DE3511447A1 - Piezo-drive having contact-pressure force deflection and oscillation-system guidance - Google Patents
Piezo-drive having contact-pressure force deflection and oscillation-system guidanceInfo
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Abstract
Description
Piezoantrieb mit Andruckkraftumlenkung und Schwingsysteinführung Die Erfindung betrifft einen Piezoantrieb mit orthogonaler Andruckkraftumlenkung und Schwingsystemführung, insbesondere für die schnelle Positionierung massearmer Objekte in einer Koordinate. Derartige Geräte sind besonders für den Anschluß an digitale Signale erzeugende elektronische Systeme geeignet.Piezo drive with pressure force deflection and vibrating system introduction The The invention relates to a piezo drive with orthogonal pressure force deflection and Oscillating system guidance, especially for the quick positioning of low-mass objects in one coordinate. Such devices are particularly suitable for connection to digital Electronic systems generating signals suitable.
Es ist bekannt, daß vielgestaltige Piezoantriebe existieren, mit denen Krafteinleitungen des Andrucks unter einem Winkel von 300 bis 60° bei orthogonal fest verbundenen Piezostreifen erfolgen z.B.It is known that diverse piezo drives exist with which Force introduction of the pressure at an angle of 300 to 60 ° with orthogonal Permanently connected piezo strips take place e.g.
SU 760247. Kraftumlenkungen um 900 zur Verschiebung und Positionierung von Körpern ohne separate Führung und Relativbewegung mittels zweier mit dem Bewegungselement gekoppelter Piezostreifen sind auch bekannt z.B. DD 0143128 und DD 0154146. Direkter Andruck durch die Querdehnung eines zweiten Piezostreifens wird in SU 765910 beschrieben, Schwingsysteme werden auch gleichzeitig als Führungen von angetriebenen Bauteilen verwendet, wenn Oberflächenwellengeneratoren zur Anwendung kommen (#eingerätetechnik 1983/10, S. 471, Bild 1 e).SU 760247. Power deflection by 900 for shifting and positioning of bodies without separate guidance and relative movement by means of two with the movement element coupled piezo strips are also known, e.g. DD 0143128 and DD 0154146 Pressure due to the transverse expansion of a second piezo strip is described in SU 765910, Oscillating systems are also used as guides for driven components used when surface wave generators are used (# device technology 1983/10, p. 471, Fig. 1 e).
Alle diese Einrichtungen sind relativ bauraumaufwendig oder wenig effektiv bzw. haben eine komplizierte Ansteuerung, was sich alles ungunstig in bauraumbegrenzten Geräten, wie z.B. Mikroskopen, auswirkt.All of these facilities require a relatively large amount of space or require little effective or have a complicated control, which is all unfavorable in limited installation space Devices such as microscopes.
Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu beseitigen.The aim of the invention is to eliminate the disadvantages mentioned.
Insbesondere soll ein Piezoantrieb mit orthogonaler Andruckkraftumlenkung und Schwingsystemführung für eine Koordinate geschaffen werden, der bei minimalem Platzbedarf und geringem Ansteuerungsaufwand mit hoher Zuverlässigkeit die Bewegung eines angetriebenen Bauteiles bis zu kleinsten Schritten gewährleistet.In particular, a piezo drive with an orthogonal pressure force deflection is intended and Oscillating system guide can be created for a coordinate with minimal space requirements and low control effort with high reliability the movement of a driven Component guaranteed down to the smallest of steps.
Die Erfindung betrifft einen Piezoantrieb mit Andruckkraftumlenkung und Schwingsystemführung in inkremental geregelter Arbeitsweise mit mehreren zweiseitig kontaktierten Piezostreifenanordnungen, einem Befestigungsgestell, einem Ortssignalgeber und einer Schalt- und Regeleinrichtung sowie einer Spannungsversorgung. Die zu lösende Aufgabe besteht darin, die Piezostreifenanordnungen so mit dem Gestell zu verbinden, daß mit geringer Baugröße, hoher Andruckeffektivität und geringem Schaltungsaufwand zuverlässig kleinste Schrittgrößen realisiert werden können.The invention relates to a piezo drive with pressure force deflection and oscillating system guidance in an incrementally controlled mode of operation with several two-sided contacted piezo strip arrangements, a mounting frame, a local signal transmitter and a switching and control device as well as a voltage supply. The one to be solved The task is to connect the piezo strip assemblies to the frame in such a way that that with small size, high pressure effectiveness and low circuit complexity the smallest step sizes can be reliably implemented.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein zentrales Objektträgerteil, an dem mindestens drei Führungsflächen aus verschleißfestem Material, z.Bw Hartmetall, befestigt sind, durch mindestens drei Piezoschwingandrucksysteme je nach elektrischer Ansteuerung der Piezostreifen in einer Koordinate in einer oder der entgegengesetzten Richtung geführt und bewegt wird. Die Piezoandrucksysteme bestehen aus einem dreh- und feststellbar gelagertem Block, in dem in geringem Abstand zwei Piezostreifen annähernd gleicher Abmessungen, einer elastisch, z.B. mit Silikonkautschuk und einer relativ starr, z.B. mit Epoxydharz EGK 19 befestigt sind und die am anderen Ende mittels eines weiteren Blockes miteinander elektrisch isoliert, mechanisch aber so verbunden sind, daß der fest eingebettete Piezostreifen nur eine Translation und eine orthogonale Verlagerung des zweiten Blockes, der auch elastisch mit dem ersten Piezostreifen verbunden ist, bei Ausdehnung bewirken kann. Die Ausdehnung erfolgt bei entsprechender elektrischer Ansteuerung. Der zweite Block wird an der Seite des elastisch eingebetteten Piezostreifens mit einem kleinen Kontaktstück aus verschleißfestem Material, z.B. Schneidkeramik verbunden und durch Drehen des ersten Blockes an die Führungsflächen angedrückt, so daß bei elektrischer Ansteuerung des Piezostreifens ein verstärkter Andruck infolge der Verhinderung der orthogonalen Verlagerung durch die Führungsflächen erfolgt.The object is achieved according to the invention in that a central Slide part on which at least three guide surfaces made of wear-resistant material, e.g. hard metal, are attached by at least three piezo vibration pressure systems depending on the electrical control of the piezo strips in one coordinate in one or the opposite direction is guided and moved. The piezo pressure systems consist of a rotatable and lockable mounted block in which at a short distance two piezo strips of approximately the same dimensions, one elastic, e.g. with silicone rubber and one is relatively rigid, e.g. fastened with epoxy resin EGK 19 and the other on the other Ends electrically isolated from one another by means of a further block, mechanically but are connected in such a way that the firmly embedded piezo strip only translates and an orthogonal displacement of the second block, which is also resilient with the first piezo strip is connected, can cause expansion. The expansion takes place with the appropriate electrical control. The second block will be at the Side of the elastically embedded piezo strip with a small contact piece Made of wear-resistant material, e.g. cutting ceramics, and connected by turning the first block pressed against the guide surfaces, so that with electrical control the piezo strip an increased pressure due to the prevention the orthogonal displacement takes place through the guide surfaces.
Die gesamten Piezoschwingandrucksysteme sind an einem Gestell dreh-und feststellbar angeordnet. Das Gestell ist entsprechend der äußeren oder inneren Grundform des zentralen Objektträgerteils geformt.The entire piezo oscillating pressure systems are rotatable and on a frame arranged lockable. The frame is according to the outer or inner basic shape of the central slide part.
Es werden vorzugsweise Dreieck- Kreis mit Hilfsdreieck- und Parallelogrammprofile für das Objektträgerteil verwendet, wobei die notwendige Führungsflächenzahl, um eine Führung und Verdrehsicherung zu garantieren, unterschiedlich groß ist und auch die Anordnung von Piezoschwingandruckelementen in einem bestinirnten Abstand übereinander erforderlich macht.There are preferably triangular circles with auxiliary triangular and parallelogram profiles used for the slide part, with the necessary guide surface number in order to to guarantee a guide and anti-twist device, is different in size and also the arrangement of piezo oscillating pressure elements at a certain distance above one another makes necessary.
An dem Objektträgerteil sind Maßverkörperungen bzw. andere Ortssignalsender befestigt, die mit Empfängern optoelektronisch, magnetisch oder elektrisch abgetastet werden und Ortssignale zum Soll-Ist-Vergleich in einem elektronischen Lageregler zur Verfügung stellen, Entsprechend der vorhandenen Bewegungs- bzw. Positionierungsaufgabe wird dann gemäß der ermittelten Soll-Ist-Differenz die Toroffenzeit eines Generators für die je nach Bewegungsrichtung + 900 phasenverschobene, mittels Schaltverstärker vorgenommene elektrische Schwinganregung der Piezostreifenpaare geregelt, wobei kleinste Bewegungsgrößen bis 10 nm auch über die ausgewerteten Ortssignale eines Bildschärfeanalysators erreicht werden. Die erreichte Lage ist ohne Antriebseinwirkung selbsttätig auch bei Einwirkung kleiner Gegenkräfte durch die Reibung gesichert.Measuring standards or other location signal transmitters are on the specimen support part attached, which are scanned optoelectronically, magnetically or electrically with receivers and location signals for the target / actual comparison in an electronic position controller make available, according to the existing movement or positioning task Then, according to the determined target / actual difference, the gate open time of a generator for the + 900 phase shifted depending on the direction of movement, by means of a switching amplifier made electrical vibration excitation of the piezo strip pairs regulated, wherein Smallest movement sizes up to 10 nm also via the evaluated location signals of a Image sharpness analyzer can be achieved. The position reached is without any drive action automatically secured by friction even when small opposing forces act.
Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der beiliegenden schematischen Zeichnung wird gezeigt: Fig. 1 Piezoantrieb mit Andruckumlenkung und Schwingsystemführung eines dreieckförmigen Objektträgerteils Fig. 2 Draufsicht zu Fig. 1 Fig. 3 Piezoantrieb mit Andruckumlenkung und Schwingsystemführung eines kreisförmigen Objektträgerteils mit Hilfsdreieckprofil Fig. 4 Piezoantrieb mit Andruckumlenkung und Schwingsystemführung eines parallelogrammförmigen Obj ektträgertei ls Fig. 5 Piezoantrieb mit Andruckumlenkung und Schwingsystemführung eines parallelogrammförmig ausgesparten Obj ektträgerteils.The invention is described in more detail below with the aid of an exemplary embodiment explained. The accompanying schematic drawing shows: Fig. 1 piezo drive with pressure deflection and oscillating system guidance of a triangular slide part Fig. 2 Top view of Fig. 1 Fig. 3 Piezo drive with pressure deflection and oscillating system guide of a circular object carrier part with auxiliary triangular profile Fig. 4 Piezo drive with pressure deflection and oscillating system guide a parallelogram Object carrier part Fig. 5 Piezo drive with pressure deflection and oscillating system guide a parallelogram-shaped recessed object carrier part.
Fig. 1 und 2 zeigen einen Piezoantrieb mit Andruckumlenkung und Schwingsystemführung eines dreieckförmigen Objektträgerteils 1, an dem drei Führungsflächen 2 aus verschleißfestem Material, z.B. Hartmetall, zur Reibkopplung mit Kontaktstücken 9 von Piezoschwingandrucksystemen 3 befestigt sind. Durch fünf Piezoschwingandrucksysteme 3, die an einem Gestell 10 dreh- und feststellbar angeordnet sind, wird die Führung in der gewünschten Bewegungskoordinate und gleichzeitig der Antrieb realisiert. Die Piezoschwingandrucksysteme 3 bestehen aus einem dreh- und feststellbar gelagertem Block 4. in dem in geringem Abstand zwei Piezostreifen 5 annähernd gleicher Abmeszungen, ein erster Piezostreifen elastisch, z.B. mit Silikonkautschuk 6 und ein zweiter Piezostreifen relativ starr, z.B. mit Epoxydharz 7 eingebettet sind und die am anderen Ende mittels eines anderen ähnlichen Blockes 8 miteinander elektrisch isoliert, mechanisch aber so verbunden sind, daß der fest eingebettete zweite Piezostreifen 5 nur eine Translation und eine orthogonale Verlagerung des zweiten Blockes 8, der auch elastisch mit dem ersten Piezostreifen 5 verbunden ist, bei Ausdehnung bewirkt. Der Block 8 wird an der Seite des elastisch eingebetteten zweiten Piezostreifens 5 mit dem kleinen Kontaktstück 9 aus verschleißfestem Material, z.B.1 and 2 show a piezo drive with pressure deflection and oscillating system guide a triangular slide part 1, on which three guide surfaces 2 made of wear-resistant Material, e.g. hard metal, for frictional coupling with contact pieces 9 of piezo oscillating pressure systems 3 are attached. By five piezo oscillating pressure systems 3, which are attached to a frame 10 are arranged to be rotatable and lockable, the guide is in the desired movement coordinate and at the same time the drive is implemented. The piezo vibration pressure systems 3 exist from a rotatable and lockable mounted block 4. in which at a short distance two piezo strips 5 of approximately the same dimensions, a first piezo strip elastic, e.g. with silicone rubber 6 and a second piezo strip relatively rigid, e.g. with Epoxy resin 7 are embedded and the other end by means of another similar Block 8 electrically isolated from one another, but mechanically connected so that the firmly embedded second piezo strip 5 has only one translation and one orthogonal Relocation of the second block 8, which is also elastic with the first piezo strip 5 is connected, causes upon expansion. The block 8 becomes elastic on the side of the embedded second piezo strip 5 with the small contact piece 9 made of wear-resistant Material, e.g.
Schneidkeramik, verbunden und durch Drehen des Blockes 4 an die Führungsflächen 2 angedrückt, so daß bei elektrischer Ansteuerunfir des fest eingebetteten ersten Piezostreifens 5 ein verstärkter Andruck infolge der Verhinderung der orthogonalen Verlagerung durch die Führungsflächen erfolgte Die verdreh- und kippfreie Führung wird durch Anordnung von mindestens zwei Paaren der Piezoschwingandrucksysteme 3 übereinander in vorgegebenem Abstand und einem Piezoschwingandrucksystem 3 in der Mitte davon auf der dritten Führungsfläche gesichert, Die gesamten Piezoschwingandrucksysteme 3 sind mit Schrauben 19 an einem Gestell 10 dreh- und feststellbar angeordnet.Cutting ceramic, connected and by turning the block 4 on the guide surfaces 2 pressed so that with electrical Ansteuerunfir the firmly embedded first Piezo strip 5 an increased pressure due to the prevention of the orthogonal Shifting through the guide surfaces took place The rotation and tilt-free guide is achieved by arranging at least two pairs of the piezo oscillating pressure systems 3 one above the other at a predetermined distance and a piezo oscillating pressure system 3 in the Secured in the middle of it on the third guide surface, the entire piezo oscillating pressure systems 3 are arranged rotatably and lockable on a frame 10 with screws 19.
An dem zentralen bewegten Objektträgerteil 1 sind Maßverkörperungen 11 bzw. andere Ortssignalsender befestigt, die mit Empfänger 12, optoelektronisch, magnetisch oder elektrisch abgetastet werden und Ortssignale zum Soll-Ist-Vergleich in einem nicht dargestellten elektronischen Lageregler zur Verfügung stellen. Entsprechend der vorhandenen Bewegungsaufgabe wird dann gemäß der ermittelten Soll-Ist-Differenz die Toroffenzeit eines Schwingungsgenerators für die je nach Bewegungsrichtung + 900 phasenverschobene mittels Schaltverstärker vorgenommene elektrische Anregung der Piezostreifen 5 geregelt, wobei kleinste Bewegungsgrößen bis 10 nm auch über einen als Meßwertgeber fungierenden Bildschärfeanalysator realisiert werden können. Die erreichte Lage des Objektträgerteils 1 ist auch bei Einwirkung kleiner Gegenkräfte und abgeschaltetem Antrieb durch die Reibekraft gesichert.On the central moving object carrier part 1 there are measuring standards 11th or other location signal transmitter attached, which with receiver 12, optoelectronic, magnetically or electrically scanned and location signals for target / actual comparison make available in an electronic position controller, not shown. Corresponding the existing movement task is then determined according to the target / actual difference the gate opening time of a vibration generator for the + depending on the direction of movement 900 phase-shifted electrical excitation made by means of a switching amplifier the piezo strip 5 regulated, with the smallest movement sizes up to 10 nm also over an image sharpness analyzer functioning as a transducer can be implemented. The position reached by the specimen slide part 1 is even when small opposing forces act and switched off drive secured by the frictional force.
Fig. 3 zeigt einen Piezoantrieb mit Andruckumlenkung und Schwingsystemführung, bei dem zur besseren Nutzung des inneren Raumes ein bewegtes Objektträgerteil 13 kreisprofilförmig gestaltet und als Verdrehsicherung mit einem Hilfsdreiecksprofil 14 versehen ist.Fig. 3 shows a piezo drive with pressure deflection and oscillating system guide, in which, for better use of the inner space, a moving object carrier part 13 Designed in the shape of a circular profile and as an anti-twist device with an auxiliary triangular profile 14 is provided.
Die verdreh- und kippfreie Führung wird durch Anordnung von jeweils zwei Paaren der Piezoschwingandrucksysteme 3 unter 1200 übereinander in einem bestimmten Abstand und zweier Piezoschwingandrucksysteme 3 in der Mitte dieses Abstandes auf den Flächen des HilSsdreieckprofils 14 und der Befestigung am Gestell 17 gesichert.The twist-free and tilt-free guide is achieved by the arrangement of each two pairs of piezo vibrating pressure systems 3 under 1200 one above the other in a certain Distance and two piezo oscillating pressure systems 3 in the middle of this distance the surfaces of the HilSsdreieckprofils 14 and the attachment to the frame 17 secured.
Fig. 4 zeigt einen Piezoantrieb mit Andruckumlenkung und Schwingsystemführung, bei dem zur Bauraumverlagerung ein Objektträgerteil 15 Parallelogrammprofil besitzt. Die verdreh- und kippfreie Führung ist durch Anordnung von jeweils zwei Paaren der Piezoschwingandrucksysteme 3 übereinander in einem bestimmten Abstand auf einer Seite und jeweils eines Piezoschwingandrucksystems 3 in der Mitte dieses Abstandes auf der gegenüberliegenden Seite an einem Gestell 18 realisiert.Fig. 4 shows a piezo drive with pressure deflection and oscillating system guide, in which a specimen support part 15 has a parallelogram profile for relocating the installation space. The twist-free and tilt-free guide is due to the arrangement of two pairs of the Piezo vibration pressure systems 3 one above the other at a certain distance on one Side and each of a piezo oscillating pressure system 3 in the middle of this distance realized on the opposite side on a frame 18.
Fig. 5 zeigt einen Piezoantrieb mit Andruckumlenkung und Schwingsystemführung, bei dem das Objektträgerteil 16 eine parallelogrammprofilförmige Aussparung zur optimalen Bauraumnutzung und Verringerung der Anzahl der notwendigen Piezoschwingandrucksysteme 3 für eine verdreh- und kippfreie Führung erhalten hat. Es sind hier nur zwei Piezoschwingandrucksysteme 3 auf einer Seite in bestimmtem Abstand übereinander und auf der gegenüberliegenden Seite in der Mitte dieses Abstandes ein Piezoschwingandrucksystem 3 im Inneren des Objektträgerteils 16 an einem Gestell 18 angeordnet.Fig. 5 shows a piezo drive with pressure deflection and oscillating system guide, in which the slide part 16 has a parallelogram profile-shaped recess for optimal use of installation space and reduction of the number of piezo vibration pressure systems required 3 for a twist-free and tilt-free guide. There are only two piezo vibration pressure systems here 3 on one side in certain Distance on top of each other and on the opposite side in the middle of this distance a piezo oscillating pressure system 3 arranged in the interior of the specimen carrier part 16 on a frame 18.
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