DE3833091A1

DE3833091A1 - Piezoelektrische mikro-positioniereinrichtung

Info

Publication number: DE3833091A1
Application number: DE19883833091
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl Phys Stein; Peter Dipl Phys Kleinschmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-09-29
Filing date: 1988-09-29
Publication date: 1990-04-05

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine piezoelektrische Mikro- Positioniereinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Auf bestimmten Gebieten der Technik werden zunehmend hochpräzise Positioniereinrichtungen mit Stellwegen von wenigen µm bei niedrigen Stellkräften ( < 1N) benötigt, die eine kleine Bauform, große mechanische Robustheit und elektronische Regelbarkeit besitzen müssen.

Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden entweder rein mechanische, nicht - oder nur sehr aufwendig - regelbare Positionierer oder piezokeramische Stellglieder, die wegen ihrer notwendigen hohen Steuerspannung von mehreren 100 V teure elektronische Ansteuerung benötigen, benutzt. Desweiteren sind auch Bimetall-Anordnungen bekannt, die allerdings eine große Ansprechzeit, einen hohen Stromverbrauch und eine starke Temperaturabhängigkeit besitzen sowie eine unerwünschte Wärme quelle darstellen. Desweiteren weisen Bimetall-Anordnungen in aller Regel eine Restauslenkung (Hysterese) auf.

Die bekannten Positionierer eignen sich aufgrund ihrer Größe und Verbindungstechnik wenig für mikromechanische Anwendungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positionier einrichtung der eingangs genannten Art und gemäß dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die bei einfachem und damit kostengünstigem Aufbau eine hochpräzise Mikro-Posi tionierung mit geringen Stellkräften ( < 1N) ermöglicht, kleine Abmessungen aufweist und elektronisch angesteuert und geregelt werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren im einzelnen beschrieben, wobei die Figuren jeweils bevorzugte Ausführungsbeispiele verschiedener Lösungsmöglichkeiten gemäß der Erfindung betreffen.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Positionierein richtung für eine longitudinale Auslenkung.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Posi tioniereinrichtung für eine Biegeauslenkung senkrecht zur Stack-Fläche.

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Posi tioniereinrichtung für eine Biegeauslenkung senkrecht zur Stack-Fläche.

Fig. 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Positionier einrichtung für eine Biegeauslenkung parallel zur Stack-Fläche.

Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Posi tioniereinrichtung für eine Biegeauslenkung parallel zur Stack-Fläche.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Positioniereinrich tung für eine mehrdimensionale Positionierung.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Positioniereinrich tung für eine mehrdimensionale Positionierung mit zusätzlicher Drehwinkelfeinpositionierungs-Möglichkeit.

Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Positioniereinrich tung gemäß Fig. 6, wobei zusätzlich eine optische Positions kontrolleinrichtung vorgesehen ist.

Fig. 9 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Positionier einrichtung mit einem Kompensations-Dehnungsmeßstreifen DMS.

Fig. 10 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Positio niereinrichtung mit einem Kompensations-Dehnungsmeßstreifen DMS.

Die Mikro-Positioniereinrichtung, bestehend aus einer Halterung und einem oder mehreren piezoelektrischen Positionierelementen, ist dadurch gekennzeichnet, daß

- die Positionierelemente monolithische Vielschicht-Piezostacks sind, bei denen die Dicke einer Schicht so gewählt ist, daß die erforderlichen Auslenkungen und Stellkräfte mit Spannungen unter 42 V, sinnvollerweise aber unter 18 V (IC-Speisespannung), erreicht werden, wodurch sich Dicken von unter 80 µm ergeben und bei denen die Zahl der Piezoschicht zwischen 4 und 36 liegt,
- der mechanische Träger eine nichtleitende Oberfläche besitzt und bei Bedarf auch photolithographisch strukturierbar ausge führt werden kann,
- sich die notwendigen elektronischen Schaltungen in Dickschicht- Hybrid-Technologie auf dem Träger befindet und elektrische An schlüsse vorhanden sind,
- ein Ende des Piezostacks mit dem Träger fest verbunden ist und ein Ende oder eine Ecke für die Befestigung des zu positionier enden Bauteils vorgesehen ist,
- die Piezostacks im wesentlichen parallel zur Trägeroberfläche ausgerichtet sind und
- die für die Piezostacks und die elektronische Miniaturhybrid schaltung benötigte Flächen des Trägers kleiner als 20 cm² ist.

Mit einer optischen Positionskontrolle ist eine Linearisierung möglich. Hierzu werden mindestens eine Lichtquelle, die ent weder auf dem Träger oder dem piezokeramischen Positionierele ment angebracht wird oder bei Glasfaserpositionierungen als speisende Lichtquelle vorhanden ist und mindestens drei Photo detektoren benötigt, die in geeigneter Weise gegenüber der Lichtquelle angeordnet werden, so daß aus der detektierten Lichtmenge die Auslenkung bestimmt werden kann.

Mit Dehnungsmeßstreifen ist eine absolute Messung und damit eine Linearisierung der Position sowie eine Positionsregelung möglich. Für die eindimensionale Längenänderung benötigt man hierzu mindestens einen DMS sowie einen Temperaturkompensa tions-DMS. Da Biegungen, die Stellkräfte erfordern, einen Ver lauf der Auslenkung entsprechend einer Potenzfunktion dritter Ordnung besitzen, benötigt man zur Bestimmung der Biegeaus lenkung mindestens vier OMS sowie einen Kompensations-OMS. Mit diesen sind dann durch entsprechende Beschaltung Biege auslenkung und Längenänderung gleichzeitig bestimmbar.

Die aus den Funktionsteilen und einem Objekthalter bestehende Funktionseinheit kann auch nichtparallel zu dem Träger durch zwei Abstandshalter gleicher Höhe gehalten sein.

Zur Erfassung einer Auslenkung in der dritten Dimension kann ein weiterer Dehnungsmeßstreifen DMS vorgesehen sein.

Claims

1. Piezoelektrische Mikro-Positioniereinrichtung, dadurch ge kennzeichnet, daß ein aus zumindest einem piezoelektrischen Positionierelement bestehendes, vorzugsweise rechteckig blattförmig ausgebildetes, über Steueranschlüsse (3 a, 3 b, 3 c) elektrisch über eine Kontaktfläche elektrisch ansteuerbares Funktionsteil (3) vorgesehen ist, das an zumindest einem seiner Enden an einem auf einer elektrisch nichtleitenden Oberfläche eines Trägers (1) angeordneten Abstandshalter (2) derart befestigt ist, daß die Oberfläche des Trägers (1) und die dem Träger (1) zugewandte Oberfläche des Funktionsteils (3) im wesentlichen planparallel liegen, und das mit seinem anderen Ende oder einer Ecke an einem zu positionierenden Bauteil einer betreffenden Einrichtung befestigbar ist, daß die Schichtdicke der in einem Schicht verbund enthaltenen piezoelektrischen Positionierelemente derart gewählt ist, daß die erforderliche Auslenkung und die erforder liche Stellkraft zum Positionieren mit einer Ansteuerspannung < 42 V, vorzugsweise < 18 V, erreicht werden, und daß für die Ansteuerung erforderliche elektronische Schaltkreise oder Schaltelemente mit den erforderlichen Anschlußelementen in Dickschicht-Hybrid-Technologie auf dem Träger (1) ausgebildet sind.

2. Piezoelektrische Mikro-Positioniereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch nichtleitende Oberfläche des Trägers (1) aus einem auf photolithographischem Wege strukturierbaren Material besteht.

3. Piezoelektrische Mikro-Positioniereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke < 80 µm beträgt und daß die Anzahl von zu dem Funktionsteil (3) übereinandergeschichteten Positionier elementen größer vier ist.

4. Piezoelektrische Mikro-Positionierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht an dem Abstandshalter (2) befestigte Ende des Funktionsteils (3) mittels einer an dem Träger befestigten Feder (4) derart elastisch gehalten wird, daß eine die im wesentlichen vorgesehene Planparallelität von Träger (1) und Funktionsteil (3) aufhebende Auslenkung des Funktionsteils (3) behindert und eine longitudinale, zur Oberfläche des Trägers (1) parallelverlaufende Auslenkung des selben bewirkt wird (Fig. 1).

5. Piezoelektrische Mikro-Positioniereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht an dem Abstandshalter (2) befestigte Ende des Funktionsteils (3) frei beweglich ist, so daß eine Biegeauslenkung in der einen oder der anderen Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Trägers (1) bewirkt werden kann (Fig. 2).

6. Piezoelektrische Mikro-Positioniereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionsteil (3) eine im wesentlichen quadratische Form hat und daß drei der vier Ecken des Funktionsteils (3) an einem jeweils zugeordneten Abstandshalter (2 a, 2 b, 2 c) befestigt sind und die vierte Ecke frei beweglich ist, so daß eine Biegeauslenkung der vierten Ecke in der einen oder der anderen Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Trägers (1) bewirkt werden kann (Fig. 3).

7. Piezoelektrische Mikro-Positioniereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche in zwei getrennt voneinander ansteuerbare Teil- Kontaktflächen (5 a, 5 b) unterteilt ist, mittels derer bei ent sprechender Ansteuerung eine Biegeauslenkung des Funktionsteils (3) in der einen oder der anderen Richtung parallel zu der Ober fläche des Trägers (1) bewirkt werden kann (Fig. 4).

8. Piezoelektrische Mikro-Positioniereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit ihrem einen Ende in einem Lagerblock (7) verankerte und mit ihrem anderen Ende mit dem nicht an dem Abstandshalter (2) befestigten Ende des Funktionsteils (3) verbundene Feder (6) vorge sehen ist, die eine Biegung des Funktionsteils (3) in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Trägers (1) behindert (Fig. 4).

9. Piezoelektrische Mikro-Positioniereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine in dem Träger (1) verankerte, senkrecht stehende und koaxial mit dem Funktionsteil (3) orientierte Blattfeder (6 a) als Auflager für das nicht an dem Abstandshalter (2) befestigte Ende des Funktionsteils (3) vorgesehen ist, die eine Biegung des Funktionsteils (3) in einer Richtung senkrecht zu der Ober fläche des Trägers (1) behindert (Fig. 5).

10. Piezoelektrische Mikro-Positioniereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ab standshalter (10 a, 10 b) vorgesehen sind, an denen jeweils ein Ende des Funktionsteils (3) befestigt ist, daß die Kontaktfläche in vier getrennt voneinander ansteuerbare Teil-Kontaktflächen (9 a, 9 b, 9 c, 9 d) unterteilt ist, mittels derer bei entsprechen der Ansteuerung eine Positionierung in allen Dimensionen bewirkt werden kann, und daß ein Stützteil (11) auf dem Träger (1) ange ordnet ist, mit dem ein durch das Funktionsteil (3) zu posi tionierendes Objekt (12), beispielsweise eine Glasfaser eines Lichtwellenleiterkabels, abstützbar ist (Fig. 6).

11. Piezoelektrische Mikro-Positioniereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Ab standshalter (2 ₁) mit einem daran befestigtem ersten Funktions teil (3 ₁) und ein zweiter Abstandshalter (2 ₂) mit einem daran be festigten zweiten Funktionsteil (3 ₂) in einer Anordnung vorge sehen sind, bei der sich die jeweils freien Enden der zwei mit verschiedenen Abständen von der Oberfläche des Trägers (1) angeordneten und vertikal in Flucht miteinander ausgerichteten Funktionsteile (3 ₁, 3₂) überlappen, und daß in dem Bereich der Überlappung eine das Objekt (12) aufnehmende Halterung zwischen den freien Enden angeordnet ist, so daß durch entsprechende An steuerung der Funktionsteile (3 ₁, 3₂) zusätzlich zur der Positionierung des Objekts (12) in allen Dimensionen eine Dreh winkel-Feinpositionierung desselben durch Drehung um einen Drehwinkel (ρ) durchführbar ist, wobei der Drehwinkel (ρ) durch die Beziehung bestimmt ist, mit x ₁ bzw. x ₂= Dehnungsbetrag des ersten bzw. des zweiten Funktionsteils (3 ₁ bzw. 3₂) und a= Abstand zwischen den freien Enden derselben in dem Überlappungsbereich (Fig. 7).

12. Piezoelektrische Mikro-Positioniereinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktions einheit, bestehend aus den Funktionsteilen (3 ₁, 3₂) und einem Objekthalter (13) nichtparallel zu dem Träger (1) von zwei Abstandshaltern gleicher Höhe gehalten ist.

13. Piezoelektrische Mikro-Positioniereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine optisch arbeitende Positionskontrolleinrichtung (14 a, 14 b, 14 c, 15, 16) mit vorzugsweise drei um 120° gegeneinander versetzt angeordneten, dicht an den Umfang des Objekts (12) anlegbaren Photodetektoren (14 a, 14 b, 14 c), einer Lichtquelle (15), die vorzugsweise als Licht emittierende Diode LED realisiert ist, und einer Halterung (16) für die Lichtquelle (15) vorgesehen ist, wobei die Licht quelle koaxial mit dem Objekt (12) in dessen Sollposition orientiert ist, so daß durch Verarbeitung der Ausgangssignale der Photodetektoren, die die jeweils einfallende Lichtmenge reprä sentieren, die Istposition des Objekts (12) erkennbar ist, und daß die Istposition betreffende Daten zur Nachregelung der Ist position in die Sollposition benutzt werden (Fig. 8).

14. Piezoelektrische Mikro-Positioniereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke einer absoluten Messung einer eindimensionalen Längenänderung des Funktionsteils (3, 3′) und damit einer Linearisierung der Positonierung zumindest ein Dehnungsmeßstreifen DMS auf einer der Oberflächen des Funktionsteils angeordnet ist, dessen die Längenänderung repräsentierendes Ausgangssignal zu einer Nach regelung benutzt wird.

15. Piezoelektrische Mikro-Positioniereinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Temperatur-Kompensations-Dehnungsmaßstreifen auf dem Funktionsteil angeordnet ist, dessen Ausgangssignal zusammen mit demjenigen des Dehnungsmeßstreifens DMS zu einer Nachregelung benutzt wird (Fig. 9, Fig. 10).

16. Piezoelektrische Mikro-Positioniereinrichtung nach An spruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest vier Dehnungsmeßstreifen DMS in derart vorbestimmten Positionen auf der oberen und der unteren Oberfläche des Funktionsteils (3, 3′) zur Bestimmung der Biegeauslenkung desselben angeordnet sind, daß eine absolute Positionierung in zwei Dimensionen vor genommen werden kann.

17. Piezoelektrische Mikro-Positioniereinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein weiterer Dehnungsmeßstreifen DMS zum Erfassen einer Aus lenkung in der dritten Dimension vorgesehen ist.