DE4405501C1 - Piezoelektrische Verstellvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Verstellvorrichtung, insbesondere zum Bewegen und/oder Positionieren von optischen Elementen der Mikrooptik, wobei die Bewegung durch Auslenkung von streifenförmigen piezoelektrischen Biegeelementen erzeugt ist und zumindest zwei gleichartige, gleichzeitig ansteuerbare piezoelektrische Biegeelemente vorgesehen sind (DE 31 30 010 A1).

Auf dem Gebiet der Mikrooptik besteht häufig die Aufgabe, in ihren Abmessungen vergleichsweise sehr kleine und gewichtsmäßig relativ leichte optische Bauelemente zu positionieren oder zu bewegen. So ist es beispielsweise erforderlich, Lichtleitfasern zu positionieren oder zum Zwecke der Lichtstrahlablenkung Prismenstrukturen im Strahlengang zu bewegen. Dabei genügen in der Regel schon Verstellwege von we­ nigen Mikrometern bis zu einigen hundert Mikrometern. Wichtig ist die genaue Einhal­ tung der gewünschten Position bzw. der Bahn, auf der sich das optische Bauelement bewegen soll.

Es ist allgemein bekannt, zur Realisierung derartiger Verstellbewegungen im Mikrome­ terbereich piezoelektrische Bauelemente zu nutzen.

Meist werden als Stellglieder zu einem Stapel zusammengefügte scheibenförmige piezoelektrische Elemente (Piezostacks) verwendet, die beim Anlegen einer elektri­ schen Spannung eine Dickenänderung erfahren, wobei sich die Stellwege der einzel­ nen Elemente addieren. Derartige zur weiteren Vergrößerung des erreichbaren Ver­ stellweges gegebenenfalls über ein Hebelsystem auf das zu verstellende Bauelement arbeitende Piezoelemente erlauben eine sehr genaue und schnelle Positionierung, ha­ ben jedoch den Nachteil, daß diese Piezoelemente beachtliche elektrische Kapazitäten darstellen. Die Ansteuerung dieser piezoelektrischen Bauelemente mit Signalspannun­ gen von einigen hundert Volt bei Frequenzen im Kilohertz-Bereich ist deshalb nicht un­ problematisch. Darüber hinaus sind der insbesondere auf dem Anwendungsgebiet der Mikrooptik angestrebten Miniaturisierung der Verstellvorrichtungen hierbei dadurch Grenzen gesetzt, daß der Piezoeffekt einen Volumeneffekt darstellt und somit ge­ wisse Mindestabmessungen für den Aktuator erforderlich sind, um eine gewünschte Deformation zu erzielen.

Eine dieser Gruppe zuzurechnende und mit den nämlichen Nachteilen behaftete Ver­ stellvorrichtung ist z. B. aus der DE 38 41 416 A1 bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist ein als Piezostack bzw. Piezostapel ausgebildetes piezoelektrisches Element bezüglich seiner Längungsrichtung in einer der Diagonalen eines parallelogrammähnlichen Gebil­ des aus miteinander verbundenen Elementen angeordnet, die Bestandteil eines Hebel­ systems sind, das zur Vergrößerung des bei Längung des Piezoelementes von diesem selbst erreichten Verstellweges dient.

Eine zweite Gruppe bekannter piezoelektrischer Verstellvorrichtungen arbeitet mit piezoelektrischen Biegeelementen. Diese Biegeelemente bestehen aus einem innigen Verbund zweier streifenförmiger, beim Anlegen einer elektrischen Spannung eine un­ terschiedliche Längenausdehnung erfahrenden Materialien, so daß ähnlich wie bei der Erwärmung von Bimetallen eine Verbiegung hervorgerufen wird. Häufig verwendete Materialkombinationen sind Keramik/Metall- und Keramik/Keramik-Verbunde.

So ist eine Einrichtung zum wahlweisen Positionieren des Endes einer optischen Faser in einer wählbaren Position längs eines Bereiches von Positionen bekannt, bei der die Bewegung durch Auslenkung eines solchen piezoelektrischen Biegeelementes erzeugt ist (DE 31 03 010 A1). Hierbei ist das streifenförmige Biegeelement an seinem einen Ende auf einer Grundplatte bzw. Basis befestigt, während am freien, beweglichen Ende des Biegeelementes das freie Ende der Faser fixiert ist. Um das Ende der Faser längs zweier Dimensionen positionieren zu können, ist es aus der DE 31 03 010 A1 auch bekannt, am freien Ende des Biegeelementes ein zweites streifenförmiges Bie­ geelement und an dessen freiem Ende das Faserende zu befestigen, wobei das zweite Biegeelement so ausgerichtet ist, daß dessen Biegeebene senkrecht zur Biegeebene des ersten Biegeelementes verläuft.

Nachteilig ist bei einer solchen piezoelektrische Biegeelemente aufweisenden Einrich­ tung die vergleichsweise niedrige elektromechanische Resonanzfrequenz sowie die starke Abhängigkeit der Auslenkung von der mechanischen Belastung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere zum Bewegen und/oder Positionieren von optischen Elementen der Mikrooptik geeignete piezoelektrische Verstellvorrichtung anzugeben, die sich einerseits durch eine möglichst kleine Bau­ größe auszeichnet, andererseits aber auch eine exakte und schnelle Positionierung bzw. Bewegung des zu verstellenden Bauelementes gewährleistet.

Die Aufgabe wird bei einer piezoelektrischen Verstellvorrichtung der eingangs ge­ nannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest zwei bei Ansteuerung sich in die gleiche Richtung bewegende piezoelektrische Biegeelemente vorgesehen sind, die zwei erste, gegenüberliegende Schenkel eines Parallelogramms bilden und die an ihrem einen Ende mit einem der zweiten, gleichfalls einander gegenüberliegen­ den Schenkel und an ihrem anderen Ende mit dem anderen der zweiten Schenkel des Parallelogramms verbunden sind, wobei einer der zweiten Schenkel an einer Basis fi­ xierbar ist und der andere, bewegbare zweite Schenkel mit dem zu bewegenden op­ tischen Element verbunden ist.

Infolge der zweiseitigen Einspannung der Biegeelemente erfolgt eine deutliche Erhö­ hung der elektromechanischen Resonanzfrequenz bei einer akzeptablen Auslenkung, die etwa vergleichbar ist mit den Werten, wie sie mit Verstellvorrichtungen erreicht werden, die Piezostacks verwenden. Gegenüber Verstellvorrichtungen mit Pie­ zostacks kann die erfindungsgemäße Verstellvorrichtung jedoch in ihrer Baugröße wesentlich kleiner ausgebildet werden. Dem Vorteil einer stärkeren Miniaturisierbar­ keit kommt dabei entgegen, daß die zu treibende elektrische Kapazität gegenüber vergleichbaren Vorrichtungen mit Piezostacks um etwa den Faktor 10³ kleiner ist, was wiederum mit einem geringeren Materialaufwand für die Ansteuerelektronik und deren wesentlich kleinerem Platz bedarf einhergeht.

Vorzugsweise Ausführungsformen der Erfindung, die insbesondere zweidimensionale Verstellbewegungen gestatten, sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 7.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße piezoelektrische Verstellvorrichtung für eine eindimensionale Verstellbewegung,

Fig. 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen Ver­ stellvorrichtung, mit der eine zweidimensionale Verstellbewegung mög­ lich ist, und die

Fig. 3a und 3b zwei Ansichten einer weiteren Ausführungsform einer eine zwei­ dimensionale Verstellbewegung ermöglichenden erfindungsgemäßen piezoelektrischen Verstellvorrichtung.

Die Verstellvorrichtung gemäß Fig. 1 weist zwei in ihrem Aufbau und in den Abmes­ sungen gleiche streifenförmige piezoelektrische Biegeelemente 1 und 2 auf. Diese Biegeelemente 1 und 2 bilden zwei erste einander gegenüberliegende Schenkel eines Parallelogramms 3 und sind an ihrem einen Ende mit einem der zweiten gleichfalls einander gegenüberliegenden Schenkel 4 und an ihrem anderen Ende mit dem ande­ ren der zweiten Schenkel 5 des Parallelogramms 3 verbunden. Im Schenkel 4 sind zwei Bohrungen 6 zur Aufnahme von Befestigungselementen vorgesehen, mit deren Hilfe dieser Schenkel 4 und damit das Parallelogramm 3 an einer Basis befestigbar ist. Die Biegeelemente 1 und 2 bestehen aus einem innigen Verbund wenigstens zweier streifenförmiger, beim Anlegen einer elektrischen Spannung eine unterschied­ liche Längenausdehnung erfahrenden Materialien, so daß eine Verbiegung hervorgeru­ fen wird. Die Biegeelemente 1 und 2 sind über in der Zeichnung nicht dargestellte elektrische Anschlüsse gleichzeitig ansteuerbar und so angeordnet, daß sie sich bei Ansteuerung in die gleiche Richtung biegen und eine Bewegung des mit den Biege­ elementen 1 und 2 verbundenen Schenkels 5 in x-Richtung bewirken. Bei einer ent­ sprechenden Dimensionierung der Schenkellängen und den beabsichtigten Bewegun­ gen im Mikrometerbereich, d. h. bei vergleichsweise kleinen Auslenkungen der Biege­ elemente 1 und 2, ist die erzeugte Bewegung des Schenkels 5 eine translatorische parallel zum die Bezugsbasis der Verstellbewegung verkörpernden fixierten Schenkel 4, und zwar aufgrund der Parallelogrammanordnung mit einem minimalen definierten Führungsfehler, der in der Größenordnung guter herkömmlicher Gleitführungen liegt. Das heißt ein mit dem Schenkel 5 des Parallelogramms 3 verbundenes zu bewegen­ des Objekt, also z. B. das Ende einer Lichtleitfaser, kann bei entsprechender Ansteue­ rung der Biegeelemente 1 und 2 in x-Richtung hin- und her verschoben werden.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, mit der eine zweidimensionale (x- und y-Rich­ tung) Bewegung möglich ist. Hierbei ist innerhalb des bereits anhand von Fig. 1 be­ schriebenen und mit den nämlichen Bezugszeichen versehenen Parallelogramms 3 ein zweites, gleichfalls zwei gleichartige streifenförmige piezoelektrische Biegeelemente 7, 8 aufweisendes Parallelogramm 9 angeordnet. Auch hier bilden die Biegeelemente 7, 8 zwei erste einander gegenüberliegende Parallelogrammschenkel, die an ihrem ei­ nen Ende mit einem der zweiten Schenkel 10 und an ihrem anderen Ende mit dem anderen der zweiten Schenkel 11 dieses Parallelogramms 9 verbunden sind. Das zweite Parallelogramm 9 ist jedoch so angeordnet, daß im nicht ausgelenkten Zu­ stand die Biegeelemente 7, 8 dieses Parallelogramms 9 mit ihren Längsachsen senk­ recht zu den Längsachsen der Biegeelemente 1, 2 des ersten Parallelogramms 3 ste­ hen. Dadurch, daß der Schenkel 10 des zweiten Parallelogramms 9 starr mit dem in x-Richtung bewegbaren Schenkel 5 des ersten Parallelogramms 3 verbunden ist, wird bei Ansteuerung der Biegeelemente 1 und 2 gemeinsam mit dem Schenkel 5 auch das gesamte Parallelogramm 9 in x-Richtung bewegt. Werden darüber hinaus die pie­ zoelektrischen Biegeelemente 7 und 8 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, so wird der Schenkel 11 zusätzlich in einer zur x-Richtung senkrechten Richtung (y- Richtung) verschoben. Ein am Schenkel 11 fixiertes Objekt kann somit in zwei zuein­ ander senkrechten Richtungen bewegt werden.

Eine weitere Ausführungsform einer Verstellvorrichtung, die eine zweidimensionale Verstellbewegung ermöglicht, ist in den Fig. 3a und 3b dargestellt. Diese gleich­ falls aus zwei, in der Zeichnung mit 12 und 17 bezeichneten Parallelogrammen zu­ sammengesetzte Verstellvorrichtung unterscheidet sich von der anhand von Fig. 2 erläuterten Vorrichtung insbesondere dadurch, daß die von den Parallelogrammschen­ keln eines jeden Parallelogramms 12, 17 aufgespannten Flächen nicht wie bei den Parallelogrammen 3 und 9 in einander parallelen bzw. bei der dargestellten besonders raumsparenden Ausführung in ein und derselben Ebene plaziert sind, sondern diese Flächen hierbei vielmehr in aufeinander senkrecht stehenden Ebenen liegen. Im ein­ zelnen weist die Verstellvorrichtung gemäß Fig. 3a, b ein erstes Parallelogramm 12 auf, dessen erste einander gegenüberliegende Schenkel auch hier von zwei gleicharti­ gen, gleichzeitig ansteuerbaren und bei Ansteuerung sich in die gleiche Richtung bie­ genden streifenförmigen piezoelektrischen Biegeelementen 13, 14 gebildet sind. Die zweiten, gleichfalls einander gegenüberliegenden Schenkel des Parallelogramms 12 sind hierbei jedoch als quadratische Rahmen 15 und 16 ausgebildet, die jeweils eine Fläche aufspannen, die senkrecht zur Parallelogrammebene steht, wobei die Biege­ elemente 13 und 14 mit ihrem einen Ende jeweils im Bereich der Seitenmitte an ge­ genüberliegenden Seiten des an einer Basis fixierbaren Rahmens 15 und mit ihrem an­ deren Ende jeweils im Bereich der Seitenmitte an gegenüberliegenden Seiten des in x- Richtung bewegbaren Rahmens 16 befestigt sind. Der Rahmen 16 bildet dabei gleichzeitig einen der zweiten Schenkel des zweiten Parallelogramms 17, indem des­ sen ersten, von zwei gleichartigen, gleichzeitig ansteuerbaren Biegeelementen 18 und 19 gebildeten einander gegenüberliegenden Schenkel mit ihrem einen Ende jeweils mit einer der beiden den vorgenannten Seiten des Rahmens 16 benachbarten Rah­ menseiten verbunden sind und zwar vorzugsweise ebenfalls im Bereich der Seiten mitte. Komplettiert wird das zweite Parallelogramm 17 mit dem gleichfalls die Gestalt eines quadratischen Rahmens 20 aufweisen zweiten Schenkel, an dem die anderen Enden der Biegeelemente 18 und 19 in der nämlichen Art wie am Rahmen 16 befe­ stigt sind. Der Rahmen 20 ist dabei so angeordnet, daß die von ihm aufgespannte Fläche in einer parallelen Ebene zur vom Rahmen 16 aufgespannten Fläche liegt.

Wird nun an die Biegeelemente 13 und 14 über in der Zeichnung nicht dargestellte Anschlüsse eine elektrische Spannung gelegt, so werden diese Biegeelemente 13 und 14 ausgelenkt und damit der Rahmen 16 sowie das gesamte Parallelogramm 17 mit dem Rahmen 20 in x-Richtung bewegt. Werden darüber hinaus die Biegeelemente 18 und 19 durch Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung ausgelenkt, so wird der Rahmen 20 zusätzlich in eine zur x-Richtung senkrechte Richtung (y-Richtung) verschoben. Ein am Rahmen 20 fixiertes Objekt z. B. ein in den Rahmen 20 einge­ spanntes Lichtleitfaserende, kann somit auch mit dieser Verstellvorrichtung in zwei zueinander senkrechten Richtungen bewegt werden. In der dargestellten Ausfüh­ rungsform sind die Parallelogramme 12 und 17 ineinander geschachtelt angeordnet, wobei der bewegbare Rahmen 20 eine kleinere Seitenlänge als der an der Basis fixier­ te Rahmen 15 aufweist. Es ist aber bei Inkaufnahme einer größeren Baulänge der Verstellvorrichtung ebenso möglich, die Parallelogramme 12 und 17 hintereinander anzuordnen, wobei dann die Rahmen 15, 16 und 20 gleich groß ausgebildet sein können. Die Rahmen 15, 16 und 20 müssen auch nicht notwendigerweise eine qua­ dratische Form aufweisen, es ist z. B. auch eine andere Rechteckform oder aber auch eine Kreisform denkbar.

Da bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 nicht die Längsachsen sondern jeweils die Querachsen der streifenförmigen Biegeelemente 13, 14 senkrecht auf den Querach­ sen der Biegeelemente 18, 19 stehen, hat diese Ausbildungsform gegenüber der Verstellvorrichtung nach Fig. 2 den Vorteil, daß ein Übersprechen auf die jeweils andere Bewegungsrichtung bei Ansteuerung eines Biegeelementenpaares 13, 14 bzw. 18, 19 weitestgehend vermieden wird.

Die erfindungsgemäße piezoelektrische Verstellvorrichtung zeichnet sich gegenüber bekannten piezoelektrischen Verstellvorrichtungen, mit denen vergleichbare Verstell­ wege erreicht werden, insbesondere durch die mögliche Miniaturisierbarkeit aus. So ist beispielsweise ohne weiteres eine Verstellvorrichtung für einen Bewegungsbereich von 60 µm×60 µm realisierbar, deren Gesamtabmessungen nicht größer als 7 mm × 7 mm×20 mm sind. Durch geeignete Ansteuerung der Biegeelemente kann in die­ sem Bereich jede beliebige Position angefahren werden. So gelingt es z. B., das Ende einer Lichtleitfaser so zu bewegen, daß eine Kreisbahn von 60 µm Durchmesser mit einer Kreisfrequenz von 550 Hz gezeichnet wird.

Claims (7)

1. Piezoelektrische Verstellvorrichtung, insbesondere zum Bewegen und/oder Positionieren von optischen Elementen der Mikrooptik, wobei die Bewegung durch Auslenkung von streifenförmigen piezoelektrischen Biegeelementen er­ zeugt ist und zumindest zwei gleichartige, gleichzeitig ansteuerbare piezoelek­ trische Biegeelemente vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei bei Ansteuerung sich in die gleiche Richtung biegende piezoelektrische Biegeelemente (1, 2) vorgesehen sind, die zwei erste, gegen­ überliegende Schenkel eines Parallelogramms (3) bilden und die an ihrem einen Ende mit einem der zweiten, gleichfalls einander gegenüberliegenden Schenkel (4) und an ihrem anderen Ende mit dem anderen der zweiten Schenkel (5) des Parallelogramms (3) verbunden sind, wobei einer der zweiten Schenkel (4) an einer Basis fixierbar ist und der andere, bewegbare zweite Schenkel (5) mit dem zu bewegenden optischen Element verbunden ist.

2. Piezoelektrische Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei jeweils zumindest zwei gleichartige piezoelektrische Biegeelemente (1, 2, 7, 8) aufweisende Parallelogramme (3, 9) vorgesehen sind, daß die Parallelogramme (3, 9) in einander parallelen Ebenen liegen und so angeordnet sind, daß im nicht ausgelenkten Zustand die Biegeelemente (7, 8) des zweiten Parallelogrammes (9) mit ihren Längsachsen senkrecht zu den Längsachsen der Biegeelemente (1, 2) des ersten Parallelogramms (3) stehen, daß ferner der bewegbare zweite Schenkel (5) des ersten Parallelogramms (3) seinerseits als Basis dient, mit der einer der zweiten Schenkel (10) des zweiten Parallelogramms (9) starr verbunden ist, und daß das zu bewegende optische Element am anderen zweiten Schenkel (11) des zweiten Parallelogramms (9) fixiert ist.

3. Piezoelektrische Verstellvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Parallelogramm (9) innerhalb des ersten Parallelogramms (3) angeordnet ist.

4. Piezoelektrische Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei jeweils zumindest zwei gleichartige piezoelektrische Biegeelemente (13, 14 bzw. 18, 19) aufweisende Parallelogramme (12, 17) vorgesehen sind, daß die Parallelogramme (12, 17) in aufeinander senkrecht stehenden Ebenen liegen, daß der bewegbare zweite Schenkel des ersten Parallelogramms (12) als Rahmen (16) ausgebildet ist, der eine senkrecht zu beiden Parallelogramm­ ebenen stehende Fläche aufspannt und gleichzeitig einen der zweiten Schenkel des zweiten Parallelogramms (17) bildet und daß das zu bewegende optische Element am anderen zweiten Schenkel des zweiten Parallelogramms (17) fixiert ist.

5. Piezoelektrische Verstellvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch der an der Basis fixierte Schenkel des ersten Parallelogramms (12) und der mit dem optischen Element verbundene Schenkel des zweiten Paralle­ logramms (17) als Rahmen (15 bzw. 20) ausgebildet ist und die jeweils von den Rahmen (15, 16, 20) aufgespannten Flächen in einander parallelen Ebenen liegen.

6. Piezoelektrische Verstellvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmen (15, 16, 20) eine quadratische Form aufweisen und die zu ei­ nem Parallelogramm (12 bzw. 17) gehörenden Biegeelemente (13, 14 bzw. 18, 19) jeweils im Bereich der Seitenmitte an gegenüberliegenden Seiten des zugeordneten Rahmens (15 und 16 bzw. 16 und 20) befestigt sind.

7. Piezoelektrische Verstellvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Parallelogramme (12, 17) ineinandergeschachtelt angeordnet sind, wobei der mit dem optischen Element verbundene Rahmen (20) eine klei­ nere Seitenlänge als der an der Basis fixierte Rahmen (15) aufweist.