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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antrieb und
insbesondere einen piezoelektrischen Antrieb mit
Schichtstruktur, der Dehnungsmesser hat.
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Ein piezoelektrischer Antrieb, der die Piezoelektrizität
von Kristall verwendet, ist in breitem Umfang bei einem
Präzisions-Positioniermechanismus verwendet worden, da er
eine kleine mechanische Verschiebung mit hoher
Geschwindigkeit steuern kann. Unter anderem ist ein
piezoelektrischer Antrieb vom Schichttyp, der aus einer Schichtstruktur
aus piezoelektrischen Filmen aus piezoelektrischen
Keramikmaterialien etc., aufgebaut ist, die jeweils eine Dicke von
mehreren Zehn µm haben und auf welchen eine interne
Elektrode aus einem dünnen Film ausgebildet ist, durch sein
Vermögen, eine große Kraft mit relativ niedriger
Antriebsspannung zu schaffen, gekennzeichnet, und ist in breitem
Umfang auf dem Gebiet der hochpräzisen Positioniersteuerung
eines Halbleiterherstellgerätes, wie beispielsweise einem
Belichtungsgerät, bei der Steuerung der Ventile eines
Massendurchflußmessers, der Dickensteuerung in einem Extruder
für Kunststoffilm und bei der Steuerung der optischen Achse
einer optischen Vorrichtung, verwendet, auf welchem eine
hochpräzise Steuerung einer kleinen Verschiebung in der
Größenordnung eines Mikrometers oder weniger erforderlich
ist.
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Da das Maß der Verschiebung eines derartigen
piezoelektrischen Antriebs vom Schichttyp von der Dehnung abhängt, die
in den jeweiligen piezoelektrischen Keramikschichten
entsprechend einer Antriebsspannung erzeugt wird, die extern
an die jeweiligen piezoelektrischen Keramikschichten über
externe Elektroden angelegt wird, ist es grundsätzlich
möglich, das Maß der Verschiebung des piezoelektrischen
Antriebs durch Steuern der Größe der Antriebsspannung zu
steuern. Im Fall des Antriebs, bei dem der ein
piezoelektrische Effekt ausgenutzt wird, ist jedoch die Relation
zwischen der Antriebsspannung und der Dehnung der
entsprechenden piezoelektrischen Material-(-Keramik)-Schichten
üblicherweise nicht linear, sondern zeigt eine Hysterese.
Wenn daher der piezoelektrische Antrieb auf diesen Gebieten
verwendet wird, um die Verschiebung in der Größenordnung
von µm oder weniger präzise zu steuern, dann ist es
notwendig, die tatsächliche Verschiebung des
piezoelektrischen Antriebs zu detektieren und das Ergebnis auf die
Antriebsspannung zurückzuführen. Die Konstruktion eines
derartigen piezoelektrischen Antriebs mit einem
Dehnungsmesser zum Detektieren des Maßes der Verschiebung des
Antriebs ist in dem offengelegten JP-Gebrauchsmuster
Sho-61-140661 offenbart.
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Fig. 1 zeigt eine schematische, perspektivische Darstellung
eines herkömmlichen piezoelektrischen Antriebs mit einem
Dehnungsmeßstreifen. Der piezoelektrische Antrieb selbst
hat einen aktiven Bereich 2, der in der Fig. 2 gezeigt ist.
Üblicherweise hat der piezoelektrische Antrieb eine obere
Schutzschicht 31 und eine untere Schutzschicht 32, die
jeweils aus Gründen der Verwendung an einander
gegenüberliegenden Enden des aktiven Bereiches 2 angeordnet sind, wie
dies in der Fig. 2 gezeigt ist. In der Fig. 2 ist der
aktive Bereich 2 mit einer alternativ aufgeschichteten
Struktur aus einer Anzahl von piezoelektrischen Keramikschichten
4 und einer Anzahl von internen Elektrodenschichten 5
gebildet. Die internen Elektrodenschichten 5 sind mit den
externen Elektroden 71 und 72 alternativ verbunden, um ein
Paar Kammelektroden zu bilden, die Elektrodenfinger haben,
welche im Querschnitt ineinandergreifend angeordnet sind,
so daß die externen Elektroden 71 und 72 als einander
gegenüberliegende Elektroden funktionieren, die über die
piezoelektrischen Keramikschichten 4 einander gegenüberliegen.
In der Fig. 2 ist eine Antriebsspannung zwischen den
externen Elektroden 71 und 72 über die Zuleitungsdrähte 711 und
712 zwischen benachbarten internen Elektrodenschichten 5
angelegt, um quer zu jeder piezoelektrischen Keramikschicht
4, die zwischen den internen Elektroden aufgeschichtet ist,
ein elektrisches Feld zu bilden. Mit derartigen
elektrischen Feldern erzeugen die jeweiligen piezoelektrischen
Keramikschichten 4 Dehnung in einer Richtung rechtwinklig
zur Ebene der piezoelektrischen Keramikschicht, d.h. in der
Richtung der Dicke oder der Schichtrichtung. Der
piezoelektrische Antrieb leitet die Dehnung als eine Änderung der
Länge der Schichtstruktur in Richtung der Dicke ab, d.h.
eine Verschiebung, und überträgt diese nach außen.
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In dem in der Fig. 1 gezeigten piezoelektrischen Antrieb
ist ein Dehnungsinesser 8 an einer Seitenfläche des
Antriebs, an welcher keine externe Elektrode vorgesehen ist,
befestigt. Wenn die Antriebsspannung zwischen den externen
Elektroden 71 und 72 angelegt wird, dehnt sich der
piezoelektrische Antrieb in seiner Schichtrichtung um ein
vorbestimmtes Maß infolge des Piezoeffektes aus. Mit einer
solchen Ausdehnung des piezoelektrischen Antriebs in Richtung
seiner Dicke wird ein Widerstand des Dehnungsmessers 8
einer Zugspannung unterworfen, und sein Widerstandswert wird
erhöht. Das Maß der Widerstandsänderung wird über Leitungen
9 detektiert, welches auf das Maß der Ausdehnung oder
Zusammenziehung des piezoelektrischen Antriebs linear bezogen
ist, d.h. das Maß der Verschiebung. Daher ist es durch
vorheriges Messen der Relation zwischen dem Maß der
Verschiebung des piezoelektrischen Antriebs und des Maßes der
Widerstandsänderung des Dehnungsmessers bei entsprechenden
Antriebsspannungen und Detektieren des Maßes der
Widerstandsänderung des Dehnungsmessers 8, wenn eine
vorbestimmte Spannung zwischen den externen Elektroden 71 und 72
angelegt ist, möglich, das Maß der Verschiebung des
piezoelektrischen Antriebs zu wissen. Weiterhin ist es möglich,
die Relation vom Maß der Widerstandsänderung zu
Zielverschiebung zu steuern, wenn das Maß der Widerstandsänderung
des Dehnungsmessers 8 mit einem angestrebten Einstellwert
nicht übereinstimmt, in dem die Antriebsspannung
entsprechend einer Abweichung des Maßes der Widerstandsänderung
gegenüber dem angestrebten Wert gesteuert wird.
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Wie vorstehend erwähnt, kann das Maß der Ausdehnung oder
der Zusammenziehung, d.h. das Maß der Verschiebung des
piezoelektrischen Antriebs vom Schichttyp, präzise durch
Detektieren des tatsächlichen Maßes der Verschiebung
gesteuert werden, und zwar mittels des Dehnungsmessers, der
an der Seitenfläche der Schichtstruktur befestigt ist, und
Rückführen der Differenz zwischen der detektierten
Verschiebung und der angestrebten Verschiebung auf die
Antriebs spannung.
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Für den Fall jedoch, wo ein piezoelektrischer Antrieb vom
Schichttyp in der Praxis verwendet wird, sind zusätzlich zu
dem aufgeschichteten aktiven Bereich zum Erzeugen der
Verschiebung entsprechend der extern angelegten
Antriebsspannung Bereiche, wie beispielsweise Schutzschichten zum
Schützen des aktiven Bereiches und
Temperaturkompensationselemente aus Metall zum Verbessern der Genauigkeit der
Verschiebesteuerung, die bei der Antriebsspannung keine
Verschiebung erzeugen, in der Schichtstruktur erforderlich. In
einem derartigen herkömmlichen Antrieb wie vorstehend
erwähnt, kann zwischen dem Gesamtmaß der tatsächlichen
Verschiebung des gesamten piezoelektrischen Antriebs und dem
Maß der Verschiebung, das durch den Dehnungsmesser
detektiert worden ist, eine Differenz bestehen, durch die es
unmöglich werden kann, die Verschiebung prazise zu steuern.
Dies wird im einzelnen im Folgenden beschrieben.
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Wie vorstehend erwähnt, zeigt Fig. 2 den Querschnitt des
piezoelektrischen Antriebs vom Schichttyp mit den
vorstehend genannten Schutzschichten. In der Fig. 2 hat der
piezoelektrische Antrieb eine Schichtstruktur 10 aus dem
aktiven Bereich 2 und den Schutzschichten 31 und 33 als
seine Grundkomponenten.
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Der aktive Bereich 2 ist mit der abwechselnd
aufgeschichteten Struktur aus piezoelektrischen Keramikschichten 4 und
internen Elektrodenschichten 5 gebildet, und dessen
Verschiebung wird in Schichtrichtung durch die
Antriebsspannung erzeugt, die an die externen Elektroden 71 und 72,
und damit an die jeweiligen piezoelektrischen
Keramikschichten 4 über die jeweilige internen Elektroden 5
angelegt ist.
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Die Schutzschichten 31 und 32 sind vorgesehen, um den
aktiven Bereich 2 elektrisch und mechanisch gegenüber externer
Kraft zu schützen. Das heißt, obwohl die Grundfunktion des
piezoelektrischen Antriebs als elektromechanischer Umformer
durch den aktiven Bereich 2 erhalten wird, ist es
wünschenswert, um diesen auf einer praktischen Vorrichtung zu
verwenden, daß ein äußerster Bereich der Schichtstruktur 10
in Schichtrichtung aus einem isolierenden Material besteht,
da es an eine zugehörige Vorrichtung selbst dann angepaßt
werden kann, wenn diese nicht aus einem isolierenden
Material, sondern Metallmaterial gebildet ist. Da weiterhin
jede piezoelektrische Keramikschicht 4 des aktiven
Bereiches 2 mehrere Zehn µm dünn ist, und die Stärke des
elektrischen Feldes, das in der piezoelektrischen
Keramikschicht 4 durch die an diese angelegte Antriebsspannung in
der Größenordnung von 150 V erzeugt wird, sehr groß ist,
muß der aktive Bereich 2 mechanisch gegen externe
mechanische
Stöße dergestalt geschützt werden, daß die
piezoelektrische Keramikschicht oder die Schichten 4 nicht gespalten
oder zerstört werden. Zu diesem Zweck sind wenigstens die
Schutzschichten 31 und 32 auf den Ober- und Unterseiten des
aktiven Bereiches 2 vorgesehen, und daher sollte jede
Schutzschicht dick genug sein, um den gewünschten Schutz zu
schaffen. Beispielsweise kann die Dicke, d.h. die Länge in
Schichtrichtung, jeder Schutzschicht in der Größenordnung
von 2 mm liegen, wenn der aktive Bereich 2 eine Länge von
12 mm in Schichtrichtung hat. Angesichts der Leichtigkeit
der Herstellung der Schutzschichten 31 und 32 ist jede
Schutzschicht üblicherweise durch Aufschichten von dünnen
Schichten desselben Materials wie das der piezoelektrischen
Keramikschicht 4, welche den aktiven Bereich 2 bildet,
gebildet.
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Wenn bei dem wie vorstehend beschrieben aufgebauten
piezoelektrischen Antrieb vom Schichttyp die externe Kraft, die
auf die Schichtstruktur 10 in der Dehnung erzeugenden
Richtung, d.h. der Schichtrichtung, ausgeübt wird, variiert,
unterscheidet sich die elastische Dehnung der
Schutzschichten 31 und 32 von der des aktiven Bereiches 2 selbst dann,
wenn sie die gleichen piezoelektrischen Charakteristika
haben, da der aktive Bereich 2 dem elektrischen Feld
ausgesetzt ist, während die Schutzschichten dies nicht sind. Das
heißt, das tatsächliche Maß der Verschiebung dieser
Schichtstruktur ist eine Summe aus der Dehnung des aktiven
Bereiches 2 und der Dehnung der Schutzschichten 31 und 32.
Bei dem in der Fig. 1 gezeigten piezoelektrischen Antrieb
jedoch wird nur die Dehnung des aktiven Bereiches 2
detektiert. Daher stimmt die detektierte Verschiebung nicht mit
der tatsächlichen Verschiebung überein. Da weiterhin die
Länge der Schutzschichten 31 und 32 mit Bezug auf die Länge
des aktiven Bereiches 2 wie vorstehend erwähnt nicht
vernachlässigbar ist, ist die Differenz zwischen der
tatsächlichen
Verschiebung und der detektierten Verschiebung sehr
bedeutend.
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Wenn andererseits die Temperatur der Schichtstruktur 10
durch die Änderung der Umgebungstemperatur und/oder von
Wärme, die durch den Betrieb des piezoelektrischen
Antriebes erzeugt wird, geändert wird, stimmt die detektierte
Verschiebung ebenfalls nicht mehr mit der tatsächlichen
Verschiebung überein, wenn der Koeffizient der linearen
Ausdehnung des aktiven Bereiches 2 sich von dem der
Schutzschichten 31 und 32 unterscheidet.
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Um die Temperaturcharakteristika des Maßes der Verschiebung
des piezoelektrischen Antriebs abzuflachen, kann in
Betracht gezogen werden, weiterhin ein
Temperaturkompensationselement auf dem oberen oder unteren Bereich der
Schichtstruktur 10 vorzusehen. Ein derartiges
Temperaturkompensationselement ist ein Block aus einem solchen rostfreien
Stahl, dessen linearer Ausdehnungskoeffizient im Vorzeichen
entgegengesetzt zu dem der Schichtstruktur 10 ist, die aus
piezoelektrischem Material gebildet ist, dessen linearer
Ausdehnungskoeffizient negativ ist, und so funktioniert,
daß Änderungen der Verschiebung des piezoelektrischen
Antriebs infolge von Wärmeausdehnung kompensiert werden. Die
Länge des Temperaturkompensationselementes in
Schichtrichtung kann vorzugsweise in der Größenordnung von ungefähr 4
mm sein, wenn die Schichtstruktur 10 eine Länge von 16 mm
hat. Selbst bei einem derartigen piezoelektrischen Antrieb,
der ein derartiges Temperaturkompensationselement hat, wird
eine detektierte Verschiebung mit der tatsächlichen
Verschiebung nicht übereinstimmen, wenn die elastische Dehnung
des aktiven Bereiches 2 sich von der der Schutzschichten 31
und 32 unterscheidet, was zu einer verminderten Genauigkeit
der Verschiebungssteuerung führt.
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Das heißt, wenn ein piezoelektrischer Antrieb zusätzlich zu
einem aktiven Bereich, der die Verschiebung entsprechend
einer Antriebsspannung erzeugt, Teile aufweist, deren
elastische Dehnungen und/oder Dehnungen infolge von
Wärmeausdehnung sich voneinander unterscheiden, daß die Präzision
der Verschiebungssteuerung gemäß der herkömmlichen Technik
tendenziell verschlechtert wird, wenn die externe Kraft in
einer Schichtrichtung und/oder die Temperatur geändert
wird. Eine derartige Verschlechterung der
Verschiebungssteuerungsgenauigkeit tritt auch durch Änderung der
Antriebsspannung auf, wenn der aktive Bereich mit einer
Vielzahl von Bereichen gebildet ist, die aus Materialien
hergestellt sind, deren piezoelektrische Eigenschaften sich
voneinander unterscheiden.
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Die Veröffentlichungen DD-A-137982, Sumitomo Search,
October 1991, Japan, 47,141 bis 144, ISSN 0585-9131 und
Patent Abstracts of Japan, Vol 12, Nr. 291 (E-644),
offenbaren jeweils piezoelektrische Antriebe wie vorstehend
erwähnt, wobei ein oder mehrere Dehnungsmesser dem aktiven
Schichtbereich des Antriebs, wie im Oberbegriff des
Patentanspruches 1 erwähnt, zugeordnet sind.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen piezoelektrischen
Antrieb vom Schichttyp, der Dehnungsmesser hat, zu
schaffen, bei dem selbst dann keine Verschlechterung der
Genauigkeit der Verschiebungssteuerung auftritt, wenn dessen
Antriebsspannung, eine auf diesen ausgeübte externe Kraft
und/oder die Temperatur geändert werden.
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Diese Aufgabe wird durch einen piezoelektrischen Antrieb
wie im Anspruch 1 definiert gelöst; die abhängigen
Patentansprüche beziehen sich auf Weiterentwicklungen der
Erfindung.
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Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines
Beispiel eines herkömmlichen piezoelektrischen Antriebs vom
Schichttyp mit einem Dehnungsstreifen;
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Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer Schichtstruktur, die
bei dem herkömmlichen piezoelektrischen Antrieb vom
Schichttyp verwendet wird;
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Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung eines
piezoelektrischen Antriebs, der Dehnungsmeßstreifen gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat;
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Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer
Verschiebungs-Detektions- und -Steuerschaltung, die für die erste
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
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Fig. 5 ist eine schematische perspektivische Darstellung
eines piezoelektrischen Antriebs mit Dehnungsmessern gemäß
einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 6 ist eine schematische Darstellung eines
piezoelektrischen Antriebs mit Dehnungsmessern gemäß einer dritten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 7A ist eine schematische perspektivische Darstellung
eines piezoelektrischen Antriebs mit Dehnungsmessern gemäß
einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 7B ist eine Draufsicht in vergrößertem Maßstab auf
einen in der Fig. 7A gezeigten Dehnungsmesser;
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Fig. 8 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung
eines piezoelektrischen Antriebs mit Dehnungsmessern gemäß
einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 9 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung
eines piezoelektrischen Antriebs mit Dehnungsmessern gemäß
einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 3 hat eine Schichtstruktur 10 die
gleiche Struktur, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, und ist
durch ein Verfahren hergestellt, das anhand der Fig. 2
beschrieben wird.
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Als erstes werden rohe Keramikblätter durch Schlickerguß
eines Schlamms aus einem Gemisch aus Pulver
piezoelektrischer Keramiken, wie beispielsweise Bleititanat oder
Bleititanatzirkonat, einem Bindemittel und einem organischen
Lösungsmittel erhalten. Eine Oberfläche der rohen
Keramikblätter wird mit einer leitfähigen Paste, die Pulver eines
Gemisches aus Silber und Palladium oder Platinpulver
dispergiert enthält, im Siebdruckverfahren bedruckt, um die
internen Elektroden zu bilden. Dann werden eine Anzahl von
rohen Keramikblättern, auf die die leitfähige Paste
aufgebracht ist, aufgeschichtet, und es werden rohe
Keramikblätter, die mit keiner leitfähigen Paste bedruckt sind, auf
die obersten und untersten rohen Keramikblätter
aufgeschichtet, um einen geschichteten, piezoelektrischen
Keramikkörper zu bilden. Die rohen Keramikblätter, auf welche
die internen Elektroden aufgedruckt sind, dienen dazu,
einen aktiven Bereich 2 zu bilden, und die rohen
Keramikblätter ohne interne Elektroden dienen dazu, die oberste
bzw. unterste Schutzschicht 31 bzw. 32 zu bilden. Nachdem
der geschichtete piezoelektrische Keramikkörper auf 100ºC
erhitzt worden ist und innig unter Druck geschichtet worden
ist, wird das darin enthaltene Bindemittel bei ungefähr
500ºC zersetzt und entfernt, und dann wird der Körper bei
ungefähr 1000ºC gesintert, was zu einer Schichtstruktur
führt, die die Schutzschichten 31 und 32 und die
piezoelektrischen Keramikschichten 4 und die internen
Elektrodenschichten 5 aufweist, die abwechselnd mit den
piezoelektrischen Keramikschichten geschichtet sind.
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Danach werden die ungeradzahligen internen
Elektrodenschichten 5, die zu einer Seitenfläche des Sinterkörpers
freiliegen, elektrisch durch die Isolatoren 6 isoliert, und
die geradzahligen internen Elektrodenschichten 5, die zur
anderen Seite der Oberfläche des Sinterkörpers freiliegen,
werden ähnlich elektrisch isoliert, so daß die internen
Elektrodenschichten 5, die nicht isoliert sind, abwechselnd
an den beiden Oberflächen des Sinterkörpers erscheinen. Die
internen Elektrodenschichten 5, die nicht isoliert sind und
die an beiden Seitenflächen des Sinterkörpers freiliegen,
werden jeweils an externe Elektroden 71 bzw. 72 elektrisch
angeschlossen, was zu einer Schichtstruktur 10 führt.
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Der Sinterkörper mit der Schichtstruktur 10, der die
piezoelektrischen Keramikschichten 4 mit der leitfähigen Paste
aufweist, bildet einen aktiven Bereich, welcher infolge des
piezoelektrischen Effektes aufgrund eines elektrisches
Feldes, das durch das Anlegen einer Antriebsspannung an
diesselben erzeugt wird, eine Dehnung erzeugt, und einen oberen
und einen unteren Teil der Schichtstruktur 10, die die
piezoelektrischen Keramikschichten enthalten, die keine
leitfähige Paste aufweisen, die eine obere bzw. untere
Schutzschicht 31 bzw. 32 bilden, welche keine Dehnung infolge der
Antriebsspannung erzeugen. Die Querschnittsfläche der
Schichtstruktur 10 bei dieser Ausführungsform ist in einer
Richtung rechtwinklig zur Schichtrichtung 5 mm x 5 mm und
die Länge derselben in Schichtrichtung beträgt 16 mm. Die
Länge des aktiven Bereiches 2 ist 12 mm und die Längen der
Schutzschichten 31 und 32 betragen jeweils 2 mm.
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Bei der in der Fig. 3 gezeigten ersten Ausführungsform sind
Dehnungsmesser 81, 82 und 83, die jeweils einen
Widerstandswert von 120 Ω und eine Meßrate von 2 haben, an den
Oberflächen der Schutzschicht 31, des aktiven Bereiches 2
und des aktiven Bereichs 32 befestigt. Meßleitungen 9
dieser Dehnungsmesser sind separat vorgesehen. Jeder der
Dehnungsmesser, der bei der ersten Ausführungsform verwendet
wird, hat eine Basis aus einem Polyimidblatt mit 0,1 mm
Dicke und ist an dem Antrieb mittels eines Klebstoffes vom
Epoxyd-Phenol- oder Zyanoacrylat-Typ unter Druck von 2
kgf/cm² angeklebt.
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Die Änderungsraten des Widerstandes dieser Dehnungsmesser
81, 82 und 83 sind proportional zur Größe der Dehnung in
den jeweiligen Bereichen (den Bereichen der Schutzschicht
31 und 32 und dem aktiven Bereich 2). Bei dieser
Ausführungsform sind diese Dehnungsmesser an Wheatstone'sche
Brücken 101, 102 und 103 mit jeweils 120 Ω angeschlossen,
wie dies in der Fig. 4 gezeigt ist, um solche
Widerstandsänderungen zu messen. Die Wheatstone'schen Brücken
sind gemeinsam an eine Konstantspannungsquelle 11
angeschlossen, von denen Dehnungssignale 121, 122 und 123
erhalten werden, deren Größen proportional zum
Dehnungskoeffizienten sind, der durch die Dehnungsmesser detektiert
worden ist. Das Detektieren der Widerstandsänderung des
Dehnungsmessers kann auch auf irgendeine andere bekannte
Art als dem Gleichstrom-Brücken-Verfahren wie vorstehend
erwähnt durchgeführt werden.
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Das Maß der Verschiebung eines Gegenstandes, wenn
letztgenannter verformt worden ist, ist ein Produkt aus der Länge
und der Dehnungsrate des Gegenstandes, und das Gesamtmaß
der Verschiebung einer Anzahl von in Reihen geschalteten
Gegenständen ist die Summe der Verschiebungen der
jeweiligen Gegenstände. Daher kann die Gesamtverschiebung erhalten
werden, indem die Längen und die Dehnungsraten dieser
Gegenstände bekannt sind.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform, bei der die
Dehnungsmesser 81, 82 und 83 identische Widerstandswerte und
identische Dehnungsraten haben und die Wheatstone'schen Brücken
101, 102 und 103 an die gemeinsame Konstantspannungsquelle
11 angeschlossen sind, sind die Größen der Dehnungssignale
121, 122 und 123 analog zu den Dehnungsraten, die durch die
Dehnungsmesser 81, 82 bzw. 83 detektiert worden sind. Bei
dieser Ausführungsform sind die Schutzschichten 31 und 32
und der aktive Bereich 2 2mm, 2mm bzw. 12mm in
Schichtrichtung lang. Daher verstärkt eine Arbeitsschaltung 13 die
Dehnungssignale 121, 122
und 123 mit Verstärkungsfaktoren
gleich den Verhältnissen von Längen der Bereiche, an
welchen die jeweiligen Dehnungsmesser 81, 82 und 83 befestigt
sind, und addiert diese, was zu einem Verschiebungssignal
14 proportional zur Gesamtverschiebung der Schichtstruktur
10 führt.
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Bei dieser Ausführungsform ist die Größe y des
Verschiebungssignals 14, das durch die Arbeitsschaltung 13 erhalten
worden ist, repräsentiert durch
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y = kX(2a+2b+12c)
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wobei a, b und c die Größen der jeweiligen Dehnungssignale
121, 122 und 123 und k eine willkürliche Konstante ist.
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Indem das so erhaltene Verschiebungssignal 14 einer
Rückkopplungssteuerschaltung 15, die eine
Vergleichsbetriebsschaltung hat, zugeführt wird, kann eine Verschiebung
entsprechend einem Steuersignal 16, das einen angestrebten
Antriebsspannungswert bezeichnet und keine Hysterese hat,
erhalten werden.
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Wenn beispielsweise die Brückenwiderstände jeweils 120 Ω
sind, ist der Spannungswert von der Konstantspannungsquelle
2V und die Spannungswerte der jeweiligen Dehnungssignale
sind -0,1 V bis +0,1 V, wobei eine Änderung von 1 mV
erhalten ist. Durch Verstärken des Maßes der Änderung von 1 mV
wird das Verschiebungssignal 14 von -5V bis +5V erhalten.
Durch Einstellen der Steuersignalspannung auf -5V bis +5V
und Vergleichen derselben mit dem Verschiebungssignal 14
und Verstärken des Ergebnisses des Vergleichs in der
Rückkopplungssteuerschaltung 15 wird eine Antriebsspannung des
piezoelektrischen Antriebs im Bereich von 0 bis 100 V
erhalten.
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Durch Vergleichen des piezoelektrischen Antriebs, der die
Schichtstruktur gemäß dieser Ausführungsform verwendet, mit
einem herkömmlichen piezoelektrischen Antrieb, der die
gleiche Schichtstruktur wie bei der gegenwärtigen Erfindung
hat, wurde eine Abweichung von 1 µm oder weniger zwischen
der gemessenen Verschiebung und der tatsächlichen
Verschiebung bei dem gegenwärtigen Antrieb beobachtet, wenn auf
diesen eine externe Kraft von 100 kgf ausgeübt wurde,
während bei dem herkömmlichen Antrieb die Abweichung 5 µm
unter den gleichen Bedingungen betrug.
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Die Wheatstone'schen Brücken und die Arbeitsschaltung bei
dieser Ausführungsform können vereinfacht werden, indem die
drei Dehnungsmesser in Reihe geschaltet werden, wie dies in
der Fig. 5 gezeigt ist, welche eine perspektivische Ansicht
einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist. In der Fig. 5 sind Dehnungsmesser 81 und 82 an die
Oberflächen der Schutzschichten 31 und 32 einer
Schichtstruktur angeklebt, die die gleiche wie jene der ersten
Ausführungsform ist, und ein Dehnungsmesser 83 ist an eine
Oberfläche eines aktiven Bereiches 2 der Schichtstruktur 10
angeklebt. Der Widerstandswert des Dehnungsmessers 83 ist
90 Ω, und die Widerstandswerte der Dehnungsmesser 81 und 82
sind jeweils 15 Ω und die Meßraten der Dehnungsmesser 81,
82 und 83 sind gemeinsam 2. Eine Reihenschaltung dieser
drei Dehnungsmesser 81, 82 und 83 ist äquivalent einem
einzelnen Dehnungsmesser mit 120 Ω. Die Eigenschaften dieses
einzelnen Dehnungsmessers werden beschrieben.
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Es wird angenommen, daß ein Dehnungsmesser mit einem
Widerstandswert R und einer Meßrate K an einen Bereich eines
Gegenstandes mit der Länge L angeklebt ist, und der
Widerstand R des Dehnungsmessers wird um ΔR als Ergebnis der
Verschiebung ΔL des Gegenstandes, der mit einer
Dehnungsrate ε deformiert worden ist, verändert, so daß die
folgende Gleichung aufgestellt werden kann:
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ΔL = L X ε = L X (ΔR/R)/K
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= ΔR X{[L/(R X K)}
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Daher werden in einem solchen Fall, wie bei der
vorliegenden Ausführungsform, wo die Dehungsmesser an den jeweiligen
drei Bereichen, d.h. den Schutzschichten 31 und 32 bzw. dem
aktiven Bereich 2 angeklebt sind, die Widerstandsänderungen
ΔR der jeweiligen Dehnungsmesser proportional zu der
Verschiebung ΔL der jeweiligen Bereiche, indem ein Produkt aus
dem Widerstandswert R und der Meßrate K des Dehnungsmessers
proportional zur Länge L des Gegenstandes, an welchem der
Dehnungsmesser angeklebt ist, gemacht wird, das heißt,
indem ein Wert L (R X K) in jedem Bereich konstant gemacht
wird. Durch in Reihe schalten dieser drei Dehnungsmesser
kann die Verschiebung der Schichtstruktur 10 gemessen
werden, indem die Widerstandsänderung der in Reihe
geschalteten Dehnungsmesser gemessen wird. Bei dieser
Ausführungsform werden die Dehnungsmesser entsprechend diesem Prinzip
gewählt.
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Während bei der ersten Ausführungsform drei
Brückenschaltungen für die jeweiligen Dehnungsmesser zusätzlich zu der
Arbeitsschaltung notwendig sind, um die drei
Dehnungssignale zu bearbeiten, ist es bei der zweiten Ausführungsform
ausreichend, die einzige Brückenschaltung vorzusehen, ohne
daß irgendeine Arbeitsschaltung erforderlich ist.
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Fig. 6 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. In der Fig. 6 ist die Schichtstruktur 10 die
gleiche wie jene, die bei der ersten Ausführungsform
verwendet wird. Da die Schutzschichten 31 und 32 aus dem
gleichen Material hergestellt sind und die gleichen
Querschnittsflächen und die gleichen Young-Module haben, sind
ihre Dehnungen gegenüber externer Kraft gleich. Weiterhin
sind ihre Dehnungen gegenüber Temperaturänderung ebenfalls
gleich, da ihre Wärmeausdehnungskoeffizienten gleich sind.
Da daher ihre Dehnungen immer gleich sind, ist es möglich,
einen der Dehnungsmesser zu entfernen. Um die
Widerstandsänderung
eines einzigen Dehnungsmessers zu gestalten,
hat in der Fig. 6 der Dehnungsmesser 82, der mit jenen der
Schutzschichten 31 und 32 zusammenpaßt, einen
Widerstandswert, der auf der Basis der Summe aus den Längen der
Schutzschichten 31 und 32 errechnet ist. Bei dieser
Ausführungsform ist der Dehnungsmesser 82 nur an der
Schutzschicht 32 befestigt. Die Widerstandswerte des
Dehnungsmessers 82 und des Dehnungsmessers 83 sind 30 Ω bzw. 90 Ω, und
ihre Meßraten sind gemeinsam 2.
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Fig. 7A zeigt eine vierte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Im Gegensatz zur dritten Ausführungsform, bei
der die Dehnungsmesser 82 und 83 separat wie in der Fig. 6
gezeigt, befestigt sind, ist ein einziger Dehnungsmesser
87, der durch eine Reihenschaltung von Meßbereichen 181 und
182 auf einer gemeinsamen Basis 17, wie in der Fig. 7B
gezeigt, bei der vierten Ausführungsform verwendet, um
dadurch die Zuverlässigkeit der Schaltung zu verbessern und
die Herstellschritte zu reduzieren. Die Widerstandswerte
der Meßbereiche 181 und 182 betragen 30 Ω bzw. 90 Ω für
eine Schichtstruktur 10, die die gleiche wie bei der ersten
Ausführungsform ist, und ihre Meßraten betragen gemeinsam
1,98.
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Bei einer fünften Ausführungsform, wie in der Fig. 8
gezeigt, hat ein Dehnungsmesser 88 einen Widerstandswert von
120 Ω und ist an einer Grenzfläche zwischen einem aktiven
Bereich 2 und einer Schutzschicht 32 einer Schichtstruktur
10, die die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform ist,
befestigt. Die Grenzfläche, an welcher der Dehnungsmesser
88 befestigt ist, reicht über die Schutzschicht 32 mit
einem Abstand von L1 und über den aktiven Bereich 2 mit einem
Abstand L2, wobei L1:L2 = 3:1 ist. Dies ist äquivalent zu
dem Fall, bei dem Dehnungsmesser mit Widerstandswerten von
30 Ω bzw. 90 Ω in Reihe geschaltet sind. Gemäß der fünften
Ausführungsform kann der gleiche Effekt wie bei der dritten
oder vierten Ausführungsform mit einem einzigen
Dehnungsmesser, der einen einzigen Meßbereich hat, erzielt werden.
Da weiterhin identische Dehnungsmesser identische Meßraten
haben, ist es ausreichend, nur das Verhältnis zwischen L1
und L3 in Betracht zu ziehen.
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Eine sechste Ausführungsform, die in der Fig. 9 gezeigt
ist, ist durch Ankleben eines
Temperaturkompensationselementes 19 an die Struktur gemäß der zweiten
Ausführungsform, die in der Fig. 5 gezeigt ist, das aus rostfreiem
Stahl (15 ppm/ºC) gebildet ist und 4 mm lang ist, und
Ankleben eines Dehnungsmessers 84 an das
Temperaturkompensationselement 19 gebildet. Bei dieser Ausführungsform ist
die Gesamtwärmeausdehnung als piezoelektrischer Antrieb im
wesentlichen 0, da eine Schichtstruktur 10 bei einem
Temperaturanstieg von 1ºC sich um 0,06 µm zusammenzieht. Durch
Reihenschaltung der Dehnungsmesser 81, 82, 83 und 84 mit
den Widerstandswerten 72 Ω, 12 Ω bzw. 24 Ω ist es möglich,
die Nichtübereinstimmung der angestrebten Verschiebung des
Temperaturkompensationselementes 19 und der Schichtstruktur
10 infolge der Differenz der elastischen Dehnung bei
Änderung der externen Kraft zu korrigieren. Das heißt, bei dem
herkömmlichen piezoelektrischen Antrieb ist es praktisch
unmöglich, ein derartiges Temperaturkompensationselement
zur Verbesserung seiner Temperaturcharakteristika daran zu
befestigen, da die Dehnungen des
Temperaturkompensationselementes und der Schichtstruktur bei Änderung der externen
Kraft sich sehr voneinander unterscheiden. Diese
Ausführungsform zeigt eine korrekte Verschiebung nicht nur bei
Temperaturänderung, sondern auch bei Änderung der externen
Kraft. Beispielsweise liegt bei dem herkömmlichen
piezoelektrischen Antrieb, der kein
Temperaturkompensationselement hat, ein steuerbarer Bereich der Verschiebung bezogen
auf eine angelegte Spannung in der Größenordnung von 3 µm
bei 50ºC. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der
steuerbare Bereich jedoch 0,5 µm oder weniger bei 50ºC, und
die Abweichung bei Ausüben einer externen Kraft von 100
kg/f ist 1,5 µm oder weniger.
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Wie vorstehend beschrieben ist der piezoelektrische Antrieb
gemäß der vorliegenden Erfindung aus einer Anzahl von
Bereichen, deren Dehnungen aufgrund von angelegter
Antriebsspannung, elastische Dehnungen und Dehnungen infolge von
Wärmeausdehnung sich voneinander unterscheiden, und
Dehnungsmessern zum Detektieren der Dehnungen der jeweiligen
Bereiche zusammengesetzt. Somit ist es gemäß der
vorliegenden Erfindung möglich, die Dehnungen der jeweiligen
Bereiche selbst dann zu detektieren, wenn externe Kraft und/oder
Temperatur geändert werden, anders als bei dem
herkömmlichen piezoelektrischen Antrieb, bei dem nur Dehnung infolge
der Antriebsspannung detektiert wird.
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Somit ist es verglichen mit dem herkömmlichen
piezoelektrischen Antrieb möglich, durch Detektieren einer Verschiebung
des piezoelektrischen Antriebs als Ganzes auf der Basis der
Dehnungen, die in den jeweiligen Bereichen detektiert
worden sind, und Rückkoppeln dieser auf die Antriebsspannung,
die Steuergenauigkeit der Verschiebung wesentlich zu
verbessern, wenn externe Kraft und/oder Temperatur verändert
werden. Weiterhin kann die Genauigkeit des
Verschiebungsmaßes selbst in einem piezoelektrischen Antrieb
aufrechterhalten werden, der eine Schichtstruktur, zusammengesetzt
aus einer Anzahl von Bereichen hat, die aus Materialien mit
unterschiedlichen piezoelektrischen Charakteristika
zusammengesetzt ist.