EP0273942A1 - Fine-positioning piezoelectric device - Google Patents

Fine-positioning piezoelectric device

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EP0273942A1
EP0273942A1 EP87904233A EP87904233A EP0273942A1 EP 0273942 A1 EP0273942 A1 EP 0273942A1 EP 87904233 A EP87904233 A EP 87904233A EP 87904233 A EP87904233 A EP 87904233A EP 0273942 A1 EP0273942 A1 EP 0273942A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
fine positioning
positioning device
piezoelectric
fork
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP87904233A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Michael Anders
Christoph Heiden
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Leica Microsystems Holdings GmbH
Original Assignee
Wild Leitz GmbH
Ernst Leitz Wetzlar GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Wild Leitz GmbH, Ernst Leitz Wetzlar GmbH filed Critical Wild Leitz GmbH
Publication of EP0273942A1 publication Critical patent/EP0273942A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Landscapes

  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)
  • Manipulator (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Le dispositif décrit sert à déplacer un objet dans trois directions de coordonnées et est caractérisé par a) un disque (5) piezoélectrique découpé au moins approximativement de manière plane et parallèle; b) un agencement d'électrodes (6, 7, 8, 17) réalisé sur les surfaces parallèles les unes aux autres et pourvu de connexions électriques (9, 10, 11, 18) et permettant de régler dans le disque piezoélectrique (5) trois champs électriques pouvant être commandés indépendamment; c) un dispositif de serrage (1, 2) bifurqué entourant le disque piézoélectrique (5) en au moins trois points d'appui (13, 14, 15, 16) symétriques les uns aux autres au niveau de la surface périphérique isolée électriquement par rapport à l'agencement d'électrodes (6, 7, 8, 17), de telle manière que d) une des électrodes (8) se trouve dans la partie ouverte du dispositif de serrage (1, 2) bifurqué; e) l'objet à positionner (19) étant disposé, isolé électriquement, sur une surface d'électrode (17) dans la région du champ de cette électrode (8).The device described serves to move an object in three directions of coordinates and is characterized by a) a piezoelectric disc (5) cut at least approximately in a plane and parallel manner; b) an arrangement of electrodes (6, 7, 8, 17) produced on the surfaces parallel to each other and provided with electrical connections (9, 10, 11, 18) and making it possible to adjust in the piezoelectric disc (5) three electric fields which can be controlled independently; c) a bifurcated clamping device (1, 2) surrounding the piezoelectric disc (5) at at least three support points (13, 14, 15, 16) symmetrical to each other at the peripheral surface electrically insulated by relative to the arrangement of electrodes (6, 7, 8, 17), such that d) one of the electrodes (8) is in the open part of the bifurcated clamping device (1, 2); e) the object to be positioned (19) being arranged, electrically insulated, on an electrode surface (17) in the region of the field of this electrode (8).

Description

Piezoelektrische Feinpositioniervorrichtung Piezoelectric fine positioning device
•Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Feinposi¬ tioniervorrichtung für die Bewegung eines Objektes in drei Koordinatenrichtungen und ein Verfahren zur Steu¬ erung der Feinpositioniervorrichtung.• The invention relates to a piezoelectric fine positioning device for moving an object in three coordinate directions and a method for controlling the fine positioning device.
Als Feinpositionierung im Sinne der Erfindung wird eine Positioniergenauigkeit von besser als 10~10m verstanden, d.h. eine Bewegung im Bereich atomarer Dimensionen. Vor¬ richtungen dieser Art bilden z.B. die Grundlage für die Untersuchung der Oberflächentopographie unter Ausnutzung des Tunneleffekts. Die Feinpositioniervorrichtung bewegt eine spitze Abtastnadel dabei in einem vorgegebenen Ab¬ stand rasterförmig über die zu untersuchende Oberfläche, wobei z.B. der Tunnelström zur Regelung des Abstandes herangezogen und die Regelgröße in Abhängigkeit von dem Positionssignal der Abtastspitze dargestellt wird (Ra¬ ster-Tunnel-Mikroskopie) . Die Feinpositioniervorrichtung muß insbesondere zwei An¬ forderungen erfüllen. Sie muß mechanisch besonders stabil sein, um das System unempfindlich gegen Vibrationen der Umgebung zu machen. Die Resonanzfrequenz der Vorrichtung soll so hoch wie möglich sein, um eine möglichst hohe Ra¬ stergeschwindigkeit für die Abtastung erreichen zu kön¬ nen, die neben größerer räumlicher Auflösung auch eine bessere Zeitauflösung bei der Beobachtung dynamischer Prozesse erlaubt.Fine positioning in the sense of the invention means a positioning accuracy of better than 10 ~ 10m, ie a movement in the range of atomic dimensions. Devices of this type form, for example, the basis for the investigation of the surface topography using the tunnel effect. The fine positioning device moves a pointed scanning needle at a predetermined distance in a grid pattern over the surface to be examined, for example the tunnel flow being used to regulate the distance and the controlled variable being displayed as a function of the position signal of the scanning tip (raster tunnel microscopy) . The fine positioning device must meet two requirements in particular. It must be particularly stable mechanically in order to make the system insensitive to vibrations in the environment. The resonance frequency of the device should be as high as possible in order to be able to achieve the highest possible scanning speed for the scanning, which, in addition to greater spatial resolution, also permits better time resolution when observing dynamic processes.
Die bisher bekannten Vorrichtungen dieser Art benutzen als Stellelemente piezoelektrische Bauteile. Beim in Phys. Rev. Lett., Vol. 49, No.l (1982), pp 57-61, be¬ triebenen Piezodreibein werden z.B. drei rechtwinklig zueinander stehende Streifen einer Piezokeramik in Form einer Pyramide zusammengefügt. Die Spitze der Pyramide kann durch Verändern der Länge der Streifen in die drei Raumrichtungen bewegt werden. Nachteilig an dieser An¬ ordnung ist ihre relativ große Masse, die zu einer nie¬ drigen Resonanzfrequenz und damit zu einer erhöhten An- fälligkeit bezüglich thermischer Drifterscheinungen frührt.The previously known devices of this type use piezoelectric components as control elements. When in Phys. Rev. Lett., Vol. 49, No.l (1982), pp 57-61, operated piezo tripods are e.g. three strips of a piezoceramic standing at right angles to each other put together in the form of a pyramid. The top of the pyramid can be moved in the three spatial directions by changing the length of the strips. A disadvantage of this arrangement is its relatively large mass, which leads to a low resonance frequency and thus to an increased susceptibility to thermal drift phenomena.
Bei einer anderen, aus Rev. Sei. Instrum., Vol. 56, No.8 (August 1985), pp 1573-1576, bekannten Bauform werden sehr kleine Piezokerami würfel und Metallwürfe! schach- brettartig aufeinandergeklebt. Diese Positioniervorrich¬ tung hat zwar eine kleinere Masse, aber hier wird ein großer Anteil der Gesamtmasse aus piezoelektrisch nicht aktivem Material gebildet. Die zwischengefügten Metall- würfel verringern auch hier die Resonanzfrequenz. Beiden Bauformen ist gemeinsam, daß sie aus mindestens drei verschiedenen Stücken einer Piezokeramik bestehen, die miteinander durch Kleben, Schrauben, Klemmung oder ähnliches verbunden sind. Dadurch werden mechanische Schwachstellen eingeführt, die bei zyklischer thermischer Beanspruchung aufgrund unterschiedlicher thermischer Aus¬ dehnungskoeffizienten der starr miteinander verbundenen Materialien mechanisch stark belastet werden.Another, from Rev. Sei. Instrum., Vol. 56, No.8 (August 1985), pp 1573-1576, known design are very small piezoceramic cubes and metal throws! glued together like a chessboard. This positioning device has a smaller mass, but here a large proportion of the total mass is formed from piezoelectrically inactive material. The interposed metal cubes also reduce the resonance frequency here. Both designs have in common that they consist of at least three different pieces of piezoceramic, which are connected to one another by gluing, screwing, clamping or the like. As a result, mechanical weak points are introduced which, in the case of cyclic thermal stress, are subjected to high mechanical stresses due to different thermal expansion coefficients of the rigidly connected materials.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Fein- Positioniervorrichtung zu schaffen, die eine geringe Vi¬ brationsempfindlichkeit zeigt, eine hohe Resonanzfrequenz besitzt, die weitgehend temperaturunempfindlich ist und insbesondere auch im Tieftemperaturbereich einsetzbar ist, die eine flache Bauweise und einen möglichst ein- fachen Aufbau ermöglicht.The invention was therefore based on the object of providing a fine positioning device which has low sensitivity to vibration, has a high resonance frequency, is largely insensitive to temperature and can also be used in the low-temperature range in particular, which has a flat design and is as simple as possible Construction enables.
Diese Aufgabe wird bei einer piezoelektrischen Feinposi¬ tioniervorrichtung der eingangs genannten Art erfindungs¬ gemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 9. Ein Verfahren zur Steuerung der Feinpositioniervorrichtung ist im Anspruch 10 angegeben.This object is achieved according to the invention in a piezoelectric fine positioning device of the type mentioned at the outset by the characterizing features of claim 1. Advantageous embodiments result from subclaims 2 to 9. A method for controlling the fine positioning device is specified in claim 10.
Hervorstehendes Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die konsequente Minimierung parasitärer, piezoelek¬ trisch nicht aktiver Massen bei gleichzeitig äußerst geringer Gesamtmasse des eigentlichen Antriebskörpers. Er besteht aus einem einzigen, in sich homogenen piezoelektrischen Bauteil. Die relativ zum Antriebs¬ körper ruhende Einspannvorrichtung kann aus einem Material gefertigt werden, dessen thermischer Ausdeh- nungskoeffizient dem des Antriebskörpers angepaßt ist. Bei der Steuerung des Antriebskörpers findet darüber hinaus nur eine vernachlässigbare Relativbewegung - zwischen dem Antriebskörper und den Einspannpunkten statt. Soweit Abstandsvariationen zwischen den Ein- spannpunkten auftreten, werden sie durch die Elastizität der GabelSchenkel der Einspannvorrichtung aufgefangen.The prominent feature of the device according to the invention is the consequent minimization of parasitic, piezoelectrically inactive masses and at the same time extremely low overall mass of the actual drive body. It consists of a single, homogeneous piezoelectric component. The clamping device which rests relative to the drive body can be made of a material whose thermal expansion coefficient is matched to that of the drive body. In addition, when the drive body is controlled, there is only a negligible relative movement - between the drive body and the clamping points. As far as distance variations between the clamping points occur, they are absorbed by the elasticity of the fork legs of the clamping device.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt. Ihre Ar¬ beitsweise wird nachstehend anhand der Figuren beschrie- ben. Im einzelnen zeigen:Embodiments of the device according to the invention are shown schematically in the drawing. Their mode of operation is described below with reference to the figures. In detail show:
Fig. 1 eine Unteransicht der Feinpositioniervor¬ richtung Fig. 2 eine Aufsicht auf die Feinpositioniervor¬ richtung Fig. 3 eine Frontansicht der Feinpositioniervor¬ richtung Fig. 4 eine schematische Darstellung der Bewe¬ gungen in a,b) tangentialer, c) axialer und d) radialer Richtung Fig. 5 eine andere Möglichkeit der Elektrodenan¬ ordnung Fig. 6 ein Blockschaltbild der Steuerung Die in Fig. 1 dargestellte Feinpositioniervorrichtung enthält eine aus zwei Schenkeln 1,2 bestehende gabel¬ förmige Einspannvorrichtung. Die beiden Schenkel 1,2 werden durch eine Lagerschraube 4 zusammengehalten und können durch eine Spannschraube 3 als Zange gegeneinander verstellt werden. In einer einfacheren Ausgestaltung können die Schenkel im Bereich der Spannschraube fest verbunden sein, wobei im Bereich der Schraube 4 dann eine Verspannung gegen die Federkraft der Schenkel erfolgen kann. Die Einspannvorrichtung kann aus Messing gefertigt sein. Es kann aber auch ein keramisches oder glaskerami¬ sches Material gewählt werden, wenn dies z.B. wegen der thermischen Eigenschaften zweckmäßiger ist.1 is a bottom view of the fine positioning device. FIG. 2 is a top view of the fine positioning device. FIG. 3 is a front view of the fine positioning device. FIG. 4 is a schematic illustration of the movements in a, b) tangential, c) axial and d ) radial direction FIG. 5 another possibility of the electrode arrangement FIG. 6 a block diagram of the control The fine positioning device shown in FIG. 1 contains a fork-shaped clamping device consisting of two legs 1, 2. The two legs 1, 2 are held together by a bearing screw 4 and can be adjusted against one another by a clamping screw 3 as pliers. In a simpler embodiment, the legs can be firmly connected in the area of the tensioning screw, with tensioning against the spring force of the legs then being possible in the area of screw 4. The jig can be made of brass. However, a ceramic or glass-ceramic material can also be selected if this is more expedient, for example because of the thermal properties.
Innerhalb der Schenkel 1,2 ist der eigentliche Antriebs- körper angeordnet, der aus einer runden, annähernd plan- parallelen piezoelektrischen Scheibe 5 besteht. Die in Fig. 1 gezeigte Unterseite der piezoelektrischen Scheibe 5 ist mit drei flächigen Elektroden 6,7,8 belegt, an die jeweils über elektrische Anschlüsse 9,10,11 eine elektri- sehe Steuerspannung gelegt werden kann. Die Trennlinie 12 zwischen den Elektrodenfeldern hat die Form eines Y. Die FLächen der Elektroden 6,7 sind zumindest annähernd gleich groß, während die der Elektrode 8 im Vergleich da¬ zu sehr klein ist. Ihre maximale Länge und Breite sollen nicht größer als die Dicke der Scheibe 5 sein. The actual drive body, which consists of a round, approximately plane-parallel piezoelectric disk 5, is arranged within the legs 1, 2. The underside of the piezoelectric disk 5 shown in FIG. 1 is covered with three flat electrodes 6, 7, 8, to each of which an electrical control voltage can be applied via electrical connections 9, 10, 11. The dividing line 12 between the electrode fields has the shape of a Y. The areas of the electrodes 6, 7 are at least approximately the same size, while that of the electrode 8 is very small in comparison. Their maximum length and width should not be greater than the thickness of the disc 5.
Die piezoelektrische Scheibe 5 wird in den Andruckpunkten 13,14 von den äußeren Teilen der Schenkel 1,2 gehalten und liegt im inneren Bereich der Schenkel an zwei dicht nebeneinander liegenden Punkten 15,16 an, die auch als ein einziger Andruckpunkt angesehen werden können. Die Schenkel!änge bezüglich der Andruckpunkte 13,14 ist so gewählt, daß der Mittelpunkt der Scheibe 5 zwar innerhalb der durch die Verbindungslinie zwischen den Andruck¬ punkten 13,14 abgeschlossenen Gabelfläche der Einspann- Vorrichtung aber in der Nähe dieser Verbindungslinie liegt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die Scheibe 5 einerseits nicht nach vorne aus der Ein¬ spannvorrichtung herausgeschoben werden kann und an¬ dererseits ein möglichst großer Bereich der Scheiben- fläche außerhalb der durch die Andruckpunkte 13,14,15,16 eingeschlossenen Scheibenfläche liegt. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Andruckpunkte 13,14 so ge¬ wählt werden, daß mindestens 1/3 des Scheibenumfangs den freien Teil der GabelSchenkel 1,2 überspannt.The piezoelectric disk 5 is held in the pressure points 13, 14 by the outer parts of the legs 1, 2 and lies in the inner region of the legs at two points 15, 16 lying close together, which can also be regarded as a single pressure point. The leg length with respect to the pressure points 13, 14 is selected such that the center of the disc 5 lies within the fork surface of the clamping device, which is closed off by the connecting line between the pressure points 13, 14, but in the vicinity of this connecting line. This measure ensures that the pane 5 cannot be pushed forward out of the clamping device on the one hand and on the other hand the largest possible area of the pane surface lies outside the pane surface enclosed by the pressure points 13, 14, 15, 16. It has proven expedient if the pressure points 13, 14 are selected such that at least 1/3 of the disk circumference spans the free part of the fork legs 1, 2.
Die Orientierung der Elektrodenflächen ist so gewählt, daß die Trennlinie zwischen den Elektroden 6,7 auf der Symmetrielinie der Einspannvorrichtung und die im Keil des Y liegende Fläche außerhalb der durch die Andruck¬ punkte 13,14,15,16 eingeschlossenen Scheibenfläche liegt. The orientation of the electrode surfaces is chosen such that the dividing line between the electrodes 6, 7 on the symmetry line of the clamping device and the surface lying in the wedge of the Y lie outside the disk surface enclosed by the pressure points 13, 14, 15, 16.
Aus der in Fig.2 dargestellten Aufsicht ist zu ersehen, daß die Oberseite der piezoelektrischen Scheibe 5 voll- flächig mit einer weiteren Elektrode 17 belegt ist, an die über einen elektrischen Anschluß 18 ebenfalls ein bestimmtes elektrisches Potential gelegt werden kann. Im Zusammenwirken mit den Elektroden 6,7,8 kann dies z.B. auch das Masse-Potential sein. Sämtliche Elektroden sind so auf der piezoelektrischen Scheibe 5 aufgebracht, daß sie untereinander und gegenüber der Einspannvorrichtung ausreichend elektrisch isoliert sind. Lediglich bei einer als Masse-Elektrode vorgesehenen Elektrode kann es zweck¬ mäßig sein, diese direkt mit der Einspannvorrichtung elektrisch zu verbinden, wenn diese aus elektrisch leitendem Material besteht.It can be seen from the plan view shown in FIG. 2 that the entire surface of the top of the piezoelectric disk 5 is covered with a further electrode 17, to which a specific electrical potential can likewise be applied via an electrical connection 18. In cooperation with the electrodes 6,7,8 this can e.g. also be the mass potential. All electrodes are applied to the piezoelectric disc 5 in such a way that they are sufficiently electrically insulated from one another and from the clamping device. Only in the case of an electrode provided as a ground electrode can it be expedient to electrically connect it directly to the clamping device if it consists of an electrically conductive material.
Auf der Elektrode 17 ist als 'zu positionierendes Objekt eine Abtastnadel 19 angebracht. Für die Anwendung in ei¬ nem Tunnelmikroskop kann dies z.B. eine Wolframspitze sein. Die Abtastnadel 19 kann z.B. mit einem elektrisch isolierenden Kleber auf der Elektrodenfläche 17 befestigt sein, so daß ein durch die Abtastnadel 19 aufgenommener Stromfluß für Meßzwecke über einen elektrischen Anschluß 20 abgeleitet werden kann. Der Befestigungsort der Ab¬ tastnadel 19 liegt im elektrischen Feldbereich der Elek¬ trode 8. Die Spitze der Abtastnadel 19 reicht in Verlängerung der bereits genannten Symmetrielinie der Einspannvorrichtung geringfügig über den Rand der piezoelektrischen Scheibe hinaus. Die Frontansicht in Fig. 3 macht deutlich, wie die pie¬ zoelektrische Scheibe 5 in den Schenkeln 1,2 der Ein¬ spannvorrichtung gehalten wird. Als Ergänzung zu den Fig.l und 2 ist hier die Einspannvorrichtung auf einer Grundplatte 21 befestigt. Das kann z.B. ein Glasplättchen sein. Die Feinpositioniervorrichtung wird damit selbst zu einem positionierfähigen Objekt, das z.B. durch die in der älteren Anmeldung P 36 14996.9 beschriebene elek¬ trisch steuerbare Antriebsvorrichtung verschoben werden kann.On the electrode 17 is mounted as a 'object to be positioned a stylus 19th For use in a tunnel microscope, this can be a tungsten tip, for example. The scanning needle 19 can, for example, be attached to the electrode surface 17 with an electrically insulating adhesive, so that a current flow picked up by the scanning needle 19 can be derived for measurement purposes via an electrical connection 20. The fastening location of the scanning needle 19 lies in the electrical field area of the electrode 8. The tip of the scanning needle 19 extends slightly beyond the edge of the piezoelectric disk in the extension of the already mentioned line of symmetry of the clamping device. The front view in FIG. 3 shows how the piezoelectric disk 5 is held in the legs 1, 2 of the clamping device. As a supplement to FIGS. 1 and 2, the clamping device is attached to a base plate 21 here. This can be a glass plate, for example. The fine positioning device itself thus becomes a positionable object that can be moved, for example, by the electrically controllable drive device described in the earlier application P 36 14996.9.
Anhand der in Fig. 4 gezeigten stark vereinfachten und hinsichtlich der Volumenverschiebungen in der piezoelek¬ trischen Scheibe 5 stark übertriebenen Darstellungen sollen die als tangential, axial und radial bezeichneten Bewegungen der Spitze der Abtastnadel 19 erläutert wer¬ den. Die Darstellungen der Fig. 4a,b,c sind aus der Frontansicht der Fig. 3 abgeleitet, Fig. 4d entspricht einer Seitenansicht der Fig. 2.The greatly simplified representations shown in FIG. 4 and greatly exaggerated with regard to the volume shifts in the piezoelectric disk 5 are intended to explain the movements of the tip of the scanning needle 19 which are referred to as tangential, axial and radial. 4a, b, c are derived from the front view of FIG. 3, FIG. 4d corresponds to a side view of FIG. 2.
Es ist bekannt, daß durch eine an die Elektroden einer piezoelektrischen Scheibe gelegte elektrische Spannung eine Kontraktion oder Dilatation der Dicke der Scheibe erzeugt werden kann, die wegen der Volumenkonstanz der Scheibe in der Regel mit einer Durchmesseränderung verbunden ist. In der älteren Anmeldung P 3614996.9 wurde jedoch eine Elektrodenanordnung mit einer spe¬ ziellen Spannungsversorgung angegeben, bei der sich Volumenverschiebungen innerhalb der Scheibe ausbilden, die den Durchmesser konstant halten. Von diesem Effekt wird auch beim vorliegenden Erfindungsgegenstand in Be¬ zug auf die Positionierung in tangentialer Richtung, d.h. eine Bewegung der Abtastnadel 19 in einer Richtung pa- rallel zu der Verbindungslinie zwischen den Andruck¬ punkten 13,14, Gebrauch gemacht.It is known that an electrical voltage applied to the electrodes of a piezoelectric disk can produce a contraction or dilation of the thickness of the disk, which is usually associated with a change in diameter due to the constant volume of the disk. In the earlier application P 3614996.9, however, an electrode arrangement with a special voltage supply was specified, in which volume shifts form within the disk, that keep the diameter constant. This effect is also used in the present subject matter of the invention in relation to the positioning in the tangential direction, ie a movement of the scanning needle 19 in a direction parallel to the connecting line between the pressure points 13, 14.
Eine Bewegung in tangentialer Richtung wird demnach erreicht, wenn bei konstanter Summe der Potentiale an den Elektroden 6,7 die Differenz der Potentiale geändert wird. Im Feldbereich dieser Elektroden ist die Dicke der Scheibe klein im Vergleich zur Länge oder Breite der Scheibe, so daß der Haupteffekt der Spannungsänderung eine Streckung bzw. Stauchung der unter den Elektroden liegenden Piezobezirke in Richtung der Scheibenebene be- wirkt. Da die Effekte im Bereich der beiden Elektroden aufgrund der speziellen Steuerspannungen (Konstanz der Potentialsumme) zueinander gegenläufig sind, wird die Mittellinie der piezoelektrischen Scheibe, die dieselbe Richtung wie die Trennlinie zwischen den Elektroden 6,7 hat, seitwärts bewegt. Die auf dieser Linie befestigte Abtastnadel 19 bewegt sich daher ebenfalls in dieser als tangential bezeichneten Richtung.A movement in the tangential direction is accordingly achieved if the difference in the potentials is changed with a constant sum of the potentials at the electrodes 6, 7. In the field area of these electrodes, the thickness of the disk is small compared to the length or width of the disk, so that the main effect of the voltage change is to stretch or compress the piezo areas located under the electrodes in the direction of the disk plane. Since the effects in the area of the two electrodes are opposite to each other due to the special control voltages (constancy of the potential sum), the center line of the piezoelectric disk, which has the same direction as the dividing line between the electrodes 6, 7, is moved sideways. The scanning needle 19 fastened on this line therefore also moves in this direction, which is referred to as tangential.
Fig. 4a veranschaulicht den Fall, daß das Potential an der Elektrode 6 eine maximale Dilatation und an der Elek- 'trode 7 eine maximale Kontraktion erzeugt. Da die äußere Begrenzung der Scheibe 5 wegen der Einspannung nicht aus-: weichen kann, geschieht der notwendige Volumenausgleich im Bereich der Mittellinie. Die Abtastnadel folgt dem wandernden Volumen nach links. Fig. 4b zeigt die Ver- hältnisse bei Potentialvertauschung. Die Abtastnadel wird nach rechts verschoben. Der maximale Stellweg wird durch die Differenz der Steuerpotentiale bestimmt, die Nullage durch die Summe der Potentiale. Die beim Auswandern aus der Nullage aus den beiden Figuren 4a,b ablesbare, gleichzeitig auftretende Bewegung der Abtastnadel in axialer Richtung kann, wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, in der Praxis vernachlässigt werden.FIG. 4a illustrates the case where the potential at the electrode 6, a maximum dilatation and at the elec- 'trode 7 produces a maximal contraction. Since the outer boundary of the disc 5 cannot evade due to the clamping, the necessary volume compensation takes place in the area of the center line. The stylus follows the moving volume to the left. 4b shows the situation when the potential is reversed. The stylus is moved to the right. The maximum travel is determined by the difference in the control potential, the zero position by the sum of the potentials. The movement of the scanning needle in the axial direction, which occurs at the same time as it moves out of the zero position from the two FIGS. 4a, b, can, as already explained above, be neglected in practice.
Für die Bewegung der Abtastnadel 19 in axialer Richtung, d.h. eine Bewegung senkrecht zur Scheibenebene, ist das Potential der Elektrode 8 verantwortlich. Da in diesem Bereich die piezoelektrische Scheibe 5 nicht fixiert ist, bewirkt eine Spannungsänderung in diesem Bereich im we¬ sentlichen eine Dickenänderung. Die Lage der Nadelspitze ändert sich dabei um die halbe Dickenänderung, wie Fig. 4c veranschaulicht. Wie bereits oben ausgeführt, ist in diesem Feldbereich die Dicke der Scheibe größer als die Länge und Breite der Elektrode 8. Die mit der Dicken¬ änderung wegen Volumenkonstanz verbundene Längenänderung im Durchmesser der Scheibe ist daher in der Praxis ver- nachl ssigbar.For the movement of the stylus 19 in the axial direction, i.e. a movement perpendicular to the plane of the disk, the potential of the electrode 8 is responsible. Since the piezoelectric disk 5 is not fixed in this area, a change in voltage in this area essentially causes a change in thickness. The position of the needle tip changes by half the change in thickness, as illustrated in FIG. 4c. As already explained above, the thickness of the disk is greater than the length and width of the electrode 8 in this field region. The length change in the diameter of the disk associated with the change in thickness due to constant volume can therefore be neglected in practice.
Die Bewegung der Abtastnadel 19 in radialer Richtung, d. h. im Ausführungsbeispiel in Richtung der Längsachse der Nadel, wird erreicht, indem die Summe der Potentiale der Elektroden 6,7 bei konstanter Differenz geändert wird. Wie bereits erwähnt, wird dabei die piezoelektrische Scheibe 5 insgesamt in Richtung der Scheibenoberfläche gestreckt oder gestaucht. Die aus der Volumenkonstanz resultierende Längenänderung in radialer Richtung kann sich wegen der Einspannung der Scheibe 5 nur in Richtung des offenen Endes der Schenkel 1,2 auswirken. Die aus Fig. 4d dabei ablesbare, überlagerte Bewegung in axialer Richtung ist wegen des Verhältnisses zwischen Scheiben¬ durchmesser und Scheibendicke in der Praxis vernachläs¬ sigbar. - ii -The movement of the scanning needle 19 in the radial direction, ie in the exemplary embodiment in the direction of the longitudinal axis of the needle, is achieved by changing the sum of the potentials of the electrodes 6, 7 with a constant difference. As already mentioned, the piezoelectric disk 5 is stretched or compressed overall in the direction of the disk surface. The change in length resulting from the constant volume in the radial direction can only have an effect in the direction of the open end of the legs 1, 2 due to the clamping of the disk 5. The superimposed movement in the axial direction that can be read from FIG. 4d is negligible in practice because of the relationship between the disk diameter and the disk thickness. - ii -
Die in Fig. 5 dargestellte Elektrodenanordnung unter¬ scheidet sich von der vorgenannten dadurch, daß nunmehr die den beiden Elektroden 6,7 entsprechenden Elektroden 6',7'als Halbkreisflächen ausgebildet sind. Die der klei- Elektrode 8 entsprechende Elektrode 8' ist in die der Elektrode 17 entsprechende Elektrode 17' integriert und trägt hier die Abtastnadel 19. Die den einzelnen Poten¬ tialen an diesen Elektroden zugewiesenen Bewegungsauf¬ gaben sind dieselben wie vorstehend beschrieben. Auch die Orientierung der piezoelektrischen Scheibe in der Ein¬ spannvorrichtung ist analog. Die einfachere Geometrie der Elektrodenanordnung bringt gewisse Vorteile bei ihrer Herstellung und der gegenseitigen elektrischen Isolation der Elektrodenflächen.The electrode arrangement shown in FIG. 5 differs from the aforementioned one in that the electrodes 6 ', 7' corresponding to the two electrodes 6, 7 'are now designed as semicircular surfaces. The electrode 8 'corresponding to the small electrode 8 is integrated in the electrode 17' corresponding to the electrode 17 and here carries the scanning needle 19. The movement tasks assigned to the individual potentials on these electrodes are the same as described above. The orientation of the piezoelectric disk in the clamping device is also analog. The simpler geometry of the electrode arrangement brings certain advantages in its manufacture and the mutual electrical insulation of the electrode surfaces.
Die vorstehenden Ausführungen haben deutlich gemacht, daß die maximalen Verstellwege in den drei angesprochenen, zueinander orthogonalen Richtungen neben den angewendeten absoluten und relativen Werten der Potentiale auch von der Geometrie der piezoelektrischen Scheibe abhängen. Un- ter der Voraussetzung, daß die Breite und Länge der klei¬ nen Elektrode 8 etwa so groß wie die Dicke der piezo¬ elektrischen Scheibe 5 ist, gilt bei maximaler Dicken¬ änderung d:The above explanations have made it clear that the maximum adjustment paths in the three directions which are orthogonal to one another depend not only on the absolute and relative values of the potentials used, but also on the geometry of the piezoelectric disk. Assuming that the width and length of the small electrode 8 is approximately as large as the thickness of the piezoelectric disk 5, the following applies for a maximum change in thickness d:
maximale tangentiale Auslenkung Xξan = d . rmaximum tangential deflection X ξan = d. r
4h4h
maximale axiale Auslenkung ^ax = dmaximum axial deflection ^ ax = d
maximal e radi al e Ausl enkung xracj = d. rmaximum e radi al e deflection x rac j = d. r
2h wobei r der Radius der Scheibe und h ihre Dicke ist. Durch Wahl einer geeigneten Geometrie der Scheibe kann die Vorrichtung der jeweiligen Meßaufgabe hinsichtlich Resonanzfrequenz und maximaler Auslenkung angepaßt werden.2h where r is the radius of the disc and h is its thickness. By choosing a suitable geometry of the disk, the device can be adapted to the respective measurement task with regard to resonance frequency and maximum deflection.
Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild für die Erzeugung der erforderlichen Potentiale an den Elektroden 6,7,8,17 der Feinpositioniervorrichtung nach Fig. 1,2,3. Die Spannungen Urac}, U^an» Uax sinc* ^en d ei Raumkoordinaten des zu positionierenden Objekts proportional und unabhängig regelbar. Der Elektrode 6 wird ein Addierer und der Elektrode 7 ein Subtrahierer vorgeschaltet. Das für die radiale Bewegung erforderliche Grundpotential Ura(j wird sowohl dem Addierer als auch dem nicht invertierenden Eingang des Subtrahierers als Ein¬ gangsspannung zugeführt. Die für die tangentiale Bewegung verantwortliche Spannung U-tan wird dem Addierer und dem invertierenden Eingang des Subtrahierers zugeführt. Die Ausgangsspannungen des Addierers und Subtrahierers werden jeweils einem Hochspannungsverstärker 60,70 als Steuer¬ spannung zugeleitet, dessen Ausgänge die jeweiligen Elektroden mit den gewünschten Potentialen versorgten. Bei konstantem Urao bleibt somit die Summe der Potentiale an den Elektroden 6 und 7 konstant, auch wenn sich die Differenz der Potentiale durch Veränderung von U^an än- dert. Die für die axiale Bewegung erforderliche Spannung Uax wird ebenfalls über einen Hochspannungsverstärker 80 der Elektrode 8 unabhängig von den anderen Spannungen zu¬ geführt. Die Elektrode 17 liegt über einen Hochspan- nungsverstärker 170 auf einem konstanten Potential, das auch das Masse-Potential sein kann, wobei auf den Hoch¬ spannungsverstärker verzichtet werden kann. Für eine rasterförmige Abtastung eines nicht darge¬ stellten Objektes mit der Abtastnadel 19 wird Utan zweckmäßigerweise periodisch linear zwischen seinen Maximalwerten gesteuert, wobei gleichzeitig Uax linear erhöht wird. Der Wert U-tan bestimmt dann die Länge einer Abtastzeile, während Ua für eine Halbperiode der Regelung von Utan den Abstand der Abtastzeilen bestimmt. Uax kann auch jeweils am Ende einer Abtastzeile sprung¬ haft um den Wert eines Zeilenabstandes erhöht werden. Urad bestimmt den Abstand der Nadelspitze von dem zu untersuchenden Objekt. Er kann über Urac( so geregelt werden, daß sich ein konstantes Meßsignal ergibt. Es kann aber auch während einer Messung Urac| konstant gehalten werden, wobei das sich ändernde Meßsignal aufgezeichnet wird.FIG. 6 shows a block diagram for the generation of the required potentials at the electrodes 6, 7, 8, 17 of the fine positioning device according to FIGS. 1, 2, 3. The voltages U rac }, U ^ an »U ax s i nc * ^ en di spatial coordinates of the object to be positioned can be regulated proportionally and independently. An adder is connected upstream of the electrode 6 and a subtractor is connected upstream of the electrode 7. The basic potential U ra ( j required for the radial movement is supplied to both the adder and the non-inverting input of the subtractor as an input voltage. The voltage Ut an responsible for the tangential movement is supplied to the adder and the inverting input of the subtractor output voltages of the adder and the subtracter to a high voltage amplifier are respectively 60.70 supplied voltage as Steuer¬ whose outputs supplied to the respective electrodes to the desired potential. at a constant U rao is thus the sum of the potentials at the electrodes 6 and 7 constant, even if the difference of the potentials by changing U ^ to AEN changed. the time required for the axial movement voltage U ax is also passed through a high voltage amplifier 80 of the electrode 8, independently from the other voltages zu¬. the electrode 17 is connected through a high voltage amplifier 170 on one knockout Constant potential, which can also be the ground potential, it being possible to dispense with the high-voltage amplifier. For a raster-shaped scanning of an object (not shown) with the scanning needle 19, Utan is expediently periodically controlled linearly between its maximum values, U ax being increased linearly at the same time. The value U-tan then determines the length of a scan line, while U a determines the spacing of the scan lines for a half period of the control of Utan. U ax can also be abruptly increased at the end of a scanning line by the value of a line spacing. U ra d determines the distance of the needle tip from the object to be examined. It can be regulated via U rac (in such a way that a constant measurement signal is obtained. However, it can also be kept constant during a measurement U rac |, the changing measurement signal being recorded.
Die für die gewünschte Bewegung der Abtastnadel erfor¬ derliche Regelung der Spannungen kann in an sich be¬ kannter Weise vorteilhaft durch einen Mikroprozessor gesteuert werden. Dabei können die vorstehend als in der Praxis vernachlässigbar bezeichneten überlagerten Be¬ wegungen durch in diese Richtung wirkende entsprechende Gegenspannungen auch noch ausgeglichen werden.The regulation of the voltages required for the desired movement of the scanning needle can advantageously be controlled in a manner known per se by a microprocessor. The superimposed movements described above as negligible in practice can also be compensated for by corresponding counter-voltages acting in this direction.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wurde mit einer pie¬ zoelektrischen Scheibe von ca. 10 mm Durchmesser und 2mm Dicke aus einem unter der Bezeichnung PXE 5 (Fa.Valvo) bekannten Material und Silberelektroden getestet, wobei die Einspannvorrichtung aus Messing gefertigt wurde. Als zu positionierendes Objekt wurde eine Wolframspitze ver¬ wendet, mit der eine Goldschicht bei Normalbedingungen und einer Ölimmersion zwischen Spitze und Goldschicht untersucht wurde. Dabei konnten einzelne Atome in der Goldschicht eindeutig detektiert werden, was einer lateralen Auflösung von besser als 3. 10"10m entspricht. The device according to the invention was tested with a piezoelectric disk approximately 10 mm in diameter and 2 mm thick, made of a material known under the name PXE 5 (from Valvo) and silver electrodes, the clamping device being made of brass. A tungsten tip was used as the object to be positioned, with which a gold layer was examined under normal conditions and an oil immersion between the tip and the gold layer. It was possible to clearly detect individual atoms in the gold layer, which corresponds to a lateral resolution of better than 3.10 " 10 m.

Claims

A n s p r ü c h e Expectations
1. Piezoelektrische Feinpositiöniervorrichtung für die Bewegung eines Objektes in drei Koordinatenrichtungen, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h a) eine zumindest annähernd planparallel geschnittene piezoelektrische Scheibe (5), b) eine mit elektrischen Anschlüssen (9,10,11,18). versehene Elektrodenanordnung (6,7,8,17) auf den zu¬ einander parallelen Flächen, mit der drei unabhängig steuerbare elektrische Felder in der piezoelektrischen Scheibe (5) einstellbar sind, c) eine gabelförmige Einspannvorrichtung (1,2), die die piezoelektrische Scheibe (5) an mindestens drei symme¬ trisch zueinander liegenden Andruckpunkten (13,14,15,16) an der Umfangsf!äche derart elektrisch isoliert gegenüber der Elektrodenanordnung (6,7,8,17) umfaßt, daß d) eine der Elektroden (8) in dem offenen Teil der gabelförmigen Einspannvorrichtung (1,2) liegt, wobei e) das zu positionierende Objekt (19) elektrisch iso¬ liert auf einer Elektrodenfl che (17) im Feldbereich dieser Elektrode (8) angeordnet ist.1. Piezoelectric fine positioning device for moving an object in three coordinate directions, characterized bya) an at least approximately plane-parallel cut piezoelectric disk (5), b) one with electrical connections (9, 10, 11, 18). provided electrode arrangement (6,7,8,17) on the mutually parallel surfaces, with which three independently controllable electric fields in the piezoelectric disc (5) can be set, c) a fork-shaped clamping device (1,2) which the piezoelectric Washer (5) at least three symmetrically to each other pressure points (13,14,15,16) on the circumferential surface so electrically isolated from the electrode arrangement (6,7,8,17) that d) one of the electrodes (8) lies in the open part of the fork-shaped clamping device (1, 2), e) the object (19) to be positioned is electrically isolated on an electrode surface (17) in the field area of this electrode (8) is arranged.
2) Feinpositioniervorrichtung nach Anspruch ^ d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Elek¬ trodenanordnung (6,7,8,17) so gestaltet ist, daß die eine Seite der Scheibe (5) vollflächig mit einer Elektrodenschicht (17) belegt ist und die andere Seite in drei Elektrodenfelder (6,7,8) mit Y-förmiger Trennlinie aufgeteilt ist.2) Fine positioning device according to claim ^ da ¬ characterized in that the electrode arrangement (6,7,8,17) is designed so that one side of the disc (5) is completely covered with an electrode layer (17) and the other side is divided into three electrode fields (6,7,8) with a Y-shaped dividing line.
3) Feinpositioniervorrichtung nach Anspruch .. d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die im Keil der Y-förmigen Trennlinie liegende Elektrodenfläche (8) wesentlich kleiner als die beiden anderen, unter¬ einander zumindest annähernd flächengleichen Elektro¬ denflächen (6,7) ist und in dem offenen Teil der gabel¬ förmigen Einspannvorrichtung (1,2) liegt.3) Fine positioning device according to claim .. da ¬ characterized in that the electrode surface (8) lying in the wedge of the Y-shaped dividing line is substantially smaller than the two other electrode surfaces (6, 7) which are at least approximately identical in area and in which open part of the fork-shaped clamping device (1, 2).
4) Feinpositioniervorrichtung nach Anspruch 3, d a - d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , daß das zu posi¬ tionierende Objekt (19) im elektrischen Feldbereich der kleineren Elektrode (8) liegend auf der vollflächigen Elektrode (17) angeordnet ist. 5) Feinpositioniervorrichtung nach Anspruch 1, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Elek¬ trodenanordnung so gestaltet ist, daß die eine Seite der Scheibe (5) in zwei Halbkreisflächen (6',7') aufgeteilt ist und die andere Seite in eine größere (17') und eine im Vergleich dazu kleine Fläche (8') aufgeteilt ist, wo¬ bei die kleinere Fläche (8') im Randbereich der Scheibe (5), der Trennlinie der Halbkreisfl chen (6',7') gegen¬ überliegend angeordnet ist und diese Fläche (81) das zu positionierende Objekt (19) trägt.4) Fine positioning device according to claim 3, since - through indicates that the object (19) to be positioned is arranged lying on the full-area electrode (17) in the electrical field region of the smaller electrode (8). 5) Fine positioning device according to claim 1, characterized in that the electrode arrangement is designed such that one side of the disc (5) is divided into two semicircular surfaces (6 ', 7') and the other side into a larger one (17th ') and a comparatively small area (8') is divided, the smaller area (8 ') in the edge region of the disk (5) being arranged opposite the dividing line of the semicircular areas (6', 7 ') and this surface (8 1 ) carries the object (19) to be positioned.
6) Feinpositioniervorrichtung nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ¬ n e t , daß die piezoelektrische Scheibe (5) rund ist und die Andruckpunkte (13,14) der Einspannvorrichtung (1,2) an den äußeren Enden der Gabelschenke! so gewählt sind, daß der Scheibenmittelpunkt innerhalb der durch die Ver¬ bindungslinie zwischen diesen Andruckpunkten (13,14) abgeschlossenen Gabelfläche liegt.6) Fine positioning device according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ¬ n e t that the piezoelectric disc (5) is round and the pressure points (13,14) of the clamping device (1,2) at the outer ends of the fork legs! are selected such that the center of the pane lies within the fork surface closed by the connecting line between these pressure points (13, 14).
7) Feinpositioniervorrichtung nach Anspruch 6, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mindestens7) Fine positioning device according to claim 6, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that at least
1/3 des Scheibenu fangs den offenen Teil der Gabel- schenke! überspannt. 1/3 of the pane start the open part of the fork bar! spanned.
8) Feinpositioniervorrichtung nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die maximale Länge und Breite der kleinen Elektrode (8,8') nicht größer als die Dicke der piezo- elektrischen Scheibe (5) sind.8) Fine positioning device according to one of the preceding claims, that the maximum length and width of the small electrode (8, 8 ') are not greater than the thickness of the piezoelectric disc (5).
9) Feinpositioniervorrichtung nach Anspruch 6, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Durch¬ messer 2r der Scheibe (5) etwa fünfmal so groß ist wie ihre Dicke h.9) Feinpositioniervorrichtung according to claim 6, d a - d u r c h g e k e n e z e i c h n e t that the diameter 2r of the disc (5) is about five times as large as its thickness h.
10) Verfahren zur Steuerung der Feinpositioniervorrich¬ tung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die elek¬ trischen Anschlüsse der Elektroden (6,7,8,17;6' ,7' ,8' , 17') mit einer regelbaren Gleichspannungsquelle derart verbunden werden, daß sowohl der Mittelwert der Potentia¬ le der jeweils gleichgroßen Elektroden (6,7;6',7') wie die Differenz ihrer Potentiale und das Potential der kleinen Elektrode (8;8') unabhängig voneinander geregelt werden. 10) Method for controlling the Feinpositioniervorrich¬ device according to one of the preceding claims, since ¬ characterized in that the electrical connections of the electrodes (6,7,8,17; 6 ', 7', 8 ', 17') with a controllable DC voltage source are connected in such a way that both the mean value of the potentials of the electrodes of the same size (6,7; 6 ', 7') as well as the difference in their potentials and the potential of the small electrode (8; 8 ') are regulated independently of one another .
GEÄNDERTE ANSPRÜCHECHANGED REQUIREMENTS
|"beim Internationalen Büro am 27 November 1987 (27.11.87) eingegangen ursprüngliche Ansprüche 1-5, 9 und 10 durch geänderte Ansprüche ersetzt;| " Received original claims 1-5, 9 and 10 at the International Bureau on November 27, 1987 (November 27, 1987) replaced by amended claims;
Ansprüche 6-8 unverändert (4 Seiten)!Claims 6-8 unchanged (4 pages)!
1. Piezoelektrische Feinpositioniervorrichtung für die Bewegung eines Objektes in drei Koordinatenrichtungen, wobei die Vorrichtung eine planparallel geschnittene pie¬ zoelektrische Scheibe enthält, die beidseitig eine mit elektrischen Anschlüssen .versehene flächige Elektrodenan¬ ordnung aufweist und das Objekt mit der Scheibe verbunden ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß a) durch die Elektrodenanordnung (6,7,8,17;6' ,7' ,8' , 17') drei unabhängig steuerbare elektrische Felder in der piezoelektrischen Scheibe (5) einstellbar sind, b) eine gabelförmige, gegenüber der Elektrodenanordnung elektrisch isolierte Einspannvorrichtung (1,2) die piezoelektrische Scheibe (5) an mindestens drei sym- metrisch zueinander liegenden Andruckpunkten (13,14, 15,16) an der Umfangsf!äche umfaßt, wobei c) eine erste Elektrode (8) der Elektrodenanordnung (6, 7,8,17;6' ,7' ,8' ,.17') so geformt ist, daß sie in dem offenen Teil der gabelförmigen Einspannvorrichtung (1,2) liegt und d) das zu positionierende Objekt (19) elektrisch iso¬ liert im Feldbereich der ersten Elektrode (8;8') an¬ geordnet ist. 2) Feinpositioniervorrichtung nach Anspruch ^ d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Elek¬ trodenanordnung (6,7,8,17) so gestaltet ist, daß die eine Seite der piezoelektrischen Scheibe (5) vollflächig mit einer zweiten Elektrode (17) und die andere Seite mit der ersten (8), einer dritten (6) und vierten Elektrode (7) belegt ist, die durch eine Y-förmige Trennlinie (12) von¬ einander getrennt sind.1. Piezoelectric fine positioning device for the movement of an object in three coordinate directions, the device containing a plane-parallel cut piezoelectric disk which has a flat electrode arrangement provided on both sides with electrical connections and the object is connected to the disk, characterized in that a) three independently controllable electric fields in the piezoelectric disc (5) can be set by the electrode arrangement (6,7,8,17; 6 ', 7', 8 ', 17'), b) a fork-shaped, electrically opposite the electrode arrangement insulated clamping device (1, 2) comprises the piezoelectric disc (5) at at least three pressure points (13, 14, 15, 16) lying symmetrically to one another on the circumferential surface, c) a first electrode (8) of the electrode arrangement ( 6, 7, 8, 17; 6 ', 7', 8 ', .17') is shaped so that it lies in the open part of the fork-shaped clamping device (1, 2) and d) to position it The object (19) which is electrically insulated is arranged in the field region of the first electrode (8; 8 '). 2) Fine positioning device according to claim ^ da ¬ characterized in that the electrode arrangement (6,7,8,17) is designed so that one side of the piezoelectric disc (5) over the entire surface with a second electrode (17) and the other side with the first (8), a third (6) and fourth electrode (7), which are separated from one another by a Y-shaped dividing line (12).
3) Feinpositioniervorrichtung nach Anspruch 2, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die im3) Fine positioning device according to claim 2, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the im
Keil der Y-förmigen Trennlinie (12) liegende Fläche der ersten Elektrode (8) wesentlich kleiner ist als die der untereinander annähernd fl chengleichen dritten (6) und vierten Elektrode (7).Wedge of the Y-shaped dividing line (12) lying surface of the first electrode (8) is substantially smaller than that of the third (6) and fourth electrode (7), which are approximately the same area as one another.
4) Feinpositioniervorrichtung nach Anspruch 3, d a - d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , daß das zu posi¬ tionierende Objekt (19) auf der zweiten Elektrode (17) angeordnet ist. 4) Fine positioning device according to claim 3, since it indicates that the object (19) to be positioned is arranged on the second electrode (17).
5) Feinpositioniervorrichtung nach Anspruch 1, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Elek¬ trodenanordnung so gestaltet ist, daß die eine Seite der piezoelektrischen Scheibe (5) zur Erzeugung einer dritten (6*) und einer vierten Elektrode (71) in zwei Halbkreis¬ flächen aufgeteilt ist und die andere Seite zur Erzeugung einer zweiten (17') und einer ersten Elektrode (8') in eine größere und eine im Vergleich dazu kleine Fläche aufgeteilt ist, wobei die kleinere Fläche im Randbereich der Scheibe (5), der Trennlinie der Halbkreisflächen ge¬ genüberliegend angeordnet ist und das zu positionierende Objekt (19) auf der ersten Elektrode (8') angeordnet ist.5) Fine positioning device according to claim 1, characterized in that the electrode arrangement is designed in such a way that one side of the piezoelectric disk (5) is used to produce a third (6 * ) and a fourth electrode (7 1 ) in two semicircles areas is divided and the other side for producing a second (17 ') and a first electrode (8') is divided into a larger and a comparatively small area, the smaller area in the edge region of the disc (5), the dividing line is arranged opposite the semicircular surfaces and the object (19) to be positioned is arranged on the first electrode (8 ').
6) Feinpositioniervorrichtung nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h - n e t , daß die piezoelektrische Scheibe (5) rund ist und die Andruckpunkte (13,14) der Einspannvorrichtung (1,2) an den äußeren Enden der GabelSchenkel so gewählt sind, daß der Scheibenmittelpunkt innerhalb der durch die Ver¬ bindungslinie zwischen diesen Andruckpunkten (13,14) ab- geschlossenen Gabelfläche liegt.6) Fine positioning device according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric disc (5) is round and the pressure points (13, 14) of the clamping device (1, 2) at the outer ends of the fork legs are selected such that the center of the pane lies within the fork surface closed off by the connecting line between these pressure points (13, 14).
7) Feinpositioniervorrichtung nach Anspruch 6, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mindestens 1/3 des Scheibenu fangs den offenen Teil der Gabel- schenke! überspannt. 7) Fine positioning device according to claim 6, since - characterized in that at least 1/3 of the Scheibenu catches the open part of the fork legs! spanned.
8) Feinpositioniervorrichtung nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ¬ n e t, daß die maximale Länge und Breite der kleinen er¬ sten Elektrode (8,8') nicht größer als die Dicke der pie- zoelektrisehen Scheibe (5) sind.8) Fine positioning device according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ¬ n e t that the maximum length and width of the small first electrode (8,8 ') are not greater than the thickness of the piezoelectric disk (5).
9) Feinpositioniervorrichtung nach Anspruch 6, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Durch¬ messer der piezoelektrischen Scheibe (5) etwa fünfmal so groß ist wie ihre Dicke.9) Fine positioning device according to claim 6, that the diameter of the piezoelectric disk (5) is approximately five times as large as its thickness.
10) Verfahren zur Steuerung der Feinpositioniervorrich¬ tung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die elek¬ trischen Anschlüsse der ersten, zweiten, dritten und vierten Elektroden (6,7,8,17;6' ,7' ,8' , 17') mit einer re- gelbaren Gleichspannungsquelle so verbunden werden, daß sowohl der Mittelwert der Potentiale der jeweüs gleich¬ großen dritten und vierten Elektroden (6,7;6',7') wie die Differenz ihrer Potentiale und das Potential der ersten Elektrode (8;8') der Elektrodenanordnung unabhängig von- einander geregelt werden. IN ARTIKEL 19GENANNTEERKLλ*RUNG10) Method for controlling the Feinpositioniervorrich¬ device according to one of the preceding claims, since ¬ characterized in that the electrical connections of the first, second, third and fourth electrodes (6,7,8,17; 6 ', 7', 8 ', 17') are connected to a controllable direct voltage source in such a way that both the mean value of the potentials of the respective third and fourth electrodes (6,7; 6 ', 7') of the same size as the difference between their potentials and the potential of the first electrode (8; 8 ') of the electrode arrangement can be regulated independently of one another. ARTICLE 19GENANNTEERKLλ * TION
Die Änderungen werden aus dem Prüfungsverfahren der deutschen Prioritätsan¬ meldung DE-P 36 22 557 übernommen.The changes are taken from the examination procedure of the German priority application DE-P 36 22 557.
Bei Anspruch 1 wird der Oberbegriff nach EP-C 00 71 666 gebildet. In den weiteren Ansprüchen werden insbesondere die Elektroden numeriert und so eine bessere Lesbarkeit erzielt.In claim 1, the preamble is formed according to EP-C 00 71 666. In the further claims, the electrodes in particular are numbered and thus better legibility is achieved.
Die Beschreibung wird im weiteren Lauf des Verfahrens an die geänderten An¬ sprüche angepaßt. The description will be adapted to the changed claims in the further course of the method.
EP87904233A 1986-07-04 1987-07-02 Fine-positioning piezoelectric device Withdrawn EP0273942A1 (en)

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