abmessungen in Richtung der Dicke und in Richtungen senkrecht zu der Dicke (d. h., in Radialrichtung). Das bedeutet, daß durch Anwendung der Veränderungen der radialen Abmessungen der piezoelektrische Block an dem festen Teil festgehalten werden kann.

Fig. 3 (a) ist eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispieles der Erfindung, in welcher piezoelektrische Scheiben 5 Elektroden auf den beiden Hauptflächen der Scheiben aufweisen und in Richtung ihrer Dicke gestapelt sind, um das bewegliche Teil zu bilden. Fig. 3 (b) stellt die Frontansicht dar. Fig. 3 (c) ist eine Seitenansicht im Schnitt durch ein festes Teil, in welches das bewegliche Teil gemäß Fig. 3 (a) und Fig. 3 (b) einzuführen ist, und Fig. 3 (d) ist eine Vorderansicht des festen Teiles. Fig. 3 (e) ist eine perspektivische Ansicht des vorliegenden Ausführungsbeispieles in fertig aufgebautem Zustand.

Wie es in Fig. 3 (a) dargestellt ist, bilden die gestapelten piezoelektrischen Scheiben 5 ein bewegliches Teil mit einer Mehrzahl von Blöcken, die je eine vorgegebene Anzahl von piezoelektrischen Scheiben aufweisen und je Elektroden aufweisen. Alternativ sind die piezoelektrischen Scheiben abwechselnd mit Elektrodenscheiben geschichtet bzw. gestapelt. Einige Elektroden sind miteinander verbunden, um einen Block zu bilden und mit je einem Paar von Anschlußdrähten 6₁, 6₂... 6 _(n-1) oder 6 _n verbunden. Jeder Block von Scheiben weist einen als Isolierschicht 8 ausgebildeten Isolator auf seiner Umfangsaußenfläche auf. Eine als Anlagering 7 ausgebildete Anlage-Vorrichtung, der bevorzugt einen Elastizitätsmodul aufweist, der dem der piezoelektrischen Scheiben ähnlich ist, und beispielsweise aus Aluminium besteht, ist auf der Isolierschicht mit Ausnahme des Bereiches der Anschlußdrähte ausgebildet.

Das feste Teil 9 in dieser Ausführungsform ist ein starres Rohr, beispielsweise aus Messing, mit einem Durchgangsloch 91, welches einen Innendurchmesser aufweist, der um weniges größer als der Durchmesser des Anlageringes 7 der piezoelektrischen Scheibe in dem Zustand der radial geschrumpften Größe ist, so daß dann, wenn die piezoelektrischen Scheiben ihren Durchmesser vergrößern, der Anlagering 7 mit der Innenfläche des Durchgangslochs 91 in Anlage gelangt. Ein Teil des innen befindlichen Loches des festen Teiles weist eine Nut 9 a auf, durch welche die Anschlußdrähte von den piezoelektrischen Scheiben geleitet werden. Zwischen den Blöcken der piezoelektrischen Scheiben sind elektrische Isolatoren 5 a angeordnet, um die selektive und individuelle Funktion der einzelenen Blöcke zu erlauben. Der Anlagering 7 ist an dem Umfangsbereich der piezoelektrischen Scheiben aufgeklebt und kann in passende Teile entlang des Umfanges unterteilt werden oder kann mit mehreren Schnitten in Richtung parallel zu der Achse der Scheibe versehen sein, damit die Änderung der ebenen Größe bzw. Radialgröße der piezoelektrischen Scheibe frei gewählt werden kann.

Die Funktionsweise der in den Fig. 3 (a) bis 3 (e) dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden anhand von Fig. 4 (a) bis 4 (f) beschrieben, welche letzteren Figuren schematische Schnittansichten der piezoelektrischen Antriebsvorrichtung gemäß Fig. 3 (a) bis Fig. 3 (e) sind und wobei das bewegliche Teil n Blöcke 10₁, 10₂... 10 _(n-1) und 10 _n aufweist. Zur Förderung der Verständlichkeit und Einfachheit der Darstellung ist die Verschiebung der Blöcke in axialer Richtung (in den Figuren horizontal) übertrieben dargestellt.

Jede piezoelektrische Scheibe erhöht ihren Durchmesser wenn eine Spannung der gleichen Polarität wie die Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Materiales angelegt wird, und vermindert ihren Durchmesser, wenn die Polarität der Spannung umgekehrt ist. Wenn daher die erstere Spannung an einen piezoelektrischen Scheibenblock angelegt wird, gelangt der Anlagering 7 des Blockes mit dem Durchgangsloch 91 des festen Teiles 9 infolge der Vergrößerung des Durchmessers in Anlage und fixiert den Block an dem festen Teil 9. Wenn andererseits eine Spannung umgekehrt zu der Richtung und Polarisation der piezoelektrischen Scheibe auf einen piezoelektrischen Scheibenblock einwirkt, wird die Anlage infolge des Schrumpfens oder der Verminderung des Durchmessers des Blockes aufgehoben.

Vorausgesetzt, daß alle Blöcke der piezoelektrischen Scheiben mit einer Spannung mit der gleichen Polarität wie die Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Elements beaufschlagt werden, sind dann nun alle Blöcke an dem festen Teil 9 festgehalten, wie es in Fig. 4 (a) dargestellt ist. Dann wird, ausgehend von diesem Zustand, an den linkesten Block 10₁ eine Spannung mit umgekehrter Polarität angelegt, wobei der linkeste Block seinen Durchmesser vermindert und die Anlageverbindung freigibt, wie es in Fig. 4 (b) dargestellt ist. In diesem Zustand hat der linkeste Block seine Stärke oder Dicke um Δt erhöht, was eine sehr geringe Strecke einer Einheitsverschiebung bzw. Verschiebungseinheit ist. Dementsprechend kann dadurch, daß die Spannung mit einer Polarität zur Erhöhung der Stärke nacheinander angelegt wird, eine beträchtliche Verschiebung an dem linken Endbereich erreicht werden. Durch Fixierung des festen Teiles 9 und Verbindung des linken Blockes 10₁ mit einer Objekt- bzw. Gegenstandsvorrichtung, beispielsweise mit einer Geringverschiebevorrichtung (minute displacing means), wie beispielsweise einem Probenhalter eines Elektronenmikroskopes oder umgekehrt, kann so beispielsweise eine sehr geringe Verschiebung verwirklicht werden.

Wenn eine größere Verschiebung erforderlich ist, kann die folgende Wirkungsweise in der Art eines "Meßwurmes" verwendet werden. Diese Art des Antriebs bzw. der Bewegung wird dadurch durchgeführt, daß der Funktionsablauf, wie er in den Fig. 4 (a) bis 4 (f) dargestellt ist, wiederholt wird. Das bedeutet, daß zunächst ausgehend von dem festen Zustand gemäß Fig. 4 (a) alle Blocks außer dem rechtesten Block 10 _n mit einer Spannung mit umgekehrter Polarität zu der Polarisationsrichtung beaufschlagt werden, daß dann die Blöcke außer dem rechtesten ihre Stärke hierdurch beträchtlich erhöhen, und daß dann der in Fig. 4 (c) am weitesten links dargestellte Endblock verschoben wird. Dann wird die Spannung des linksseitigen Endblockes auf die gleiche Polarität wie die Polarisationsrichtung geschaltet, und dadurch dieser Block an dem festen Teil 9 fixiert. Wie es in Fig. 4 (d) dargestellt ist, wird daraufhin der rechteste Block 10 _n mit einer entgegengesetzten Spannung beaufschlagt, um ihn von dem festen Teil 9 zu trennen, wie es in Fig. 4 (e) dargestellt ist. Daraufhin werden durch Beaufschlagung aller Blöcke mit der gleichen Polarität wie die Polarisationsrichtung alle Blöcke an dem festen Teil 9 in einer gegenüber der Auslage verschobenen Stellung fixiert, wie es in Fig. 4 (f) dargestellt ist.

Durch Wiederholen des oben erwähnten Funktionsablaufes kann das bewegliche Teil 23 Schritt für Schritt um eine gewünschte Strecke bewegt werden, und eine Gesamtstrecke D für die Verschiebung kann angegeben werden als

D = Δ T · (n-2),

wobei n die Anzahl der piezoelektrischen Scheibenblöcke ist. Daher kann durch M-maliges Wiederholen des oben beschriebenen Prozesses eine Gesamtentfernung von M · Δ T · (n-2) erreicht werden.

In Fig. 5 (a) bis Fig. 5 (h) ist eine andere Art von Geringverschiebung dargestellt. Das bedeutet, daß ausgehend zunächst von dem festen Zustand gemäß Fig. 5 (a) alle Blöcke außer den zwei linkesten Scheiben 10₁ und 10₂ mit einer Spannung mit gegenüber der Polarisationsrichtung umgekehrter Polarität beaufschlagt werden, daß dann die spannungsbeaufschlagten Blöcke in ihrem Durchmesser beträchtlich zunehmen und den rechtesten Teil verschieben, wie es in Fig. 5 (b) dargestellt ist. Daraufhin wird der linkeste Block 10₁ von der Fixierung freigegeben, wie es bei Fig. 5 (c) dargestellt ist und der dritte und vierte Block von links wird festgehalten. Daraufhin wird der vierte Block von links festgehalten und der zweite Block von links aus der Fixierung freigegeben, wie es in Fig. 5 (d) dargestellt ist. Somit bewegen sich die fixierten Blöcke Schritt für Schritt nach rechts, während der jeweils vorher fixierte Block noch fixiert gehalten wird. Auf diese Weise der Verschiebung verschiebt sich langsam der linksseitige Endbereich und der rechtsseitige Endbereich des beweglichen Teiles Schritt für Schritt um eine Verschiebung von ΔT um einen Schritt für den Funktionsablauf zwischen Fig. 5 (b) bis Fig. 5 (f). Danach wird durch Fixierung des linkesten Blockes, wie es in Fig. 5 (g) dargestellt ist und daraufhin durch Freigabe des rechtesten Blockes, gefolgt von der Abnahme der Stärken aller Blöcke 10₁ bis 10 _n gemäß Fig. 5 (h) der ganze Prozeß dieser Art der Verschiebung abgeschlossen. Das heißt, die Verschiebungsweise gemäß Fig. 5 (a) bis Fig. 5 (h) ist eine Bewegung in der Art eines Erdwurmes oder Regenwurmes.

Wie es beschrieben wurde, kann mit dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung der Gegenstand auf drei verschiedene Arten von Verschiebungsweisen bewegt werden, und dementsprechend ist die Erfindung sehr nützlich in der Anwendung für ein breites Feld von Anwendungsmöglichkeiten, wie beispielsweise die Beobachtung mit einem Mikroskop, die Erfassung von Photoätz-Masken bei der Halbleiterherstellung oder die Brennweiteneinstellung einer Linse in einer Kamera oder dergleichen.

In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, in welcher piezoelektrische Scheibenblöcke in drei Blöcken zusammengefaßt sind, d.h., einige Scheibenblöcke im linken Endbereich, weitere Scheibenblöcke im rechten Endbereich und eine Vielzahl von Scheibenblöcken in dem Mittenbereich 59. In diesem sehr dicken Mittelteil-Block 59 ist keine Anlagevorrichtung vorgesehen. Die Vorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel dient nur zur Verschiebung in der Art eines "Meßwurmes", nicht jedoch in der Art eines "Regenwurmes".

In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, in welchem das bewegliche Teil ein piezoelektrisches Element mit einer rohrförmigen piezoelektrischen Substanz 5 aufweist, auf welcher eine Mehrzahl von ringförmigen Außenelektroden 51 und ringförmigen Innenelektroden 52 in Form von parallelen Reihen von Elektroden vorgesehen sind. Durch Anlegen einer Spannung über die Innenelektrode 52 und die dieser gegenüberliegenden Außenelektrode 51 streckt sich die piezoelektrische Substanz an diesem Bereich in ihrer axialen Länge, und vermindert ihren Rohrdurchmesser, wenn die Polarität der Spannung der Polarisationsrichtung über die Elektroden gleicht. Wenn die Polarität der Spannung umgedreht wird, wird eine Bewegung in die entgegengesetzte Richtung vollzogen. Dabei ist das piezoelektrische Rohr 5 derart ausgebildet, daß es aus kurzen Rohrsegmenten besteht, von denen jedes die gleiche Länge in Axialrichtung wie die axialen Abstände der ringförmigen Elektroden 51 und 52 aufweist. Die kurzen Rohrsegmente sind miteinander verbunden bzw. geklebt, um ein gleichförmiges Rohr 5 zu bilden. Das bewegliche Teil gemäß Fig. 7 ist in das feste Teil eingeführt, wie beispielsweise in Fig. 3 (c) und Fig. 3 (d).

Die Funktionsweise des Beispiels gemäß Fig. 7 entspricht im wesentlichen der des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 3 (e). Das bedeutet, das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 kann in einer beliebigen der oben beschriebenen drei Funktionsarten betätigt werden. Ferner weist das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 ein piezoelektrisches Element in Form eines Rohres auf. Daher wird die Ausbildung der Elektroden im Vergleich mit den vorhergehenden Ausführungsbeispielen sehr einfach. Größenänderungen in radialer Richtung und in axialer Richtung können bei dem piezoelektrischen Element in weiten Bereichen frei festgelegt werden.

In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei das bewegliche Teil theoretisch mit den in Fig. 6 dargestellten identisch ist. Entsprechend sind entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen bezeichnet. Wie es in der perspektivischen Ansicht gemäß Fig. 9 dargestellt ist, weisen die piezoelektrischen Blöcke 23 rechteckige plattenförmige oder quaderförmige Elemente anstelle von runden, scheibenförmigen Elementen, wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, auf. Die anderen Teile entsprechen denjenigen der vorhergehenden Ausführungsbeispiele und sind mit den gleichen Bezugszeichen wie das vorhergehende Ausführungsbeispiel bezeichnet. Natürlich weist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 das mit dem beweglichen Teil zu verbindende feste Teil 9 ein Durchgangsloch mit rechteckiger Form mit parallelen Seiten auf, um das bewegliche Teil aufzunehmen, da die äußere Form des piezoelektrischen Elementes rechteckig ist. Die Anlageteile, die alle mit dem Bezugszeichen 7 versehen sind, sind lediglich an den oberen und unteren Endbereichen des beweglichen Teiles 23 angeordnet. Das heißt, in diesem Ausführungsbeispiel wirkt die für die kraftschlüssige Anlage aufzubringende Kraft lediglich in senkrechter Richtung. Jedoch weist dieses Ausführungsbeispiel eine gute Anwendbarkeit in dem Falle auf, daß die Vorrichtung nicht mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet werden kann.

Wie anhand der vorhergehenden Ausführungsbeispiele ausgeführt ist, weist die erfindungsgemäße piezoelektrische Antriebsvorrichtung einen einfachen Aufbau auf, da ihr Bewegungsmechanismus lediglich den zweiten piezoelektrischen Effekt bzw. den reziproken Piezoeffekt oder die Elektrostriktion verwendet, und keine andere Bewegung oder Kraft, wie beispielsweise elektrostatische Absorption, verwendet wird. Dementsprechend ist die Vorrichtung einfach und zuverlässig. Ferner besteht keine Besorgnis von Schwierigkeiten, die infolge hoher Gleichspannung bewirkt werden, welche bei elektrostatischen Absorptions-Mechanismen oder dergleichen verwendet werden müssen. Ferner wird eine Mehrzahl von piezoelektrischen Einheiten verwendet, verschiedene Wege der Bewegung bzw. des Antriebs d. h., schnelle Bewegung, langsame aber sehr fein auflösende Bewegung und kurze zusätzliche Feineinstellung sind erreichbar. Dementsprechend weist die Vorrichtung einen weiten Anwendungsbereich für optische Vorrichtungen und auf anderen Bereichen auf.

Obwohl das mit dem beweglichen Teil zusammenwirkende bzw. zu kombinierende Teil hier als "festes Teil" bezeichnet wird, ist es natürlich selbstverständlich für den Fachmann des betreffenden Fachgebietes, daß die Bewegung des beweglichen Teils und des festen Teils relativ zueinander stattfindet, und daß dementsprechend irgendein beliebiges Teil an einem Rahmen oder einem Chassis oder einem Gehäuse des betreffenden Gerätes in der tatsächlichen Anwendung befestigt werden kann, so daß das andere Teil als Antriebsvorrichtung zur Bewegung eines Gegenstandes in dem Gerät verwendet werden kann.

Claims

1. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung mit einem festen und einem beweglichen Bauteil, das eine Mehrzahl von piezoelektrischen Blöcken aus einer piezoelektrischen Substanz aufweist,
wobei jeder dieser Blöcke über Elektroden verfügt, an die eine Spannung anlegbar ist,
mit mindestens zwei Blöcken und mindestens zwei darauf befestigten Vorrichtungen zur kraftschlüssigen Anlage der zwei Blöcke bzw. Einheiten an das feste Bauteil,
mit einer Vorrichtung für das Anlegen einer Spannung an die Elektrode in einer vorgegebenen Folge zur Erzeugung eines piezoelektrischen Effekts derart,
daß die piezoelektrischen Blöcke sich individuell in ihrer Größe in einer Richtung vergrößern oder verkleinern, um so die kraftschlüssige Verbindung mit dem festen Bauteil herzustellen oder zu lösen
und daß sich diese Blöcke dann in der anderen Richtung verkleinern oder vergrößern, wodurch sich der Teil der Blöcke bewegt, der dann nicht mit dem festen Bauteil in kraftschlüssiger Verbindung steht,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Mehrzahl der piezoelektrischen Blöcke (10) voneinander isoliert und kraftschlüssig miteinander verbunden sind,
jeder Block aus einer Mehrzahl gestapelter piezoelektrischer Scheiben (5) besteht,
wobei benachbarte Scheiben innerhalb eines Blockes jeweils eine entgegengesetzte Polarisationsrichtung aufweisen,
und daß die Spannung an die einzelnen Blöcke (10) individuell gesteuert anlegbar ist.

2. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Blöcke (10) durch inaktive Bereiche voreinander isoliert sind.

3. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Blöcke (10) mittels eines Isolators (8) isoliert sind, welcher die Ausdehnungs- bzw. Verschiebungseigenschaften der piezoelektrischen Substanz nicht beeinträchtigt.

4. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlagevorrichtung (7) aus einer Substanz besteht, die einen Elastizitätsmodul hat, welcher im wesentlichen gleich demjenigen des piezoelektrischen Elementes (1) ist und eine derartige Stärke aufweist, daß der reziproke Piezoeffekt nicht durch die Anlagevorrichtung (7) beeinträchtigt wird.

5. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlagevorrichtung (7) einzeln auf allen piezoelektrischen Blöcken (10) vorgesehen ist.

6. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlagevorrichtungen (7) nur auf den piezoelektrischen Blöcken an beiden Enden vorgesehen sind und daß die Blöcke zwischen diesen Endblöcken Elektroden (11) aufweisen, die so verbunden sind, daß sie eine gemeinsame Spannung zur gleichen Zeit empfangen.

7. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Blöcke (10) im Querschnitt rechteckige Platten aus piezoelektrischem Material aufweisen und daß die Anlagevorrichtungen (7) auf einander gegenüberliegenden Außenflächen des rechtwinklig geformten beweglichen Teiles (23) mindestens an dessen beiden Endbereichen ausgebildet sind.