DE4023311A1 - Verstellvorrichtung fuer mikrobewegungen - Google Patents
Verstellvorrichtung fuer mikrobewegungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung für
Mikrobewegungen mit einem Trägerelement, mit
mindestens einem an dem Trägerelement befestigten
Antriebselement, das einen den Schereffekt nutzenden
Piezowandler aufweist, und mit einem Anlageelement,
das am Antriebselement anliegt.
Eine Verstellvorrichtung für Linear- oder
Winkelverschiebungen von Tragplatten relativ zu
Basisplatten ist beispielsweise aus der
DE-PS 20 29 715 bekannt. Derartige
Verstelleinrichtungen besitzen für die Ausführung
von Linear- und Drehbewegungen Spindeln, Mikrometer
und Schrauben. Zur Führung der Tragplatten auf den
Basisplatten sind die Tragplatten mit Nuten
versehen, in denen beispielsweise Kugeln laufen.
Diese bekannte Verstelleinrichtung ist jedoch für
mechanisch hochpräzise Bewegungsabläufe in der
Mikrotechnik nicht einsetzbar, weil die für diese
Anwendungszwecke gewünschte Feineinstellung mit den
genannten mechanischen Verschiebeeinrichtungen nicht
erzielbar ist.
Insbesondere bei der Rastertunnelmikroskopie, mit
der Oberflächenstrukturen mit einer Auflösung im
Subnanometer-Bereich untersucht werden können, sind
Verstelleinrichtungen erforderlich, die eine
Verschiebung oder eine Drehbewegung dementsprechend
im Subnanometer-Bereich ermöglichen.
Um diesen Erfordernissen gerecht zu werden, wurden
Mikromanipulatoren entwickelt, wie sie aus der
DE-PS 36 10 540 bekannt sind. Ein solcher
Mikromanipulator ist zur Mikrobewegung von Objekten
in X-, Y- und Z-Richtung befähigt, bei der das
Objekt auf drei hohlzylinderartigen
Piezobewegungselementen aufliegt. Diese
piezoelektrischen Röhrchen besitzen auf einer
Zylinderwand einen geschlossenen elektrisch
leitfähigen Belag und auf der anderen Zylinderwand
mehrere elektrische isolierte leitfähige Teilbeläge.
Durch Anlegen von Spannungen zwischen den elektrisch
leitfähigen Belägen können die piezoelektrischen
Röhrchen in beliebige Richtungen verbogen werden.
Durch schnelles Verbiegen und Aufrichten der
Röhrchen wird das auf diesen piezoelektrischen
Röhrchen aufliegende Objekt schrittweise verschoben.
Dieser Mikromanipulator besitzt jedoch eine Reihe
von Nachteilen. Die Bewegung des Objektes ist nicht
reproduzierbar und insbesondere nicht eindimensional
geführt. Dies bedeutet, daß beim Zurückbewegen des
Objektes nicht wieder der Ausgangspunkt erreicht
wird, was aber gerade bei Oberflächenuntersuchungen
in der hochauflösenden Mikroskopie, bei der die
gleichen Oberflächenstellen mehrfach reproduzierbar
angefahren werden müssen, ein zwingendes Erfordernis
ist.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der
Mikromanipulator lediglich zur horizontalen Bewegung
des Objektes befähigt ist. Eine Bewegung des
Objektes in einer vertikalen Ebene ist nicht
vorgesehen und auch nicht möglich, da das Objekt in
diesem Fall keinen sicheren Halt auf den
piezoelektrischen Röhrchen hätte. Zwar wird die
Möglichkeit erwähnt, das Objekt mittels einer Feder
auf die Piezoröhrchen zu drücken, jedoch wird
dadurch nur die Stabilität der gesamten Anordnung
erhöht. Ein Einsatz in einer anderen als in der
horizontalen Ebene wird dadurch nicht ermöglicht.
Dem steht auch die geringe Belastbarkeit und
insbesondere die geringe laterale Stabilität der
piezoelektrischen Röhrchen entgegen, die
insbesondere dann zum Zerbrechen neigen, wenn sie
durch die angelegte Spannung verbogen sind und
gleichzeitig belastet werden.
In K. Besocke "Ein neues Konzept für die
Raster-Tunnel-Mikroskopie" in Sonderdruck aus
Jahresbericht 1987/88 der Kernforschungsanlage
Jülich GmbH, Seite 23 bis 31, ist eine
Mikroverstellvorrichtung beschrieben, bei der neben
der Anwendung der piezoelektrischen Röhrchen, wie
sie aus der EP-00 27 517 bekannt sind, zusätzlich
ein Probenhalter zur Anwendung kommt, der einen
Laufring aufweist. Die Auflageflächen der
piezoelektrischen Röhrchen sind geschraubte schiefe
Ebenen, so daß beim Betätigen der piezoelektrischen
Röhrchen der Laufring gedreht und gleichzeitig eine
Bewegung parallel zu den piezoelektrischen Röhrchen
ausführt. Auch diese Anordnung ermöglicht keine
reproduzierbaren Bewegungen.
Aus der EP 00 27 517 ist eine Verstellvorrichtung
bekannt, bei der ein H-förmiges Piezostück sich in
Art eines Wurmes in einem trogartigen Führungsstück
fortbewegt. Der Aufbau und die Steuerung mit
vierphasigen Treibströmen ist aufwendig und
kostspielig und ebenfalls mit dem Nachteil behaftet,
daß das sich bewegende Piezostück in
Bewegungsrichtung nur gering belastbar ist. Bei
dieser Ausgestaltung kann das Piezostück wenig mehr
als sein Eigengewicht in vertikaler Richtung tragen,
da es anderenfalls zu einem unkontrollierten
Verrutschen des Piezostücks in der
Führungseinrichtung kommt.
Darüber hinaus ist abolute Maßpräzision des
Führungsstücks und des Piezostücks im
Mikrometerbereich oder genauer erforderlich. Daraus
ergibt sich ein hoher Fertigungsaufwand.
Aus der Firmenschrift "Micro Positioning Systems"
der Firma BURLEIGH INSTRUMENTS ist der sogenannte
Inchworm bekannt. In einer konzentrischen Anordnung
ist als bewegliches Element ein Zylinder innerhalb
von drei rohrartigen Piezoelementen angeordnet, von
denen zwei durch Durchmesserveränderungen das
bewegliche Element klemmen und das dritte durch
Längenänderung den Zylinder bewegt. Ein wesentlicher
Nachteil dieser Konstruktion ist die mangelnde
Verdrehsicherung sowie die erforderliche
Fertigungspräzision, da auch hier eine
leichtgängige Passung im Submikrometerbereich
erforderlich ist, die einen entsprechenden
Fertigungsaufwand erfordert.
Aus Kiyohiko Uozumi "Novel three dimensional
positioner and scanner for the STM using shear
deformation of piezo ceramic plates" in Japanese
Journal of Applied Physics, Vol. 27 No. 1, Jan.
1988, Seite L 123 bis L 126 ist ein sogenannter
XY-Walker bekannt. An dem zu bewegenden Objekt sind
an der Unterseite mehrere Piezowandler befestigt,
wovon mindestens zwei Piezowandler ein Anheben des
Objektes ermöglichen und mindestens zwei weitere
Piezowandler eine Scherbewegung ausführen, um das
Objekt seitlich zu verschieben. Die Piezowandler
müssen derart angesteuert werden, daß immer dann,
wenn das Objekt angehoben ist, die Scherbewegung der
übrigen Piezowandler ausgeführt wird. Diese
Scherbewegung muß so lange beibehalten werden, bis
das Objekt wieder abgesenkt worden ist und somit auf
den gescherten Piezowandlern aufliegt. Danach werden
die gescherten Piezowandler in die entgegengesetzte
Richtung geschert und das gesamte Objekt wiederum
angehoben. Auch diese Verstelleinrichtung bietet
keine reproduzierbaren, geführten Bewegungen und ist
ebenfalls nur für Horizontalbewegungen einsetzbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine
Verstellvorrichtung zu schaffen, die bei einfachem
Aufbau mit wenigen Bauteilen unabhängig von ihrer
Lage reproduzierbare Mikrobewegungen hoher Präzision
gewährleistet, wobei insbesondere auch Bewegungen in
vertikaler Richtung unter Belastung möglich sein
sollen.
Diese Aufgabe wird mit einer Verstellvorrichtung
gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der
Unteransprüche.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei
Verstellvorrichtungen im Mikrobereich das
Antriebselement und die Führungseinrichtung nicht
zwei getrennte Vorrichtungen darstellen müssen, um
eine geführte Bewegung im Mikrobereich ausführen zu
können. Ein einfacher Aufbau einer
Verstellvorrichtung für Mikrobewegungen wird dadurch
erreicht, daß die einen zum Scheren befähigten
Piezowandler aufweisenden Antriebselemente nicht nur
die Bewegung des Anlageelementes bewirken, sondern
zusätzlich das Anlageelement auch in
Bewegungsrichtung führen.
Die erfindungsgemäße Verstellvorrichtung kann sowohl
für die Ausführung von Linear- als auch von
Drehbewegungen ausgebildet sein. Vorzugsweise ist
das Anlageelement durch seine Formgebung an Gestalt
und/oder Anordnung des Antriebselementes zur
Sicherung gegen Verdrehen um die Bewegungsrichtung
bei Ausbildung als Linear-Verstellvorrichtung bzw.
gegen Verschieben bei Ausbildung als
Dreh-Verstellvorrichtung angepaßt.
Für eine Verstellvorrichtung, die Linearbewegungen
ausführt, ist es besonders vorteilhaft, wenn das
bewegliche Element ein teilzylindrischer Stab ist,
der mit seiner Zylinderfläche auf mindestens drei
Piezowandlern oder auf einem mit drei Auflageflächen
versehenen Piezowandler aufliegt. Die drei
Auflagepunkte sind vorzugsweise in Art eines
Dreibeines angeordnet.
Damit eine geführte Bewegung des beweglichen
Elementes gewährleistet wird, muß je nach
Einsatzbereich das Anlageelement und die Anordnung
oder die Gestalt des/der Antriebselemente aneinander
angepaßt sein. Hierbei bietet der Schereffekt den
einzigartigen Vorteil, daß die Dicke des
Piezowandlers senkrecht zur Verstellrichtung während
der Auslenkung konstant bleibt, sowie daß die
Auslenkung bei gleich angelegter Spannung unabhängig
von der Dicke des Wandlers ist. Damit sind
Fertigungstoleranzen unerheblich, insbesondere ist
eine beliebige Formgebung mit wechselndem
Dickenverlauf möglich.
Die Einsparung einer besonderen Führungseinrichtung
verringert auch die Reibungsverluste, so daß die von
den Piezowandlern aufgebrachte Kraft vollständig für
die Bewegung des beweglichen Elementes eingesetzt
werden kann. Dadurch wird auch dann noch eine
Bewegung des beweglichen Elementes ermöglicht, wenn
dieses in vertikaler Richtung bewegt werden soll und
eine Last trägt.
Anstelle eines teilzylindrischen Stabes kann auch
ein Stab mit mehrkantigem Querschnitt verwendet
werden, wobei in diesem Fall der Stab mit zwei
seiner Seitenflächen an mindestens drei
Auflagepunkten an dem/den Antriebselementen anliegt.
Es können je nach Einsatzzweck auch vier oder mehr
Antriebselemente zum Einsatz kommen.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß das
Anlageelement aus einer Platte mit einer Führungsnut
besteht, die bevorzugt von zwei parallelen
zylindrischen Stäben gebildet wird.
Dieses Anlageelement liegt ebenfalls auf mindestens
drei Antriebselementen bzw. einem Antriebselement
mit drei Auflagepunkten auf, wobei das Anlageelement
in der durch die beiden zylindrischen Stäbe
gebildeten Führungsnut auf zwei Antriebselementen
aufliegt und mit der Platte auf dem dritten
Antriebselement aufliegt. Die beiden an den
zylindrischen Stäben angreifenden Antriebselemente
stellen eine exakte Linearführung sicher, während
das dritte Antriebselement eine Abstützfunktion und
die Verdrehsicherung übernimmt.
Um Drehbewegungen ausführen zu können, ist das
Anlageelement in einer bevorzugten Ausführungsform
als ein eine Mantelfläche aufweisendes
rotationssymmetrisches Bauteil ausgebildet. Dies
kann beispielsweise ein Zylinder oder ein Kegel
sein, wobei das Antriebselement und somit auch der
Piezowandler an die Gestalt der Mantelfläche
angepaßt ist. Um eine Drehbewegung des
Anlageelementes herbeizuführen, ist das
Antriebselement in Umfangsrichtung polarisiert, so
daß bei Anlegen einer Spannung an den Piezowandler
dieser eine Scherung in Umfangsrichtung ausführt und
hierbei das Anlageelement mitnimmt.
Das Trägerelement, das das oder die Antriebselemente
trägt, kann bei dieser Ausführungsform gleichzeitig
die Funktion der Andrückeinrichtung übernehmen, wenn
es das Antriebselement zumindest teilweise
umschließt und unter einer mechanischen Vorspannung
steht, so daß das Antriebselement gegen das
rotationssymmetrische Bauteil drückt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das
Anlageelement als Drehteller ausgeführt.
In bevorzugter Ausführung weist das Anlageelement
ein spielfreies Drehlager auf und liegt auf
mindestens zwei Antriebselementen auf. Das Drehlager
ist bevorzugt eine Kugel, die in einer konischen
Ausnehmung des Drehtellers anliegt. Die Abstände vom
Lagerpunkt zu den Piezowandlern sowie der
Piezowandler untereinander sind im wesentlichen
gleich.
In einer anderen Ausführungsform weist der
Drehteller die Gestalt eines Kegelstumpfes auf, der
mit seiner Kegelfläche auf mindestens drei
Piezowandlern aufliegt, die im wesentlichen gleiche
Abstände zueinander aufweisen.
Ein weiterer wesentlicher Bestandteil der
erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung besteht in der
Andrückeinrichtung, die eine Fixierung des
beweglichen Elementes und damit einen Einsatz der
Verstellvorrichtung in jeder beliebigen Lage
ermöglicht. Die Andrückeinrichtung drückt das
Anlageelement mit einer vorzugsweise einstellbaren
oder konstruktiv vorgegebenen Kraft gegen die
Antriebselemente.
Damit die Andrückeinrichtung die Bewegung des
Anlageelementes nicht bremst, weist diese gemäß
einer Ausführungsform ebenfalls mindestens einen
Piezowandler auf, der zum Scheren befähigt ist.
Dieser zur Andrückeinrichtung gehörende Piezowandler
drückt auf Grund der Federkraft auf das
Anlageelement und führt die entsprechende
Scherbewegung aus wie die übrigen Piezowandler.
Dadurch werden die Reibungsverluste minimiert. Die
Anordnung des federbelasteten Piezowandlers ist
derart, daß er das Anlageelement gegen die
Antriebselemente drückt und damit klemmt. Dadurch
wird sichergestellt, daß das bewegliche Element in
jeder Lage sicher fixiert ist und daß aufgrund der
Klemmwirkung das bewegliche Element auch entgegen
der Bewegungsrichtung belastet werden kann, ohne daß
es zu einem unkontrollierten Verrutschen des
beweglichen Elementes beim Bewegungsvorgang oder
auch im Ruhestand kommen kann.
Wenn ein teilzylindrischer Stab oder ein im
Querschnitt mehrkantiger Stab als bewegliches
Element eingesetzt wird, greift der federbelastete
Piezowandler vorzugsweise an der planen Fläche des
Stabes an und drückt auf diese Art und Weise den
Stab gegen die Piezowandler, auf denen der Stab mit
seiner halbzylindrischen Fläche oder seinen
Seitenflächen bei mehreckigem Querschnitt aufliegt.
Bei stabförmigen Anlageelementen hat es sich als
vorteilhaft herausgestellt, wenn die
Andrückeinrichtung zusätzlich zu dem federbelasteten
Piezowandler noch einen feststehenden Piezowandler
aufweist, der im Abstand zu dem federbelasteten
Piezowandler angeordnet ist, wenn der federbelastete
Piezowandler und der zusätzliche Piezowandler
senkrecht zur Bewegungsrichtung des Stabes
nebeneinander angeordnet sind, wird ein Drehen des
Stabes um die Längsachse wirksam verhindert.
Die Andrückeinrichtung kann gemäß einer weiteren
Ausführungsform aus Magneten bestehen, die im
Abstand zu dem Anlageelement angeordnet sind. Der
oder die Magnete sind vorzugsweise auf dem
feststehenden Bauteil zwischen den Antriebselementen
angeordnet und drücken aufgrund der magnetischen
Anziehungskräfte das Anlageelement gegen die
Antriebselemente. Diese Andrückeinrichtung hat den
Vorteil, daß keinerlei zusätzliche Reibungsverluste
auftreten, und daß die den Antriebselementen
abgewandte Seite des Stabes auf ganzer Länge frei
zugänglich ist.
Durch den Einsatz von zum Scheren befähigten
Piezowandlern können quaderförmige Piezoelemente
eingesetzt werden, die weitaus belastbarer sind, als
beispielsweise die aus dem Stand der Technik
bekannten piezoelektrischen Röhrchen.
Ein wesentlicher Vorteil ist die kompakte Bauhöhe
der Scherpiezoelemente von weniger als 1 mm, während
die Röhrchen gemäß Besocke typischerweise eine Länge
von 10 mm aufweisen. Daraus ergibt sich eine
wesentlich verbesserte Stabilität in lateraler
Richtung, sowohl in Bezug auf Kraftwirkung als auch
in Bezug auf Vibrationsempfindlichkeit.
Die Auslenkung der Piezowandler hängt von einer
Materialkonstanten und dem angelegten
Spannungsimpuls ab. Um große Schrittweiten zu
ermöglichen, kann es für besondere Anwendungsfälle
vorteilhaft sein, wenn mehrere Piezowandler
aufeinander angeordnet sind, weil sich in diesem
Fall die Auslenkungen der einzelnen Piezokörper
addieren. Die Piezokörper sind jeweils durch einen
elektrisch leitfähigen Belag getrennt, der zum
Anlegen des Spannungsimpulses an die Piezokörper
erforderlich ist.
Da die Schrittweite auch von dem angelegten
Spannungsimpuls abhängt, sind die Piezowandler an
eine Steuereinheit angeschlossen, die zum Abgeben
unterschiedlicher Spannungsimpulse ausgebildet ist.
Neben der Höhe des Spannungsimpulses ist auch der
zeitliche Verlauf des Spannungsimpulses von
Bedeutung. Wird die Spannung bis zum Maximalwert
langsam (flache Impulsflanke) gesteigert, reagiert
der Piezowandler mit einer entsprechend langsamen
Scherbewegung. Hierbei wird das Anlageelement
während der Scherbewegung der Piezowandler
mitgenommen. Wenn nach Erreichen des maximalen
Spannungswertes die Spannung schnell zurückgenommen
wird (steile Impulsflanke), bewegt sich der
Piezowandler mit entsprechender Geschwindigkeit in
seine Ausgangsstellung zurück, wobei aufgrund der
Massenträgheit das Anlageelement in seiner Lage
verbleibt.
Die andere Möglichkeit besteht darin, daß zunächst
die steile Flanke des Spannungsimpulses durchfahren
wird mit der Folge, daß der Piezowandler aufgrund
seiner schnellen Scherbewegung und der
Massenträgheit des Anlageelementes an dem
Anlageelement entlangrutscht. Wird
anschließend die langsame Flanke des
Spannungsimpulses durchfahren, bewegt sich der
Piezowandler mit entsprechend geringer
Geschwindigkeit wieder in seine Ausgangslage zurück
und nimmt hierbei das Anlageelement mit.
Diese Bewegungsschritte können in rascher Folge
hintereinander ausgeführt werden, so daß auch
Translationen oder Drehbewegungen in der
Größenordnung von Millimetern innerhalb weniger
Sekunden durchgeführt werden können. Hierbei hat
sich überraschenderweise herausgestellt, daß bei
gleicher Maximalspannung ein schnellerer
Bewegungsablauf erzielt wird, wenn zunächst die
flache Flanke des Spannungsimpulses und dann erst
die schnelle Flanke des Spannungsimpulses
durchlaufen wird.
Abhängig von der Qualität der Anlagefläche ist die
kleinste zuverlässige Schrittweite erfahrungsgemäß
etwa 20 nm. Eine noch genauere Positionierung läßt
sich durch Nutzung des Mitnahmeeffektes bei nicht zu
schneller Anstiegsrate des Spannungsverlaufes
erzielen.
Somit ist über die schrittweise Positionierung
hinaus eine kontinuierliche Positionierung möglich,
deren relative Genauigkeit von ca. 1 nm über einen
Gesamtbereich von einigen 100 nm bis zu 1 µm
typischerweise erreicht wird. Hierzu wird das
Steuergerät mit der zusätzlichen Möglichkeit zur
kontinuierlichen Ansteuerung ausgelegt.
Für größere Verstellwege oder -winkel läßt sich die
absolute Positioniergenauigkeit der
Verstellvorrichtung wesentlich erhöhen, indem man
eine Weg- oder Positionsmessung integriert. Durch
eine Rückführung des Weg- oder Positionssignals kann
dadurch eine vorgegebene Position zielgenau
angefahren werden. Diese Rückkopplung kann sowohl
für die schrittweise wie auch für die
kontinuierliche Positionierung genutzt werden.
Obwohl das Anlageelement direkt auf den
Piezowandlern aufliegen kann, ist es im Hinblick auf
Reibungsverluste vorteilhaft, mindestens eine
Punktauflage vorzusehen. Eine solche Punktauflage
besteht aus einer Kugel, die auf einem Kugelsitz
befestigt ist, der wiederum auf der dem
Anlageelement zugewandten Seite des Piezowandlers
angeordnet ist. Die Kugel besteht aus Aluminiumoxid,
während das Anlageelement vorzugsweise aus
gehärtetem Stahl gefertigt ist. Es können auch
andere Materialkombinationen zum Einsatz kommen,
solange Auflage und Anlageelement bei den
auftretenden Kräften nicht zum Fressen neigen.
Die erfindungsgemäße Verstellvorrichtung kann
miteinander in beliebiger Weise kombiniert werden,
so daß X-, Y-, Z-Verstelleinrichtungen oder auch
Verstelleinrichtungen realisiert werden können, bei
denen eine Drehbewegung mit einer Linearbewegung
oder mehrere Drehbewegungen miteinander kombiniert
sind.
Wählt man eine Bauform der Verstellvorrichtung, bei
der das Trägerelement als stationäres Element dient,
kann das bewegliche Element endlos sein. Daraus
ergibt sich insbesondere die Möglichkeit zur
kontinuierlichen Werkstoffzufuhr. Beispielsweise
kann ein Löt- oder Schweißdraht bei hoher
Positioniergenauigkeit kontinuierlich zugeführt
werden.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen
der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die Seitenansicht einer linearen
Verstellvorrichtung,
Fig. 2 die Vorderansicht der in Fig. 1
gezeigten Verstellvorrichtung,
Fig. 3 eine Draufsicht auf das Anlageelement,
Fig. 4 eine Draufsicht auf das Anlageelement
gemäß einer weiteren Ausführungsform,
Fig. 5 und 5a die Vorderansichten von drei
Verstellvorrichtungen unterschiedlicher
Ausführungsformen,
Fig. 6 die perspektivische Darstellung einer
weiteren Ausführungsform,
Fig. 7 die perspektivische Darstellung einer
weiteren Ausführungsform,
Fig. 8 die perspektivische Darstellung eines
Antriebselementes,
Fig. 9 die Seitenansicht eines
zusammengesetzten Piezowandlers,
Fig. 10 die graphische Darstellung des
zeitlichen Verlaufs der an die
Piezowandler angelegten Spannung,
Fig. 11 einen Schnitt durch eine
Drehverstellvorrichtung,
Fig. 12 einen Schnitt durch eine
Drehverstellvorrichtung gemäß einer
weiteren Ausführungsform,
Fig. 13 die Unteransicht der in Fig. 11 oder 12
dargestellten Drehteller,
Fig. 14 die Seitenansicht einer
Drehverstellvorrichtung gemäß einer
weiteren Ausführungsform,
Fig. 15 Draufsicht auf eine
Drehverstellvorrichtung gemäß einer
weiteren Ausführungsform,
Fig. 16a, b perspektivische Darstellungen einer
weiteren Ausführungsform einer
Verstellvorrichtung und eines
entsprechenden Piezowandlers,
Fig. 17 die schematische Darstellung einer
Kombination aus drei
Verstellvorrichtungen.
In der Fig. 1 ist eine Verstellvorrichtung 1 für
Linearverschiebungen dargestellt. Auf einem
stationären Trägerelement 2, das eine Grundplatte 3
und einen Tragarm 4 aufweist, sind wie in Fig. 3
dargestellt ist, insgesamt vier Antriebselemente 6a,
6b, 6c und 6d befestigt. Diese Antriebselemente
weisen eine Auflage 27 (s. Fig. 9) auf, die eine
Kugel 7 und einen Kugelsitz 12 beinhaltet. Auf den
Kugeln 7 liegt das bewegliche Anlageelement 5 auf,
das mittels der zum Scheren befähigten Piezowandler
33 in Pfeilrichtung verschoben werden kann.
Zum Fixieren des Anlageelementes 5 ist eine
Andrückeinrichtung 8 vorgesehen, die an einem
Tragarm 4 befestigt ist. An der Unterseite einer
beweglichen Halteplatte 11 ist ein zur
Andrückeinrichtung gehörender Piezowandler 9b
befestigt, der mit seiner Auflagekugel 7 von oben
auf das Anlageelement 5 drückt. Die Kraft, mit der
der Piezowandler 9b auf das bewegliche Element 5
drückt, wird durch die Feder 10 vorgegeben, die sich
an der Unterseite des Tragarms 4 abstützt. Am
Tragarm 4 ist ein weiterer Piezowandler 9a
befestigt, der ebenfalls von oben auf das bewegliche
Element 5 drückt.
Wie in der Fig. 2 zu sehen ist, besteht das
Anlageelement 5 aus einem halbzylindrischen Stab,
der mit seiner Zylinderfläche 23 auf den Kugeln 7
der Antriebselemente 6a bis 6d aufliegt. Die beiden
Piezowandler 9a und 9b der Andrückeinrichtung 8
drücken von oben auf die plane Fläche 26 des
beweglichen Elementes 5. In dieser Darstellung sind
die beiden Piezowandler 9a und 9b nebeneinander
angeordnet. Dadurch wird verhindert, daß sich der
Stab 5 um die Längsachse 29 dreht, wenn die
Linearbewegung ausgeführt wird. Die von dem
Piezowandler 9b übertragene Federkraft bewirkt, daß
sich das bewegliche Anlageelement 5 geringfügig um
die Längsachse 29 dreht und mit seiner planen Fläche
26 am Piezowandler 9a zur Anlage kommt. Wenn die
Kraft der Feder 10 geeignet eingestellt ist, wird
eine stabile Lage des beweglichen Anlageelementes 5
erzielt und gleichzeitig eine Klemmwirkung erreicht,
die ein Verrutschen des beweglichen Anlageelementes,
beispielsweise beim Einsatz als vertikale
Verstellvorrichtung verhindert.
In der Fig. 3 ist zu sehen, daß insgesamt vier
Antriebselemente 6a, 6b, 6c, 6d unter dem
beweglichen Anlageelement 5 angeordnet sind. Gemäß
Fig. 4 sind drei Antriebselemente 6a bis 6c
vorgesehen, die in Art eines Dreibeines unter dem
beweglichen Element 5 angeordnet sind.
In der Fig. 5 ist ein bewegliches Anlageelement 5
mit dreieckigem Querschnitt dargestellt. Der Stab 5
liegt mit seinen Seitenflächen 25a und 25b auf den
bereits beschriebenen Antriebselementen 6a bis 6d
auf. Von oben drückt die Andrückeinrichtung 8 auf
die plane Fläche 26. Auch in dieser Darstellung sind
zwei Piezowandler 9a und 9b vorgesehen, die das
bewegliche Anlageelement 5 klemmend auf den
Antriebselementen 6a bis 6d fixieren.
In der Fig. 6 ist ein Anlageelement 5 mit 6-eckigem
Querschnitt dargestellt. Der Stab liegt mit zwei
seiner Seitenflächen 25a, 25b an nur einem
entsprechend geformten Antriebselement 6 an, das
einen Piezowandler aufweist, der in Stabrichtung
scherfähig ist.
Durch die Formgebung von Antriebselement 6 und
Piezowandler 9 in Verbindung mit dem sechseckigen
Querschnitt des Stabes 5 wird eine Führung in
Bewegungsrichtung und gleichzeitig eine
Verdrehsicherung des Stabes 5 erzielt. Von der
anderen Seite drückt die Andrückeinrichtung 8 auf
zwei weitere Seitenflächen 25c, 25d. In dieser
Darstellung ist nur ein entsprechend geformter
Piezowandler 9 vorgesehen, der das bewegliche
Anlageelement 5 klemmend gegen das Antriebselement 6
drückt.
In der Fig. 5a und in der Fig. 7 sind weitere
Ausführungsformen des Anlageelementes 5 dargestellt.
Dieses weist zwei zylindrische Stäbe 16a und 16b
auf, die miteinander verbunden sind. Außerdem ist am
zylindrischen Stab 16b eine Platte 15 angeordnet.
In der Fig. 5a ist zu sehen, daß die beiden
Zylinderstäbe 16a und 16b eine Führungsrille 30
bilden, in der die Kugel 7 des Antriebselementes 6b
zentriert anliegt. Ein weiteres Antriebselement 6c
ist unterhalb der Platte 15 angeordnet, die
ebenfalls auf einer Kugel 7 aufliegt. Von oben
drückt in dieser Ausführungsform lediglich der
Piezowandler 9a unter Federkraft auf die Platte 15
des beweglichen Anlageelementes 5.
In der Fig. 7 ist eine weitere Version der
Andrückeinrichtung 8 dargestellt. Anstelle einer von
oben wirkenden Andrückeinrichtung sind unterhalb
des Anlageelementes 5 auf der Grundplatte 3 mehrere
Magnete 17a bis 17d angeordnet, die das aus
ferroelektrischem Material bestehende Anlageelement
5 anziehen und auf diese Weise auf die ebenfalls auf
der Grundplatte 3 angeordneten drei Antriebselemente
6a bis 6c drückt.
In der Fig. 8 ist ein Antriebselement 6
dargestellt, das in dieser Form auch in der
Andrückeinrichtung Verwendung findet. Der
Piezowandler 33 weist einen Piezokörper 13 aus einem
zum Scheren befähigten piezoelektrischen Material
auf, das an seiner Ober- und Unterseite jeweils
einen elektrisch leitfähigen Belag 14a, 14b besitzt,
der an eine Steuereinheit 18 angeschlossen ist. Die
Steuereinheit 18 liefert einen Spannungsimpuls an
den Piezowandler 33, wodurch dieser sich aus seiner
Ruhestellung A in Scherstellung B begibt. Die
Scherstellung B des Piezowandlers 33 ist gestrichelt
dargestellt. Auf dem oberen elektrischen Belag 14a
ist der Kugelsitz 12 mit der Kugel 7 befestigt, die
vorzugsweise aus Aluminiumoxid gefertigt ist.
Aufgrund der Scherbewegung (Position B) wird die
Kugel 7 bewegt.
Die Auslenkung der Kugel 7 aus ihrer Ruhestellung
hängt u. a. von der Dicke des Piezokörpers 13 ab. Um
große Schrittweiten zu erzielen, kann wie in der
Fig. 9 dargestellt ist, der Piezowandler 33 aus
mehreren Piezokörpern 13a bis 13c aufgebaut werden,
die durch jeweils einen leitfähigen Belag 14b und
14c voneinander getrennt sind. Der untere und obere
Piezokörper 13c bzw. 13a weisen zusätzlich noch
einen elektrisch leitenden Belag 14a und 14d auf.
Diese elektrisch leitenden Beläge 14a bis 14d sind
ebenfalls an die Steuereinheit 18 angeschlossen. Da
bei Anlegen des Spannungsimpulses alle Piezokörper
13a bis 13c die gleiche Scherbewegung ausführen,
addieren sich die Einzelauslenkungen.
In der Fig. 10 ist der zeitliche Verlauf des an den
Piezowandler angelegten Spannungsimpulses
dargestellt. Die Kurve 1 zeigt zunächst einen
langsam ansteigenden Spannungsverlauf (flache
Flanke) und sich daran anschließenden steilen
Spannungsabfall (steile Impulsflanke). Die
Gesamtdauer des Impulses te-to beträgt
vorzugsweise 0,2 bis 1 msec. Der Spannungswert liegt
bei etwa 500 Volt und die Scherauslenkung des
Piezowandlers beträgt etwa 200 nm. Dieser
Spannungsverlauf bewirkt, daß die in Fig. 8
dargestellte Scherbewegung von Position A in
Position B langsam verläuft, während die
Rückstellbewegung aus der Position B in die Position
A schnell durchgeführt wird.
Eine zweite Möglichkeit zeigt die Kurve II, bei der
beginnend bei to die Spannung innerhalb einer Zeit
< 10 µsec auf den maximalen Wert angehoben wird,
was einer schnellen Scherbewegung entspricht. Daran
schließt sich dann eine langsame Spannungsabnahme
an, die ebenfalls nach der Zeit te wiederum den
Wert O erreicht. Auf diese Weise wird eine langsame
Rückstellbewegung des Piezowandlers erreicht.
Zusätzlich ist noch die Kurve III eingezeichnet, die
der Kurve I entspricht, allerdings für umgekehrte
Polarisation des Piezowandlers.
Die Fig. 11 zeigt eine Drehverstelleinrichtung 1,
bei der das bewegliche Anlageelement 5 als
Drehteller ausgebildet ist. Der Drehteller weist
kegelstumpfförmige Gestalt auf und liegt mit seiner
Kegelfläche 20 auf den Antriebselementen 6a und 6b
auf, die in einem trogförmigen stationären
Trägerelement 2 befestigt sind. Die Antriebselemente
6a und 6b sind in der Weise an dem stationären
Trägerelement 2 angeordnet, daß sie die
Scherbewegung in Drehrichtung ausführen. Von oben
drückt die Andrückeinrichtung 8 in Gestalt der
stationären Piezowandler 9b, 9c und des
federbelasteten Piezowandlers 9a auf den Drehteller
5.
Anstelle der Andrückeinrichtung 8 ist in der Fig.
12 eine magnetische Andrückeinrichtung vorgesehen.
Die Magnete 17a bis 17d sind ebenfalls auf dem
stationären trogartigen Bauteil 2 unterhalb des
Drehtellers 5 angeordnet. Die Kraftlinien 19
verlaufen senkrecht zur Unterseite des Drehtellers 5.
Wie in der Fig. 13 dargestellt ist, sind an der
Kegelfläche 20 insgesamt drei Antriebselemente 6a
bis 6c äquidistant angeordnet.
In der Fig. 14 ist eine weitere Ausführungsform des
Drehtellers 5 dargestellt. Der Drehteller besitzt
die Form einer runden Scheibe, in deren Mantelfläche
28 eine Nut 21 eingebracht ist, in der die Kugeln 7
der Antriebselemente 6a, 6b anliegen. Bei dieser
Ausführungsform sind lediglich zwei Antriebselemente
6a und 6b (nicht dargestellt) erforderlich, während
der dritte Piezowandler 9a gleichzeitig
federbelastet ist und die Andrückeinrichtung 8
bildet.
In der Fig. 15 ist der Drehteller 5 auf einer im
Zentrum des Drehtellers angeordneten Kugel 12
gelagert. Die Antriebselemente 6a und 6b sind in
dieser Ausführungsform an der Unterseite des
Drehtellers 5 angeordnet.
In Fig. 16 ist ein rotationssymmetrischer Bauteil 31 in
Gestalt eines zylindrischen Stabes 5 axial in
einem Antriebselement 6 angeordnet, das die Form
eines angeschnittenen Zylinders aufweist. Das
Antriebselement 6 wird auf seinem Außenumfang von
der Grundplatte 3 gegen die Mantelfläche 32 des
Stabes 5 gedrückt. Der im Antriebselement 6
enthaltene Piezowandler 33 ist längs des Umfangs
polarisiert, die Elektroden 14a, 14b werden von der
Innen- und der Außenfläche des Zylinders gebildet.
In der Fig. 17 ist eine
Mehrfach-Verstellvorrichtung dargestellt, die aus
insgesamt drei erfindungsgemäßen
Verstellvorrichtungen 1, 1′ und 1′′ aufgebaut ist.
Die untere Verstellvorrrichtung 1 ist eine
Drehverstellvorrichtung, wie sie in der Fig. 12
beschrieben und dargestellt ist. Auf dem Drehteller
5 ist eine Linearverstellvorrichtung 1′ befestigt,
die ein bewegliches Anlageelement 5′ mit
dreieckförmigem Querschnitt aufweist. Der Drehteller
5 stellt gleichzeitig das stationäre Element 2 der
Verstellvorrichtung 1′ dar. Auf dem beweglichen
Element 5′ ist eine weitere
Linearverstellvorrichtung 1′′ montiert, die ein
bewegliches Element 5′′ besitzt. Auch hier ist das
bewegliche Element 5′ gleichzeitig das stationäre
Element der Verstellvorrichtung 1′′. Die
Andrückeinrichtungen der drei Verstelleinrichtungen
1, 1′ und 1′′ wird durch die Magnete 17, 17′ und 17′′
gebildet, die jeweils unterhalb der beweglichen
Elemente 5, 5′ und 5′′ angeordnet sind.
Bezugszeichenliste
1, 1′, 1′′ Verstellvorrichtung
2 Trägerelement
3 Grundplatte
4 Tragarm
5 Anlageelement
6a, b, c, d Antriebselement
7 Auflagekugel
8 Andrückeinrichtung
9a, b Piezowandler
10 Feder
11 bewegliche Halteplatte
12 Kugelsitz
13 Piezokörper
14a, 14b, 14c, 14d elektrisch leitfähiger Belag
15 Verschiebeplatte
16a, b Zylinderstäbe
17 Magnet
18 Steuereinheit
19 Kraftlinien
20 Kegelfläche
21 umlaufende Nut
22 Zentrierauflage
23 plane Fläche
25a, b, c, d Seitenfläche
26 plane Fläche
27 Auflage
28 Mantelfläche
29 Längsachse
30 Führungsnut
31 rotationssymmetrisches Bauteil
32 Mantelfläche
33 Piezowandler
2 Trägerelement
3 Grundplatte
4 Tragarm
5 Anlageelement
6a, b, c, d Antriebselement
7 Auflagekugel
8 Andrückeinrichtung
9a, b Piezowandler
10 Feder
11 bewegliche Halteplatte
12 Kugelsitz
13 Piezokörper
14a, 14b, 14c, 14d elektrisch leitfähiger Belag
15 Verschiebeplatte
16a, b Zylinderstäbe
17 Magnet
18 Steuereinheit
19 Kraftlinien
20 Kegelfläche
21 umlaufende Nut
22 Zentrierauflage
23 plane Fläche
25a, b, c, d Seitenfläche
26 plane Fläche
27 Auflage
28 Mantelfläche
29 Längsachse
30 Führungsnut
31 rotationssymmetrisches Bauteil
32 Mantelfläche
33 Piezowandler
Claims (31)
1. Verstellvorrichtung für Mikrobewegungen mit
einem Trägerelement, mit mindestens einem an dem
Trägerelement befestigten Antriebselement, das
einen den Schereffekt nutzenden Piezowandler
aufweist, und mit einem Anlageelement, das am
Antriebselement anliegt, dadurch gekennzeichnet,
daß Gestalt und Anordnung von Antriebselement
(6) und Anlageelement (5) zur Ausführung einer
geführten Mikrobewegung ausgebildet sind, und
daß eine Andrückeinrichtung (8) vorgesehen ist,
die das Anlageelement (5) und das
Antriebselement (6) mit einer vorgegebenen Kraft
gegeneinanderdrückt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Trägerelement (2)
ortsfest angeordnet ist und das Anlageelement
(5) als bewegliches Element die Mikrobewegungen
ausführt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Anlageelement (5)
ortsfest angeordnet ist und daß das
Trägerelement (2) als bewegliches Element die
Mikrobewegungen ausführt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Andrückeinrichtung (8) mit dem ortsfest
angeordneten Element (2 oder 5) oder dem
beweglichen Element (2 oder 5) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Anlageelement
(5) durch seine Formgebung an Gestalt und/oder
Anordnung des Antriebselementes (6) zur
Sicherung gegen Verdrehen um die
Bewegungsrichtung angepaßt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Anlageelement
(5) ein im Querschnitt teilzylindrischer oder
mehrkantiger Stab ist, der mit seiner
Zylinderfläche (23) bzw. mit mindestens zwei
seiner Seitenflächen (25a, 25b) auf mindestens
einem Antriebselement (6) aufliegt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Anlageelement
(5) eine Verschiebeplatte (15) mit einer
Führungsnut (30) ist, in der das Antriebselement
(6) anliegt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Führungsnut (30) mittels
zweier aneinanderliegender zylindrischer Stäbe
(16a, 16b) gebildet ist, die an der
Verschiebeplatte (15) befestigt sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß das Anlageelement
(5) an mindestens drei beabstandeten Stellen an
mindestens einem Antriebselement (6) anliegt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Anlageelement
(5) ein eine Mantelfläche (32) aufweisendes
rotationssymmetrisches Bauteil (31) ist, das an
mindestens einem an die Gestalt der Mantelfläche
(32) angepaßten Antriebselement (6) anliegt,
wobei der Piezowandler (33) in Umfangsrichtung
der Mantelfläche (32) polarisiert ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß das Anlageelement (5) ein
zylindrischer Stab (31) und das Antriebselement
(6) ein angeschnittener Hohlzylinder ist, der
das Anlageelement (5) umgreift.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß das Trägerelement (2) den
Hohlzylinder (6) zumindest teilweise umschließt
und unter Vorspannung steht, so daß der
Hohlzylinder (6) gegen das Anlageelement (5)
gedrückt wird.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Anlageelement
(5) ein Drehteller ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, daß der Drehteller (5) als
Kegelstumpf ausgebildet ist, der mit seiner
Kegelfläche (20) auf mindestens einem
Antriebselement (6) anliegt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, daß der Drehteller (5) eine
zylindrische Scheibe ist, die in ihrer
Mantelfläche (28) eine Führungsnut (21)
aufweist, in der mindestens ein Antriebselement
(6) anliegt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, daß der Drehteller (5) eine
zylindrische Scheibe ist, die in einem Drehlager
(22) gelagert und auf mindestens einem im
Randbereich der Scheibe angeordneten
Antriebselement (6) anliegt.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Andrückeinrichtung (8) mindestens einen mit
einer Feder (10) belasteten Piezowandler (9a)
aufweist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch
gekennzeichnet, daß die Andrückeinrichtung (8)
mindestens einen weiteren Piezowandler (9b)
aufweist, der feststehend und im Abstand vom
Piezowandler (9a) angeordnet ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Andrückeinrichtung (8) mindestens einen Magneten
(17) aufweist, der an einem Element (2 oder 5)
befestigt und mit Abstand zum anderen Element (5
oder 2) angeordnet ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch
gekennzeichnet, daß der Magnet (17) auf dem
Trägerelement (2) zwischen den Antriebselementen
(6a, 6b, 6c) angeordnet ist und das
Anlageelement (5) mit einer einstellbaren Kraft
anzieht.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, daß der Piezowandler
(33, 9) aus mindestens zwei durch jeweils einen
elektrisch leitfähigen Belag (14b, 14c)
getrennten Piezokörpern (13a, 13b, 13c) besteht.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem
Anlageelement (5) zugewandten Seite des
Piezowandlers (33) mindestens eine Punktauflage
(27) befestigt ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch
gekennzeichnet, daß die Punktauflage (27) aus
einer auf einem Kugelsitz (12) befestigten Kugel
(7) besteht.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kugel aus Al2O3
besteht.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Auslösen der
Scherbewegungen der Piezowandler (9, 33) eine
Steuereinheit (18) an die Piezowandler
angeschlossen ist, die gleichzeitig an alle
Piezowandler (9, 33) identische Spannungsimpulse
abgibt.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (18)
Spannungsimpulse abgibt, die zunächst eine flach
ansteigende bzw. abfallende Flanke aufweisen, an
die sich eine steil abfallende bzw. ansteigende
Flanke anschließt.
27. Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (18) einen
einstellbaren oder vorgebbaren Spannungsverlauf
liefert, um das bewegliche Element (2 oder 5) im
Rahmen der maximalen Auslenkung der Piezowandler
(9, 33) kontinuierlich zu positionieren.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (18) eine
Einrichtung zur Messung des Verstellweges bzw.
Verstellwinkels aufweist, dessen Meßsignal zur
Linearisierung und zur Erhöhung der
Positioniergenauigkeit dient.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28,
dadurch gekennzeichnet, daß auf dem beweglichen
Element (2 oder 5) einer Verstellvorrichtung (1)
mindestens eine weitere Verstellvorrichtung (1′,
1′′) nach einem der Ansprüche 1 bis 28 angeordnet
ist.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch
gekennzeichnet, daß das ortsfeste Element (2
oder 5) der weiteren Verstellvorrichtung (1′,
1′′) das bewegliche Element (2 oder 5) der
Verstellvorrichtung (1) ist.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 30,
dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche
Element (2, 5) ein Werkzeug oder ein Werkstück
ist.
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