DE4410248C1

DE4410248C1 - Piezoelectric drive for linear displacement

Info

Publication number: DE4410248C1
Application number: DE4410248A
Authority: DE
Inventors: Bernd Hoefer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1994-03-24
Filing date: 1994-03-24
Publication date: 1995-07-13
Anticipated expiration: 2014-03-25

Abstract

The piezoelectric drive has a pair of piezoelectric clamping devices (23,31) spaced along the displacement axis (1), acting radially relative to the latter and at least one piezoelectric actuator (32,33), acting in the direction of the displacement axis, to vary the spacing between the clamping devices. The axis is supported by a guide block (2), following the displacement, in the form of a parallelogram with a base (3) parallel to the axis, a pair of parallel springs (4,5), extending from the base and an outer arm (6) forming part of a U-shaped strap, lying in the parallelogram plane. A rectangular frame (13) between the strap arms (11,12) has openings (18,19) in two frame sides (15,16) for the displacement axis.

Description

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Antriebsvorrichtung zur Ausführung von Linearbewegungen relativ zu einer Achse, mit zwei entlang der Achse im Abstand angeordneten und radial auf die Achse wirkenden piezoelektrischen Klemmvorrich tungen, mit mindestens einem in Achsrichtung wirkenden Piezoaktuator, wobei der gegenseitige Abstand der Klemmvorrichtungen in Abhängigkeit von der Längenände rung des Piezoaktuators veränderbar ist und bei Ausführung eines solchen Bewe gungsschrittes lediglich eine der beiden Klemmvorrichtungen mit der Achse in Eingriff steht, und mit einem die Bewegung führenden und zugleich die Achse tragenden Führungskörper.The invention relates to a piezoelectric drive device for executing Linear movements relative to an axis, with two along the axis at a distance arranged and acting radially on the axis piezoelectric clamping device lines, with at least one piezo actuator acting in the axial direction, the mutual distance of the clamping devices depending on the length tion of the piezo actuator is changeable and when executing such a movement only one of the two clamping devices engages with the axis stands, and with a leading and at the same time supporting the axis Guide body.

Derartige piezoelektrische Antriebe, die nach dem Prinzip "Dehnen-Klemmen" funktionieren, sind allgemein bekannt. Aus der Vielzahl bekannter derartiger Antriebe sei hier exem plarisch auf die DE 38 25 587 A1 verwiesen, in der ein piezoelektrischer Linearmotor beschrieben ist, der zur Ausführung von Linearbewegungen relativ zu einer Schiene eingerichtet ist, auf die im gegenseitigen Abstand piezoelektrische Klemmvorrichtun gen einwirken, die abwechselnd im Gegentakt die Schiene festklemmen, wobei der gegenseitige Abstand der Klemmvorrichtungen mittels eines diese verbindenden pie zoelektrischen Vorschubaktuators im Takt des wechselseitigen Klemmens der Klemmvorrichtungen um das Längungsmaß des Vorschubaktuators veränderbar ist. Jede der Klemmvorrichtungen weist dabei selbst einen piezoelektrischen Aktuator auf, an dem längs seiner Längungsrichtung im Abstand voneinander Füße der Basis eines Klemmbügels angreifen, dessen freien Bügelarme bei Längung des Aktuators und Durchbiegung der Basis die Schiene festklemmen. An den freien Enden der Bü gelarme sind Andrucklager vorgesehen, zwischen denen die Schiene einklemmbar ist. Piezoelectric drives of this type, which operate on the principle of "stretch clamps", are generally known. From the multitude of known drives of this type, let's be exem Plarely referred to DE 38 25 587 A1, in which a piezoelectric linear motor is described for executing linear movements relative to a rail is set up on the piezoelectric clamping device at a mutual distance act that alternately clamp the rail in push-pull, the mutual distance of the clamping devices by means of a pie connecting them zoelectric feed actuator in time with the mutual clamping of the Clamping devices can be changed by the length dimension of the feed actuator. Each of the clamping devices itself has a piezoelectric actuator on the feet of the base along its longitudinal direction at a distance from each other attack a clamp, the free arm of the bracket when elongating the actuator and bending the base clamp the rail. At the free ends of the Bü pressure arms are provided between which the rail can be clamped.

Die Andrucklager sind hierbei entweder beide als V-förmige Lagergruben ausgebildet oder eines der Andrucklager besteht aus einem Spitzenlager und das andere aus einer Lagergrube.The pressure bearings are either both designed as V-shaped bearing pits or one of the pressure bearings consists of a tip bearing and the other of one Storage pit.

Außerdem sei noch auf die DE 35 31 099 C2 hingewiesen, in der ein piezoelektri scher Motor zur Kraftübertragung auf eine geradlinige oder kurvenförmige Stange be schrieben ist. Der Motor weist ein Antriebselement und ein Bewegungsübertragungselement sowie eine Stangenhalterung auf, welche die Be wegung jeweils zugehöriger piezoelektrischer Elemente vom Antriebselement auf die Stange durch Festlegen oder Lösen übertragen.In addition, reference is made to DE 35 31 099 C2, in which a piezoelectric shear motor for power transmission on a straight or curved rod is written. The motor has a drive element and a Movement transmission element and a rod holder, which the Be movement of associated piezoelectric elements from the drive element to the Transfer the rod by locking or releasing it.

Das auf das Bewegungsübertragungselement wirkende Antriebselement ist dabei als mechanischer Verstärker dienendes Hebelsystem ausgebildet, wobei das zugeordnete die eigentliche Verstellbewegung des Motors erzeugende piezoelektrische Element bezüglich seiner Längungsrichtung senkrecht zur Stangenachse angeordnet ist.The drive element acting on the motion transmission element is as mechanical amplifier serving lever system is formed, the associated the actual adjustment movement of the motor generating piezoelectric element is arranged perpendicular to the rod axis with respect to its elongation direction.

Die mit derartigen Antrieben erzielbare Positioniergenauigkeit wird einerseits vom pie zoelektrischen Dehnelement bzw. Vorschubaktuator selbst, d. h. von der möglichen Auflösung der Längenänderung dieses Aktuators in reproduzierbare Einzelschritte, an dererseits aber auch unmittelbar von der Güte der eingesetzten Lager bzw. Füh rungselemente, d. h. von dem von diesen Elementen zugelassenen mechanischen Spiel bestimmt.The positioning accuracy that can be achieved with such drives is achieved on the one hand by pie zoelectric expansion element or feed actuator itself, d. H. of the possible Resolution of the change in length of this actuator in reproducible individual steps on the other hand, it also depends directly on the quality of the bearings or guides used elements, d. H. of the mechanical approved by these elements Game determined.

Sollen mit den bekannten Antrieben bei einem Stellweg von beispielsweise 1 mm Führungsgenauigkeiten von kleiner 1% des Stellweges erreicht werden, so erfordert dies einen vergleichsweise großen mechanischen Aufwand sowie aufwendige Ferti gungsverfahren für die Herstellung der diesen Anforderungen gerecht werdenden La ger bzw. Führungselemente. Außerdem sind die bisher bekannten Antriebsvorrichtun gen mit dem Nachteil behaftet, daß hierbei die Lagerstellen beim Klemmvorgang einer nicht unerheblichen mechanischen Belastung ausgesetzt sind und somit einem gewis sen Verschleiß unterliegen, was letztlich im Laufe der Zeit zu einer Verringerung der Führungsgenauigkeit des Antriebes führt.Should with the known drives with a travel of 1 mm, for example Guide accuracies of less than 1% of the travel can be achieved, so required this is a comparatively large mechanical effort and complex Ferti Development process for the production of the La meet these requirements ger or guide elements. In addition, the previously known drive devices gene suffers from the disadvantage that here the bearings during the clamping process are exposed to not insignificant mechanical stress and thus a certain wear and tear, which ultimately leads to a decrease in time Leadership accuracy of the drive leads.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine piezoelektrische Antriebsvor richtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einerseits ein hohes Maß an Positionier- und Führungsgenauigkeit gewährleistet, die sich andererseits aber auch durch einen unkomplizierten und damit in der Herstellung vergleichsweise weniger aufwendigen sowie durch einen kompakten Aufbau auszeichnet. The invention is therefore based on the object of a piezoelectric drive to create direction of the type mentioned, on the one hand, a high degree of Positioning and guiding accuracy guaranteed, but on the other hand also through an uncomplicated and therefore comparatively less in production complex and characterized by a compact structure.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 an gegebenen Merkmale gelöst. Vorzugsweise Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 6.This object is achieved by the characterizing part of claim 1 given characteristics solved. Preferred embodiments of the invention are Subject of subclaims 2 to 6.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zugehö rigen Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:The invention will be based on an embodiment and a Rige drawing are explained in more detail. The drawing shows:

Fig. 1 in einer perspektivischen Darstellung eine erfindungsgemäße piezoelek trische Antriebsvorrichtung und Fig. 1 is a perspective view of a piezoelectric drive device according to the invention and

Fig. 2 ein Detail der Vorrichtung gemäß Fig. 1, gleichfalls in einer perspekti vischen Ansicht. Fig. 2 shows a detail of the device of FIG. 1, also in a perspective view.

Fig. 1 zeigt eine piezoelektrische Antriebsvorrichtung zur Ausführung von hochpräzi sen Linearbewegungen relativ zu einer Achse 1. Die beispielsweise zum hochgenauen Verstellen von optischen Gittern geeignete Antriebsvorrichtung weist einen die Be wegung führenden und zugleich die Achse 1 tragenden Führungskörper 2 auf. Dieser Führungskörper 2 besteht aus Stahl, ist aus einem Stück, z. B. mittels elektroerosiven Verfahrens, gefertigt und im einzelnen wie folgt ausgebildet:
Der Führungskörper 2 weist vier, ein Parallelogramm bildende äußere Schenkel 3, 4, 5 und 6 auf, wovon der in der Zeichnung mit 3 bezeichnete Schenkel eine Basis ver körpert, zu der die Achse 1 parallel angeordnet ist, und benachbarte Schenkel durch Festkörpergelenke 7, 8, 9 und 10 miteinander verbunden sind. Die Festkörpergelenke 7, 8, 9 und 10 sind dabei so angeordnet, daß die der Basis benachbarten Schenkel 4 und 5 Parallelfedern der Länge 1 bilden. Zwischen den Festkörpergelenken 7 und 9 bzw. 8 und 10 weisen diese Parallelfedern auf einer Länge k jeweils eine Versteifung auf. Der der Basis gegenüberliegende äußere Schenkel 6 ist Teil eines u-förmigen Bügels, dessen Bügelarme 11 und 12 in der von den Schenkeln 3, 4, 5 und 6 aufge spannten Parallelogrammebene und jeweils im Abstand zum benachbarten äußeren Schenkel 4 bzw. 5 liegen. Im Bereich ihres zur Basis weisenden Endes sind die Bü gelarme 11 und 12 starr mit der Achse 1 verbunden, z. B. indem die Achse 1 von ih rem Durchmesser entsprechend großen Bohrungen in den Bügelarmen 11, 12 aufge nommen und dort mittels geeigneten Klebstoffes eingeklebt ist. Zum Führungskörper 2 gehört ferner ein zwischen den Bügelarmen 11 und 12 plazierter und im wesentli chen rechteckförmiger Rahmen 13, dessen eine Rahmenseite 14 von einem Teil der Basis gebildet ist und dessen dieser Rahmenseite 14 benachbarten, einander gegen überliegenden Rahmenseiten 15, 16 jeweils eine Öffnung 18, 19 aufweisen, durch welche die Achse 1 hindurchführt. Innerhalb dieses Rahmens 13 ist in unmittelbarer Nachbarschaft zur Rahmenseite 15 eine aus einem Piezoaktuator 20, einem Klemm stück 21 sowie einer Tellerfeder 22 bestehende erste Klemmvorrichtung 23 angeord net, und zwar so, daß diese sich einerseits an der Basis bzw. Rahmenseite 14 und andererseits an der der Basis gegenüberliegenden Rahmenseite 17 abstützt und somit radial auf die Achse 1 wirkt. Die Rahmenseite 14 weist hierzu einen Vorsprung mit einer Vertiefung auf, in welche die Tellerfeder 22 eingelegt ist, die wiederum auf eine Seite des die Achse 1 umgreifenden Klemmstückes 21 wirkt, an dessen gegen überliegender Seite der Piezoaktuator 20 angreift, der seinerseits von einer Aufnahme gehalten wird, die mittels Festkörpergelenkes mit der Rahmenseite 17 verbunden ist. Vom Rahmen 13 ist ferner ein in Achsrichtung x bewegliches, über zwei Festkör pergelenke 24, 25 mit der Rahmenseite 15 verbundenes Teil 26 aufgenommen. Die ses Teil 26, in dem eine Öffnung vorgesehen ist, durch welche die Achse 1 hin durchführt, weist eine Aussparung 27 auf, in der eine zweite gleichfalls aus einem Piezoaktuator 28, einem Klemmstück 29 sowie aus einer Tellerfeder 30 bestehende und in radialer Richtung auf die Achse 1 wirkende Klemmvorrichtung 31 plaziert ist. Die Klemmvorrichtung 31 ist dabei bezüglich der Klemmvorrichtung 23 um 180° gedreht angeordnet. Die Antriebsvorrichtung wird komplettiert durch zwei innerhalb des Rahmens 13 in Achsrichtung x wirkende, beiderseits der Achse 1 angeordnete Piezoaktuatoren 32, 33, die sich einerseits jeweils an einem als Schulter ausgebilde ten Vorsprung am beweglichen Teil 26 und andererseits an der Rahmenseite 16 ab stützen, die derjenigen gegenüberliegt, mit der die Festkörpergelenke 24, 25 verbun den sind. Beide Piezoaktuatoren 32 und 33 werden dabei jeweils von einer Aufnahme gehalten, die ihrerseits mittels Festkörpergelenkes mit der Rahmenseite 16 in Verbindung steht. Fig. 1 shows a piezoelectric drive device for executing hochpräzi sen linear movements relative to an axis 1st The drive device, which is suitable, for example, for the highly precise adjustment of optical gratings, has a guide body 2 which guides the movement and at the same time carries the axis 1 . This guide body 2 is made of steel, is made of one piece, for. B. manufactured by means of electroerosive processes and designed in detail as follows:
The guide body 2 has four outer legs 3 , 4 , 5 and 6 forming a parallelogram, of which the leg designated 3 in the drawing represents a base to which the axis 1 is arranged in parallel, and adjacent legs by solid body joints 7 , 8 , 9 and 10 are interconnected. The solid joints 7 , 8 , 9 and 10 are arranged so that the legs 4 and 5 adjacent to the base form parallel springs of length 1 . Between the solid joints 7 and 9 or 8 and 10 , these parallel springs each have a stiffening over a length k. The base opposite the outer leg 6 is part of a U-shaped bracket, the bracket arms 11 and 12 in the parallelogram plane spanned by the legs 3 , 4 , 5 and 6 and each at a distance from the adjacent outer legs 4 and 5 respectively. In the area of their base-facing end the Bü gelarme 11 and 12 are rigidly connected to the axis 1 , z. B. by the axis 1 of ih rem diameter correspondingly large holes in the bracket arms 11 , 12 is taken up and glued there by means of a suitable adhesive. To the guide body 2 also includes a-placed between the bracket arms 11 and 12 and in wesentli chen rectangular frame 13 having one side frame 14 is formed by a part of the base and which this side of the frame 14 adjacent opposite sides of the frame 15, 16 each have an opening 18 , 19 , through which the axis 1 passes. Within this frame 13 is in the immediate vicinity of the frame side 15 from a piezo actuator 20 , a clamping piece 21 and a plate spring 22 existing first clamping device 23 angeord net, in such a way that these are on the one hand at the base or frame side 14 and on the other supports the frame side 17 opposite the base and thus acts radially on the axis 1 . For this purpose, the frame side 14 has a projection with a recess into which the plate spring 22 is inserted, which in turn acts on one side of the clamping piece 21 encompassing the axis 1 , on the opposite side of which the piezo actuator 20 acts, which in turn is held by a receptacle is connected to the frame side 17 by means of a solid body joint. From the frame 13 is also a movable in the axial direction x, via two solid body joints 24 , 25 connected to the frame side 15 part 26 . Ses part 26 , in which an opening is provided through which the axis 1 leads through, has a recess 27 in which a second also consisting of a piezo actuator 28 , a clamping piece 29 and a plate spring 30 and in the radial direction the axis 1 acting clamping device 31 is placed. The clamping device 31 is arranged rotated by 180 ° with respect to the clamping device 23 . The drive device is completed by two within the frame 13 acting in the axial direction x, on both sides of the axis 1 arranged piezo actuators 32 , 33 , which are supported on the one hand in each case on a projection designed as a shoulder on the movable part 26 and on the other hand on the frame side 16 , which opposed to those with which the solid joints 24 , 25 are connected. Both piezo actuators 32 and 33 are each held by a receptacle, which in turn is connected to the frame side 16 by means of a solid body joint.

Fig. 2 zeigt das Klemmstück 29 der Klemmvorrichtung 31 im einzelnen, das im übri gen genauso ausgebildet ist wie das Klemmstück 21 der Klemmvorrichtung 23. Das Klemmstück 29 weist auf einander gegenüberliegenden Seiten zwei ebene zueinander parallele Flächen 34 und 35 auf, wobei an der Fläche 34 der Piezoaktuator 28 an greift und auf die Fläche 35 die Tellerfeder 30 wirkt. Ferner ist das Klemmstück 29 mit einer Öffnung 36 versehen, durch welche die Achse 1 hindurchführt. Die lichte Weite der Öffnung 36 ist dabei in der Wirkungsrichtung des Piezoaktuators 28 bzw. der Tellerfeder 30, d. h. in einer zur Achsrichtung x senkrechten Richtung (y-Richtung) größer als der Durchmesser der Achse 1. Auf ihrer der Fläche 35 zugewandten Seite 37 hat die Öffnung 36 eine an die Geometrie der Achse 1 angepaßte Form, d. h. die Öffnung 36 weist dort eine rinnen- bzw. im Querschnitt annähernd halbkreisförmige Gestalt auf. Fig. 2 shows the clamping piece 29 of the clamping device 31 in detail, which is formed in the rest gene just as the clamping piece 21 of the clamping device 23rd The clamping piece 29 has two planar surfaces 34 and 35 which are parallel to one another on opposite sides, the piezo actuator 28 engaging on the surface 34 and the plate spring 30 acting on the surface 35 . Furthermore, the clamping piece 29 is provided with an opening 36 through which the axis 1 passes. The clear width of the opening 36 is larger in the direction of action of the piezo actuator 28 or the plate spring 30 , ie in a direction perpendicular to the axial direction x (y direction) than the diameter of the axis 1 . On its side 37 facing the surface 35 , the opening 36 has a shape adapted to the geometry of the axis 1 , ie the opening 36 has a channel-shaped or approximately semicircular shape in cross section.

Im ausgeschalteten Zustand der Piezoaktuatoren 20 und 28 drückt die jeweilige Tel lerfeder 22 bzw. 30 das entsprechende Klemmstück 21 bzw. 29 gegen die Achse 1, wodurch sowohl der Rahmen 13 als auch das Teil 26 bezüglich der Achse 1 fixiert sind. Werden die Piezoaktuatoren 20 und 28 dagegen mit einer elektrischen Span nung beaufschlagt, so öffnen die entsprechenden Klemmvorrichtungen 23 bzw. 31, d. h. die Klemmung wird aufgehoben, indem durch die Längung des Piezoaktuators 20 bzw. 28 das jeweilige Klemmstück 21 bzw. 29 gegen die Tellerfeder 22 bzw. 30 ge drückt wird.In the switched-off state of the piezo actuators 20 and 28 , the respective Tel spring 22 or 30 presses the corresponding clamping piece 21 or 29 against the axis 1 , as a result of which both the frame 13 and the part 26 are fixed with respect to the axis 1 . If the piezo actuators 20 and 28, on the other hand, are subjected to an electrical voltage, the corresponding clamping devices 23 and 31 open, ie the clamping is released by the respective clamping piece 21 or 29 against the plate spring by the elongation of the piezo actuator 20 or 28 22 or 30 is pressed ge.

Die Antriebsvorrichtung funktioniert wie folgt:
Als Ausgangssituation sei angenommen, daß die Klemmvorrichtung 23 ihre Wirkung entfaltet, d. h. am Piezoaktuator 20 keine Spannung anliegt, dagegen die Klemmwir kung der Klemmvorrichtung 31 durch eine am Piezoaktuator 28 anliegende Spannung aufgehoben ist und daß die Antriebsvorrichtung am Schenkel 6 festgelegt ist. Werden nun die Piezoaktuatoren 32 und 33 angesteuert, d. h. mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, so wird durch deren Längung das Teil 26 samt Klemmvorrichtung 31 innerhalb des Rahmens 13 entgegen der x-Richtung auf der Achse 1 verschoben, indem dabei die symmetrisch zur Achse 1 angeordneten Festkörpergelenke 24, 25 verbogen werden. D.h. das Teil 26 bewegt sich auf die Rahmenseite 15 zu, wobei der gegenseitige Abstand der Klemmvorrichtungen 23 und 31 um die Längenände rung der Piezoaktuatoren 32, 33 verringert wird. Mit dem nachfolgenden Abschalten des Piezoaktuators 28 wird das Teil 26 in dieser Position auf der Achse 1 fixiert. Werden in der Folge die Piezoaktuatoren 32 und 33 ab- und der Piezoaktuator 20 ein geschaltet, also die Klemmwirkung der Klemmvorrichtung 23 und damit die Fixierung des Rahmens 13 auf der Achse 1 aufgehoben, so drücken die Festkörpergelenke 24, 25 in ihrem Bestreben, eine unverbogene Stellung einzunehmen, den Rahmen 13 mit der Klemmvorrichtung 23 entgegen der x-Richtung auf der Achse 1 bis der ursprüng liche gegenseitige Abstand der Klemmvorrichtungen 23 und 31 wieder hergestellt ist. Bei dieser Bewegung wird der Abstand zwischen der Rahmenseite 15 und dem Bü gelarm 11 geringer und der Abstand der Rahmenseite 16 vom Bügelarm 12 um den entsprechenden Betrag größer. Wird nun die Klemmvorrichtung 23 wieder aktiviert, d. h. die Spannung am Piezoaktuator 20 abgeschaltet und damit der Rahmen 13 in dieser Position auf der Achse 1 fixiert, so kann der Bewegungszyklus in der be schriebenen Weise wiederholt werden, indem die Klemmwirkung der Klemmvorrich tung 31 aufgehoben und die Piezoaktuatoren 32 und 33 erneut angesteuert werden.The drive device works as follows:
As a starting point it is assumed that the clamping device 23 has its effect, ie there is no voltage at the piezo actuator 20 , whereas the clamping effect of the clamping device 31 is canceled by a voltage applied to the piezo actuator 28 and that the drive device is fixed on the leg 6 . If the piezo actuators 32 and 33 are now actuated, ie subjected to an electrical voltage, the elongation of the part 26 together with the clamping device 31 within the frame 13 is displaced against the x-direction on the axis 1 by thereby arranging them symmetrically to the axis 1 Solid joints 24 , 25 are bent. That is, the part 26 moves to the frame side 15 , the mutual distance between the clamping devices 23 and 31 being reduced by the length change of the piezo actuators 32 , 33 . With the subsequent switching off of the piezo actuator 28 , the part 26 is fixed in this position on the axis 1 . If the piezo actuators 32 and 33 are subsequently switched off and the piezo actuator 20 is switched on, that is to say the clamping action of the clamping device 23 and thus the fixing of the frame 13 on the axis 1 are released, the solid-state joints 24 , 25 in their endeavor push an unbent To take position, the frame 13 with the clamping device 23 against the x-direction on the axis 1 until the original mutual spacing of the clamping devices 23 and 31 is restored. During this movement, the distance between the frame side 15 and the bracket arm 11 becomes smaller and the distance between the frame side 16 and the bracket arm 12 increases by the corresponding amount. If the clamping device 23 is now activated again, ie the voltage on the piezo actuator 20 is switched off and thus the frame 13 is fixed in this position on the axis 1 , the movement cycle can be repeated in the manner described by the clamping action of the clamping device 31 being canceled and the piezo actuators 32 and 33 are controlled again.

Soll eine Bewegung bzw. Verstellung in x-Richtung erreicht werden, so werden die Piezoaktuatoren 32 und 33 dann angesteuert, wenn die Klemmvorrichtung 31 ihre Wirkung entfaltet und die Wirkung der Klemmvorrichtung 23 aufgehoben ist. In die sem Fall stützen sich die Piezoaktuatoren 32 und 33 am bezüglich der Achse 1 mit tels Klemmvorrichtung 31 fixierten Teil 26 ab und drücken bei ihrer Längung den Rahmen 13 samt Klemmvorrichtung 23 auf der Achse 1 in x-Richtung, wobei die Festkörpergelenke 24 und 25 verbogen werden. D.h. hierbei wird der gegenseitige Abstand der Klemmvorrichtungen 23 und 31 dadurch verringert, daß sich der Rahmen 13 mit seiner Rahmenseite 15 auf das Teil 26 zubewegt. Wird anschließend der Pie zoaktuator 20 abgeschaltet, so wird der Rahmen 13 in dieser Position auf der Achse 1 fixiert. Mit dem nachfolgenden Abschalten der Piezoaktuatoren 32 und 33 und dem Aufheben der Klemmwirkung der Klemmvorrichtung 31 und damit der Fixierung des Teiles 26 auf der Achse 1 drücken nun die Festkörpergelenke 24, 25 das Teil 26 samt Klemmvorrichtung 31 auf der Achse 1 in x-Richtung bis der ursprüngliche Ab stand der Klemmvorrichtungen 23 und 31 wieder hergestellt ist. Auch dieser Bewe gungszyklus ist selbstverständlich wiederholbar, wobei sich hierbei der Abstand zwi schen der Rahmenseite 16 und dem Bügelarm 12 verringert und der Abstand der Rahmenseite 15 vom Bügelarm 11 entsprechend vergrößert.If a movement or adjustment in the x direction is to be achieved, the piezo actuators 32 and 33 are activated when the clamping device 31 has its effect and the effect of the clamping device 23 is canceled. In this case, the piezo actuators 32 and 33 are supported on the part 26 fixed with respect to the axis 1 by means of the clamping device 31 and, when elongated, press the frame 13 together with the clamping device 23 on the axis 1 in the x direction, the solid-state joints 24 and 25 be bent. This means that the mutual distance between the clamping devices 23 and 31 is reduced in that the frame 13 moves with its frame side 15 towards the part 26 . If the piezo actuator 20 is then switched off, the frame 13 is fixed in this position on the axis 1 . With the subsequent switching off of the piezo actuators 32 and 33 and the removal of the clamping effect of the clamping device 31 and thus the fixing of the part 26 on the axis 1 , the solid-state joints 24 , 25 now press the part 26 together with the clamping device 31 on the axis 1 in the x direction From the original stand of the clamping devices 23 and 31 is restored. This movement cycle is of course repeatable, with the distance between the frame side 16 and the bracket arm 12 being reduced and the distance between the frame side 15 and the bracket arm 11 being increased accordingly.

Es ist aber auch ebensogut möglich, die Antriebsvorrichtung statt am Schenkel 6 an der Basis 3 festzulegen. In diesem Fall funktioniert die Antriebsvorrichtung wie folgt: Als Ausgangssituation sei auch hier angenommen, daß die Klemmvorrichtung 23 ihre Wirkung entfaltet, d. h. am Piezoaktuator 20 keine Spannung anliegt, dagegen die Klemmwirkung der Klemmvorrichtung 31 durch eine am Piezoaktuator 28 anliegende Spannung aufgehoben ist. Werden nun die Piezoaktuatoren 32 und 33 angesteuert, d. h. mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, so wird durch deren Längung das Teil 26 samt Klemmvorrichtung 31 innerhalb des Rahmens 13 entgegen der x-Rich tung auf der Achse 1 verschoben, indem dabei die symmetrisch zur Achse angeord neten Festkörpergelenke 24, 25 verbogen werden. D.h. das Teil 26 bewegt sich auf die Rahmenseite 15 zu, wobei der gegenseitige Abstand der Klemmvorrichtungen 23 und 31 um die Längenänderung der Piezoaktuatoren 32, 33 verringert wird. Mit dem nachfolgenden Abschalten des Piezoaktuators 28 wird das Teil 26 in dieser Position auf der Achse 1 fixiert. Werden in Folge der Piezoaktuator 20 eingeschalten und die Piezoaktuatoren 32, 33 abgeschalten, also die Klemmwirkung der Klemmvorrichtung 23 auf die Achse 1 aufgehoben, so drücken die Festkörpergelenke 24, 25 in ihrem Bestreben, eine unverbogene Stellung einzunehmen, das Teil 26 in seine Ausgangs lage zurück. Die in der Klemmvorrichtung 31 fixierte Achse 1 wird in x-Richtung ge zogen, und durch die starre Verbindung der Achse 1 mit den Bügelarmen 11 und 12 werden diese über die von den Schenkeln 3, 4, 5 und 6 und den Festkörpergelenken 7 bis 10 gebildete Parallelfederführung in x-Richtung bewegt. Bei dieser Bewegung wird der Abstand zwischen der Rahmenseite 15 und dem Bügelarm 11 geringer und der Abstand der Rahmenseite 16 vom Bügelarm 12 um den entsprechenden Betrag größer. Wird nun die Klemmvorrichtung 23 wieder aktiviert, d. h. die Spannung am Piezoaktuator 20 abgeschaltet und damit der Rahmen 13 in dieser Position auf der Achse 1 fixiert, so kann der Bewegungszyklus in der beschriebenen Weise wiederholt werden, indem die Klemmwirkung der Klemmvorrichtung 31 aufgehoben und die Pie zoaktuatoren 32 und 33 erneut angesteuert werden.However, it is also just as possible to fix the drive device to the base 3 instead of the leg 6 . In this case, the drive device functions as follows: As an initial situation, it is also assumed here that the clamping device 23 has its effect, ie there is no voltage at the piezo actuator 20 , whereas the clamping effect of the clamping device 31 is canceled by a voltage applied to the piezo actuator 28 . If the piezo actuators 32 and 33 are now actuated, ie subjected to an electrical voltage, the part 26 together with the clamping device 31 is displaced within the frame 13 against the x-direction on the axis 1 by the elongation thereof, thereby arranging the axis symmetrically to the axis Neten solid-state joints 24 , 25 are bent. That is, the part 26 moves towards the frame side 15 , the mutual distance between the clamping devices 23 and 31 being reduced by the change in length of the piezo actuators 32 , 33 . With the subsequent switching off of the piezo actuator 28 , the part 26 is fixed in this position on the axis 1 . If, as a result, the piezo actuator 20 is switched on and the piezo actuators 32 , 33 are switched off, i.e. the clamping action of the clamping device 23 on the axis 1 is removed, the solid-state joints 24 , 25 press in their endeavor to assume an unbent position, the part 26 in its starting position back. The axis 1 fixed in the clamping device 31 is pulled in the x-direction, and by the rigid connection of the axis 1 with the bracket arms 11 and 12 , these are via the legs 3 , 4 , 5 and 6 and the solid joints 7th to 10th formed parallel spring guide moved in the x direction. During this movement, the distance between the frame side 15 and the bracket arm 11 becomes smaller and the distance between the frame side 16 and the bracket arm 12 increases by the corresponding amount. If the clamping device 23 is now activated again, ie the voltage at the piezo actuator 20 is switched off and the frame 13 is thus fixed in this position on the axis 1 , the movement cycle can be repeated in the manner described by the clamping action of the clamping device 31 being canceled and the pie zoaktuatoren 32 and 33 are controlled again.

Soll eine Bewegung bzw. Verstellung entgegen der x-Richtung erreicht werden, so werden die Piezoaktuatoren 32 und 33 dann angesteuert, wenn die Klemmvorrich tung 31 ihre Wirkung entfaltet und die Wirkung der Klemmvorrichtung 23 aufgehoben ist. In diesem Fall schieben die Piezoaktuatoren 32 und 33 die in der Klemmvorrich tung 31 fixierte Achse 1 entgegen der x-Richtung, und durch die starre Verbindung der Achse 1 mit den Bügelarmen 11 und 12 werden diese über die aus den Schen keln 3 bis 6 und den Festkörpergelenken 7 bis 10 gebildete Parallelfederführung ent gegen der x-Richtung bewegt. Wird anschließend der Piezoaktuator 20 abgeschalten, so werden die Achse 1 und die Bügelarme 11 und 12 in dieser Position fixiert. Mit dem nachfolgenden Aufheben der Klemmwirkung der Klemmvorrichtung 31 und dem Abschalten der Piezoaktuatoren 32 und 33 drücken nun die Festkörpergelenke 24, 25 das Teil 26 samt Klemmvorrichtung 31 auf der Achse 1 in x-Richtung, bis der ur sprüngliche Abstand der Klemmvorrichtungen 23 und 31 wieder hergestellt ist. Auch dieser Bewegungszyklus ist selbstverständlich wiederholbar, wobei sich hierbei der Abstand zwischen der Rahmenseite 16 und dem Bügelarm 12 verringert und der Ab stand der Rahmenseite 15 vom Bügelarm 11 entsprechend vergrößert.If a movement or adjustment against the x-direction is to be achieved, then the piezo actuators 32 and 33 are activated when the device 31 has its effect and the effect of the clamping device 23 is canceled. In this case, the piezo actuators 32 and 33 push the device fixed in the Klemmvorrich 31 axis 1 against the x-direction, and by the rigid connection of the axis 1 with the bracket arms 11 and 12 , these are from the legs of the 3 to 6 and the solid-state joints 7 to 10 formed parallel spring ent moves against the x-direction. If the piezo actuator 20 is then switched off, the axis 1 and the bracket arms 11 and 12 are fixed in this position. With the subsequent cancellation of the clamping action of the clamping device 31 and the switching off of the piezo actuators 32 and 33 , the solid-state joints 24 , 25 now press the part 26 together with the clamping device 31 on the axis 1 in the x direction until the original distance of the clamping devices 23 and 31 again is made. This movement cycle is of course repeatable, with the distance between the frame side 16 and the bracket arm 12 being reduced and the distance from the frame side 15 of the bracket arm 11 increased accordingly.

Der maximal erreichbare Stellweg in x-Richtung bzw. in der entgegengesetzten Rich tung wird von der vorgegebenen Abstandssumme zwischen dem Bügelarm 11 und der Rahmenseite 15 sowie dem Bügelarm 12 und der Rahmenseite 16 bestimmt.The maximum achievable travel in the x direction or in the opposite direction Rich is determined by the predetermined distance between the bracket arm 11 and the frame side 15 and the bracket arm 12 and the frame side 16 .

Dadurch, daß die Achse 1 starr in den Bügelarmen 11, 12 befestigt ist und damit die Achse 1 nicht - wie sonst üblich - unmittelbar im Bereich der Klemmstellen der Klemmvorrichtung gelagert bzw. geführt ist, die Führung der Verstellbewegung viel mehr mit Hilfe der von den äußeren Schenkeln 4, 5 mit den Festkörpergelenken 7 bis 10 gebildeten Parallelfedern und damit spielfrei erfolgt, ist eine hochpräzise geradli nige Verstellbewegung möglich.Characterized in that the axis 1 is fixed rigidly in the bracket arms 11 , 12 and thus the axis 1 is not - as usual - mounted or guided directly in the area of the clamping points of the clamping device, the guidance of the adjustment movement much more with the help of outer legs 4 , 5 with the solid joints 7 to 10 formed parallel springs and thus takes place without play, a high-precision rectilinear adjustment movement is possible.

Die bei der Verstellbewegung auftretende Querabweichung (y-Richtung) der von den Parallelogrammschenkeln 4, 5 und 6 sowie den Bügelarmen 11 und 12 gebildeten Koppel wird durch die offene Gestaltung der Klemmstücken 21 und 28 und deren bewegliche Anordnung in y-Richtung ausgeglichen.The transverse deviation (y direction) occurring during the adjustment movement of the coupling formed by the parallelogram legs 4 , 5 and 6 and the bracket arms 11 and 12 is compensated for by the open design of the clamping pieces 21 and 28 and their movable arrangement in the y direction.

Durch Optimierung der Länge l der Parallelfedern, der Länge k der Versteifung und des Abstandes a dieser Parallelfedern können die Größen für Querabweichung und Verdrehung der Koppel stark minimiert werden.By optimizing the length l of the parallel springs, the length k of the stiffener and the distance a of these parallel springs can be the sizes for transverse deviation and Twisting of the coupling can be greatly minimized.

So sind mit der beschriebenen Antriebsvorrichtung bei einem Verstellweg (in x-Rich tung) von 1000 µm Querabweichungen (in y-Richtung) von kleiner 0,15% des Stell weges und eine Verdrehung kleiner (6,1 × 10^-6)° erreichbar.Thus, with the drive device described, with an adjustment path (in the x direction) of 1000 μm, transverse deviations (in the y direction) of less than 0.15% of the adjustment path and a twist of less than (6.1 × 10 ^-6 ) ° can be achieved .

Bemerkenswert ist bei der beschriebenen Antriebsvorrichtung darüber hinaus der Vorteil, daß sich Verschleißerscheinungen an der Achse 1 infolge der mechanischen Belastung des Klemmens an den Klemmstellen nicht auf die Lagerung der Achse 1 auswirken.It is also remarkable with the drive device described that wear on axis 1 due to the mechanical loading of the clamping at the clamping points does not affect the mounting of axis 1 .

Die Fertigung des Führungskörpers 2 samt (Antriebs-) Teil 26 aus einem Stück ver meidet schließlich die bei einer üblichen mechanischen Kopplung ansonsten notwen dige Justage der Elemente zueinander.The manufacture of the guide body 2 together with the (drive) part 26 finally avoids the otherwise necessary adjustment of the elements to each other in a conventional mechanical coupling.

Claims

1. Piezoelectric drive device for executing linear movements relative to an axis, with two piezoelectric clamping devices arranged along the axis at a distance and acting radially on the axis, with at least one piezo actuator acting in the axial direction, the mutual spacing of the clamping devices depending on the length change of the piezo actuator is changeable and when executing such a movement step only one of the two clamping devices is in engagement with the axis, and with a guide body ( 2 ) guiding the movement and at the same time carrying the axis ( 1 ), characterized in that
that the guide body ( 2 ) is made in one piece and has four, a parallel lelogram forming outer legs ( 3 , 4 , 5 , 6 ), of which one leg ( 3 ) forms a base to which the axis ( 1 ) is arranged in parallel and adjacent legs ( 3 , 4 , 5 , 6 ) are connected to one another by solid-state joints ( 7 , 8 , 9 , 10 ) such that
the legs adjacent to the base ( 4 , 5 ) form parallel springs that the base opposite the outer leg ( 6 ) is part of a u-shaped bracket, the bracket arms ( 11 , 12 ) plane in the parallelogram and each at a distance within the adjacent outer legs ( 4 , 5 ), and the bracket arms ( 11 , 12 ) are rigidly connected to the axis ( 1 ) in the region of their end sending to the base and
that the guide body ( 2 ) further comprises a substantially rectangular frame ( 13 ) placed between the bracket arms ( 11 , 12 ), one frame side ( 14 ) of which is embodied by part of the base and the frame side ( 14 ) of which is adjacent to one another lying frame sides ( 15 , 16 ) each have an opening ( 18 , 19 ) through which the axis ( 1 ) is guided and
that one of the two clamping devices ( 23 ) is arranged within the frame ( 13 ) in such a way that it is supported on the one hand at the base and on the other hand on the frame side ( 17 ) opposite the base and
that the frame ( 13 ) also accommodates a part ( 26 ) which is movable in the axial direction (x) and is connected to one of the frame sides ( 15 ) via two solid-state joints ( 24 , 25 ),
that this movable part ( 26 ) has a recess ( 27 ) in which the second clamping device ( 31 ) is placed, and that two acting in the axial direction (x), on both sides of the axis ( 1 ) angeord designated piezo actuators ( 32 , 33 ) are provided are based on the one hand on the movable part ( 26 ) and on the other hand on the frame side ( 16 ), which is opposite to that with which the two further solid joints ( 24 , 25 ) are connected.

2. Piezoelectric drive device according to claim 1, characterized in that
that the clamping devices ( 23 , 31 ) each consist of the series arrangement of a piezo actuator ( 20 , 28 ) of a clamping piece ( 21 , 29 ) and a spring element ( 22 , 30 ),
that the clamping piece (21, 29) flat on opposite sides of two mutually parallel surfaces (34, 35), said surfaces of one of the FLAE (34) of the piezo actuator (20, 28) engages and surfaces on the other of these FLAE (35 ) the spring element ( 22 , 30 ) acts and
that the clamping piece ( 21 , 29 ) is provided with an opening ( 36 ) through which the axis ( 1 ) passes, the clear width of the opening ( 36 ) in the direction of action (y-direction) of the piezo actuator ( 20 , 28 ) is larger than the diameter of the axis ( 1 ).

3. Piezoelectric drive device according to claim 2, characterized in that the second clamping device ( 31 ) relative to the first clamping device ( 23 ) is arranged rotated by 180 °.

4. Piezoelectric drive device according to claim 2 or 3, characterized in that the opening ( 36 ) of the clamping piece ( 21 , 29 ) on its surface ( 35 ) on which the spring element ( 22 , 30 ) engages, side (37) has a shape adapted to the geometry of the axis ( 1 ).

5. Piezoelectric drive device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the spring elements ( 22 , 30 ) are designed as disc springs.

6. Piezoelectric drive device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the axis ( 1 ) in the openings of the bracket arms ( 11 , 12 ) is glued.