DE4408618B4 - Adjustment drive made of bimorph elements - Google Patents
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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 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...Adjustment device with piezo drive, in particular for precision mechanical optical devices, consisting of at least one piezo oscillator, which undergoes a change in length due to the application of differently controlled electrical voltages and alternately comes into operative connection via its free end with an output element (10, 100) in such a way that, when there is an active connection, motion is transmitted takes place on the output element, whereas, when the operative connection is broken, the piezo oscillator in the area of its free end is reset to prepare for the next movement transmission, so that the output element carries out the adjustment movement in the desired direction, the piezo oscillator having two actuators, which are in parallel directly next to one another and in Drive direction arranged one behind the other form a bimorph element (1, 6 - 9, 16 - 19, 21 - 28, 41 - 46, 51 - 56), the two actuators extend approximately perpendicular to the desired direction of movement and electrically decoupled from one another and can be controlled separately, such that, using a different expansion of the two actuators of the piezo oscillator, their bending and thus a path curve in longitudinal and ...
Description
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 a piezo drive, in particular for precision mechanical optical devices and the like, consisting of at least one piezo transducer, which by applying differently controlled electrical voltages a change in length learns and take turns its free end comes into operative connection with an output element such that with existing Active connection a transmission of movement takes place on the output element, whereas when the operative connection is removed the piezo oscillator in the area of its free end a provision for Preparing the next motion transmission experience, so that Output element performs the adjustment movement in the desired direction, according to the generic term of claim 1.
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. 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. Dies hat die Erzeugung einer ellipsenähnlichen Schwingbewegung des freien Schwingerendes gegenüber dem Rotor zur Folge, die über Gleitreibungskräfte die Drehung des Rotors hervorruft. Durch den Verkeilungseffekt bewegt sich der Rotor vorwärts, wogegen das Schwingerende bei seiner Rückwärtsbewegung am Rotor entlanggleitet oder abhebt.Known adjustment devices Piezo oscillators are, for example, the so-called micro-impact drives: Here, a piezo oscillator is attached on one side while it with its free end at an angle pressed against a rotor becomes. Now the piezo oscillator with a high-frequency AC voltage excited, which is in the range of the resonance frequency of the vibrator, so leads the transducer standing longitudinal and bending vibrations. This has the creation of an ellipse-like one Swinging movement of the free end of the oscillator relative to the rotor results in the sliding friction forces Rotation of the rotor causes. Moved by the wedging effect the rotor moves forward whereas the oscillating end slides along the rotor during its backward movement or takes off.
Diese Art von Mikrostoßantrieben ist jedoch nur dazu in der Lage, den' Rotor in einer Bewegungsrichtung anzutreiben. 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.This type of micro-impulse drive However, it is only able to drive the rotor in one direction. To get a reversible drive, you need another piezo oscillator provide that engages in the opposite direction on the rotor, whereby each one piezo oscillator out of active connection with the Rotor must be located if one move according to the driving direction of the other Piezo vibrator should be generated.
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. 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. 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. 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.The micro-impulse drives mentioned have a big one though Disadvantage because the piezo oscillators used have a high frequency AC voltage in the ultrasonic range must be excited in order standing longitudinal and to generate bending vibrations that only work with the Microburst drives enable. A simple longitudinal vibration, how it would be generated with quasi-static voltage application, could not to drive, but only to move the Rotors in the order of magnitude the change in length of the piezo oscillator. Because of the high-frequency AC voltage applied, such are Drives only as endurance runners or with burst control for replacement of focal lengths from a few 10 to 100 nm to use. Exactly Positioning, as is particularly the case with precision mechanical and optical devices would be required is in any case not possible with this, since with a resonating oscillator neither a precisely defined one Adjustment feasible the exact point of attack between the rotor and vibrator is still defined can be and for the rest It is unclear whether and how the rotor rotates during the return movement of the vibrator advanced.
Aus der
Die
Piezoschwinger-Antriebsvorrichtungen, auch
mit Richtungswechsel in der Bewegung, sind darüber hinaus noch aus der
Bei der gattungsbildenden Lehre nach
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 above, it is therefore an object of the invention to provide a further developed adjustment device with a piezo drive, in particular using bimorph elements, which in particular ders is inexpensive to manufacture and a simple electrical control is possible.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit der Merkmalskombination des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.The solution to the problem of the invention takes place with the combination of features of claim 1, wherein the subclaims expedient configurations and represent further training.
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. Daraus folgt, daß bei entsprechend gesteuerter Spannungsbeaufschlagung der Aktoren dem freien Ende des Bimorphelementes eine Bewegung in zwei Koordinatenrichtungen, beispielsweise eine Ellipsenbewegung aufzwingbar ist. 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.Overall, there is the advantage that this Bimorph element also well below the resonance frequency, so in the quasi-static frequency range not only movements in the longitudinal direction, but can also perform in the transverse direction, for example the cut one actuator with simultaneous extension of the neighboring actuator due to the fixed connection of the actuators to a lateral deflection of the free end of the bimorph element leads to the side on which the shortened actuator is located located. It follows that at accordingly controlled voltage application of the actuators free end of the bimorph element a movement in two coordinate directions, for example, an elliptical movement can be forced. Here will the upper area of such an elliptical curve curve is used to the transmission of motion in the desired one Direction to perform during the lower area, where the active connection between the bimorph element and output element is lifted for the provision in preparation the next motion transmission is being used.
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 results when the voltage profiles of the two actuators are one Bimorph element out of phase by about 90 ° are and the two actuators are subjected to an approximately sawtooth-shaped alternating voltage be so that one if possible smooth propulsion movement results.
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. 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.At least two bimorph elements are expedient provided so that both alternately for the motion transmission worry while each the bimorph element, which is located in the lower end with its free end Area of the respective curve is located, is reset. So that is ensured that the Output element during the reset of the Bimorph element does not perform an undefined movement, but continue in the desired Direction is moved, i.e. twice the distance covered per time.
Werden zwei Gruppen von Bimorphelementen eingesetzt, laßt sich die Anpressung des Piezoantriebes am Abtriebselement und auch die Genauigkeit beim Positionieren weiter verbessern. 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.Become two groups of bimorph elements used, let the pressure of the piezo drive on the output element and also further improve positioning accuracy. Here are the two groups expediently each connected in parallel, i.e. side by side or one behind the other arranged bimorph elements are as uniform as possible in groups divided with the same voltage curves.
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. Dadurch ist sichergestellt, daß im kritischen Moment des Antriebswechsels dennoch eine sichere Klemmung des Abtriebselementes vorliegt, wodurch die Zustellgenauigkeit verbessert wird.It is useful that the bimorph elements are connected to a controller that connects the active connection of a only then lifts each bimorph element with the output element, after the operative connection of the output element with the other Bimorph element is made. This ensures that the critical When the drive is changed, the output element is still securely clamped is present, whereby the delivery accuracy is improved.
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. 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.It is particularly advantageous if the adjustment movements of the bimorph elements overlap, which is indicated by suitable Voltage curves, achieved, for example, by applying a sawtooth AC voltage can be. This gives to avoid a continuous drive without interrupting the flow of power of the disadvantage that the desired Adjustment movement of the output element to reset a bimorph element must be interrupted.
Auch das Hinzufügen weiterer Bimorphelement-Gruppen wirkt sich positiv auf das Antriebsverhalten aus. 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.Also adding more bimorph element groups has a positive effect on the drive behavior. As the best constellation has the arrangement of two or more pairs of bimorph elements emphasized, the corresponding actuators of the pairs connected in parallel, but all four actuators of a pair are subjected to offset voltage profiles are.
In jedem, also nicht nur im idealen Fall ist es vorteilhaft, wenn die Bimorphelemente mit gleichen, zeitlich versetzten Spannungsverläufen beaufschlagt werden.In everyone, not just in the ideal It is advantageous if the bimorph elements have the same, temporally offset voltage profiles be charged.
Fur die oben erwähnten Anwendungsbereiche weist die auf die Bimorphelemente einwirkende Spannung eine Frequenz auf, die insbesondere unterhalb des Ultraschallfrequenzbereiches liegt. Aufgrund der Vermeidung von Resonanzschwingungen der Bimorphelemente ist eine Auflösung der Zustellbewegungen bis in den unteren Nanometerbereich möglich. 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. 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. um 90° nacheilt.For the above mentioned areas of application the voltage acting on the bimorph elements has a frequency, which is in particular below the ultrasound frequency range. Due to the avoidance of resonance vibrations of the bimorph elements is a resolution of the feed movements possible down to the lower nanometer range. however the scope of the present invention should not now exclusively on limit the frequency range mentioned, since excitation in the ultrasound range for delivery movements makes sense at high speeds and here the voltage amplitude for example ten times higher or a voltage lower by a factor of 10 is required. Because about that in addition, the phase shift in the resonance range is 90 ° is sufficient it here, the one electrode of the bimorph element accordingly to control, the other electrode each automatically. around Lags 90 °.
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. Das Angreifen an der Stirnfläche des Bimorphelementes empfiehlt sich insbesondere dann, wenn dieses – wie oben beschrieben – als Antrieb verwendet wird. Andererseits kann jedoch das Bimorphelement statt als Antriebselement auch als Selbstläufer eingesetzt werden. Dabei kann sich das Bimorphelement entsprechend den Verstellbewegungen auf einer ortsfesten Unterlage fortbewegen, was einer kinematischen Umkehr zum oben beschriebenen Antrieb entspricht.In principle, the bimorph element can come into operative connection with the output element either via its end face, via a side surface or via an intermediate member connected to the bimorph element. Gripping the end face of the bimorph element is particularly advisable if it is used as a drive, as described above. On the other hand, however, the bimorph element can also be used as a self-running device instead of as a drive element. The bimorph element can move according to the adjustment movements on a stationary base, which is a kinemati reverse to the drive described above.
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. Hierdurch wird vor allem eine stabilere Auflage des aus mehreren Bimorphelementen bestehenden Läufers auf der Unterlage und ebenso eine geringere Bauhöhe des Läufers erreicht. Das Anliegen an den Seitenflächen erfolgt natürlich vor allem im Bereich des freien Endes der Bimorphelemente, da dort die Verstellbewegung am größten ist.Was when used as a drive the trajectory is still parallel to the longitudinal extent of the bimorph elements, so it is useful when used as a self-running, over a side surface of the bimorph elements in operative connection with the output element, that is, with the Document. As a result, a more stable edition of the Runner consisting of several bimorph elements on the base and also a lower overall height of the runner reached. Of course, the side surfaces are covered especially in the area of the free end of the bimorph elements, because there the adjustment movement is greatest.
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. 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.For use as a no-brainer it is particularly advantageous if a bimorph element is used with the two forming actuators, a further pair of actuators is firmly connected, wherein the two actuator pairs are next to each other and in cross-section seen should form a square arrangement. This will both lifting off the stationary base, which is used to prepare the Provision of the respective bimorph element is necessary as well as a perpendicular adjustment movement achieved because the four actuators combined to form a double bimorph element by corresponding ones Voltage application can be coordinated with one another as desired.
Werden jedoch solche Doppelbimorphelemente nicht als Selbstläufer, sondern als Antriebe verwendet, so ermöglichen sie eine Verstellbewegung in die zweite Dimension der Abtriebselementebene. Hierbei erfolgt das Aufheben der Wirkverbindung wie bei den oben geschilderten Antrieben durch Verkürzen der Doppelbimorphelemente.However, such double bimorph elements not as a sure-fire success, but used as drives, they allow an adjustment movement in the second dimension of the output element level. This is done removing the active connection as with the drives described above by shortening the double bimorph elements.
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. Bei den Selbstläufern wird
dies insbesondere durch eine Doppelkammanordnung von zueinander
parallelen Doppelbimorphelementen erreicht, wie es in
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. Daßei ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß eine Bewegung in der zweiten Dimension und somit sogar beliebige ebene Kreis- und Kurvenbewegungen möglich sind.This double arrangement can be expanded in this way if at least two additional bimorph elements are provided be in the same plane but perpendicular to the first Bimorph elements extend and are also parallel to each other. Daßei there is the additional Advantage that a Movement in the second dimension and thus even any level Circular and curve movements possible are.
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. 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. Das Aufheben der Wirkverbindung erfolgt durch das jeweilige Bimorphelement selbst, wodurch unvermeidliche Wegdifferenzen sich nicht mehr negativ auf die Qualität der Klemmung auswirken konnen. 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. Die Bimorphelemente können daher mit geringen Präzisionsanforderungen und somit kostengünstiger hergestellt werden.While in the above, used as runners Bimorph elements, their weight for a constant pressing of the bimorph elements the bottom, it is particularly useful with the piezo drives that they by at least one spring element in operative connection with the output element are feasible and the operative connection of each bimorph element Stress can be canceled. This gives the advantage that due of permanent pressure the spring element securely clamps the output element guaranteed at all times is, so always at least one bimorph element in operative connection with the output element. The active connection is removed through the respective bimorph element itself, making inevitable Path differences no longer adversely affect the quality of the clamping can impact. Because only the relative paths and not the absolute length differences the bimorph elements are relevant for clamping or lifting, thus have length fluctuations none of the bimorph elements due to temperature, aging and environmental influences Influence on a reliable Operating behavior of the piezo drive. The bimorph elements can therefore with low precision requirements and therefore cheaper getting produced.
Zur Herbeiführung der Wirkverbindung zwischen Bimorphelement und Abtriebselement besteht zum einen die Möglichkeit, daß das Federelement: auf das Abtriebselement einwirkt; zum anderen kann aber das Federelement stattdessen auf die Bimorphelemente einwirken, wobei es hierbei besonders vorteilhaft ist, diese an einer gemeinsamen Basis zu montieren. Dadurch ist sichergestellt, daß immer das momentan längere Bimorphelement die Wirkverbindung garantiert, während das kürzere Bimorphelement seine Rückstellung durchführen kann.To bring about the active connection between On the one hand there is the possibility of bimorph element and output element that this Spring element: acts on the output element; on the other hand can the spring element instead act on the bimorph elements, it being particularly advantageous to have them on a common one Mount base. This ensures that always the longer one at the moment Bimorph element guarantees the active connection, while the shorter bimorph element its provision carry out can.
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. 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.According to the common basis formed in that at Bimorph elements made of piezoceramic by comb-like sawing out individual ones Comb teeth are made from a piezoceramic plate, whereby the comb web extending perpendicular to the tines as a common Basis maintains the connection between the bimorph elements. in this connection the individual actuators are manufactured in such a way that the electrical decoupled from each other and separately controllable electrodes the piezoceramic are evaporated, expediently - as already mentioned - each equivalent bimorph elements are connected in parallel.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Piezokeramik der Bimorphelemente aus vielen dünnen Schichten gebildet ist. 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.Another advantage is if the piezoceramic of the bimorph elements from many thin layers is formed. Through such multilayer bimorph elements that are in the thickness direction are layered, the required excitation voltage is reduced from, for example, 500 V to 1000 V by a factor of 10 to 50 V to 100 V, which considerably increases the areas of application for such drives.
Darüber hinaus ist es aber auch moglich, daß die Bimorphelemente anstatt aus Piezokeramik aus elektro- oder magnetostriktivem Material bestehen.But it is also beyond that possible that the Bimorph elements made of electro- or magnetostrictive instead of piezoceramic Material.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen; hierbei zeigenOther advantages and features of present invention result from the following description of embodiments based on the drawings; show here
Da nun aber beide Aktoren bzw. Elektroden
Hierbei ist die Elektrode
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 easy to see that at least two bimorph elements arranged side by side and driven in opposite directions the upper area of the elliptical Path curve for transmission the adjustment movement can be used while the lower ellipse area at by the neighboring higher Bimorph element active link between bimorph element and Output element for a reset of the free end can be used.
Die in den
Die vier Bimorphelemente
Wie aus den Bahnkurvenverläufen ersichtlich,
ist es für
ein wirkungsvolles Angreifen der Bimorphelemente
In
In den
Der in den
In
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 it makes sense to use all adjustment devices or runners instead a solid piezoceramic plate a multilayer structure made up of many thin Ceramic layers to use: While with the plate shape with usually 1 mm thickness in one embodiment 500 to 1000 volts required are reduced accordingly in the case of a structure composed of a large number thinner Layers the needed Tension about a factor of 10. For example, for the elliptical trajectories, that result from such stress and from free end of a bimorph element are described, a stroke difference of about 1.5 μm and a lateral deflection difference - used for the infeed movement will - from 10 μm listed.
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