DE3783960T2

DE3783960T2 - Zweidimensionales piezoelektrisches antriebsystem.

Info

Publication number: DE3783960T2
Application number: DE8787110218T
Authority: DE
Inventors: Tetsuji Fukada; Masayuki Wakamiya; Ichiro Yamashita
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1986-07-15
Filing date: 1987-07-15
Publication date: 1993-05-27
Anticipated expiration: 2007-07-16
Also published as: DE3783960D1; EP0253375A3; EP0253375A2; EP0253375B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft eine zweidimensionale piezoelektrische Mikroverschiebungseinheit für eine genaue Positionierung in einer gewünschten Richtung auf ein und derselben Oberfläche. Diese Einrichtung kann Anwendung finden zur Positionierung eines Festkörperfarbbildsensors für eine Videokamera, als Verschiebungseinrichtung für einen hochauflösenden Festkörperbildsensor, als Präzisionsmusterpositionierungseinrichtung und dergleichen.

BESCHREIBUNG DES VERWANDTEN STANDES DER TECHNIK

Bei herkömmlichen Methoden zur Positionierung durch Mikroverschiebung im Mikrometer- oder Submikrometerbereich sind mechanische Einrichtungen, wie ein Schrittmotor oder ein Gleichstromservomotor für die Umwandlung einer Drehbewegung in eine lineare Bewegung mittels einer Kugelumlaufspindel verwendet worden. Diese herkömmliche mechanische Einrichtung weist notwendigerweise einige Fehler auf infolge der mechanischen Verbindungen und hat daher die Neigung große Ausmaße anzunehmen, um seine Präzision zu verbessern.
Dann ist eine für eine elektrische Steuerung geeignete Mikroverschiebungseinrichtung unter Verwendung des umgekehrten piezoelektrischen Effekts eines piezoelektrischen Elements vorgeschlagen worden. Eine solche Verschiebungseinrichtung verfügt über einen Umwalzvorschubmechanismus, wie er in der Japanischen Patentveröffentlichung No. 12497/76 beschrieben ist. Fig. 10 ist eine Darstellung zur Erläuterung eines solchen Umwalzvorschubmechanismus, der durch die Anwendung von elektrostatischen oder elektromagnetischen Kräften betätigte Klemmen 2, 3 an den Enden eines zylindrischen piezoelektrischen Elements 1 aufweist. In Fig. 10(a) sind die Klemmen 2, 3 an einen Befestigungstisch 4 geklemmt und die Klemme 3 wird in Fig. 10(b) freigegeben. In Fig. 10(c) wird eine Spannung an das piezoelektrische Element 1 angelegt, um dasselbe zu strecken. In Fig. 10(d) wird die gestreckte Klemme 3 an den Befestigungstisch 4 geklemmt und die Klemme 2 in Fig. 10(e) freigegeben. In Fig. 10(f) wird die angelegte Spannung entfernt und in Fig. 10(g) die Klemme 2 wiederum angeklemmt. Auf diese Weise wird der gleiche Zustand wie in Fig. 10(a) erreicht, womit eine Verschiebung von 41 erhalten wird. Durch Anbringung eines ähnlichen Vorschubmechanismus in zwei Richtungen kann auf einfache Weise eine Zweirichtungsmikroverschiebungseinrichtung hergestellt werden. Die durch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt bewirkte Verzerrung ist so gering, daß eine in hohem Maße genaue Positionierung möglich ist.
Die Japanischen Patentoffenlegungsveröffentlichungen No. 130677/83 und 196773/83 beschreiben andererseits eine Verschiebungseinrichtung für einen Festkörperbildsensor, die eine mit einem oder ihren beiden Enden befestigte Biegemodusschwingeinrichtung (Zweielementschwingeinrichtung) umfaßt, die Streifen von an den oberen und unteren Flächen einer gleichermaßen geformten dünnen Metallplatte befestigten piezoelektrischen Elementen enthält, wobei das piezoelektrische Element eine Polarisationsachse längs seiner Dicke aufweist, so daß der Festkörperbildsensor zur Vergrößerung der lichtaufnehmenden Fläche für eine höhere Auflösung verschoben wird. Fig. 11 zeigt eine in einer Richtung wirkende Mikroverschiebungseinrichtung unter Verwendung eines Beispiels einer solchen Biegemodusschwingeinrichtung. An ihren Enden befestigte Biegemodusschwingelemente 5, 5' sind parallel zueinander angeordnet und ein Schlitten 6 mit einem darauf angeordneten Festkörperbildsensor oder dergleichen ist in der Mitte der Biegemodusschwingelemente 5, 5' angebracht, wo die Größe der Verschiebung maximal ist.
Eine in zwei Richtungen wirkende Mikroverschiebungseinrichtung ist leicht denkbar, indem die oben erwähnte Umwalzvorschubmikroverschiebungseinrichtung in zwei Richtungen auf der gleichen Oberfläche angebracht wird. In Anbetracht des Umstandes, daß eine der Antriebseinheiten notwendigerweise durch elektrostatische oder elektromagnetische Kräfte angeklemmt werden muß, ist jedoch eine Einrichtung, welche tragbar oder für eine Verwendung in geneigtem Zustand geeignet ist, in ihrem Aufbau kompliziert aufgrund der Notwendigkeit für getrennte Einrichtungen zum Festlegen der beweglichen Elemente während sie nicht in Betrieb sind, was zu einer viel Platz beanspruchenden Einrichtung führt. Auch ist das Gewicht der bei einer Bewegung verlagerbaren Bestandteile an dem ungeklemmten Teil der Einrichtung konzentriert, wodurch die Einrichtung instabil wird. Weiterhin ist die Bewegungsrichtung allein durch die Weise bestimmt, in welcher die Einrichtung montiert ist, jedoch ist eine Bewegung in beliebiger Richtung unmöglich, sobald die Montage der Einrichtung erfolgt ist.
Bei einer Mikroverschiebungseinrichtung unter Verwendung einer Biegemodusschwingeinrichtung ist die erzeugte Kraft trotz einer großen erreichbaren Verschiebung so schwach, daß ein schwereres Objekt nicht bewegt werden kann. Auch wird die Resonanzfrequenz unter einer schwereren Belastung vermindert und die Einrichtung hat eine stärkere Neigung zum Schwingen bei harmonischen Frequenzkomponenten der Antriebsfrequenz, wodurch sich das Problem einer verminderten Dauerhaftigkeit stellt. Um dieses Problem durch Herbeiführung der Möglichkeit einer Mikroverschiebung in der gewünschten Richtung zu umgehen, kann eine Verschiebungseinrichtung (erste Verschiebungseinheit) mit der oben beschriebenen Biegemodusschwingeinrichtung zum Verschieben einer weiteren Verschiebungseinrichtung (zweite Verschiebungseinheit) verwendet werden. Da das Gewicht der zweiten Verschiebungseinheit auf die erste Verschiebungseinheit wirkt, ist es jedoch notwendig, den Effekt des Gewichts der zweiten Verschiebungseinheit zu vermindern, indem die Biegemodusschwingeinrichtung der ersten Verschiebungseinheit vergrößert wird, was aber einerseits zu einer viel Platz beanspruchenden Einrichtung führt und andererseits das Problem einer kürzeren Dauerhaftigkeit stellt.
Aus der US-A-4 520 570 ist eine zwei Paare von einander gegenüberliegend angeordneten Zweikristallelementen enthaltende piezoelektrische X-Y-Positionierungseinrichtung bekannt, bei der die Zweikristallelemente des ersten Paars mit ihren longitudinalen Mitten durch Stützen an einem starren Rahmen befestigt sind. Ein zweites Paar von einander gegenüberliegend vorgesehenen Zweikristallelementen unterstützen an ihren longitudinalen Mitten einen Schlitten für die Befestigung eines in der X-Y-Ebene zu positionierenden Probestücks. Die Zweikristallelemente des zweiten Paars sind mit den Zweikristallelementen des ersten Paars durch Verbindungselemente mit einer quadratförmigen Querschnittsfläche derart verbunden, daß jeweils zwei Enden eines Zweikristallelements des ersten und zweiten Paars orthogonal zueinander angeordnet sind, so daß für eine Verschiebung in den X- und Y-Richtungen jedes der Zweikristallelemente in eine doppelte S-Form zu biegen ist, wobei der Mittelbereich in Längsrichtung eines jeden Zweikristallelements in einer Ebene parallel zur Ebene der Enden der Zweikristallelemente liegt. Zum Biegen der Zweikristallelemente in die doppelte S-Form trägt jedes Zweikristallelement vier unabhängige Elektroden auf jeder Seite, von denen die Elektroden an den Enden mit Spannungen verbunden sind, die zu den Spannungen der Elektroden nahe der Mitte des Zweikristallelements invers sind, was eine Schaltung für die Zuführung der Spannungen erforderlich macht. Weiterhin sind die beiden Paare von Zweikristallelementen bezüglich der Richtung parallel zur Breite der Zweikristallelemente in verschiedenen Ebenen angeordnet.
Weiterhin sind aus J. APPL. PHYS., Vol. 59, No. 10, 15. Mai 1986, Seiten 3318-3327, American Institute of Physics piezoelektrische Zweikristallelemente bekannt, die aus zwei dünnen Platten von piezoelektrischem Material bestehen, von denen bei der Anlegung einer Spannung sich die eine ausdehnt und die andere zusammenzieht, so daß die Biegeamplitude größer ist als die eines unstrukturierten Zweikristallelementmaterials. Die in dieser Druckschrift beschriebenen Zweikristallelemente werden durch Unterteilung der Elektroden ebenfalls in eine S-Form gebogen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine zweidimensionale piezoelektrische Mikroverschiebungseinheit zu schaffen, welche einen großen Verschiebungsbereich hat, einfach im Aufbau ist und kompakte Abmessungen aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine zweidimensionale piezoelektrische Mikroverschiebungseinheit geschaffen mit einer Anzahl von jeweils zwei aneinander laminierte tafelförmige piezoelektrische Elemente enthaltenden piezoelektrischen Zweikristallelementen, wobei die tafelförmigen piezoelektrischen Elemente eine Polarisationsachse längs der Richtung ihrer Dicke aufweisen und die Polarisationsachsen von jeweils zwei aneinander laminierten piezoelektrischen Elementen parallel sind, sowie mit inneren und äußeren Elektroden an deren gegenüberliegenden Oberflächen, einer Anzahl von Befestigungselementen zur festen Halterung eines Paars von gegenüberliegend angeordneten piezoelektrischen Zweikristallelementen an den mittleren Bereichen von deren Länge, und einem an einem weiteren Paar von gegenüberliegend angeordneten piezoelektrischen Zweikristallelementen angeordneten Schlitten, wobei die Zweikristallelemente an ihren längsweisen Enden so verbunden sind, daß das weitere Paar von Zweikristallelementen von dem einen Paar von Zweikristallelementen getragen ist, wobei die tafelförmigen piezoelektrischen Elemente an den gegenüberliegenden Seiten eines in eine rechteckige Form gebogenen dünnen Metallstreifens aneinander laminiert sind, wobei die gebogenen Bereiche des Metallstreifens die Verbindungen der Zweikristallelemente an deren längsweisen Enden bilden und die Paare von piezoelektrischen Zweikristallelementen in der gleichen Ebene bezüglich der durch den dünnen Metallstreifen gebildeten rechteckigen Form konfiguriert sind.
Im Ergebnis wird eine kompakte Mikroverschiebungseinrichtung mit einem vereinfachten Aufbau geschaffen, die zu unabhängigen Mikroverschiebungen in zwei Richtungen in der Lage ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1A, 1B und 1C zeigen eine zweidimensionale Mikroverschiebungseinheit jeweils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei:
Fig. 1A eine perspektivische Ansicht, 1B eine perspektivische Explosionsansicht und 1C eine weitere perspektivische Explosionsansicht der erfindungsgemäßen Mikroverschiebungseinheit ist.
Fig. 2 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer zweidimensionalen Mikroverschiebungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung in einer mit elektronischen Bauelementen gepackten Form.
Fig. 3A und 3B, Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6 und Fig. 7 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 3A eine perspektivische Ansicht, Fig. 3B eine perspektivische Explosionsansicht, Fig. 4, Fig. 5 und Fig. 6 perspektivische Explosionsansichten von laminierten piezoelektrischen Zweikristallelementen und Fig. 7 eine perspektivische Explosionsansicht einer Mikroverschiebungseinheit sind.
Fig. 8 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines piezoelektrischen Zweikristallelements.
Fig. 9A ist eine perspektivische Ansicht einer Mikroverschiebungseinheit für einen Festkörperbildsensor, und Fig. 9B ist eine perspektivische Explosionsansicht desselben.
Fig. 10 und Fig. 11 sind eine Frontansicht und eine perspektivische Ansicht von herkömmlichen Mikroverschiebungseinheiten.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sollen im folgenden im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.
Die Fig. 1A, 1B und 1C zeigen ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 1A eine perspektivische Ansicht, 1B eine perspektivische Explosionsansicht und 1C eine perspektivische Explosionsansicht einer piezoelektrischen Verschiebungseinheit sind. Ein rechteckiger dünner Metallstreifen 7, der in einer rechteckigen Form angeordnet ist, hat an seinen jeweiligen Seiten tafelförmige piezoelektrische Elemente 8a, 8b; 9a, 9b; 10a, 10b; 11a, 11b mit einer Polarisationsachse entlang der Dickenrichtungen und inneren und äußeren Elektroden vertikal befestigt. Die tafelförmigen piezoelektrischen Elemente sind so befestigt, daß die Polarisationsachsen derselben in der gleichen Richtung angeordnet sind, wodurch voneinander unabhängige laminierte Biege- oder Zweikristallelemente 8, 9, 10, 11 gebildet werden. Die zentralen Teile der laminierten piezoelektrischen Zweikristallelemente 10, 11 sind fest gehaltert durch Verklebung oder Verschraubung mit Ausnehmungen aufweisenden, auf einer Basisplatte 12 anbringbaren Befestigungselementen 13a, 13b, wogegen auf den zentralen Bereichen der piezoelektrischen Zweikristallelemente 8, 9 ein Schlitten 15 zum Tragen eines beweglichen Elements, wie eines Festkörperbildsensors 14 angebracht ist. Um eine Leitung zwischen den inneren und äußeren Elektroden der laminierten piezoelektrischen Zweikristallelemente 8, 9, 10, 11 sicherzustellen, sind Spannungszuführungsanschlüsse 16, 17, 18, 19 vorgesehen, und der dünne Metallstreifen 7 wird als ein gemeinsamer Spannungszuführungsanschluß 20 verwendet. Nach dem Anlegen einer Spannung an die Spannungszuführungsanschlüsse 20 und 16, 17 wirken die laminierten piezoelektrischen Zweikristallelemente 8, 9 als an beiden Enden gehalterte Biegeelemente und werden entlang der Normalrichtung der Elektrodenoberflächen verschoben. Die Größe dieser Verschiebung ist proportional zu dem angelegten elektrischen Feld und der piezoelektrischen Konstante d&sub3;&sub1;. Es sei angenommen, daß die laminierten piezoelektrischen Elemente 8a, 8b, 9a, 9b die gleiche Dicke haben und die Polarisationsachsen der gegenüberliegenden laminierten piezoelektrischen Zweikristallelemente 8, 9 in der gleichen Richtung angeordnet sind. Beim Anlegen einer Spannung der gleichen Phase werden die laminierten piezoelektrischen Zweikristallelemente 8, 9 um den gleichen Betrag in der gleichen Richtung verschoben, so daß es möglich ist, den an deren mittleren Bereichen angebrachten Schlitten längs der Verschiebungsrichtung der laminierten piezoelektrischen Zweikristallelemente 8, 9 zu verschieben, das heißt, längs der Normalrichtung der Elektrodenoberflächen. Die laminierten piezoelektrischen Zweikristallelemente 10, 11, deren in Längsrichtung liegende mittlere Bereiche durch die Befestigungselemente 13a, 13b fest gehaltert sind, fungieren andererseits als Biegemechanismus einseitig eingespannter Art. Wenn eine Spannung an die Anschlüsse 20, 18, 19 in einer solchen Weise angelegt wird, daß sie eine Verschiebung um den gleichen Betrag in der gleichen Richtung bewirkt, werden die laminierten piezoelektrischen Zweikristallelemente 8, 9 in der gleichen Richtung verschoben, das heißt, längs der Normalrichtung bezüglich der Elektrodenoberflächen der piezoelektrischen Schwingelemente 10, 11, so daß der Schlitten 15 in der gleichen Richtung verschoben wird. In Anbetracht des Umstandes, daß die laminierten piezoelektrischen Zweikristallelemente 8, 9 und 10, 11 unabhängig voneinander angetrieben werden können, ist der Schlitten 15 in zwei Richtungen in ein und derselben Oberfläche verschiebbar. Auch weil die laminierten piezoelektrischen Zweikristallelemente 8, 9, 10, 11 in der gleichen Ebene angeordnet sind, wird eine für eine unabhängige zweidimensionale Verschiebung geeignete kompakte Mikroverschiebungseinheit geschaffen, die einfach im Aufbau ist. Wenn eine Leitungsverbindung mit einem Erdungsanschluß zwischen den Spannungszuführungsanschlüssen 16, 17, 18, 19 der inneren und äußeren Elektroden der laminierten piezoelektrischen Zweikristallelemente und den Befestigungselementen sichergestellt ist, ergibt sich andererseits der Umstand, daß durch den dünnen Metallstreifen 7 ein gemeinsamer Spannungszuführungsanschluß 20 geschaffen wird, was das Eindringen von Störungen vermindert, wobei gleichzeitig ein Kurzschließen durch äußeren Kontakt verhindert wird.
Der Vorteil verminderter Größe erweist sich als ein bemerkenswertes Merkmal, wenn die Verschiebungseinheit bei solchen Anwendungen, wie als Mikroverschiebungseinheit für einen Festkörperbildsensor mit Halbleiterelementen gepackt ist. Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer solchen gepackten Bauelementgruppe. Ein Festkörperbildsensor 14 ist mittels eines leitenden Klebers oder dergleichen auf einem Schlitten 15 einer zweidimensionalen Mikroverschiebungseinheit befestigt, und die Verschiebungseinheit ist innerhalb eines Gehäuses 21 aus Keramik oder ähnlichem fest montiert. Die Baugruppe ist in dem Gehäuse 21 mit einem Glas eingesiegelt, das für das auf die lichtaufnehmende Oberfläche des Festkörperbildsensors 14 eingestrahlte Licht durchlässig ist. Die elektrischen Drähte zu den für die zweidimensionale Verschiebung benötigten piezoelektrischen Elementen und zu dem Festkörperbildsensor werden durch Elektroden 20, die auf das Gehäuse 21 aufgedruckt sind, herausgeführt.
Nun soll ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 3A und 3B beschrieben werden. Fig. 3A ist eine perspektivische Ansicht und Fig. 3B eine perspektivische Explosionsansicht. Die inneren und äußeren Elektroden 10a', 10b'; 11a', 11b' der durch Befestigungselemente an ihren zentralen Bereichen fest gehalterten piezoelektrischen Zweikristallelemente 10, 11 sind an den zentralen Bereichen isoliert, wie durch die Schraffur in Fig. 3B gezeigt ist. Durch Anlegen einer Spannung zwischen den solchermaßen vorgesehenen Elektroden 18a, 18b, 19a, 19b und einem gemeinsamen Spannungszuführungsanschluß 20 werden die Zweikristallelemente einseitig eingespannter Art an den Seiten der feststehenden Teile unabhängig angetrieben. Es sei als Beispiel angenommen, daß die laminierten piezoelektrischen Elemente die gleiche Dicke haben und die gegenüberliegenden laminierten piezoelektrischen Zweikristallelemente 10, 11 die gleiche Richtung der Polarisationsachse haben. Wenn eine Spannung der gleichen Phase an die Spannungszuführungsanschlüsse 20 und 18a, 19b angelegt wird, wird das laminierte piezoelektrische Zweikristallelement 8 verschoben, wogegen durch Anlegen einer Spannung der gleichen Phase an die Spannungszuführungsanschlüsse 20 und 18b, 19b in einer ähnlichen Weise das laminierte piezoelektrische Zweikristallelement 9 verschiebbar ist. Im einzelnen heißt das, daß die laminierten piezoelektrischen Zweikristallelemente 8 und 9 unabhängig voneinander verschoben werden. Durch Anlegen verschiedener Spannungen an die Spannungszuführungsanschlüsse 18a, 19a und 18b, 19b werden daher unterschiedliche Größen der Verschiebung der laminierten piezoelektrischen Zweikristallelemente 8, 9 hervorgerufen, so daß der Schlitten 15 in der horizontalen Ebene geneigt wird. Daraus ergibt sich das Merkmal, daß bei solchen Anwendungen wie einer Präzisionsmikropositionierung bei der Maskenausrichtung von integrierten Schaltungen oder dergleichen irgendeine Neigung des auf der Basis angebrachten Festkörperbildsensors in der Horizontalebene korrigierbar und der Winkel einstellbar ist.
Fig. 4 ist eine perspektivische Explosionsansicht von laminierten piezoelektrischen Zweikristallelementen gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die piezoelektrischen Zweikristallelemente, deren zentrale Bereiche durch Befestigungselemente fest gehaltert sind, sind aus tafelförmigen piezoelektrischen Elementen 21a, 21b; 22a, 22b; 23a, 23b; 24a, 24b aufgebaut, die auf den Oberflächen des dünnen Metallstreifens 7 in einer solchen Weise vertikal angebracht sind, daß sie an deren zentralen Bereichen getrennt sind. Bei dieser Konstruktion sind die piezoelektrischen Zweikristallelemente auf den Seiten an den Befestigungselementen unabhängig voneinander betreibbar, was den großen Vorteil nach sich zieht, daß eine Neigung korrigiert werden kann oder eine Mikropositionierung wie oben beschrieben möglich ist.
Fig. 5 ist eine perspektivische Explosionsansicht von laminierten piezoelektrischen Zweikristallelementen gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ein rechteckiger dünner Metallstreifen 7 ist durch Biegen eines Metallblechs gebildet und in einer solchen Weise konfiguriert, daß die Enden des dünnen Metallstreifens 7 an den zentralen Bereichen der zu laminierenden piezoelektrischen Elemente 10a, 10b angeordnet sind. In Anbetracht des Umstandes, daß die Enden des dünnen Metallstreifens sich an den durch die Befestigungselemente festgelegten Bereichen befinden, ist die Größe der Verschiebung als piezoelektrisches Zweikristallelement nicht beeinträchtigt, und auch der Umstand, daß der rechteckige dünne Metallstreifen aus einem Metallblech erhalten werden kann, vereinfacht die leicht zu fabrizierende Konstruktion.
Fig. 6 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer laminierten piezoelektrischen Einheit gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Rechteckförmige dünne Metallstreifen 7a, 7b, die in eine kanalähnliche Form oder C-Form gebogen sind, sind einander gegenüberliegend so angeordnet, daß sie eine zu einem Rechteck geformte Anordnung der dünnen Metallstreifen bilden, wobei sich die Enden der Streifen 7a, 7b an den zentralen Bereichen der zu laminierenden piezoelektrischen Elemente 10a, 10b; 11a, 11b befinden. Die dünnen Metallstreifen 7a, 7b sind durch Biegen lediglich in einer Richtung hergestellt, was zu einer hohen Massenproduktionseffizienz führt.
Fig. 7 ist eine Explosionsansicht einer Mikroverschiebungseinheit gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Mikroverschiebungseinheiten 25a, 25b mit vertikal an den Oberflächen von rechteckigen dünnen Metallstreifen 7a, 7b befestigten tafelförmigen piezoelektrischen Elementen sind in eine Kanalform gebogen und so angeordnet, daß deren Enden einander gegenüberliegen. Die Enden der Mikroverschiebungseinheiten 25a, 25b sind durch Befestigungselemente 13a, 13b fest gehaltert. Da diese Einrichtung aus vollständig unabhängigen Mikroverschiebungseinheiten aufgebaut ist, ergibt sich der große Vorteil, daß Variationen in den charakteristischen Eigenschaften der piezoelektrischen Zweikristallelemente einseitig eingespannter Art durch Einstellen der Länge der feststehenden Bereiche der piezoelektrischen Zweikristallelemente bei der Anbringung derselben an den Befestigungselementen kompensiert werden können.
Fig. 8 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer piezoelektrischen Mikroverschiebungseinheit gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In Anbetracht des Umstandes, daß ein piezoelektrisches Zweikristallelement einseitig eingespannter Art mit einem laminierten, an beiden Enden gehalterten Zweikristallelement durch eine dünne Metallplatte gekoppelt ist, beeinträchtigen sie sich gegenseitig. Nichtsdestoweniger ist das Modul der Biegesteifigkeit der dünnen Metallstreifen an den Seiten der davon getragenen, an beiden Enden gehalterten laminierten piezoelektrischen Zweikristallelemente durch Ausbildung von U-förmigen Vertiefungen 26a, 26b, 26c, 26d, wie in Fig. 7 gezeigt, oder schmalen Bereichen 26a', 26b', 26c', 26d', wie in Fig. 8 gezeigt, erhöht. Auf diese Weise wird die Betriebssicherheit mit einem verminderten gegenseitigen Effekt verbessert. Wenn weiterhin Öffnungen 27 in dem dünnen Metallstreifen ausgebildet sind, werden die piezoelektrischen Elemente an diesen Bereichen miteinander verbunden, wodurch die Haftfestigkeit zwischen dem Metall und den piezoelektrischen Elementen verbessert wird.
Fig. 9A und 9B sind Darstellungen, die eine Mikroverschiebungseinheit für einen Festkörperbildsensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen. Fig. 9A ist eine perspektivische Ansicht der Einrichtung und Fig. 9B ist eine perspektivische Explosionsansicht derselben. Auf einem Schlitten 15 ist eine Festkörperbildsensoreinrichtung 27 angebracht. Signale der Festkörperbildsensoreinrichtung 27 und den Spannungszuführungsanschlüssen 16, 17, 18, 19 der laminierten piezoelektrischen Zweikristallelemente 8, 9, 10, 11 zugeführte Signale werden einer flexiblen Basisplatte 29 zugeführt für eine Verbindung mit einer am Boden der Basisplatte 12 montierten gedruckten Leiterplatte 28. Diese Konstruktion führt zu einer Einrichtung, die zu einer genauen Einstellung der Anbringungspositionen und einer Farbanpassung für eine gegebene Festkörperbildsensoreinrichtung geeignet ist.
Aus der vorangehenden Beschreibung ist somit verständlich, daß gemäß der vorliegenden Erfindung eine kompakte Mikroverschiebungseinheit geschaffen wird, die einfach im Aufbau und zu einer unabhängigen Verschiebung in zwei Richtungen in der Lage ist, enthaltend laminierte piezoelektrische Zweikristallelemente der einseitig eingespannten Art und laminierte piezoelektrische Zweikristallelemente mit gehalterten Enden, wobei die Schwingungselemente in ein und derselben Ebene angeordnet sind.

Claims

1. Zweidimensionale piezoelektrische Mikroverschiebungseinheit mit einer Anzahl von jeweils zwei aneinander laminierte tafelförmige piezoelektrische Elemente (8a,8b; 9a,9b;10a,10b;11a,11b) enthaltenden piezoelektrischen Zweikristallelementen (8,9,10,11), wobei die tafelförmigen piezoelektrischen Elemente (8a,8b;9a,9b;10a,10b;11a,11b) eine Polarisationsachse längs der Richtung ihrer Dicke aufweisen und die Polarisationsachsen von jeweils zwei aneinander laminierten piezoelektrischen Elementen parallel sind, sowie mit inneren und äußeren Elektroden (16,17,18,19) an deren gegenüberliegenden Oberflächen, einer Anzahl von Befestigungselementen (13a,13b) zur festen Halterung eines Paars von gegenüberliegend angeordneten piezoelektrischen Zweikristallelementen (10,11) an den mittleren Bereichen von deren Länge, und einem an einem weiteren Paar von gegenüberliegend angeordneten piezoelektrischen Zweikristallelementen (8,9) angeordneten Schlitten (15), wobei die Zweikristallelemente (8,9,10,11) an ihren längsweisen Enden so verbunden sind, daß das weitere Paar von Zweikristallelementen (8,9) von dem einen Paar von Zweikristallelementen (10,11) getragen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die tafelförmigen piezoelektrischen Elemente (8a,8b;9a,9b; 10a,10b;11a,11b) an den gegenüberliegenden Seiten eines in eine rechteckige Form gebogenen dünnen Metallstreifens (7) aneinander laminiert sind, wobei die gebogenen Bereiche des Metallstreifens (7) die Verbindungen der Zweikristallelemente an deren längsweisen Enden bilden und die Paare von piezoelektrischen Zweikristallelementen (8,9; 10,11) in der gleichen Ebene bezüglich der durch den dünnen Metallstreifen (7) gebildeten rechteckigen Form konfiguriert sind.

2. Zweidimensionale piezoelektrische Mikroverschiebungseinheit nach Anspruch 1, bei der die inneren und äußeren Elektroden (16,17,18,19) der laminierten piezoelektrischen Zweikristallelemente unabhängige Spannungszuführungsanschlüsse (16,17,18,19) bilden, und der dünne Metallstreifen (7) einen gemeinsamen Spannungszuführungsanschluß (20) für alle laminierten piezoelektrischen Zweikristallelemente bildet.

3. Zweidimensionale piezoelektrische Mikroverschiebungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, bei der die inneren und äußeren Elektroden der von den Befestigungselementen (13a,13b) fest gehalterten laminierten piezoelektrischen Zweikristallelemente (10,11) für eine unabhängige Spannungszuführung an deren mittleren Bereichen isoliert sind.

4. Zweidimensionale piezoelektrische Mikroverschiebungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die tafelförmigen piezoelektrischen Elemente (10a,10b;11a,11b) des Paars von durch Befestigungselemente (13a,13b) an deren mittleren Bereichen fest gehalterten piezoelektrischen Zweikristallelementen (10,11) an deren festgelegten Bereichen isoliert sind.

5. Zweidimensionale piezoelektrische Mikroverschiebungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der sich die Enden des dünnen Metallstreifens (7) mit den festgelegten mittleren Bereichen der von den Befestigungselementen (13a,13b) fest gehalterten laminierten piezoelektrischen Zweikristallelemente (10,11) in Übereinstimmung befinden.

6. Zweidimensionale piezoelektrische Mikroverschiebungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der zwei C-förmige Streifen aus dünnem Metall (7a,7b) in eine rechteckige Form gebracht sind, wobei sich die Enden der beiden dünnen Metallstreifen (7a,7b) mit den mittleren festgelegten Bereichen der durch Befestigungselemente (13a,13b) fest gehalterten laminierten piezoelektrischen Zweikristallelemente (8,9) in Übereinstimmung befinden.

7. Zweidimensionale piezoelektrische Mikroverschiebungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, enthaltend zwei jeweils an den inneren und äußeren Oberflächen eines dünnen in eine C-Form gebogenen Metallstreifens befestigte tafelförmige piezoelektrische Zweikristallelemente umfassende Mikroverschiebungsanordnungen (25a,25b), wobei die Mikroverschiebungseinheiten (25a,25b) mit ihren Enden einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die Enden durch Befestigungselemente (13a,13b) fest gehaltert sind.

8. Zweidimensionale piezoelektrische Mikroverschiebungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der in dem dünnen Metallstreifen eine Anzahl von Öffnungen (27) ausgebildet sind.

9. Zweidimensionale piezoelektrische Mikroverschiebungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das Biegesteifigkeitsmodul des dünnen Metallstreifens (7) an den Enden der den daran angebrachten Schlitten (15) aufweisenden laminierten piezoelektrischen Schwingelemente (8,9) durch eine U-förmige Gestalt (26a-26d) oder schmale Teile (26a'-26d') erhöht ist.

10. Zweidimensionale piezoelektrische Mikroverschiebungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der Schlitten (15) einen darauf angebrachten Festkörperbildsensor (14) aufweist.

11. Zweidimensionale piezoelektrische Mikroverschiebungseinheit nach Anspruch 10, enthaltend eine flexible Basisplatte (12), wobei Signale des auf dem Schlitten (15) angebrachten Festkörperbildsensors (14) extern verarbeitet und die an die laminierten piezoelektrischen Zweikristallelemente (8,9,10,11) angelegten Spannungszuführungssignale extern erzeugt werden.