DE4408618B4 - Adjustment of bimorph - Google Patents

Adjustment of bimorph

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DE4408618B4
DE4408618B4 DE19944408618 DE4408618A DE4408618B4 DE 4408618 B4 DE4408618 B4 DE 4408618B4 DE 19944408618 DE19944408618 DE 19944408618 DE 4408618 A DE4408618 A DE 4408618A DE 4408618 B4 DE4408618 B4 DE 4408618B4
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DE19944408618
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Rainer Dr. Glöss
Harry Dr. Marth
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Physik Instrumente (PI) GmbH and Co KG
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Abstract

Verstelleinrichtung mit Piezoantrieb, insbesondere für feinmechanischoptische Geräte, bestehend aus zumindest einem Piezoschwinger, der durch Anlegen unterschiedlich gesteuerter elektrischer Spannungen eine Längenänderung erfährt und abwechselnd über sein freies Ende mit einem Abtriebselement (10, 100) in Wirkverbindung gelangt derart, daß bei bestehender Wirkverbindung eine Bewegungsübertragung auf das Abtriebselement erfolgt, wogegen bei aufgehobener Wirkverbindung der Piezoschwinger im Bereich seines freien Endes eine Rückstellung zur Vorbereitung der nächsten Bewegungsübertragung erfährt, so daß das Abtriebselement die Verstellbewegung in der gewünschten Richtung durchführt, wobei der Piezoschwinger zwei Aktoren aufweist, die parallel unmittelbar nebeneinander und in Antriebsrichtung hintereinander angeordnet ein Bimorphelement (1, 6 – 9, 16 - 19, 21 – 28, 41 – 46, 51 – 56) bilden, die zwei Aktoren sich etwa senkrecht zur gewünschten Bewegungsrichtung erstre Adjusting device with piezoelectric drive, in particular for fine mechanical optical devices, consisting of at least one piezoelectric oscillator which undergoes a change in length by applying different controlled electrical voltages and alternately from its free end to an output member (10, 100) in operative connection passes such that when the existing active connection a movement transmission carried on the output member, whereas in reversed operatively connected to the piezoelectric oscillator experiences a reset in preparation for the next motion transmission in the region of its free end, so that the output element performs the adjustment movement in the desired direction, wherein the piezoelectric oscillator having two actuators in parallel immediately next to each other and in driving direction behind one another a bimorph element (1, 6 - 9, 16-19, 21-28, 41-46, 51-56) form, the two actuators located erstre approximately perpendicular to the desired direction of movement cken und elektrisch voneinander entkoppelt und getrennt ansteuerbar sind, derart daß unter Ausnutzung einer unterschiedlichen Dehnung der zwei Aktoren des Piezoschwingers deren Verbiegung und somit eine Bahnkurve in Längs- und... CKEN and electrically decoupled from each other and are separately controllable, such that by utilizing a different elongation of the two actuators of the piezoelectric vibrator whose bending and thus a curved path in the longitudinal and ...

Description

  • [0001]
    Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung mit einem Piezoantrieb, insbesondere für feinmechanisch-optische Geräte und dergleichen, bestehend aus zumindest einem Piezo-Schwinger, der durch Anlegen unterschiedlich gesteuerter elektrischer Spannungen eine Längenänderung erfährt und abwechselnd über sein freies Ende mit einem Abtriebselement in Wirkverbindung gelangt derart, daß bei bestehender Wirkverbindung eine Bewegungsübertragung auf das Abtriebselement erfolgt, wogegen bei aufgehabener Wirkverbindung der Piezoschwinger im Bereich seines freien Endes eine Rückstellung zur Vorbereitung der nächsten Bewegungsübertragung erfahrt, so daß das Abtriebselement die Verstellbewegung in der gewünschten Richtung durchführt, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to an adjusting device with a piezoelectric drive, in particular for precision mechanical and optical devices and the like, comprising at least a piezoelectric vibrator which undergoes by applying different controlled electrical voltages, a change in length and alternating with an output member operatively connected passes via its free end in such a way that in the case of existing active connection a movement transmission, it transmits to the output member while experiencing at up Habener operatively connected to the piezoelectric oscillator in the region of its free end a rear position in preparation for the next transmission of motion, so that the output element performs the adjustment movement in the desired direction according to the preamble of claim 1.
  • [0002]
    Bekannte Verstelleinrichtungen aus Piezoschwingern sind beispielsweise die sogenannten Mikrostoßantriebe: Hierbei ist ein Piezoschwinger einseitig befestigt, während er mit seinem freien Ende schräg gegen einen Rotor gedrückt wird. Known adjusting devices of piezoelectric vibrators are for example the so-called micro-stroke actuators: Here, a piezo oscillator is attached to one side, while it is pressed with its free end obliquely against a rotor. Wird nun der Piezoschwinger mit einer hochfrequenten Wechselspannung erregt, die im Bereich der Resonanzfrequenz des Schwingers liegt, so führt der Schwinger stehende Längs- und Biegeschwingungen aus. Now, when the piezoelectric oscillator is excited with a high frequency alternating voltage is in the range of the resonance frequency of the oscillator, the oscillator performs standing longitudinal and flexural vibrations. Dies hat die Erzeugung einer ellipsenähnlichen Schwingbewegung des freien Schwingerendes gegenüber dem Rotor zur Folge, die über Gleitreibungskräfte die Drehung des Rotors hervorruft. This results in the generation of an ellipse-like vibrating motion of the vibrator free end relative to the rotor result, which causes the rotation of the rotor by means of sliding friction. Durch den Verkeilungseffekt bewegt sich der Rotor vorwärts, wogegen das Schwingerende bei seiner Rückwärtsbewegung am Rotor entlanggleitet oder abhebt. By wedging the rotor moves forward, whereas the transducer end slides during its backward movement on the rotor or lifts.
  • [0003]
    Diese Art von Mikrostoßantrieben ist jedoch nur dazu in der Lage, den' Rotor in einer Bewegungsrichtung anzutreiben. However, this type of microburst drives is only to be able to drive the 'rotor in a direction of movement. Um einen reversierbaren Antrieb zu erhalten, muß man einen weiteren Piezoschwinger vorsehen, der in umgekehrter Richtung am Rotor angreift, wobei sich jeweils der eine Piezoschwinger außer Wirkverbindung mit dem Rotor befinden muß, wenn eine Bewegung entsprechend der Antriebsrichtung des anderen Piezoschwingers erzeugt werden soll. To obtain a reversible drive, it is necessary to provide a further piezo-oscillator, which acts in the opposite direction to the rotor, wherein each of the must are a piezo-oscillator out of operative connection with the rotor, when a movement according to the drive direction of the other piezo vibrator should be generated.
  • [0004]
    Die genannten Mikrostoßantriebe haben allerdings einen großen Nachteil, da die verwendeten Piezoschwinger mit einer hochfrequenten Wechselspannung im Ultraschallbereich angeregt werden müssen, um stehende Längs- und Biegeschwingungen zu erzeugen, die erst das Arbeiten mit den Mikrostoßantrieben ermöglichen. However, the micro-stroke drives mentioned have one big disadvantage, as the piezoelectric oscillator used must be excited with a high frequency alternating voltage in the ultrasonic range to generate standing longitudinal and flexural vibrations that allow only working with the micro-stroke engines. Eine einfache Längsschwingung, wie sie bei quasistatischer Spannurtgsbeaufschlagung erzeugt würde, könnte nicht zu einem Antreiben, sondern nur zu einem Hin- und Herbewegen des Rotors in der Größenordnung der Längenänderung des Piezoschwingers führen. A simple longitudinal vibration as would be produced at quasi-static Spannurtgsbeaufschlagung, could not lead to a driving, but only to a reciprocation of the rotor in the magnitude of the change in length of the piezoelectric oscillator. Aufgrund der angelegten hochfrequenten Wechselspannung sind derartige Antriebe auch nur als Dauerläufer oder bei Burststeuerung zum Zurücklegen von Schnittweiten von einigen 10 bis 100 nm zu benutzen. Due to the applied high-frequency alternating voltage such drives to be used even as a long-distance runner or burst control for replacement of cut lengths of some 10 to 100 nm. Ein genaues Positionieren, wie es insbesondere bei feinmechanisch-optischen Geräten erforderlich wäre, ist hiermit jedenfalls nicht möglich, da mit einem in Resonanz befindlichen Schwinger weder eine genau definierte Verstellung durchführbar ist, noch der genaue Angriffspunkt zwischen Rotor und Schwinger festgelegt werden kann und im übrigen unklar ist, ob und wie sich der Rotor während der Rückstellbewegung des Schwingers weiterbewegt. Accurate positioning, as would be required particularly in precision engineering and optical equipment hereby is, at least not possible as a resonating oscillator neither a precisely defined adjustment is feasible, nor the exact point of attack between the rotor and vibrator can be set and the rest it is unclear whether and how the rotor moves further during the return movement of the oscillator.
  • [0005]
    Aus der From the US-PS 4,742,260 US Patent No. 4,742,260 ist ein piezoelektrischer Antrieb vorbekannt, wobei dort jeder Piezoschwinger mindestens zwei Aktoren aufweist, die zur Bildung eines Bimorphelements fest miteinander verbunden sind und die sich etwa senkrecht zur gewünschten Bewegungsrichtung erstrecken, elektrisch voneinander entkoppelt und getrennt ansteuerbar sind. is previously known a piezoelectric drive, wherein there each piezoelectric oscillator having at least two actuators, which are joined to form a firmly Bimorphelements each other and which extend approximately perpendicular to the desired direction of movement, electrically decoupled from each other and are driven separately. Die Rückstellung der dortigen Elemente erfolgt aktiv unter Abheben vom Antriebselement. The provision of the local elements are actively lifted off the drive element.
  • [0006]
    Die The JP 03-261379 A JP 03-261379 A (Patnet Abstacts of Japan) Anbetrifft eine Gruppee von Piezoschwingern, wobei dort nach und nach jeder Schwinger der Gruppe eine bestimmte Bewegung ausführt. (Patnet Abstacts of Japan) As for a Group E of piezoelectric vibrators, there being little by each transducer of the group performs a certain movement.
  • [0007]
    Piezoschwinger-Antriebsvorrichtungen, auch mit Richtungswechsel in der Bewegung, sind darüber hinaus noch aus der Piezoelectric oscillator drive devices with change of direction in the movement, are beyond even from the DE 35 18 055 C2 DE 35 18 055 C2 , der , of the DE 14 88 698 A1 DE 14 88 698 A1 und der and the US-PS 4,613,782 US Patent No. 4,613,782 zu entnehmen. refer to.
  • [0008]
    Bei der gattungsbildenden Lehre nach In the generic teaching of DE 41 33 108 A1 DE 41 33 108 A1 wird von einem elektrischen Rotations- oder Linearmotor ausgegangen, dessen Läufer mit piezoelektrischen, Ultraschallschwingungen erzeugenden Mitteln angetrieben wird. it is assumed that an electric rotary or linear electric motor whose armature is driven by piezoelectric ultrasonic vibration generating means. Als Aktuator ist dort ein Bimorphelement vorgesehen. As a bimorph actuator is provided there. Der vorbekannte piezoelektrische Motor ermöglicht einen Zweirichtungsantrieb, indem mit einem Kontaktpunkt eines Bimorphelements allein eine elliptische Bewegung ausgeführt wird, die es möglich macht, während der Kontaktzeit zu einem Läufer in einer Bewegungsrichtung diesen in der gewünschten Richtung vorzuschieben und dann ohne Kontakt mit dem Läufer wieder zu dem Ausgangspunkt zurückzukehren. The known piezoelectric motor allows a bi-directional drive by an elliptical motion is performed with a contact point of a Bimorphelements alone, which makes it possible, during the contact time to a rotor in a direction of advance this in the desired direction and then without contact with the rotor again to return to the starting point. Das Bimorphelement gemäß Bimorph according DE 41 33 103 A1 DE 41 33 103 A1 wird aus zwei piezoelektrischen Streifen gebildet, die entsprechende Elektroden aufweisen. is formed of two piezoelectric strip having respective electrodes. Der Läufer des vorbekannten Motors wird immer dann kontaktiert und durch Reibung mitgenommen, wenn die Länge des Biegers groß wird, da dann der gewünschte Kontakt zum Läufer entsteht, um den angestrebten Vorschub in eine bestimmte Richtung zu erreichen. The rotor of the prior art motor is always contacted by and entrained by friction when the length of the bender is large because then the desired contact to the rotor is formed to achieve the desired feed rate in a certain direction.
  • [0009]
    Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Verstelleinrichtung mit Piezoantrieb, insbesondere unter Nutzung von Bimorphelementen anzugeben, welche in besonders kostengünstiger Weise herstellbar ist und wobei eine einfache elektrische Ansteuerung möglich wird. From the foregoing, it is therefore an object of the present invention, an advanced adjustment device with piezoelectric drive, indicating in particular with the use of bimorph which is produced in a particularly cost-effective manner and using a simple electrical control becomes possible.
  • [0010]
    Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit der Merkmalskombination des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen. The object of the invention is achieved with the feature combination of claim 1, wherein the sub-claims represent expedient embodiments and developments.
  • [0011]
    Insgesamt ergibt sich der Vorteil, daß das Bimorphelement auch deutlich unterhalb der Resonanzfrequenz, also im quasi-statischen Frequenzbereich nicht nur Bewegungen in Längsrichtung, sondern auch in Querrichtung durchführen kann, da beispielsweise die Kürzung eines Aktors bei gleichzeitiger Verlängerung des benachbarten Aktors aufgrund der festen Verbindung der Aktoren zu einer seitlichen Auslenkung des freien Bimorphelement-Endes auf die Seite führt, auf der sich der verkürzte Aktor befindet. Overall, of the advantage that the bimorph well below the resonant frequency, ie, in the quasi-static frequency range not only movements in the longitudinal direction but also in the transverse direction can also be carried out, as for example the reduction of an actuator with a simultaneous extension of the adjacent actuator due to the fixed connection of the actuators results in a lateral deflection of the free bimorph-end on the side on which the actuator is shortened. Daraus folgt, daß bei entsprechend gesteuerter Spannungsbeaufschlagung der Aktoren dem freien Ende des Bimorphelementes eine Bewegung in zwei Koordinatenrichtungen, beispielsweise eine Ellipsenbewegung aufzwingbar ist. It follows that, in accordance with controlled voltage to the actuators, the free end of the bimorph element movement is aufzwingbar in two coordinate directions, for example, an elliptical motion. Hierbei wird der obere Bereich einer solchen Ellipsenbahnkurve dazu verwendet, die Bewegungsübertragung in der gewünschten Richtung durchzuführen, wahrend der untere Bereich, bei dem die Wirkverbindung zwischen Bimorphelement und Abtriebselement aufgehoben ist, für die Rückstellung zur Vorbereitung der nächsten Bewegungsübertragung genutzt wird. Here, the upper region of such ellipse trajectory is used to carry out the motion transmission in the desired direction, while the lower region, in which the operative connection between the bimorph element and output member is canceled, is used for the reset in preparation for the next transmission of motion.
  • [0012]
    Ein effektives Antriebsverhalten ergibt sich, wenn die Spannungsverläufe der beiden Aktoren eines Bimorphelementes urn etwa 90° phasenverschoben sind und die beiden Aktoren mit einer etwa sägezahnförmigen Wechselspannung beaufschlagt werden, so daß sich eine möglichst gleichmäßige Vortriebsbewegung ergibt. An effective drive behavior is obtained if the voltage curves of the two actuators of bimorph urn about 90 ° out of phase and the two actuators are supplied with an approximately sawtooth-shaped alternating voltage, so that as uniform as possible propulsion motion results.
  • [0013]
    Zweckmaßig sind zumindest zwei Bimorphelemente vorgesehen, so daß beide abwechselnd für die Bewegungsübertragung sorgen, während jeweils das Bimorphelement, das sich mit seinem freien Ende im unteren Bereich der jeweiligen Bahnkurve befindet, rückgestellt wird. Zweckmaßig at least two bimorphous elements are provided so that both alternately provide for the transmission of motion, during each bimorph, which is located with its free end in the lower region of the respective trajectory is reset. Damit ist sichergestellt, daß das Abtriebselement wahrend der Rückstellung des Bimorphelementes keine undefinierte Bewegung durchführt, sondern weiter in der gewünschten Richtung bewegt wird, also den doppelten Weg pro Zeit zurücklegt. This ensures that the driven element during the return of the bimorph does not perform a repetitive movement, but will continue to move in the desired direction, that travels twice the distance per time.
  • [0014]
    Werden zwei Gruppen von Bimorphelementen eingesetzt, laßt sich die Anpressung des Piezoantriebes am Abtriebselement und auch die Genauigkeit beim Positionieren weiter verbessern. Two groups of bimorph used, the contact pressure of the piezo drive on the driven element and the accuracy in positioning let continue to improve. Hierbei sind die beiden Gruppen zweckmaßigerweise jeweils parallel geschaltet, das heißt die neben- oder hintereinander angeordneten Bimorphelemente werden moglichst gleichmaßig in Gruppen mit gleichen Spannungsverlaufen aufgeteilt. Here, the two groups are expediently connected in parallel, that is, side by side or one behind the other are arranged bimorphous mogli waxed evenly divided into groups with the same voltage bleeding.
  • [0015]
    Hierbei ist es zweckmaßig, daß die Bimorphelemente an eine Steuerung angeschlossen sind, die die Wirkverbindung eines jeden Bimorphelementes mit dem Abtriebselement erst dann aufhebt, nachdem die Wirkverbindung des Abtriebselementes mit dem anderen Bimorphelement hergestellt ist. Here, it is zweckmaßig that the bimorphous elements are connected to a control that only cancels the operative connection of each bimorph element to the output member, after the active connection of the output element is made with the other bimorph element. Dadurch ist sichergestellt, daß im kritischen Moment des Antriebswechsels dennoch eine sichere Klemmung des Abtriebselementes vorliegt, wodurch die Zustellgenauigkeit verbessert wird. This ensures that at the critical moment of the drive change but safe clamping of the output element is present, making the setting accuracy is improved.
  • [0016]
    Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die Verstellbewegungen der Bimorphelemente überlappen, was durch geeignete Spannungsverläufe, beispielsweise durch Beaufschlagung mit einer sägezahnförmigen Wechselspannung erreicht werden kann. It is particularly advantageous if the adjusting movements of the bimorphous elements overlap, which can be achieved by appropriate voltage waveforms, for example by application of a saw-tooth AC voltage is. Hierdurch erhält man einen kontinuierlichen Antrieb ohne Kraftflußunterbrechnung unter Vermeidung des Nachteils, daß die gewünschte Verstellbewegung des Abtriebselementes zur Rückstellung eines Bimorphelementes unterbrochen werden muß. This yields a continuous drive without Kraftflußunterbrechnung while avoiding the disadvantage that the desired adjustment movement of the output element has to be interrupted to the provision of a bimorph element.
  • [0017]
    Auch das Hinzufügen weiterer Bimorphelement-Gruppen wirkt sich positiv auf das Antriebsverhalten aus. Also adding more bimorph groups has a positive effect on the drive behavior. Als beste Konstellation hat sich die Anordnung von zwei oder mehr Bimorphelement-Paaren herausgestellt, wobei entsprechend zusammengehörige Aktoren der Paare parallelgeschaltet, aber alle vier Aktoren eines Paares mit versetzten Spannungsverläufen beaufschlagt sind. As best constellation, the arrangement of two or more pairs bimorph element has been found, wherein corresponding actuators belonging together of the pairs connected in parallel, but all four actuators of a pair are supplied with staggered voltage waveforms.
  • [0018]
    In jedem, also nicht nur im idealen Fall ist es vorteilhaft, wenn die Bimorphelemente mit gleichen, zeitlich versetzten Spannungsverläufen beaufschlagt werden. In all, not only in the ideal case, it is advantageous if the bimorphous be subjected to the same, time-shifted voltage curves.
  • [0019]
    Fur die oben erwähnten Anwendungsbereiche weist die auf die Bimorphelemente einwirkende Spannung eine Frequenz auf, die insbesondere unterhalb des Ultraschallfrequenzbereiches liegt. For the above-mentioned applications, the force acting on the bimorphous voltage to a frequency which is in particular below the ultrasonic frequency range. Aufgrund der Vermeidung von Resonanzschwingungen der Bimorphelemente ist eine Auflösung der Zustellbewegungen bis in den unteren Nanometerbereich möglich. Due to the avoidance of resonance oscillations of bimorphous resolution of the movements down to the lower nanometer range is possible. Jedoch soll sich der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung nun nicht ausschließlich auf den genannten Frequenzbereich beschränken, da eine Erregung im Ultraschallbereich für Zustellbewegungen mit hohen Geschwindigkeiten sinnvoll ist und hierbei die Spannungsamplitude beispielsweise zehnmal höher bzw. eine um den Faktor 10 kleinere Spannung erforderlich ist. However, the scope of the present invention now will not be limited to the mentioned frequency range, as an excitation in the ultrasonic range is useful for positioning movements at high speeds and in this case the voltage amplitude and a smaller by a factor of 10 voltage, for example, ten times higher. Weil darüber hinaus die Phasenverschiebung im Resonanzbereich 90° beträgt, reicht es hierbei aus, die eine Elektrode des Bimorphelementes entsprechend anzusteuern, wobei die andere Elektrode jeweils automatisch. Moreover, since the phase shift in the resonance region is 90 °, it is sufficient in this case from which to control an electrode of the bimorph element in accordance with the other electrode in each case automatically. um 90° nacheilt. lags by 90 °.
  • [0020]
    Grundsätzlich kann das Bimorphelement entweder über seine Stirnfläche, über eine Seitenfläche oder aber über ein mit dem Bimorphelement in Verbindung stehendes Zwischenglied in Wirkverbindung mit dem Abtriebselement gelangen. Basically, the bimorph element can engage with the output element either via its end face, on a side surface or via a related with the bimorph intermediate member in operative connection. Das Angreifen an der Stirnfläche des Bimorphelementes empfiehlt sich insbesondere dann, wenn dieses – wie oben beschrieben – als Antrieb verwendet wird. is used as a drive - as described above - the engagement with the face of the bimorph element in particular when this is advisable. Andererseits kann jedoch das Bimorphelement statt als Antriebselement auch als Selbstläufer eingesetzt werden. On the other hand, the bimorph can be used instead as the drive element as a self-perpetuating. Dabei kann sich das Bimorphelement entsprechend den Verstellbewegungen auf einer ortsfesten Unterlage fortbewegen, was einer kinematischen Umkehr zum oben beschriebenen Antrieb entspricht. In this case, the bimorph element can move on a fixed base in accordance with the adjusting movements, which corresponds to a kinematic reversal of the above-described driving.
  • [0021]
    Befand sich beim Einsatz als Antrieb die Bahnkurve noch parallel zur Längserstreckung der Bimorphelemente, so ist es bei einer Verwendung als Selbstläufer zweckmäßig, über eine Seitenfläche der Bimorphelemente in Wirkverbindung mit dem Abtriebselement, das heißt mit der Unterlage zu gelangen. the trajectory was still parallel to the longitudinal extension of the bimorphous when used as drive, it is advantageous when used as a self-runner to pass over a side surface of the bimorphous elements in operative connection with the driven element, that is with the base. Hierdurch wird vor allem eine stabilere Auflage des aus mehreren Bimorphelementen bestehenden Läufers auf der Unterlage und ebenso eine geringere Bauhöhe des Läufers erreicht. Hereby especially a more stable support of the multi-bimorph rotor on the backing, and also a lower overall height of the rotor is achieved. Das Anliegen an den Seitenflächen erfolgt natürlich vor allem im Bereich des freien Endes der Bimorphelemente, da dort die Verstellbewegung am größten ist. The concern at the side surfaces is of course especially in the area of ​​the free end of the bimorphous because there is the greatest adjustment.
  • [0022]
    Fur die Verwendung als Selbstläufer ist es insbesondere von Vorteil, wenn mit den beiden ein Bimorphelement bildenden Aktoren ein weiteres Aktorenpaar fest verbunden ist, wobei sich die beiden Aktorenpaare nebeneinander befinden und im Querschnitt gesehen eine Viereck-anordnung bilden sollten. For use as a self-perpetuating, it is particularly advantageous when forming the two a bimorph actuators another actuators pair is firmly connected, wherein the two actuators pairs next to each other and seen in cross section should form a square arrangement. Hierdurch wird sowohl das Abheben von der ortsfesten Unterlage, das zur Vorbereitung der Rlickstellung des jeweiligen Bimorphelementes erforderlich ist, als auch eine hierzu senkrechte Verstellbewegung erreicht, da die vier zu einem Doppelbimorphelement zusammengefaßten Aktoren durch entsprechende Spannungsbeaufschlagung beliebig aufeinander abgestimmt werden können. In this way, both the lifting from the fixed base which is required to prepare the Rlickstellung the respective bimorph element, as well as perpendicular thereto adjustment movement is achieved because the four combined to form a Doppelbimorphelement actuators can be tuned by appropriate voltage is applied to any one another.
  • [0023]
    Werden jedoch solche Doppelbimorphelemente nicht als Selbstläufer, sondern als Antriebe verwendet, so ermöglichen sie eine Verstellbewegung in die zweite Dimension der Abtriebselementebene. However, if such Doppelbimorphelemente not used as a self-perpetuating, but as drives, they allow an adjustment in the second dimension of the driven element level. Hierbei erfolgt das Aufheben der Wirkverbindung wie bei den oben geschilderten Antrieben durch Verkürzen der Doppelbimorphelemente. Here, the release of the active compound is carried out as in the above-described drives by shortening the Doppelbimorphelemente.
  • [0024]
    In jedem Fall ist es aber bei der Verwendung sowohl als Antrieb als auch als Selbstläufer sinnvoll, wenn die freien Enden der Bimorphelemente, die mit dem Abtriebselement bzw. mit der Unterlage in Wirkverbindung gelangen, gleichmäßig über diese verteilt sind, um eine stabile Auflage zu schaffen. but in any case it is in use both as a drive as well as a self-perpetuating useful when the free ends of the bimorphous elements which engage the output member or with the base in operative connection, are distributed evenly over this in order to create a stable support , Bei den Selbstläufern wird dies insbesondere durch eine Doppelkammanordnung von zueinander parallelen Doppelbimorphelementen erreicht, wie es in In the self-running, this is achieved in particular by a double comb assembly of parallel Doppelbimorphelementen as in 4 4 dargestellt ist. is shown.
  • [0025]
    Diese Doppelanordnung kann noch derart erweitert werden, wenn zusatzlich zumindest zwei weitere Bimorphelemente vorgesehen werden, die sich in der gleichen Ebene, aber senkrecht zu den ersten Bimorphelementen erstrecken und ebenfalls zueinander parallel sind. This double array can be expanded in such a way if two further bimorphous elements are provided in addition at least extending in the same plane, but perpendicular to said first bimorph and also are mutually parallel. Daßei ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß eine Bewegung in der zweiten Dimension und somit sogar beliebige ebene Kreis- und Kurvenbewegungen möglich sind. Daßei results in the additional advantage that a movement in the second dimension, and thus even any planar circular and curved movements.
  • [0026]
    Während bei den oben genannten, als Läufer verwendeten Bimorphelementen, deren Gewichtskraft fur ein ständiges Andrücken der Bimorphelemente auf dem Boden sorgt, ist es bei den Piezoantrieben besonders zweckmäßig, daß sie durch zumindest ein Federelement in Wirkverbindung mit dem Abtriebselement bringbar sind und die Wirkverbindung jedes Bimorphelementes durch Spannungsbeaufschlagung aufhebbar ist. While in the above, used as a runner bimorph the weight force provides on the bottom for a continuous pressing of the bimorphous elements, it is particularly advantageous for the piezo actuators that it comprises at least one spring element are carried can be brought into operative connection with the output element and the operative connection of each bimorph is canceled by voltage application. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß aufgrund des permanenten Andrückens durch das Federelement ein sicheres Klemmen des Abtriebselementes zu jedem Zeitpunkt gewährleistet ist, sich also immer mindestens ein Bimorphelement in Wirkverbindung mit dem Abtriebselement befindet. This has the advantage that due to the permanent pressing of a secure clamping of the output element is ensured at all times by the spring element, that is always at least one bimorph element is in operative connection with the output member. Das Aufheben der Wirkverbindung erfolgt durch das jeweilige Bimorphelement selbst, wodurch unvermeidliche Wegdifferenzen sich nicht mehr negativ auf die Qualität der Klemmung auswirken konnen. The release of the active compound is carried out by the respective bimorph itself, thus inevitable path differences no longer can adversely affect the quality of clamping. Da lediglich die Relativwege und nicht die Absolutlängendifferenzen der Bimorphelemente fur das Klemmen bzw. Abheben relevant sind, haben somit Längenschwankungen der Bimorphelemente durch Temperatur-, Alterungs- und Umwelteinflüsse keinen Einfluß auf ein zuverlässiges Betriebsverhalten des Piezoantriebes. Since only the relative paths and not absolute length differences of bimorphous for clamping or lifting are relevant, so length fluctuations of bimorphous by temperature, aging and environmental influences have no influence on a reliable performance of the piezo actuator. Die Bimorphelemente können daher mit geringen Präzisionsanforderungen und somit kostengünstiger hergestellt werden. The bimorphous therefore can thus be manufactured cost-effectively with low precision requirements and.
  • [0027]
    Zur Herbeiführung der Wirkverbindung zwischen Bimorphelement und Abtriebselement besteht zum einen die Möglichkeit, daß das Federelement: auf das Abtriebselement einwirkt; To effect the operative connection between the bimorph element and the output element consists on the one hand the possibility that the spring element: acting on the output member; zum anderen kann aber das Federelement stattdessen auf die Bimorphelemente einwirken, wobei es hierbei besonders vorteilhaft ist, diese an einer gemeinsamen Basis zu montieren. on the other hand, the spring member can instead act on the bimorphous elements, it being particularly advantageous in this case to mount these on a common base. Dadurch ist sichergestellt, daß immer das momentan längere Bimorphelement die Wirkverbindung garantiert, während das kürzere Bimorphelement seine Rückstellung durchführen kann. This ensures that always the currently extended bimorph guarantees the active compound, while the shorter bimorph can carry out its provisions.
  • [0028]
    Erfindungsgemäß wird die gemeinsame Basis dadurch gebildet, daß bei aus Piezokeramik bestehenden Bimorphelementen diese durch kammartiges Heraussägen einzelner Kammzinken aus einer Piezokeramikplatte hergestellt sind, wobei der sich senkrecht zu den Zinken erstreckenden Kammsteg als gemeinsame Basis die Verbindung zwischen den Bimorphelementen aufrechthält. According to the invention the common base is formed in that, when consisting of piezo-ceramic bimorph these are prepared by comb-like sawing out of individual comb teeth of a piezoceramic plate, extending perpendicularly to the prongs extending comb ridge upright maintains the connection between the bimorph as a common basis. Hierbei werden die einzelnen Aktoren in der Art hergestellt, daß die elektrisch voneinander entkoppelten und getrennt ansteuerbaren Elektroden auf die Piezokeramik aufgedampft werden, wobei zweckmäßigerweise – wie bereits erwähnt – jeweils gleichwirkende Bimorphelemente parallel geschaltet werden. Here, the individual actuators are fabricated in the manner that the electrically uncoupled from each other and separately addressable electrodes are deposited on the piezoceramic, wherein expediently - as already mentioned - in each case the same effect bimorphous elements are connected in parallel.
  • [0029]
    Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Piezokeramik der Bimorphelemente aus vielen dünnen Schichten gebildet ist. A further advantage is obtained if the piezoelectric ceramic of the bimorphous elements is formed of many thin layers. Durch solche Multilayer-Bimorphelemente, die in Dickenrichtung geschichtet aufgebaut sind, reduziert sich die benötigte Erregerspannung von beispielsweise 500 V bis 1000 V um den Faktor 10 auf 50 V bis 100 V, was die Einsatzgebiete solcher Antriebe erheblich vergrößert. Such multilayer bimorphous elements which are composed layered in the thickness direction, the required excitation voltage of, for example 500 V to 1000 V is reduced by a factor of 10 to 50 V to 100 V, which substantially increases the areas of application of such drives.
  • [0030]
    Darüber hinaus ist es aber auch moglich, daß die Bimorphelemente anstatt aus Piezokeramik aus elektro- oder magnetostriktivem Material bestehen. but beyond that it is also possible that the bimorphous instead of piezoceramic consist of electro- or magnetostrictive material.
  • [0031]
    Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen; Further advantages and features of the present invention will become apparent from the following description of embodiments with reference to the drawings; hierbei zeigen show here
  • [0032]
    1a 1a den Bewegungsablauf eines Bimorphelementes in Vorderansicht; the movement of a bimorph element in front view;
  • [0033]
    1b 1b den Verlauf der Erregerspannung, mit der das Bimorphelement als the progress of the exciting voltage at which the bimorph element as 1a 1a beaufschlagt wird; is applied;
  • [0034]
    2a 2a einen Verstellantrieb bestehend aus vier Bimorphelementen in Vorderansicht; an adjustment consisting of four bimorph in front view;
  • [0035]
    2b 2 B den Verstellantrieb aus the adjustment of 2a 2a in Seitenansicht; in a side view;
  • [0036]
    2c 2c den Verstellantrieb aus the adjustment of 2a 2a in Draufsicht; in plan view;
  • [0037]
    2d 2d das Abtriebselement und die daran angreifenden Bahnkurven der Verstelleinrichtung aus the output element and engaging thereon trajectories of the adjusting device from 2a 2a in geschnittener Vorderansicht; in a sectioned front view;
  • [0038]
    3a 3a einen Verstellantrieb ähnlich dem Verstellantrieb aus an adjustment similar to that of the adjusting 2a 2a , wobei jedoch die Bimorphelemente jeweils vier Aktoren aufweisen; Except that the bimorphous elements each comprise four actuators;
  • [0039]
    3b 3b den Verstellantrieb aus the adjustment of 3a 3a in Seitenansicht; in a side view;
  • [0040]
    3c 3c den Verstellantrieb aus the adjustment of 3a 3a in Draufsicht; in plan view;
  • [0041]
    3d 3d eine Skizze der Wirkungsweise und der Bahnkurven des Verstellantriebes aus a sketch of the mode of action and the trajectories of the adjustment of 3a 3a ; ;
  • [0042]
    4 4 eine alternative Bauform des Verstellantriebes aus an alternative design of the adjustment of 3a 3a in Doppelkammanordnung und in double-comb arrangement and
  • [0043]
    5 5 eine weitere Bauform des Verstellantriebes aus another design of the adjustment of 3a 3a in Vierfachkammanordnung. in quadruple comb arrangement.
  • [0044]
    1a 1a zeigt ein Bimorphelement shows a bimorph 1 1 in vier Bewegungssituationen Nr. 1 bis Nr. 4. Auf das aus einer einstöckigen Piezokeramik bestehende Bimorphelement in four motion situations Nos. 1 to # 4. In the existing single-storey of a piezoceramic bimorph 1 1 sind zwei Elektroden Two electrodes 2 2 und and 3 3 zur Bildung von Piezoaktoren aufgedampft, die elektrisch voneinander entkoppelt und getrennt durch Spannungsquellen A und B ansteuerbar sind. deposited to form piezoelectric actuators that are actuated electrically decoupled from each other and separated by voltage sources A and B. Piezoaktoren haben die Eigenschaft, bei Anlegen einer Spannung ihre Länge zu andern, das heißt hält man das eine Ende eines Aktors fest, so bewirkt eine Spannungsänderung eine Bewegung des freien Aktorendes in Längsrichtung. Piezoelectric actuators have the characteristic to change their length when a voltage, that is holding the one end of an actuator fixed, a voltage change causes a movement of the free Aktorendes in the longitudinal direction.
  • [0045]
    Da nun aber beide Aktoren bzw. Elektroden But since both actuators or electrodes 2 2 und and 3 3 fest miteinander verbunden sind, führt eine einseitige Spannungsänderung an einer Elektrode zu einer Verbiegung des freien Endes in Querrichtung, und zwar in Richtung des momentan kürzeren Aktors. are fixedly connected together, a one-sided voltage change leads to an electrode in a deflection of the free end in the transverse direction, in the direction of the shorter currently actuator. Auf diese Weise ist es durch entsprechende Spannungsbeaufschlagung der beiden Elektroden In this way, by appropriate voltage to the two electrodes 2 2 und and 3 3 möglich, dem freien Ende des Bimorphelementes possible, the free end of the bimorph 1 1 Bewegungen in Längs- und Querrichtung aufzuzwingen, beispielsweise in Form der in impose movements in longitudinal and transverse direction, for example in the form of in 1a 1a dargestellten Ellipsenbahnkurve, die vom Mittelpunkt des freien Endes beschrieben wird und durch die in Ellipse trajectory shown, which is described from the center of the free end and through the in 1b 1b dargestellten Spannungsverläufe A(t) und B(t) erzeugt wurde. Voltage curves illustrated A (t) and B (t) was generated.
  • [0046]
    Hierbei ist die Elektrode Here, the electrode 2 2 mit der Spannungsquelle A und die Elektrode to the voltage source A and the electrode 3 3 mit der Spannungsquelle B verbunden. connected to the voltage source B. Aus Out 1b 1b sind außerdem die beiden Spannungswerte zum Zeitpunkt der vier Bewegungsabschnitte Nr. 1 bis Nr. 4 abzulesen. the two voltage values ​​are also read at the time of the four motion segments Nos. 1 to no. 4,.
  • [0047]
    Es ist nun leicht ersichtlich, daß bei zumindest zwei nebeneinander angeordneten und genau gegenläufig angesteuerten Bimorphelementen der obere Bereich der ellipsenförmigen Bahnkurve zum Übertragen der Verstellbewegung verwendet werden kann, während der untere Ellipsenbereich bei durch das benachbarte höhere Bimorphelement aufgehobener Wirkverbindung zwischen Bimorphelement und Abtriebselement für ein Rückstellen des freien Endes benutzt werden kann. It is now readily apparent that, in at least two juxtaposed and exactly opposite directions driven bimorph the upper portion of the elliptical trajectory can be used to transmit the adjusting movement, while the lower ellipse range by the adjacent higher bimorph reversed operative connection between the bimorph element and output element for a reset the free end can be used.
  • [0048]
    Die in den In the 2a 2a bis to 2c 2c in verschiedenen Ansichten dargestellte Verstelleinrichtung Adjustment shown in different views 5 5 besteht aus Bimorphelementen consists of bimorph 6 6 , . 7 7 , . 8 8th und and 9 9 , die jeweils zwei Aktoren aufweisen. Each having two actuators. Die Bimorphelemente the bimorphous 6 6 bis to 9 9 werden durch kammartiges Heraussägen einzelner Kammzinken aus einer Piezokeramikplatte unter Belassung einer gemeinsamen Basis be comb-like sawing out of individual comb teeth of a piezoceramic plate, leaving a common base 11 11 in Form eines Kammsteges gebildet, woraufhin die einzelnen Elektroden auf der einen Seite der Keramikplatte und auf der Rückseite jedes Bimorphelementes jeweils einen Nulleiter formed in the shape of a comb web, whereupon the individual electrodes on one side of the ceramic plate and on the back of each bimorph element each have a neutral 63 63 , . 73 73 , . 83 83 und and 93 93 aufgedampft erhalten. get evaporated.
  • [0049]
    Die vier Bimorphelemente The four bimorphous 6 6 bis to 9 9 sind so elektrisch gekoppelt, daß jede vierte Elektrode, also die Elektroden jedes zweiten Bimorphelementes miteinander verbunden werden. are electrically coupled in that each fourth electrode, that is, the second electrodes of each bimorph element to be interconnected. So ist die an die Spannungszufuhr C angeschlossene Elektrode Thus, the device connected to the voltage supply electrode C 61 61 mit der Elektrode to electrode 81 81 verbunden, die an die Spannungszufuhr D angeschlossene Elektrode connected, which is connected to the voltage supply electrode D 62 62 an die Elektrode to electrode 82 82 usw. Hierdurch wird erreicht, daß sich die Bimorphelemente etc. It is hereby achieved that the bimorphous 6 6 und and 8 8th einerseits und die Bimorphelemente on the one hand and the bimorphous 7 7 und and 9 9 andererseits jeweils gleichartig und im Gleichtakt bewegen. on the other hand in each case identical and move in unison. Demgemäß beschreiben die jeweiligen Mittelpunkte der freien Enden der Bimorphelemente die in Accordingly, the respective centers of the free ends of the bimorphous describe in 2d 2d dargestellten Ellipsenbahnkurven (Bewegung im Uhrzeigersinn) und bewirken somit das Übertragen der gewünschten Verstellbewegung auf ein Abtriebselement Elliptical path curves shown (moving clockwise) and thus cause the transfer of the desired adjustment movement of an output member 10 10 (Bewegung in (Movement in 2d 2d nach rechts). to the right).
  • [0050]
    Wie aus den Bahnkurvenverläufen ersichtlich, ist es für ein wirkungsvolles Angreifen der Bimorphelemente As seen from the train curves seen, it is for an effective engagement of the bimorphous 6 6 bis to 9 9 am Abtriebselement on the driven element 10 10 besonders zweckmäßig, wenn durch eine nicht dargestellte Feder entweder das Abtriebselement in Richtung der Verstelleinrichtung particularly advantageous if by a spring, not shown either the output member in the direction of the adjustment device 5 5 oder diese in Richtung des Abtriebselementes or this in the direction of the output element 10 10 gedrückt werden, wodurch eine ständige Wirkverbindung mit dem Abtriebselement sichergestellt wird. whereby a constant operative connection is ensured with the output element are pressed.
  • [0051]
    In In 2c 2c ist in Draufsicht noch einmal verdeutlicht, wie die jeweiligen Elektroden der Bimorphelemente is illustrated in plan view again, as the respective electrodes of the bimorphous 6 6 bis to 9 9 mit der jeweiligen Spannungszufuhr C, D, E und F verbunden sind, wahrend die Rückseiten der Bimorphelemente, auf die die Nulleiterschichten are connected to the respective voltage supply C, D, E and F connected, while the backs of the bimorphous elements to which the neutral conductor layers 63 63 , . 73 73 , . 83 83 und and 91 91 aufgedampft sind, miteinander verbunden sind. are vapor-deposited, are interconnected.
  • [0052]
    In den In the 3a 3a bis to 3c 3c ist eine weitere Verstelleinrichtung is a further adjusting device 15 15 in verschiedenen Ansichten dargestellt, die aus an einer gemeinsamen Basis shown in different views on a common base from 12 12 angeordneten Bimorphelementen arranged bimorph 16 16 , . 17 17 , . 18 18 und and 19 19 besteht, auf die jeweils vier Elektroden is on the four electrodes 161 161 bis to 164 164 , . 171 171 bis to 174 174 , . 181 181 bis to 184 184 und and 191 191 bis to 194 194 aufgedampft sind. are vapor-deposited. Durch die zusätzlichen Elektrodenpaare, die an von Spannungsquellen G, N, I und J der ersten Elektrodenpaaren getrennten Spannungsquellen K, L, M und N angeschlossen sind, ist es nun möglich, beispielsweise die Elektroden are connected by the additional pairs of electrodes separated on of voltage sources G, N, I and J of the first electrode pairs voltage sources K, L, M and N, it is now possible, for example, the electrodes 161 161 und and 162 162 gleichsinnig zu beaufschlagen, während die Elektroden in the same sense to apply, while the electrodes 163 163 und and 164 164 mit einer phasenverschobenen Spannung angeregt werden, wodurch eine Verbiegung des Bimorphelementes are excited with a phase-shifted voltage, whereby a bending of the bimorph 16 16 in Dickenrichtung (das heißt in (In the thickness direction that is in 3c 3c nach oben/unten) erzeugt werden kann. ) May be generated according to up / down. Diese Bewegung ist insbesondere bei den in This movement is particularly those covered 3d 3d dargestellten Angriffsverhältnissen erforderlich, wobei sich die Verstelleinrichtung Attack conditions required illustrated, with the adjustment device 15 15 zu einer Unterlage to a substrate 100 100 parallel erstreckt und auf dieser entlangläuft, also die Verstellbewegung nicht eine Bewegungsübertragung auf das Abtriebselement erzeugt, sondern die Verstelleinrichtung extending in parallel and thus the adjustment movement running along on this, not a movement transmission to the output member produces, but the adjustment device 15 15 sich in die gewünschte Richtung bewegt, wobei allerdings die elektrischen Anschlüsse bei der Bewegung der Verstelleinrichtung mitgeführt werden müssen, jedoch auch eine – allerdings technisch aufwendige – Fernsteuerung denkbar wäre. moves in the desired direction, although the electrical connections must be carried along during the movement of the adjusting device, but also a - albeit technically complicated - Remote control is also conceivable.
  • [0053]
    Der in den In the 3a 3a bis to 3c 3c dargestellte Verstellantrieb adjustment shown 15 15 wird insbesondere dadurch noch verbessert, daß die Anzahl der Bimorphelemente verdoppelt wird und sich zusätzliche Bimorphelemente in particular characterized further improved in that the number of the bimorphous elements is doubled and extra bimorphous 25 25 , . 26 26 , . 27 27 und and 28 28 symmetrisch zu einem Kammsteg symmetrical with respect to a comb ridge 29 29 entgegengesetzt zu Bimorphelementen 21 bis 24 erstrecken, die den Bimorphelementen opposite to bimorph 21 to 24 extend, the bimorph the 16 16 bis to 19 19 aus out 3 3 entsprechen. correspond. Eine solche Verstelleinrichtung Such an adjustment device 30 30 , die ebenfalls als Läufer arbeitet, ist in Who also works as a runner who is in 4 4 dargestellt. shown. Dort ist auch die seitliche Auslenkung der gleichmäßig in zwei Gruppen aufgeteilten Bimorphelemente There is also the lateral deflection of the equally divided into two groups bimorphous 21 21 bis to 28 28 erkennbar. recognizable. Wie schon bei der Verstelleinrichtung As with the adjustment 15 15 aus out 3 3 ist auch hier die Spannungsbeaufschlagung der jeweiligen Bimorphelemente so aufeinander abzustimmen, daß sowohl eine Bewegung der freien Enden der Bimorphelemente in Querrichtung – wodurch die Verstellbewegung erzeugt wird – als auch eine Bewegung der Enden in Dickenrichtung – die zum Herstellen und Aufheben der Wirkverbindung dient – durchgeführt werden kann. is also coordinated with one another such that both a movement of the free ends of the bimorphous elements in the transverse direction, the voltage to the respective bimorphous elements - be carried out - so that the adjustment is produced - as well as a movement of the ends in the thickness direction - which is used for producing and canceling the operative connection can.
  • [0054]
    In In 5 5 schließlich ist eine Verstelleinrichtung Finally, an adjustment device 50 50 dargestellt, die zwei Gruppen von Bimorphelementen illustrated, the two groups of bimorph 41 41 bis to 46 46 und and 51 51 bis to 56 56 aufweist, wobei die Bimorphelemente , Wherein the bimorphous 41 41 bis to 46 46 jeweils zueinander parallel verlaufen, ihre Erstreckungsrichtung aber senkrecht zu den ebenfalls zueinander parallel verlaufenden Bimorphelementen in each case parallel to one another, their extension direction but perpendicular to the likewise mutually parallel bimorph 51 51 bis to 56 56 ist. is. Eine solche Anordnung hat den großen Vorteil, daß nicht nur das Bewegen in eine Richtung – wie dies beim Läufer Such an arrangement has the great advantage that not only moving in one direction - as in the rotor 30 30 aus out 4 4 der Fall ist – sondern vielmehr auch eine Bewegung in eine zweite Koordinatenrichtung und somit alle Arten von Bewegungen in einer zur jeweiligen Auflagefläche parallelen Ebene möglich sind. the case - but rather a movement in a second coordinate direction and thus all kinds of movements are possible in a direction parallel to the respective support surface level. Demgemäß können mit einem solchen Läufer Accordingly, with such a runner 50 50 nicht nur zueinander senkrechte gerade Bewegungen, sondern auch alle beliebigen Kurvenbewegungen durchgefuhrt werden. straight vertical movements not only each other but also all arbitrary curve movements are performed.
  • [0055]
    Für alle Verstelleinrichtungen bzw. Läufer ist es sinnvoll, anstatt einer massiven Piezokeramikplatte einen Multilayer-Aufbau aus vielen dünnen Keramikschichten zu verwenden: Während bei der Plattenform mit üblicherweise 1 mm Dicke bei einem Ausführungsbeispiel 500 bis 1000 Volt benötigt werden, so verringert sich bei einem Aufbau aus einer Vielzahl entsprechend dünnerer Schichten die benötigte Spannung etwa um den Faktor 10. Beispielhaft sei für die ellipsenförmigen Bahnkurven, die aus einer solchen Spannungsbeaufschlagung resultieren und vom freien Ende eines Bimorphelementes beschrieben werden, eine Hubdifferenz von etwa 1,5 μm und eine seitliche Auslenkungsdifferenz – die für die Zustellbewegung benutzt wird – von 10 μm aufgeführt. For all adjusting devices or the rotor, it is useful to use instead of a solid piezoelectric ceramic plate has a multilayer structure consisting of many thin ceramic layers: While in the plate shape having usually 1 mm thickness in one embodiment 500 to 1000 volts is needed, then decreases in a structure of a plurality of correspondingly thinner layers the required voltage by about a factor of 10. by way of example for the elliptical orbits, the result from such a voltage application, and are described by the free end of a bimorph element, a difference in stroke of approximately 1.5 microns and a lateral Auslenkungsdifferenz - which is used for the feed movement - given by 10 microns.

Claims (12)

  1. Verstelleinrichtung mit Piezoantrieb, insbesondere für feinmechanischoptische Geräte, bestehend aus zumindest einem Piezoschwinger, der durch Anlegen unterschiedlich gesteuerter elektrischer Spannungen eine Längenänderung erfährt und abwechselnd über sein freies Ende mit einem Abtriebselement ( Adjusting device with piezoelectric drive, in particular for fine mechanical optical devices, consisting of at least one piezoelectric oscillator, of the differently controlled by applying electrical voltages undergoes a change in length and alternately from its free end (to an output member 10 10 , . 100 100 ) in Wirkverbindung gelangt derart, daß bei bestehender Wirkverbindung eine Bewegungsübertragung auf das Abtriebselement erfolgt, wogegen bei aufgehobener Wirkverbindung der Piezoschwinger im Bereich seines freien Endes eine Rückstellung zur Vorbereitung der nächsten Bewegungsübertragung erfährt, so daß das Abtriebselement die Verstellbewegung in der gewünschten Richtung durchführt, wobei der Piezoschwinger zwei Aktoren aufweist, die parallel unmittelbar nebeneinander und in Antriebsrichtung hintereinander angeordnet ein Bimorphelement ( ) In operative connection passes such that when the existing active connection a movement transmission takes place on the driven element, whereas in reversed operatively connected to the piezoelectric oscillator experiences a reset in preparation for the next motion transmission in the region of its free end, so that the output element performs the adjustment movement in the desired direction, wherein having the piezoelectric vibrator two actuators which are arranged directly alongside one another and one behind the other in the drive direction parallel a bimorph ( 1 1 , . 6 6 - 9 9 , . 16 16 - - 19 19 , . 21 21 - 28 28 , . 41 41 - 46 46 , . 51 51 - 56 56 ) bilden, die zwei Aktoren sich etwa senkrecht zur gewünschten Bewegungsrichtung erstrecken und elektrisch voneinander entkoppelt und getrennt ansteuerbar sind, derart daß unter Ausnutzung einer unterschiedlichen Dehnung der zwei Aktoren des Piezoschwingers deren Verbiegung und somit eine Bahnkurve in Längs- und Querrichtung des Bimorphelements erzeugt wird, wobei die Rückstellung aktiv unter Abheben vom Abtriebselement erfolgt, dadurch gekennzeichnet , daß das Bimorphelement aus einer einstöckigen Piezokeramik oder einer Multilayer-Piezokeramik besteht, wobei zur Bildung der zwei Aktoren auf eine Seite der den zwei Aktoren gemeinsamen Keramik zwei parallel verlaufende, elektrisch entkoppelte Elektroden ( ) Form, the two actuators extend approximately perpendicular to the desired direction of movement and electrically decoupled from each other and are separately controllable, such that its bending and thus a trajectory is generated in the longitudinal and transverse direction of the Bimorphelements utilizing a different elongation of the two actuators of the piezoelectric vibrator, wherein the provision actively carried out under lifting off from the output element, characterized in that the bimorph element comprises a single-storey piezoceramic or a multilayer piezoceramic, wherein the formation of the two actuators on one side of the two actuators common ceramic two parallel, electrically decoupled electrodes ( 2 2 , . 3 3 ; ; 61 61 , . 62 62 ;...; ; ...; 91 91 , . 92 92 ; ; 161 161 , . 162 162 ;...; ; ...; 191 191 , . 192 192 ) und auf der gegenüberliegenden Seite der Keramik entweder eine Nullleiterelektrode ( () And on the opposite side of the ceramic either a neutral electrode 63 63 , . 73 73 , . 83 83 , . 93 93 ) oder ein weiteres Elektrodenpaar ( ) Or a further pair of electrodes ( 163 163 , . 164 164 ;...; ; ...; 193 193 , . 194 194 ) aufgedampft sind. ) Are vapor-deposited.
  2. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsverläufe an den jeweiligen Elektroden der beiden Aktoren eines Bimorphelements ( An adjusting device according to claim 1, characterized in that the voltage curves (at the respective electrodes of the two actuators of a Bimorphelements 1 1 , . 6 6 - 9 9 , . 16 16 - 19 19 , . 21 21 - 28 28 , . 41 41 - 46 46 , . 51 51 - 56 56 ) um etwa 90° phasenverschoben sind. ) Are phase shifted by approximately 90 °.
  3. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Bimorphelemente ( Adjusting device according to claim 1, characterized in that a plurality bimorphous ( 6 6 - 9 9 , . 16 16 - 19 19 , . 21 21 - 28 28 , . 41 41 - 46 46 , . 51 51 - 56 56 ) vorgesehen sind, von denen jeweils im Wechsel ein Teil die Bewegungsübertragung auf das Abtriebselement ( ) are provided, of which a part of the movement transmission (in each case alternately on the output element 10 10 , . 100 100 ) und der andere Teil die Rückstellung durchführt. ) And the other part to perform the reset.
  4. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimorphelemente ( Adjusting device according to claim 1, characterized in that the bimorphous ( 6 6 - 9 9 , . 16 16 - 19 19 , . 21 21 - 28 28 , . 41 41 - 46 46 , . 51 51 - 56 56 ) an eine Steuerung angeschlossen sind, die die Wirkverbindung eines jeden Bimorphelements mit dem Abtriebselement ( ) Are connected to a controller (the operative connection of each Bimorphelements with the output member 10 10 , . 100 100 ) erst dann aufhebt, nachdem die Wirkverbindung des Abtriebselements mit dem anderen Bimorphelement hergestellt ist. ) Only picks up after the operative connection of the output element is made with the other bimorph.
  5. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimorphelemente mit gleichen, zeitlich versetzten Spannungsverläufen (A – B, C – F, G – J, K – N) beaufschlagt sind. Adjusting device according to claim 1, characterized in that the bimorphous elements with same staggered voltage waveforms (A - B, C - F, G - J, K - N) are applied.
  6. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Bimorphelemente einwirkenden Spannungen eine Frequenz aufweisen, die quasistatischen Betrieb ermöglichen und unterhalb des Ultraschallfrequenzbereichs liegen können. An adjusting device according to claim 1, characterized in that the forces acting on the bimorphous voltages have a frequency that allow quasi-static operation, and may be below the ultrasonic frequency range.
  7. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimorphelemente über ihre Stirnflächen in Wirkverbindung mit dem Abtriebselement ( Adjusting device according to claim 1, characterized in that the bimorphous (via their end faces in operative connection with the output element 10 10 , . 100 100 ) gelangen. ) reach.
  8. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimorphelemente über ihre im Bereich des freien Endes liegenden Seitenflächen in Wirkverbindung mit dem Abtriebselement ( Adjusting device according to claim 1, characterized in that the bimorphous elements lying on their free end in the region of side surfaces in operative connection with the output element ( 10 10 , . 100 100 ) gelangen. ) reach.
  9. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den beiden ein Bimorphelement bildenden Aktoren ein weiteres Aktorenpaar vorgesehen ist, das in Antriebsrichtung des ersten Aktorenpaars parallel daneben angeordnet und mit diesem unter Bildung eines Doppelbimorphelements ( An adjusting device according to claim 1, characterized in that in addition to both a bimorph actuators forming is provided another actuators couple arranged in the driving direction of the first actuator pair parallel and next (with this form a Doppelbimorphelements 16 16 - 19 19 , . 21 21 - 28 28 , . 41 41 - 46 46 , . 51 51 - 56 56 ) fest verbunden ist. ) Is fixedly connected.
  10. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den zumindest zwei zueinander parallelen Bimorphelementen (41 - Adjusting device according to claim 1, characterized in that in addition (to the at least two mutually parallel bimorph 41 - 46 46 ) zumindest zwei weitere Bimorphelemente ( ) At least two further bimorphous ( 51 51 - 56 56 ) vorgesehen sind, die sich in der gleichen Ebene und senkrecht zu den ersten Bimorphelementen erstrecken und ebenfalls zueinander parallel sind. ) Are provided which are parallel to each other in the same plane and perpendicular to the first and also bimorph.
  11. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimorphelemente ( Adjusting device according to claim 1, characterized in that the bimorphous ( 6 6 - 9 9 , . 16 16 - 19 19 , . 21 21 - 28 28 , . 41 41 - 46 46 , . 51 51 - 56 56 ) durch zumindest ein Federelement in Wirkverbindung mit dem Abtriebselement ( ) (By at least one spring element in operative connection with the output element 10 10 ), ) 100 100 ) bringbar und die Wirkverbindung jedes Bimorphelements durch Spannungsbeaufschlagung aufhebbar ist. ), The operative connection of each Bimorphelements engageable and canceled by voltage application.
  12. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimorphelemente mit einer gemeinsamen Basis ( Adjusting device according to claim 1, characterized in that the bimorphous (with a common base 11 11 , . 12 12 , . 29 29 und and 49 49 ) verbunden sind. ) are connected.
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