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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Rotation eines Objektes um
eine Achse, insbesondere Rotationsvorrichtungen, die nach dem Prinzip
der Rutsch-Haft-Bewegung arbeiten.
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Die
Verwendung von Rotations-Positionier-Vorrichtungen in verschiedenen
industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen ist weitverbreitet.
Anwendungen, welche Rotations-Positionierer
verwenden, umfassen: verschiedene Formen der Mikroskopie einschließlich Rastersondenmikroskopie,
optischer Mikroskopie und Elektronen-Mikroskopie; Probenhandhabung
während
der Halbleiter-Prozessierung; eine Vielfalt von Vakuumanwendungen einschließlich Ultrahochvakuum-(UHV)-Anwendungen;
Rotation von Gegenständen
in einem magnetischen Feld, welches durch einen konventionellen oder
supraleitenden Magneten erzeugt wird; und eine Vielfalt von Anwendungen,
welche die Rotation von Proben oder anderen Komponenten innerhalb von
Kryostaten einschließlich
Magnet-Kryostaten betreffen.
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Rotations-Positionier-Vorrichtungen
können auf
einer Anzahl verschiedener Bauarten basieren. Die Vorrichtungen
können
beispielsweise auf Schrittmotoren basieren. Eine andere Bauart,
welche für Autofokusanwendungen
für Kameras
verwendet wird, basiert auf Ultraschallmotoren. Eine weitere Bauart,
zu welcher die vorliegende Erfindung gehört, basiert auf Trägheitsmotoren.
Ein bekannter Rotations-Positionierer, welcher auf einem Trägheitsmotor basiert,
wird nun beschrieben.
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1A und 1B der
begleitenden Zeichnungen zeigen einen Trägheits-Rotations-Positionierer,
wie er in der Referenz [1] beschrieben ist. Eine polierte Stahlkugel
S liegt auf drei piezo-elektrischen Stellgliedern A, B und C, welche
an einer gemeinsamen Basisplatte X befestigt sind. Die Kugel bildet
den beweglichen, d.h. rotierbaren, Teil des Positionierers. Um einen
kleinen und wohldefinierten Kontaktbereich zwischen den Stellgliedern
und der Stahlkugel zu erhalten, wird am Ende jedes Stellgliedes
ein Glas- oder Rubin-Ball R befestigt. An der Basisplatte X ist
ein Magnet M befestigt und so angeordnet, dass die Stahlkugel durch
eine magnetische Kraft des fünf- bis
zehnfachen des Gewichtes der Kugel S auf die Stellglieder heruntergezogen
wird. Diese Klemmkraft ermöglicht
es dem Motor große
Drehmomente zu erzeugen, was anhand der allgemeinen Prinzipien der Rutsch-Haft-Bewegung
verständlich
ist. Die Vorrichtung kann drei Rotationsachsen 1, 2 und 3 zur
Verfügung
stellen.
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Um
eine kleine Rotation um die Achsen 1, 2 oder 3 zu
erhalten, muss jedes Stellglied eine entsprechende Tangentialkomponente
beitragen. Die Richtungen dieser Komponenten sind in den Figuren als
Pfeile gezeichnet und als a1, b1 und c1 für die jeweiligen Stellglieder
A, B und C bezeichnet. Um die Kugel S zu rotieren, werden die piezo-elektrischen Stellglieder
im Biegemodus betrieben, mit der zu der gewünschten Rotationsrichtung gehörigen Biegerichtung.
Der Umfang der Verrückung,
d.h. die Größe der Biegung,
muss ebenfalls korrekt gewählt
werden. Jeder Positionierschritt besteht aus zwei Ereignissen. Zuerst
ein simultanes, langsames Biegen aller Stellglieder in die Richtungen
der Pfeile a1, b1, c1 und dann ein abrupter Rücksprung der Stellglieder in
ihre ursprüngliche,
geradlinige Ausrichtung. Während
der langsamen Biegung folgt die Kugel den Stellgliedern aufgrund
von Reibung, wohingegen die Kugel während des abrupten Rücksprungs
den Stellgliedern aufgrund ihrer Trägheit nicht folgen kann. Die
Stellglieder kehren daher in ihre ursprüngliche, geradlinige Ausrichtung
unter Gleiten zwischen den Stellgliedern und der Kugel zurück. Diese
beiden Ereignisse sind die "Haft-" und "Rutsch"-Phasen, welche jeden Trägheits-
oder "Rutsch-Haft"-Motor typisieren. Eine Folge solcher
Haft- und Rutsch- Schritte
kann daher verwendet werden, um die Kugel um die Achsen 1, 2 oder 3 um
einen gewünschten
Winkel zu rotieren.
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Dieser
Aufbau wurde verwendet, um in einem galvanometrischen System einen
auf der Kugel befestigten Spiegel zu steuern, um die Träger-Auslenkung
in einem Raster-Kraft-("atomic
force")-Mikroskop zu detektieren.
Das Design ist UHV-kompatibel.
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Der
bekannte Aufbau weist jedoch einige Einschränkungen auf.
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Wie
in allen Trägheits-Positionierern,
ist die Schrittgröße nicht
gut reproduzierbar und belastungsabhängig. In einem linearen Trägheits-Positionierer
gemäß dem Stand
der Technik, wie er in der Referenz [2] beschrieben wird, beeinträchtigen
Variationen der Schrittgröße nicht
die Geometrie, d.h. die Richtung der Bewegung, sondern nur die Größe der Bewegung.
Auch wenn dies nicht erwünscht
ist, kann dieser Variation der Größe der Bewegung in dem Aufbau
aus Referenz [2] durch eine Rückkopplung begegnet
werden. In dem Aufbau aus Referenz [1] resultieren die in allen
Trägheits-Positionierern
unvermeidbaren Schrittgrößen-Fluktuationen
jedoch in einem Wandern der Rotationsachse. Mit anderen Worten resultiert
die Schrittgrößen-Fluktuation
nicht nur in einer Winkelverrückung,
welche von der gewünschten
Größe abweicht,
sondern auch in einer unpräzisen
Geometrie der Rotationsbewegung. Dies ist schwieriger zu kompensieren
als eine Variation der Größe der Bewegung.
Das Problem kann als eine Folge der Tatsache angesehen werden, dass
in dem Aufbau aus Referenz [1] keine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen den drei
Stellgliedern und den drei Rotationsachsen besteht. Diese Einschränkung wohnt
dem Aufbau inne, da es aus der Geometrie der Kugel folgt.
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Die
zur Umsetzung des Aufbaus aus Referenz [1] benötigte Steuerelektronik ist
ebenfalls relativ kompliziert, da die drei Stellglieder mit verschiedenen,
sorgfältig
koordinierten Steuersignalen versorgt werden müssen. Auch diese Einschrän kung folgt
aus dem Fehlen einer Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen den Stellgliedern
und den Rotationsachsen.
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Andere
Aufbauten von Trägheitsmotoren sind
in den Referenzen [3 – 8]
beschrieben.
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V.
N. Yakimov, "Scaning
tunnelling microscope with a rotary piezoelectric stepping motor", Ref. Sci. Instrum.
67 (2), Seiten 384 – 386,
beschreibt einen piezo-elektrischen Rotations-Schrittmotor mit einem
Paar piezo-elektrischer Elemente. Die piezo-elektrischen Elemente
werden in reibschlüssiger Klemmverbindung
mit einem Rotor gehalten, welcher durch ein Paar Kugellager fixiert
ist.
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L.
M. Eng et al., "Inexpensive,
reliable control electronics for stick-slip motion in air and ultrahigh
vacuum", Ref. Sci.
Instrum. 67 (2), Seiten 401 – 405, beschreibt
eine Vielzahl von Rutsch-Haft-Anwendungen, umfassend einen x-y-Translations-Tisch,
eine z-Annäherungs-Vorrichtung,
eine φ-Rotations-Vorrichtung
oder eine δ-φ-Rotations-Spiegel-Vorrichtung.
Die Translations-Bewegung wird durch ein oder mehrere Paare piezo-elektrischer
Stellglieder bereitgestellt.
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WO
00/54004 offenbart ein elektro-mechanisches Stellglied umfassend
einen Lagerblock mit einer Vertiefung, in welcher ein Lagerring
eingesetzt ist. Der Lagerring stellt einen Sitz für. einen
Rotor bereit, welcher eine Bohrung des Lagerringes durchdringt.
Der Lagerring kann in einem begrenzten Umfang relativ zu dem Lagerblock
durch ein piezo-elektrisches Element rotiert werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung sieht eine Trägheits-Positionier-Vorrichtung
vor, umfassend: eine Basisplatte; eine Deckplatte zur Befestigung
eines zu rotierenden Elements; ein Rotations-Element mit einer Säule, auf welcher
die Deckplatte in reibschlüssi ger
Verbindung für
eine Rutsch-Haft-Rotationsbewegung befestigt ist; und ein Paar piezo-elektrischer
Stellglieder mit jeweils ersten und zweiten Enden, wobei die ersten
Enden an der Basisplatte befestigt sind und die zweiten Enden an
dem Rotations-Element befestigt sind, sodass eine simultane Betätigung der
piezo-elektrischen Stellglieder die Säule des Rotations-Elements um
eine Achse derselben rotiert.
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Während der
Verwendung ist es die Rate, genauer die Beschleunigung, der piezo-elektrischen Deformation
der Stellglieder, welche bestimmt, ob die reibschlüssige Verbindung
zwischen der Deckplatte und der Säule haftet oder rutscht. Rutsch-Haft-Rotationsbewegung
der Deckplatte kann daher durch Anwenden eines geeigneten asymmetrischen
Steuersignals auf die piezo-elektrischen Stellglieder erzeugt werden.
Die piezoelektrischen Stellglieder werden mit demselben Steuersignal
versorgt. In der Praxis wird dies in geeigneter Weise durch eine
parallele Schaltung der beiden piezo-elektrischen Stellglieder erreicht.
Die funktionale Form, welche für
das Steuersignal benötigt
wird, wird in der Referenz [2] im Zusammenhang mit linearen Trägheits-Positionieren detailliert
diskutiert, ist aber auch auf die vorliegenden Rotations-Trägheits-Positionierer
anwendbar.
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Die
piezo-elektrischen Stellglieder hängen vorzugsweise das Rotations-Element über der
Basisplatte auf. Dieses Merkmal ist sehr vorteilhaft für Niedertemperatur-Anwendungen,
da Kontraktion, insbesondere differentielle Kontraktion, welche
während Temperaturzyklen
stattfindet, nicht zu Spannungs-Brüchen der
piezo-elektrischen Stellglieder oder zu Störungen der reibschlüssigen Verbindung führt. In
einem alternativen Aufbau muss das Rotations-Element nicht aufgehängt werden,
sondern könnte
auch auf der Basisplatte mit Lagern oder Buchsen befestigt werden.
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In
einem Ausführungsbeispiel
wird die Aufhängung
des Rotations-Elementes über
piezo-elektrische Stellglieder erreicht, welche von ihren ersten Enden
aus freitragend sind, um das Rotations-Element mit ihren zweiten
Enden aufzuhängen,
wobei die simultane Betätigung
der piezo-elektrischen Stellglieder eine Ausdehnung oder Kontraktion
derselben in Längsrichtung
verursacht. In diesem Ausführungsbeispiel
können
sich die piezo-elektrischen Stellglieder im Wesentlichen parallel
zueinander auf gegenüberliegenden
Seiten der Säule
erstrecken. Andere Anordnungen, in welchen die Stellglieder sich
tangential zu der Säulen-
Peripherie erstrecken, können ebenfalls
verwendet werden.
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In
einem anderen Ausführungsbeispiel
wird die Aufhängung
des Rotations-Elementes durch piezo-elektrische Stellglieder erreicht,
welche unter dem Rotations-Element angebracht sind, wobei simultane Betätigung der
piezo-elektrischen Stellglieder eine Scher-Verformung derselben
verursacht.
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Die
piezo-elektrischen Stellglieder sind vorzugsweise piezoelektrische
Stapel. Stapel werden wegen ihres hohen Elastizitätsmoduls
("Young's modulus") bevorzugt. Jedoch
können
auch piezo-elektrische Röhrchen
oder andere piezo-elektrische Elemente verwendet werden.
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In
Ausführungsbeispielen
der Erfindung hat die Säule
einen zumindest teilweise zirkularen Querschnitt, sodass die Deckplatte
zumindest in einem begrenzten Winkelbereich frei rotieren kann.
Mit anderen Worten, der Querschnitt ist zirkular oder umfasst auf
einem Kreis liegende, bogenförmige
Abschnitte. Wenn der Querschnitt zirkular ist, kann die Deckplatte
eine oder mehrere volle Rotationen ausführen.
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Die
Säule kann
zylindrisch oder Kegelstumpf-förmig
sein oder eine Vielzahl anderer Formen mit kreisförmigen Querschnitten
aufweisen.
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Die
Deckplatte und die Säule
sind vorzugsweise so strukturiert und/oder angebracht, dass sie eine
Bewegung der Deck platte entlang der Rotationsachse verhindern. Dies
kann auf viele Arten erreicht werden. Beispielsweise kann die Säule eine einfache
Kegelstumpf-förmige
Form aufweisen, welche sich nach oben verjüngt. Alternativ kann die Säule Kegelstumpfförmige Abschnitte
mit entgegengesetzter Verjüngungsrichtung
haben. Eine andere Alternative besteht darin, die Säule oder
die Deckplatte mit einem Anschlag auszustatten, welcher so angeordnet
ist, dass er eine Bewegung der Deckplatte entlang der Rotationsachse
verhindert.
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Die
Deckplatte kann erste und zweite Teile umfassen, welche miteinander über einen
federnden Spannmechanismus verbunden sind, welcher eine Klemmkraft
für die
reibschlüssige
Verbindung zwischen der Deckplatte und der Säule definiert. Der federnde
Spannmechanismus ist zur Variation der Klemmkraft einstellbar. Dies
ist in der Praxis sehr nützlich,
da der Betrieb der Vorrichtung nach dem Zusammenbau durch Einstellen
der Klemmkraft optimiert werden kann. Eine einfach einstückige Deckplatte
könnte
verwendet werden, hat aber den Nachteil, dass Abnutzung die Klemmkraft-Charakteristik der
reibschlüssigen
Verbindung reduzieren würde. Eine
einstücke
Deckplatte kann dieses Problem jedoch bei Einbeziehung eines geeigneten
Spannmechanismus vermeiden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGSFIGUREN
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung und um zu zeigen, wie dieselbe verwirklicht werden kann,
wird im Folgenden als Beispiel auf die begleitenden Zeichnungsfiguren
verwiesen, in welchen:
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1A und 1B Seitenansichten
und Draufsichten einer Trägheits-Rotation-Vorrichtung gemäß dem Stand
der Technik zeigen;
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2 eine
schematische, perspektivische Ansicht einer Trägheits-Rotations-Vorrichtung
mit ab genommener Deckplatte gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
ist;
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3 eine
schematische, perspektivische Ansicht der Deckplatte für das erste
Ausführungsbeispiel
ist;
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4 eine
schematische Draufsicht ist, welche die Funktionsprinzipien des
ersten Ausführungsbeispiels
zeigt;
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5 ein
Teilschnitt durch die Deckplatte des ersten Ausführungsbeispiels ist, welcher
ihren Spannmechanismus darstellt;
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6A bis 6G verschiedene
Möglichkeiten
zur Anbringung der Deckplatte zeigen;
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7 eine
schematische Draufsicht einer Trägheits-Rotations-Vorrichtung
mit entfernter Deckplatte gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel ist;
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8 eine
schematische, perspektivische Ansicht einer Trägheits-Rotations-Vorrichtung
mit entfernter Deckplatte gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
ist; und
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9A und 9B schematische,
perspektivische Ansichten eines Rotations-Elementes und einer Deckplatte
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Eine
Trägheits-Rotations-Vorrichtung
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 beschrieben.
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2 ist
eine schematische, perspektivische Ansicht der Trägheits-Rotations-Vorrichtung,
deren Deckplatte entfernt ist, um die darunter liegenden Bauteile
offen zu legen. Die Deckplatte ist, ebenfalls in perspektivischer
Ansicht, in 3 dargestellt. 4 ist
ein schematisches Diagramm, welches die Funktionsweise der Vorrichtung
illustriert. 5 zeigt die Deckplatte im Querschnitt,
um ihren Spannmechanismus offen zu legen.
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Die
grundlegenden Bauteile der Vorrichtung sind: Eine Basisplatte 10,
welche in einem Bezugssystem befestigt wird; eine Deckplatte 20,
welche beweglich, insbesondere rotierbar ist; ein Rotations-Element 16,
mit einer aufrechten Säule 18;
und ein Paar piezo-elektrischer Stellglieder 12, welche das
Rotations-Element 16 mit der Basisplatte 10 verbinden.
Das Rotations-Element 16 kann als Übertragungs- oder Steuerungs-Mechanismus zur Konvertierung
linearer Impulse von den piezoelektrischen Stellgliedern 12 in
eine Rotation der Deckplatte 20 betrachtet werden.
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Die
Deckplatte 20 besteht aus zwei Teilen 30 und 40,
welche miteinander über
einen federnden Spannmechanismus verbunden sind, welcher aus 3 nicht
ersichtlich ist, aber in 5 gezeigt wird. Mit Bezugnahme
auf die 2 und 3 kann die Endmontage
der Vorrichtung, durch Einpassen der Deckplatte 20 auf
die Säule 18 und
Heruntergleiten dieser, sodass diese an eine Lippe anstößt, welche zwischen
der äußeren Zylinderoberfläche der
Säule und
einem Stutzen 27 mit größerem Durchmesser ausgebildet
wird, welcher eine untere Fortsetzung der Säule bildet, stattfinden. Die
Lippe wirkt daher als Anschlag, welcher verhindert, dass die Deckplatte 20 während des
Betriebs an der Säule 18 hinuntergleitet.
Die beiden Deckplattenteile 30 und 40 haben einander
gegenüberliegende
V-Kerben 14, welche zusammen einen Raum bilden, in welchen
die Säule 18 aufgenommen
wird. Die beiden Teile 30 und 40 klemmen über ihre
V-Kerben 14 auf der Säule 18 durch eine Klemmkraft,
welche von dem federnden Spannmechanismus erzeugt wird. Diese Klemmwirkung schafft
eine definierte, reibschlüssige
Verbindung zwischen der Deckplatte 20 und der Säule 18.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
liegen die piezo-elektrischen Stellglieder 12 in Form von
piezo-elektrischen Stapeln ("stacks") vor. Die Vorzüge der Verwendung
von Stapeln in einem Trägheitsmotor
werden in Referenz [2] detailliert besprochen. Kurz gesagt sind
die Stapel steifer, d.h. sie haben ein größerer Elastizitätsmodul,
als Röhrchen,
was für
ein gutes Funktionsverhalten wichtig ist. Jeder Stapel hat ein Paar
elektrischer Anschlüsse 26 zum
Empfangen eines Stellsignals. Die beiden Anschlusspaare 26 sind
parallel verdrahtet (nicht dargestellt) und empfangen ein gemeinsames
Steuersignal von einem externen Pulsgenerator (nicht dargestellt).
Die benötigten
Parameter des Steuersignals für
einen Trägheitsmotor
sind in Referenz [2] detailliert beschrieben. Die Beschreibungen
in Referenz [2] sind auf den vorliegenden Fall anwendbar, ungeachtet
der Tatsache, dass Referenz [2] sich ausschließlich mit linearen statt mit
Rotations-Trägheits-Positionierern befasst.
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Jedes
piezo-elektrische Stellglied 12 ist an einem Ende an der
Basisplatte 10 und an dem anderen Ende an dem Rotations-Element 16 befestigt. Dies
wird durch adhesives Kleben mit einem Epoxydharz erreicht. Zu diesem
Zweck sind auf der Basisplatte Flansche 24 vorgesehen,
welche aufrechtstehende Erweiterungen des Hauptteils der Basisplatte bilden.
Die Flansche 24 haben innere Oberflächen, an welche die piezo-elektrischen
Stellglieder 12 jeweils an einem Ende geklebt werden. Die
piezo-elektrischen Stellglieder sind mit ihren anderen Enden an die
jeweils gegenüberliegenden,
flachen Oberflächen des
Rotations-Elementes 16 geklebt. Ebenso sind weitere Flansche 22 in
der Basisplatte 10 vorgesehen. Die weiteren Flansche 22 haben
Gewinde-Durchgangslöcher
(sichtbar in einem der Flansche 22 in 2),
welche es gestatten Schrauben (nicht dargestellt) einzusetzen, um
die piezo-elektrischen Stellglieder während des adhesiven Klebeprozesses
auf ihren Platz zu drücken.
Nach dem Kleben werden die Schrauben entfernt. In der zusammengebauten
Vorrichtung erstrecken sich die piezo-elektrischen Stellglieder
horizontal und sind in einer freitragenden Anordnung knapp über einer
oberen Oberfläche 28 der
Basisplatte 10 aufgehängt.
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Das
Rotations-Element 16 umfasst die aufrechte zylindrische
Säule 18 und
zwei seitliche Erweiterungen 17, welche dazu dienen, die
jeweiligen Klebeflächen
für die
piezo-elektrischen Stellglieder 12 bereitzustellen. Die
beiden Klebeflächen
liegen in der selben Ebene. Überdies
ist die zylindrische Säule
so angeordnet, dass die Achse des Zylinders in der Ebene der Klebeflächen liegt.
Die Achse des Zylinders der Säule 18 bildet
auch die Rotationsachse des Positionierers. Die oben beschriebene
geometrische Anordnung der Klebeflächen in Bezug auf die Säule 18 stellt
sicher, dass simultane Ausdehnungen und Kontraktionen der piezo-elektrischen
Stellglieder 12 nicht in einer Netto-Verschiebung der Säule 18,
sondern in einer reinen Rotation resultieren.
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4 zeigt
die Situation schematisch. Die beiden Stellglieder 12 erzeugen
die jeweiligen Kräfte F1 und F2 von jeweils
gleicher Größe und entgegengesetzter
Richtung, und haben Wirkungsrichtungen, welche von der Mittenachse
O der Säule 18 gleiche Abstände haben.
Die Kräfte
F1 und F2 entstehen
in der gemeinsamen Ebene der Klebeflächen. Diese Ebene wird in der
Figur durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Überdies
sind die Kräfte
F1 und F2 beide tangential
zu der Umfangsrichtung der zylindrischen Säule 18 gerichtet.
Im Grenzfall kleiner Ausdehnungen oder Kontraktionen der piezo-elektrischen
Stellglieder 12 sind die beiden simultan angewendeten Kräfte F1 und F2 daher äquivalent
zu einer Rotationskraft, d.h. zu einem Drehmoment um die Mittenachse O
der Säule 18.
Obwohl die vorliegende Anordnung als eine einfache und effektive
Art und Weise diese Notwendigkeiten zu erfüllen angesehen wird, wird darauf
hingewiesen, dass andere mechani sche Anordnungen von zwei oder mehr
linearen piezo-elektrischen Stellgliedern eine reine Rotation der
Säule 18 bereitstellen
können.
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5 zeigt
die Deckplatte 20 im Querschnitt, um ihren Spannmechanismus
offen zu legen. Das erste Teil 30 hat zwei innere Gewinde-Durchgangs-Löcher 44,
welche koaxial mit zwei abgesenkten Bohrungen 38 in dem
zweiten Teil 40 angeordnet sind, um Bolzen 40 aufzunehmen.
Die Bolzen 40 werden in die Gewindelöcher 44 des ersten
Teils geschraubt. Die Federspannung wird durch Schraubenfedern 42 bereitgestellt,
welche unter Druckspannung zwischen den Köpfen der Bolzen 40 und
dem Boden der abgesenkten Bohrungen 38 angeordnet sind.
Die Klemmkraft, welche durch die Federn bereitgestellt wird, hängt von
dem Grad ihrer Kompression ab und kann daher erhöht oder erniedrigt werden,
indem die Bolzen 40 in die Gewindelöcher 44 hinein oder
aus diesen herausgedreht werden. In der Figur wird die Säule 18 des
Rotations-Elementes mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Wie
ersichtlich, klemmen die beiden Teile 30 und 40 der
Deckplatte 20 auf der Säule 18,
sodass die reibschlüssige
Verbindung durch vier Kontaktlinien (welche sich senkrecht zu der
Zeichenebene der Figur erstrecken) gebildet wird, zwei für jede V-Kerbe 14.
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Beispiel:
Im Folgenden werden spezifische Parameter für eine beispielhafte Vorrichtung
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
angegeben. Abmessungen: Basisplatte 20 × 24 × 4 mm. Basisplatten-Flansche:
7 × 3,5 × 4,5 mm,
wobei 4,5 mm die Höhe
ist, d.h. die Höhe
der Ausdehnung über
die obere Oberfläche
der Basisplatte. Die Säulenhöhe beträgt 6 mm.
Der Säulendurchmesser
ist 5 mm in dem oberen Abschnitt und 6 mm unterhalb der Anschlagslippe.
Die seitlichen Erweiterungen erstrecken sich 10 mm von der Rotationsachse
der Säule und
sind 3 mm dick und 6 mm hoch. Die piezo-elektrischen Stellglieder
sind 9 mm lang mit einer Fläche von
5 × 5
mm. Die Deckplattenteile 30 und 40 haben jeweils äußere Abmessungen
von 24 × 12 × 6 mm. Die
Tiefen der V-Kerben sind 3,5 mm und der Winkel der V-Kerben beträgt 90 Grad.
Die Gewinde und Bohrungen sind für
M2-Bolzen. Die Oberflächen
der reibschlüssigen
Verbindung sind mit Molybdän-Disulfid, einem
festen Gleitmittel, beschichtet. Die Basisplatte, die Deckplattenteile
und das Rotations-Element sind jeweils einstückige Teile aus Titan. Titan
wird wegen seiner mechanischen Eigenschaften verwendet und da es
nicht magnetisch ist. Diese beispielhafte Vorrichtung kann zwischen
der Temperatur von flüssigem
Helium und Raumtemperatur, in hohen magnetischen Feldern und im
Hochvakuum betrieben werden. Die Vorrichtung ist so dimensioniert,
dass sie bequem in ein 1 1/2 Zoll (38 mm) Bohrungsrohr, wie das
eines Kryostaten-Einsatzes, passt. Die Vorrichtung arbeitet mit
einem Steuersignal mit Spitze-zu-Spitze-Spannungen zwischen 5 und
70 V. Die Größe der Spannung
bestimmt die Winkel-Schrittgröße. Zusätzlich ist
die Winkel-Schrittgröße temperaturabhängig wegen
der Temperaturabhängigkeit
des piezoelektrischen Effektes.
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Das
obige Beispiel dient lediglich der Illustration. Beispielsweise
können
eine Vielzahl von Materialien anstelle von Titan verwendet werden.
Ein anderes geeignetes Material ist rostfreier Stahl. In Referenz
[2] findet sich eine Besprechung des Einflusses von Materialeigenschaften
auf das Arbeitsverhalten von Trägheitsmotoren
und eine Klassifizierung verschiedener Materialien bezüglich dieser
Eigenschaften.
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6A bis 6G zeigen
eine Anzahl verschiedener Ausführungen
für die
Befestigung zwischen der Deckplatte und der Säule. 6A zeigt
die bereits in Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel beschriebene
Ausführung. 6B zeigt
eine Anordnung, in welcher ein Deckel auf der Deckplatte befestigt
ist und mit dem oberen Ende der Säule in Kontakt steht, vorzugsweise
in einem kleinen Oberflächenbereich,
um Reibung, welche die Trägheitsrotation
beeinflussen würde,
zu reduzieren. 6C zeigt eine Deckplatte, in
welcher jedes Teil eine Lippe aufweist, welche sich über einen
kleinen Teil der oberen Oberfläche
der Säule
radial nach innen erstreckt. 6D zeigt
eine Kegelstumpf-förmige
Verjüngung
eines Teils der Säule
mit entsprechend geformten Deckplatten-Oberflächen. In diesem Fall können V-Kerben,
wie im ersten Ausführungsbeispiel,
verwendet werden. Alternativ könnten
bogenförmige
Vertiefungen in den Deckplattenteilen, welche sich über etwas weniger
als 180 Grad erstrecken, verwendet werden. 6E und 6F zeigen
Anordnungen, in welchen die Säule
zwei Kegelstumpf-förmige
Abschnitte von entgegengesetzter Verjüngungsrichtung aufweist. 6G zeigt
eine Anordnung mit multiplen Kegelstumpf-förmigen Abschnitten, wobei zwei
jeweils benachbart liegende Abschnitte entgegengesetzte Verjüngungsrichtungen
aufweisen. Die Säulenausführungen
der 6E, 6F und 6G sind
zur Verwendung mit bogenförmigen
Vertiefungen in den Deckplattenteilen vorgesehen.
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7 zeigt
eine Trägheits-Rotations-Vorrichtung
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel in
Draufsicht. Die Figur zeigt die Vorrichtung mit entfernter Deckplatte.
Die Deckplatte ist wie die oben in Bezug auf die 3 und 5 beschrieben
aufgebaut. Der Gesamtaufbau entspricht in weiten Teilen dem des
ersten Ausführungsbeispieles.
Vorgesehen ist demnach: eine Basisplatte 10; ein Rotations-Element 16 mit
einer aufrechten Säule 18 und
seitlichen Erweiterungen 17; und ein Paar piezo-elektrischer Stellglieder 12,
welche das Rotations-Element 16 mit der Basisplatte 10 verbinden.
Jedes piezoelektrische Stellglied 12 ist an einem Ende
an einer inneren Oberfläche
eines Flansches 24 befestigt, welcher sich von der Basisplatte 10 nach
oben erstreckt. Dies wird durch adhesives Kleben mit einem Epoxydharz erreicht.
Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel
sind die anderen Enden der piezoelektrischen Stellglieder 12 jedoch
nicht an die inneren Oberflächen
der seitlichen Erweiterungen 17 des Rotations-Elements 16 geklebt.
Stattdessen ist am dem Rotations-Element 16 benachbarten
Ende jedes piezo-elektrischen Stellgliedes 12 eine Kugel 21 angeordnet.
Piezo-elektrische Stellglieder mit einer derart am Ende angebrachten
Kugel sind kommerziell erhältlich,
da sie für
kardanische Aufhängungen
optischer Stan dardkomponenten verwendet werden. Jede Kugel 21 steht
in tangentialem Kontakt mit der Oberfläche einer Lagebestimmungsvertiefung 23 für die zugeordnete
Kugel, z.B. eine wie dargestellt konische Vertiefung. Jedes piezo-elektrische
Stellglied 12 wird an seinem Kugelende durch Vorspannen
mit einer Feder 29 sicher fixiert. Die Feder ist unter Druckspannung
zwischen einer inneren Oberfläche eines
weiteren Flansches 22, welcher sich von der Basisplatte 10 nach
oben erstreckt, und einer Rückseite
der seitlichen Erweiterung 17 angeordnet.
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Die
Anordnung gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
hat den Vorteil, dass es einen präziseren Wirkungspunkt der piezo-elektrischen
Stellglieder auf das Rotations-Element gibt. Insbesondere wirkt jedes
piezo-elektrische Stellglied in einem wohldefinierten Abstand von
der Rotationsachse, welcher gleich dem Abstand zwischen dem Kontaktpunkt
der Kugel mit der zugeordneten seitlichen Erweiterung (siehe 4)
ist. Jegliche Tendenz einer Biegeverformung der piezo-elektrischen
Stellglieder, welche in dem ersten Ausführungsbeispiel wegen des relativen
großen
Kontaktbereiches zwischen den piezoelektrischen Stellgliedern und
ihren zugeordneten seitlichen Erweiterungen auftreten kann, ist
dadurch grundsätzlich
beseitigt. Da es weiterhin keine Verklebung der piezo-elektrischen
Stellglieder mit dem Rotations-Element gibt, kann das Rotations-Element zusätzlich leicht
entfernt und ersetzt werden.
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8 zeigt
perspektivisch eine Trägheits-Rotations-Vorrichtung
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit entfernter Deckplatte. Die Deckplatte ist wie
oben in Bezug auf die 3 und 5 ausgeführt. Vorgesehen
ist: eine Basisplatte 10; ein Rotations-Element 16 mit
einer aufrechten Säule 18 und
seitlichen Erweiterungen 17; und ein Paar piezo-elektrischer
Stellglieder 13, welche das Rotations-Element 16 mit
der Basisplatte 10 verbinden. Die piezoelektrischen Stellglieder 13 arbeiten
im Scher-Verformungs-Modus,
wie dies durch die Pfeile in der Figur angegeben wird.
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Die
piezo-elektrischen Stellglieder sind unter den jeweiligen unteren
Oberflächen
der seitlichen Erweiterungen 17 angeordnet. Das Rotations-Element 16 ruht
daher auf den piezo-elektrischen Stellgliedern 13 anstatt
in einer freitragenden Anordnung, wie in dem ersten Ausführungsbeispiel,
aufgehängt
zu sein. Jedes piezo-elektrische Stellglied ist mit einer unteren
Oberfläche
mit der Basisplatte 10 verbunden und mit einer oberen Oberfläche mit
der unteren Oberfläche
der zugeordneten seitlichen Erweiterung 17 verbunden. Der
Betrieb der Vorrichtung wird aus der Beschreibung des Betriebs des
ersten Ausführungsbeispieles
verständlich.
Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel
wird die simultane Betätigung
der piezo-elektrischen Stellglieder 13 die Säule des
Rotations-Elements um ihre eigene Achse rotieren.
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9A und 9B zeigen
ein Rotations-Element und eine Deckplatte gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels
einer Trägheits-Rotations-Vorrichtung.
Die Basisplatte und die piezoelektrischen Stellglieder sind dieselben
wie die in dem Ausführungsbeispiel
aus 7.
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In 9A hat
das Rotations-Element 16 einen unteren Teil umfassend seitliche
Erweiterungen 17 und konische Vertiefungen 23,
welche identisch zu der des Ausführungsbeispiels
aus 7 sind. Das Rotations-Element hat jedoch eine
Säule 18,
welche sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen unterscheidet.
Die Säule
hatte die Form eines hohlen Schaftes mit zwei vertikalen Schlitzen 19,
welche sich von dem oberen Rand der Säule durch die Wände der
hohlen Säule 18 nach
unten erstrecken und auf dem oberen Rand umlaufend einander gegenüberliegend
angeordnet sind. Diese Anordnung bildet eine Feder, sodass ein weiteren
Schaft, welcher genau in den hohlen Schaft eingepasst ist, mit einer
Klemmkraft erfasst wird.
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In 9B umfasst
die Deckplatte 20 eine obere Plattform 58, auf
welcher ein zu rotierender Gegenstand befestigt werden kann, von
welcher sich ein nach unten gerichteter Schaft er streckt, mit einem dickeren
oberen Abschnitt 56, einem zentralen Abschnitt 50 zur
reibschlüssigen
Verbindung in der hohlen Säule 18 und
einer dünneren
unteren Erweiterung 52, welche mit vertikalen Streifenmarkierungen 54 zur
Encoder-Rückkopplung
versehen ist. Der dickere obere Abschnitt 56 dient dazu
eine Anschlagslippe bereitzustellen, um das Nach-Unten-Gleiten der Deckplatte entlang
der Rotationsachse während
des Betriebs zu vermeiden. Der zentrale Abschnitt 50 hat einen äußeren Durchmesser,
welcher in Verbindung mit dem inneren Durchmesser der hohlen Säule 18 derart
dimensioniert ist, dass eine gewünschte Klemmkraft
für die
reibschlüssige
Rutsch-Haft-Verbindung bereitgestellt wird. Die reibschlüssige Verbindung
wird somit zwischen einer inneren Oberfläche der Säule und einer äußeren Oberfläche der Deckplatte
gebildet, was im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsbeispielen
steht, in welchen die reibschlüssige
Verbindung zwischen einer äußeren Oberfläche der
Säule und
einer inneren Oberfläche der
Deckplatte ausgebildet wird. Überdies
wird die Klemmwirkung durch das Rotations-Element gebildet anstatt
durch die Deckplatte, wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen.
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Die
Materialien für
die Verbindungs-Oberflächen
der Teile 50 und 18 können derart gewählt werden,
sodass jegliche Abnützung
vornehmlich an dem Deckplattenteil 50 auftritt. Dies ist
vorteilhaft da die Deckplatte einfach ersetzt und wenn nötig als
Verbrauchsgut behandelt werden kann.
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Ein
Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass der angetriebene Teil, d.h.
das Rotations-Element, leichtgewichtig aufgebaut werden kann ohne
die Stabilität zu
beeinträchtigen. Überdies
werden jegliche mechanische Verluste, welche aus der Relativbewegung zwischen
den Deckplattenteilen in den vorherigen Ausführungsbeispielen resultieren,
beseitigt.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass der Aufbau mit der hohlen Säule anpassungsfähig ist
und an einen Encoder zum Messen der absoluten Winkelposition der
Deckplatte angepasst werden kann. Die zum Encodieren in den 9A und 9B gezeigten
optionalen Merkmale sind die untere Erweiterung 52 der Deckplatte 20,
welche mit vertikalen Streifenmarkierungen 52 mit kontrastgebender
Reflektivität
versehen ist, und ein Fenster 25, welches in der Wand der hohlen
Säule 18 vorgesehen
ist, wobei das Fenster 25 in der zusammengebauten Vorrichtung
den vertikalen Streifenmarkierungen 52 benachbart angeordnet
ist. Das Fenster 25 dient zum Bereitstellen eines optischen
Zuganges für
eine konventionelle, opto-elektronische Sende- und Empfangseinheit
(nicht dargestellt). Die opto-elektronische Sende- und Empfangseinheit
kann direkt auf der Außenseite
der Säule 18 angebracht
werden. Die opto-elektronische Sende- und Empfangseinheit arbeitet
als Signalgeber in einem konventionellen Encoder-Rückkopplungs-System
(nicht dargestellt), um die Anzahl der vertikalen Strichmarken 52,
welche überstrichen
werden, wenn die Deckplatte rotiert wird, zu zählen. Auf diese Art und Weise
kann eine absolute Rotations-Positionierung erreicht werden.
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Es
versteht sich, dass ein Encoder-System, wenn gewünscht, auch zu der Vorrichtung
der vorherigen Ausführungsbeispiele
hinzugefügt
werden kann.
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REFERENZEN
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- 1. Howald et al., "Piezo-electric
inertial stepping motor with spherical rotator", Rev. Sci. Instrum., Band 63, Seiten
3909–3912
(1992)
- 2. GB 2 316 222
A (Karrai)
- 3. EP 0 747 977
A (Minolta)
- 4. EP 0 675 589
A (Minolta)
- 5. EP 464 764 A1 (Canon)
- 6. US 5,410,206 (New
Focus)
- 7. WO 98/19347 A (Zrenner)
- 8. Renner et al., Rev. Sci. Instrum., Band 61, Seiten 965–967 (1990)