WO1987006769A1 - Electrically controlled driving device - Google Patents

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WO1987006769A1
WO1987006769A1 PCT/DE1987/000190 DE8700190W WO8706769A1 WO 1987006769 A1 WO1987006769 A1 WO 1987006769A1 DE 8700190 W DE8700190 W DE 8700190W WO 8706769 A1 WO8706769 A1 WO 8706769A1
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drive device
electrodes
piezoelectric
voltage
electrode
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Inventor
Michael Anders
Christoph Heiden
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Ernst Leitz Wetzlar Gmbh
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/021—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors using intermittent driving, e.g. step motors, piezoleg motors
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H10N30/206—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using only longitudinal or thickness displacement, e.g. d33 or d31 type devices

Definitions

  • the invention relates to an electrically controllable drive device for moving an object in very small stride lengths.
  • a micropositioning device is required in order to be able to bring the probe specifically close to the substrate surface.
  • the particular difficulty lies in the fact that the individual measuring or positioning step for the relative movement between the substrate surface and the probe is in the nanometer range, but the overall distance should be in the range of a few millimeters.
  • the drive device is intended in particular for use in chambers with variable pressure conditions, e.g. High vacuum, and suitable at extremely low temperatures that can reach close to absolute zero.
  • an electrically movable carrier which is particularly suitable for scanning tunnel microscopy was developed. It consists of a piezoelectric plate and (a plurality of legs which support the plate over a bench surface. The legs are movable with the plate but are fixed in place and can be fixed to the bench surface by electrostatic forces.
  • the piezoelectric plate is on its top - When a voltage is applied to this electrode, the thickness of the plate changes due to electrostrictive forces, which also involves a change in diameter of the plate. Since the legs are fixed to the plate, the legs become in accordance with the change in diameter The shift takes place relative to the legs fixed on the bench surface.
  • the legs are attached to the bench surface by static friction under the influence of gravity. By deforming the piezoelectric plate, these forces must first be overcome before the legs start to slide. The transition between static and sliding friction takes place in leaps and bounds and in principle leads to an uncontrolled jump movement in the initial phase, which can cause damage to the parts that are positioned relative to one another.
  • the carrier can be moved both linearly and rotating.
  • the precise positionability of the carrier associated with the fixability of the individual legs is associated with a relatively complex mechanical construction of the carrier and a large number of electrical control elements.
  • the carrier is therefore more susceptible to damage and the large number of electrical leads is associated with heat emission, which is not negligible when used in the low temperature range.
  • the invention was therefore based on the object to provide a drive device which has a very simple structure, requires relatively low voltages for operation, manages with as few leads as possible, enables a very flat design, can be adapted in its design to different tasks which is very reliable mechanically and electrically and also allows a slow, continuous approach between the probe and the test specimen.
  • an electrically controllable drive device for displacing a rod-shaped object is known, the drive device being a piezoelectric tube with a full-surface inner electrode and segmented outer electrode, and time-coordinated direct voltage potentials are applied to the segments of the outer electrode. Furthermore, it is known from DE-PS 3412014 to use piezoelectric disks with an all-over electrode coating on one side and equal-area electrode segments on the other as a drive device for tilting movements.
  • Both the body carrying the substrate surface and the probe can be provided as the object to be displaced.
  • the object is connected to the surface of the piezoelectric disk by the static friction.
  • the surface of the disk can be moved by appropriately changing the voltage applied to the electrodes. If the voltage changes slowly, the object follows the movement of the surface of the piezoelectric disk due to its static friction. However, the change in voltage can also occur so quickly that the associated acceleration of the mass parts in the surface reaches a multiple of the acceleration due to gravity. The inertial force of the object lying on it becomes so great that it exceeds the static friction force between the contact surface on the piezoelectric disk and the object. In this case, the surface moves relative to the object without taking it along.
  • the basic idea of the drive mechanism thus described is to generate a directional movement in the surface of the piezoelectric disk by means of two partial surfaces of the piezoelectric disk which are opposed to one another with respect to contraction and dilation. With a division into two semicircular surfaces, the movement takes place perpendicular to the dividing line of the semicircular surfaces.
  • the size of the adjustment path depends on the difference in the tension on the two partial surfaces. If one chooses the voltages so that their sum is constant at all times, the changes in length associated with the contraction and dilation cancel each other out in the diameter of the piezoelectric disk. Since the edge of the disc is held in a frame, only the center moves linearly depending on the difference in the voltages on the electrode surfaces.
  • the voltage that can be applied to the piezoelectric disk can be varied over a very wide range. So that can be applied to the piezoelectric disk can be varied over a very wide range. So that can be applied to the piezoelectric disk can be varied over a very wide range. So that can be applied to the piezoelectric disk can be varied over a very wide range. So that can be applied to the piezoelectric disk can be varied over a very wide range. So that can be applied to the piezoelectric disk can be varied over a very wide range. So that can
  • the step length of the object shift can be freely selected over a wide range.
  • the maximum adjustment distance depends on the diameter of the piezoelectric disk and can therefore also be easily adapted to the respective measuring task.
  • the object can be guided step by step along a predefined path or a predefined position.
  • one side of the piezoelectric disk must be divided into several electrode segments.
  • the vector for the movement of the surface of the piezoelectric disk can be set by means of suitable contraction and dilation of partial surfaces lying next to or opposite one another. It is important to ensure that the sum of the voltages at two electrode segments with different potentials is at least almost constant, so that the change in length of the piezoelectric disk in the direction of the respective motion vector is compensated.
  • the new drive device has no mechanically moving parts. It only needs as much electrical leads as there are electrodes.
  • the mass shift in the surface of the piezoelectric disk which is responsible for the shifting mechanism of the drive device, occurs both on the top and on the bottom of the disk, as will be explained below with reference to the figures.
  • both sides can therefore be used as a support surface for the object to be moved. Since the entire surface, which is designed as an electrode, is at ground potential, there are no problems with regard to the electrical insulation when an electrically conductive object is placed on it. However, the voltage-carrying electrodes are then closer to a base plate on which the entire drive device rests, so that additional insulating spacers may have to be attached to this.
  • a suitable coating of this surface can ensure that there is no short circuit between the electrodes when the object is supported.
  • Fig. 3 shows the course of the control voltages
  • H shows the time course of the deformation of the surface of the piezoelectric disk.
  • the sectional view of the drive device shown in FIG. 1 shows the simplicity of the construction.
  • a piezoelectric disc 10 is clamped in a frame 11.
  • the disc is covered with a lower electrode 12, which is at ground potential.
  • Two separate electrodes 13 and 14 are applied to the top of the disk, to each of which a voltage U a and U b can be applied.
  • the frame 11 rests on a base plate 15, the piezoelectric disk 10 additionally being supported by a spacer 16.
  • the spacer 16 primarily has a safety function in the event that the pane 10 detaches from the frame 11. He also ensures that the surface of the underside of the disc 10 can move freely. In addition, the ground contact can also be established.
  • the object 17 to be displaced is placed on the upper electrodes 13, 14 and is connected on its lower side to an electrically insulating plate 18.
  • an electrically insulating coating to the electrodes, which prevents a short circuit of the voltages lying on the electrodes by the placed object 17.
  • Various brass cylinders with a mass of 50 to 300 grams were selected as objects for test purposes.
  • a 1.5 mm thick, roughly cleaned glass plate of 45 mm diameter was used as the insulating plate 18 and was glued to the brass cylinders. The surfaces sliding on each other are therefore the underside of the glass pane and the top of the electrodes.
  • the piezoelectric disk 10 had a diameter of approximately 100 mm and a thickness of 3 mm. Piezoelectric ceramic materials are particularly suitable and are used e.g. B. offered under the name Vibrit (Siemens) or PXE 5 (Valvo). Gold was chosen as the electrode material. With the help of the base plate 15, the structure was adjusted so that the surface of the disc 10 is horizontal.
  • the frame 11 was e.g. B. made of aluminum.
  • Fig. 2 shows a plan view of the drive device.
  • four electrodes 13, 13 ', 14, 14' were applied to the circular piezoelectric disk 10.
  • the frame 11 consists of two right-angled legs which are clamped together by screws 19. The legs create a point contact of the piezoelectric disk 10. This clamping has proven to be particularly advantageous for a two-dimensional object displacement.
  • Fig. 3 shows a particularly suitable time course of the two control voltages U a and U b in the form of a sawtooth.
  • the sum of the voltages U a (t) and U b (t) is constant with this voltage curve.
  • For the flat edge of the voltages z. B. selected a rise time of 50 ms, while the steep flank had a rise time of 50 ⁇ s.
  • the amplitude of the voltages was adjustable between 0 and 1000 V.
  • the mutually opposite voltage curve also has the effect that the contraction and dilation in the partial areas of the piezoelectric disk 10 covered by the electrodes 13, 14 are opposite to one another.
  • the time course of the deformation of the surface of the disk 10 is shown schematically in FIG. 4.
  • the voltage U a applied to the electrode 13 is at a maximum, ie the thickness of the disk 10 is stretched in this area.
  • the voltage U b applied to the electrode 14 is minimal, so that this region is compressed.
  • the different change in thickness in the partial areas of the disk 10 leads to a mass shift.
  • a point indicated by the arrow in FIG. 4 on the surface of the disk 10 at the boundary between the two electrodes 13, 14 is therefore shifted to the left.
  • the two voltages U a and U b are the same.
  • the piezoelectric disk has a uniform thickness.
  • the point indicated by the arrow has moved to the right and lies on the dividing line between the two electrodes.
  • the thickness ratios are exactly the opposite of time t a .
  • the indexed point has moved far enough to the right from the dividing line. If one thinks this point is connected to a point on the glass pane 18 by static friction, then the object has also moved to the right by the amount of the displacement of the point.
  • step length of the point indicated in Fig. 4 depends on the amplitude of the applied voltage.
  • Object and drive device can use. This then leads to an object shift from the previously controlled position. This effect can be eliminated by a suitable counter voltage.
  • the counter voltage can be limited in time or can also be applied to the electrodes as a voltage pulse.

Abstract

An electrically controlled driving device for moving an object in very short steps comprises a) a piezoelectric disk (10) clamped at its edge in a frame (11), b) an electrode (12) electrically isolated from the frame (11) and in contact with the whole surface of one side of the disk (10), c) at least two electrodes (13, 14) electrically isolated from the frame (11) and having almost the same size, in contact with the other side of the disk (10), d) a controllable d.c. voltage source (Ua, Ub) connected to the electrodes (12, 13, 14) in such a way that an electric field is generated between the electrodes facing both sides of the disk (10), e) the control of the voltage source is designed in such a way that in a first phase a slow change of voltage is obtained and in a second phase a much faster, reverse change of voltage having the same amplitude is obtained, f) the sum of the voltages applied to two electrode surfaces (13, 14) of different potential is at least almost constant.

Description

Elektrisch steuerbare Antriebsvorrichtung Electrically controllable drive device
Die Erfindung betrifft eine elektrisch steuerbare Antriebsvorrichtung zur Verschiebung eines Objektes in sehr kleinen Schrittlängen.The invention relates to an electrically controllable drive device for moving an object in very small stride lengths.
In der physikalischen Meß- und Untersuchungstechnik gewinnen zunehmend Meßverfahren an Bedeutung, bei denen mit einer geeigneten Sonde entweder sehr kleine Strukturen auf einer Substratoberfläche abgetastet werden müssen oder die Oberfläche aus einem sehr kleinen Abstand zur Sonde angetastet werden muß. Um die Sonde gezielt in die Nähe der Substratoberfläche bringen zu können, wird eine Mikropositioniereinrichtung benötigt. Die besondere Schwierigkeit liegt darin begründet, daß der einzelne Meß- oder Positionierschritt für die Relativbewegung zwischen Substratoberfläche und Sonde im Nanometerbereich, der Gesamtstenweg aber im Bereich von einigen Millimetern liegen soll. Die Antriebsvorrichtung soll dabei insbesondere auch für den Einsatz in Kammern mit veränderlichen Druckbedingungen, z.B. Hochvakuum, und bei extrem niedrigen Temperaturen geeignet sein, die bis in die Nähe des absoluten Nullpunktes reichen können.In physical measurement and investigation technology, measurement methods are becoming increasingly important, in which either a very small structure on a substrate surface must be scanned with a suitable probe or the surface must be scanned from a very small distance from the probe. A micropositioning device is required in order to be able to bring the probe specifically close to the substrate surface. The particular difficulty lies in the fact that the individual measuring or positioning step for the relative movement between the substrate surface and the probe is in the nanometer range, but the overall distance should be in the range of a few millimeters. The drive device is intended in particular for use in chambers with variable pressure conditions, e.g. High vacuum, and suitable at extremely low temperatures that can reach close to absolute zero.
Aus der EP-PS 0071 666 ist ein elektrisch bewegbarer Träger bekannt, der insbesondere für die Raster-Tunnel-Mikroskopie entwickelt wurde. Er besteht aus einer piezoelektrischen Platte und (einer Mehrzahl von Beinen, welche die Platte über einer Bankoberfläche tragen. Die Beine sind mit der Platte beweglich, aber ortsfest verbunden und können durch elektrostatische Kräfte gegenüber der Bankoberfläche fixiert werden. Die piezoelektrische Platte ist an ihrer Ober- und Unterseite mit einer Elektrode belegt. Beim Anlegen einer Spannung an diese Elektrode ändert sich die Dicke der Platte durch elektrostriktive Kräfte, womit auch eine Durchmesseränderung der Platte verbunden ist. Da die Beine ortsfest mit der Platte verbunden sind, werden die Beine entsprechend der Durchmesseränderung verschoben. Die Verschiebung erfolgt relativ zu den jeweils auf der Bankoberfläche fixierten Beinen.From EP-PS 0071 666 an electrically movable carrier is known, which is particularly suitable for scanning tunnel microscopy was developed. It consists of a piezoelectric plate and (a plurality of legs which support the plate over a bench surface. The legs are movable with the plate but are fixed in place and can be fixed to the bench surface by electrostatic forces. The piezoelectric plate is on its top - When a voltage is applied to this electrode, the thickness of the plate changes due to electrostrictive forces, which also involves a change in diameter of the plate. Since the legs are fixed to the plate, the legs become in accordance with the change in diameter The shift takes place relative to the legs fixed on the bench surface.
Die Beine sind im nicht fixierten Zustand unter dem Einfluß der Schwerkraft durch Haftreibung mit der Bankoberfläche verbunden. Durch Deformation der piezoelektrischen Platte müssen daher zunächst diese Kräfte überwunden werden, bevor die Beine in die gleitende Vorschubbewegung gelangen. Der Übergang zwischen Haft- und Gleitreibung erfolgt sprunghaft und führt grundsätzlich zu einer in der Anfangsphase unkontrolliert sprunghaften Vorschubbewegung, die im Annäherungsbereich der relativ zueinander positionierenden Teile an diesen Beschädigungen erzeugen können.The legs are attached to the bench surface by static friction under the influence of gravity. By deforming the piezoelectric plate, these forces must first be overcome before the legs start to slide. The transition between static and sliding friction takes place in leaps and bounds and in principle leads to an uncontrolled jump movement in the initial phase, which can cause damage to the parts that are positioned relative to one another.
Der Träger ist sowohl linear als auch rotierend verschiebbar. Die mit der Fixierbarkeit der einzelnen Beine verbundene genaue Positionierbarkeit des Trägers ist mit einer relativ aufwendigen mechanischen Konstruktion des Trägers und einer Vielzahl von elektrischen Steuerungselementen verbunden. Der Träger ist damit anfälliger für Beschädigungen und die Vielzahl elektrischer Zuleitungen ist mit einer Wärmeabgabe verbunden, die beim Einsatz im Tieftemperaturbereich nicht vernachlässigbar ist. Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung zu schaffen, die einen sehr einfachen Aufbau besitzt, zum Betrieb relativ niedrige Spannungen benötigt, mit möglichst wenigen Zuleitungen auskommt, eine sehr flache Bauweise ermöglicht, in ihrer Gestaltung an unterschiedliche Aufgaben angepaßt werden kann, die mechanisch und elektrisch sehr zuverlässig ist und auch eine langsame, kontinuierliche Annäherung zwischen Sonde und Prüfkörper erlaubt.The carrier can be moved both linearly and rotating. The precise positionability of the carrier associated with the fixability of the individual legs is associated with a relatively complex mechanical construction of the carrier and a large number of electrical control elements. The carrier is therefore more susceptible to damage and the large number of electrical leads is associated with heat emission, which is not negligible when used in the low temperature range. The invention was therefore based on the object to provide a drive device which has a very simple structure, requires relatively low voltages for operation, manages with as few leads as possible, enables a very flat design, can be adapted in its design to different tasks which is very reliable mechanically and electrically and also allows a slow, continuous approach between the probe and the test specimen.
Diese Aufgabe wird bei einer Antriebsvorrichtung der einangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 15.This object is achieved according to the invention in a drive device of the type mentioned at the outset by the characterizing features of claim 1. Advantageous further developments result from subclaims 2 to 15.
Aus der DE-OS 3006973 ist eine elektrisch steuerbare Antriebsvorrichtung zur Verschiebung eines stabförmigen Objekts bekannt, wobei die Antriebsvorrichtung ein piezoelektrisches Rohr mit ganzflächiger Innenelektrode und segmentierter Außenelektrode ist und an die Segmente der Außenelektrode zeitlich abgestimmte Gleichspannungspotentiale gelegt werden. Ferner ist es durch die DE-PS 3412014 bekannt, piezoelektrische Scheiben mit ganzflächiger Elektrodenbeschichtung auf der einen Seite und gleicnflächigen Elektrodensegmenten auf der anderen als Antriebsvorrichtung für Kippbewegungen einzusetzen.From DE-OS 3006973 an electrically controllable drive device for displacing a rod-shaped object is known, the drive device being a piezoelectric tube with a full-surface inner electrode and segmented outer electrode, and time-coordinated direct voltage potentials are applied to the segments of the outer electrode. Furthermore, it is known from DE-PS 3412014 to use piezoelectric disks with an all-over electrode coating on one side and equal-area electrode segments on the other as a drive device for tilting movements.
Als zu verschiebendes Objekt kann sowohl ein die Substratoberfläche tragender Körper als auch die Sonde vorgesehen sein. Das Objekt ist mit der Oberfläche der piezoelektrischen Scheibe durch die Haftreibung verbunden. Die Oberfläche der Scheibe läßt sich durch geeignete Änderung der an den Elektroden liegenden Spannung bewegen. Bei langsamer Änderung der Spannung folgt das Objekt aufgrund seiner Haftreibung der Bewegung der Oberfläche der piezoelektrischen Scheibe. Die Spannungsänderung kann jedoch auch so schnell erfolgen, daß die damit verknüpfte Beschleunigung der Masseteile in der Oberfläche ein Vielfaches der Erdbeschleunigung erreicht. Die Trägheitskraft des aufliegenden Objektes wird so groß, daß sie die Haftreibungskraft zwischen der Auflagefläche auf der piezoelektrischen Scheibe und dem Objekt überschreitet. In diesem Fall bewegt sich die Oberfläche relativ zum Objekt, ohne dieses mitzunehmen.Both the body carrying the substrate surface and the probe can be provided as the object to be displaced. The object is connected to the surface of the piezoelectric disk by the static friction. The surface of the disk can be moved by appropriately changing the voltage applied to the electrodes. If the voltage changes slowly, the object follows the movement of the surface of the piezoelectric disk due to its static friction. However, the change in voltage can also occur so quickly that the associated acceleration of the mass parts in the surface reaches a multiple of the acceleration due to gravity. The inertial force of the object lying on it becomes so great that it exceeds the static friction force between the contact surface on the piezoelectric disk and the object. In this case, the surface moves relative to the object without taking it along.
Der Grundgedanke des somit beschriebenen Antriebsmechanismus besteht darin, durch zwei in Bezug auf Kontraktion und Dilatation einander gegengerichteter Teilflächen der piezoelektrischen Scheibe eine gerichtete Bewegung in der Oberfläche der piezoelektrischen Scheibe zu erzeugen. Bei einer Aufteilung in zwei Halbkreisflächen ei'folgt die Bewegung senkrecht zu der Trennungslinie der Halbkreisflächen.The basic idea of the drive mechanism thus described is to generate a directional movement in the surface of the piezoelectric disk by means of two partial surfaces of the piezoelectric disk which are opposed to one another with respect to contraction and dilation. With a division into two semicircular surfaces, the movement takes place perpendicular to the dividing line of the semicircular surfaces.
Die Größe des Verstellweges hängt von der Differenz der an den beiden Teilflächen liegenden Spannung ab. Wählt man die Spannungen so,daß ihre Summe zu jedem Zeitpunkt konstant ist, dann heben sich die mit der Kontraktion und Dilatation verbundenen Längenänderungenim Durchmesser der piezoelektrischen Scheibe auf. Da der Rand der Scheibe in einem Rahmen festgehalten wird, bewegt sich nur die Mitte linear in Abhängigkeit von der Differenz der Spannungen an den Elektrodenflächen.The size of the adjustment path depends on the difference in the tension on the two partial surfaces. If one chooses the voltages so that their sum is constant at all times, the changes in length associated with the contraction and dilation cancel each other out in the diameter of the piezoelectric disk. Since the edge of the disc is held in a frame, only the center moves linearly depending on the difference in the voltages on the electrode surfaces.
Die an die piezoelektrische Scheibe legbare Spannung kann über einen sehr großen Bereich variiert werden. Damit kann auch die The voltage that can be applied to the piezoelectric disk can be varied over a very wide range. So that can
Schrittlänge der Objektverschiebung über einen weiten Bereich frei gewählt werden. Der maximale Verstellweg hängt von dem Durchmesser der piezoelektrischen Scheibe ab und kann daher ebenfalls einfach an die jeweilige Meßaufgabe angepaßt werden.The step length of the object shift can be freely selected over a wide range. The maximum adjustment distance depends on the diameter of the piezoelectric disk and can therefore also be easily adapted to the respective measuring task.
Durch Wiederholung des einzelnen Verschiebevorgangs kann das Objekt schrittweise über einen vorgegebenen Weg oder eine vorgegebenen Position geführt werden.By repeating the individual displacement process, the object can be guided step by step along a predefined path or a predefined position.
Zur Richtungssteuerung muß an die eine Seite der piezoelektrischen Scheibe in mehrere Elektrodensegmente aufgeteilt werden. Durch geeignete Kontraktion und Dilatation nebeneinander- oder einander gegenüberliegender Teilflächen kann der Vektor für die Bewegung der Oberfläche der piezoelektrischen Scheibe eingestellt werden. Dabei ist darauf zu achten, daß jeweils die Summe der Spannungen an zwei mit unterschiedlichen Potentialen belegten Elektrodensegmenten zumindest nahezu konstant ist, so daß die Längenänderung der piezoelektrischen Scheibe in Richtung des jeweiligen Bewegungsvektors kompensiert wird. Die neue Antriebsvorrichtung besitzt keine mechanisch bewegten Teile. Sie benötigt nur soviel elektrische Zuleitungen wie Elektroden vorhanden sind. For directional control, one side of the piezoelectric disk must be divided into several electrode segments. The vector for the movement of the surface of the piezoelectric disk can be set by means of suitable contraction and dilation of partial surfaces lying next to or opposite one another. It is important to ensure that the sum of the voltages at two electrode segments with different potentials is at least almost constant, so that the change in length of the piezoelectric disk in the direction of the respective motion vector is compensated. The new drive device has no mechanically moving parts. It only needs as much electrical leads as there are electrodes.
Die für den Verschiebemechanismus der Antriebsvorrichtung verantwortliche Massenverschiebung in der Oberfläche der piezoelektrischen Scheibe tritt sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite der Scheibe auf, wie nachfolgend noch anhand der Figuren erläutert wird. Als Auflagefläche für das zu verschiebende Objekt können daher prinzipiell beide Seiten verwendet werden . Da die ganzfiächig als Elektrode ausgebildete Seite auf Massepotential liegt, treten keinerlei Probleme hinsichtlich der elektrischen Isolation auf, wenn ein elektrisch leitendes Objekt aufgelegt wird. Allerdings sind dann die spannungsführenden Elektroden einer Grundplatte näher, auf der die gesamte Antriebsvorrichtung ruht, so daß gegenüber dieser evtl. zusätzliche isolierende Abstandshalter anzubringen sind.The mass shift in the surface of the piezoelectric disk, which is responsible for the shifting mechanism of the drive device, occurs both on the top and on the bottom of the disk, as will be explained below with reference to the figures. In principle, both sides can therefore be used as a support surface for the object to be moved. Since the entire surface, which is designed as an electrode, is at ground potential, there are no problems with regard to the electrical insulation when an electrically conductive object is placed on it. However, the voltage-carrying electrodes are then closer to a base plate on which the entire drive device rests, so that additional insulating spacers may have to be attached to this.
Wählt man die Seite mit den spannungsführenden Elektroden als Auflagefläche, so kann durch geeignete Beschichtung dieser Fläche dafür gesorgt werden, daß bei Auflage des Objekts kein Kurzschluß zwischen den Elektroden entsteht.If one selects the side with the live electrodes as the support surface, then a suitable coating of this surface can ensure that there is no short circuit between the electrodes when the object is supported.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung wird nachfolgend anhand der schematischen Darstellung in den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen :An embodiment of the drive device according to the invention is described below with reference to the schematic representation in the drawings. Show it :
Fig. 1 eine Schnittdarstellung der Antriebsvorrichtung,1 is a sectional view of the drive device,
Fig. 2 eine Aufsicht auf die Antriebsvorrichtung,2 is a plan view of the drive device,
Fig. 3 den Verlauf der Steuerspannungen undFig. 3 shows the course of the control voltages and
Fig. H den zeitlichen Verlauf der Deformation der Oberfläche der piezoelektrischen Scheibe.H shows the time course of the deformation of the surface of the piezoelectric disk.
Die in Fig. 1 gezeigte Schnittdarstellung der Antriebsvorrichtung macht die Einfachheit des Aufbaus deutlich. Eine piezoelektrische Scheibe 10 ist in einen Rahmen 11 eingespannt. Die Scheibe ist mit einer unteren Elektrode 12 belegt, die auf Massepotential liegt. Auf der Oberseite der Scheibe sind zwei voneinander getrennte Elektroden 13 und 14 aufgebracht, an die jeweils eine Spannung Ua und Ub gelegt werden kann. Der Rahmen 11 ruht auf einer Grundplatte 15, wobei die piezoelektrische Scheibe 10 zusätzlich durch einen Abstandshalter 16 abgestützt wird. Der Abstandshalter 16 hat primär eine Sicherheitsfunktion, für den Fall, daß sich die Scheibe 10 aus dem Rahmen 11 löst. Er stellt außerdem sicher, daß sich auch die Oberfläche der Unterseite der Scheibe 10 ungehindert bewegen kann. Darüber hinaus kann dadurch auch der Massekontakt hergestellt werden.The sectional view of the drive device shown in FIG. 1 shows the simplicity of the construction. A piezoelectric disc 10 is clamped in a frame 11. The disc is covered with a lower electrode 12, which is at ground potential. Two separate electrodes 13 and 14 are applied to the top of the disk, to each of which a voltage U a and U b can be applied. The frame 11 rests on a base plate 15, the piezoelectric disk 10 additionally being supported by a spacer 16. The spacer 16 primarily has a safety function in the event that the pane 10 detaches from the frame 11. He also ensures that the surface of the underside of the disc 10 can move freely. In addition, the ground contact can also be established.
Auf die oberen Elektroden 13, 14 ist das zu verschiebende Objekt 17 aufgelegt, das an seiner unteren Seite mit einem elektrisch isolierenden Plättchen 18 verbunden ist. Es ist jedoch auch möglich, auf die Elektroden eine elektrisch isolierende Beschichtung aufzubringen, die einen Kurzschluß der a n den Elektroden liegenden Spannungen durch das aufgelegte Objekt 17 verhindert. Für Testzwecke wurden als Objekte verschiedene Messingzylinder mit einer Masse von 50 bis 300 Gramm ausgewählt. Als isolierendes Plättchen 18 wurde eine 1 ,5 mm dicke, grob gereinigte Glasscheibe von 45 mm Durchmesser verwendet, die mit den Messingzylindern verklebt wurde. Die aufeinander gleitenden Flächen sind also die Unterseite der Glasscheibe und die Oberseite der Elektroden.The object 17 to be displaced is placed on the upper electrodes 13, 14 and is connected on its lower side to an electrically insulating plate 18. However, it is also possible to apply an electrically insulating coating to the electrodes, which prevents a short circuit of the voltages lying on the electrodes by the placed object 17. Various brass cylinders with a mass of 50 to 300 grams were selected as objects for test purposes. A 1.5 mm thick, roughly cleaned glass plate of 45 mm diameter was used as the insulating plate 18 and was glued to the brass cylinders. The surfaces sliding on each other are therefore the underside of the glass pane and the top of the electrodes.
Die piezoelektrische Scheibe 10 hatte einen Durchmesser von etwa 100 mm und eine Dicke von 3 mm. Piezoelektrische Keramikmaterialien sind besonders geeignet und werden z. B . unter der Bezeichnung Vibrit ( Fa. Siemens) oder PXE 5 ( Fa. Valvo) angeboten . Als Elektrodenmaterial wurde Gold gewählt. Mit Hilfe der Grundplatte 15 wurde der Aufbau so justiert, daß die Oberfläche der Scheibe 10 waagrecht liegt. Der Rahmen 11 wurde z. B . aus Aluminium gefertigt.The piezoelectric disk 10 had a diameter of approximately 100 mm and a thickness of 3 mm. Piezoelectric ceramic materials are particularly suitable and are used e.g. B. offered under the name Vibrit (Siemens) or PXE 5 (Valvo). Gold was chosen as the electrode material. With the help of the base plate 15, the structure was adjusted so that the surface of the disc 10 is horizontal. The frame 11 was e.g. B. made of aluminum.
Fig. 2 zeigt einne Aufsicht auf die Antriebsvorrichtung. In diesem Fall wurden auf die kreisförmige piezoelektrische Scheibe 10 vier Elektroden 13, 13', 14, 14' aufgebracht. Durch entsprechende Ansteuerung der Elektroden kann z . B . erreicht werden, daß das hier nicht gezeigte Objekt schrittweise senkrecht zu den Trennungsstegen zwischen den Elektrodensegmenten verscho ben wird, so daß eine zvteidimensionale Verschiebung des Objekts möglich ist. Der Rahmen 11 besteht aus zwei rechtwinkligen Schenkeln, die über Schrauben 19 miteinander verspannt werden. Die Schenkel erzeugen eine Punktanlage der piezoelektrischen Scheibe 10. Diese Einspannung hat sich für eine zweidimensionale Objektverschiebung als besonders vorteilhaft erwiesen.Fig. 2 shows a plan view of the drive device. In this case, four electrodes 13, 13 ', 14, 14' were applied to the circular piezoelectric disk 10. By appropriate control of the electrodes z. B. can be achieved that the object, not shown here, gradually shifted perpendicular to the separating webs between the electrode segments ben, so that a two-dimensional displacement of the object is possible. The frame 11 consists of two right-angled legs which are clamped together by screws 19. The legs create a point contact of the piezoelectric disk 10. This clamping has proven to be particularly advantageous for a two-dimensional object displacement.
Fig. 3 zeigt einen besonders geeigneten zeitlichen Verlauf der beiden Steuerspannungen Ua und Ub in Form eines Sägezahns. Die Summe der Spannungen Ua( t) und Ub( t) ist bei diesem Spannungsverlauf konstant. Für die flache Flanke der Spannungen wurde z. B. eine Anstiegszeit von 50 ms gewählt, während die steile Flanke eine Anstiegszeit von 50 μs hatte. Die Amplitude der Spanrvungen war zwischen 0 und 1000 V regelbar. Der zueinander gegenläufige Spannungsverlauf bewirkt auch, daß die Kontraktion und Dilatation in den durch die Elektroden 13, 14 abgedeckten Teilbereichen der piezoelektrischen Scheibe 10 zueinander gegenläufig sind.Fig. 3 shows a particularly suitable time course of the two control voltages U a and U b in the form of a sawtooth. The sum of the voltages U a (t) and U b (t) is constant with this voltage curve. For the flat edge of the voltages z. B. selected a rise time of 50 ms, while the steep flank had a rise time of 50 μs. The amplitude of the voltages was adjustable between 0 and 1000 V. The mutually opposite voltage curve also has the effect that the contraction and dilation in the partial areas of the piezoelectric disk 10 covered by the electrodes 13, 14 are opposite to one another.
Der zeitliche Verlauf der Deformation der Oberfläche der Scheibe 10 ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Zur Zeit ta ist die an der Elektrode 13 anliegende Spannung Ua maximal, d. h. die Dicke der Scheibe 10 ist in diesem Bereich gedehnt. Zur gleichen Zeit ist die an der Elektrode 14 anliegende Spannung Ub minimal, so daß dieser Bereich gestaucht ist. Die unterschiedliche Dickenänderung in den Teilbereichen der Scheibe 10 führt zu einer Massenverschiebung. Ein durch den Pfeil in Fig. 4 indizierter Punkt auf der Oberfläche der Scheibe 10 an der Grenze zwischen den beiden Elektroden 13, 14 wird daher nach links verschoben .The time course of the deformation of the surface of the disk 10 is shown schematically in FIG. 4. At time t a , the voltage U a applied to the electrode 13 is at a maximum, ie the thickness of the disk 10 is stretched in this area. At the same time, the voltage U b applied to the electrode 14 is minimal, so that this region is compressed. The different change in thickness in the partial areas of the disk 10 leads to a mass shift. A point indicated by the arrow in FIG. 4 on the surface of the disk 10 at the boundary between the two electrodes 13, 14 is therefore shifted to the left.
Zur Zeit tb sind die beiden Spannungen Ua und Ub gleich groß. Die piezoelektrische Scheibe hat eine gleichförmige Dicke. Der durch den Pfeil indizierte Punkt ist nach rechts gewandert und liegt auf der Trennlinie zwischen den beiden Elektroden. Zur Zeit tc haben sich die Dickenverhältnisse gegenüber der Zeit ta genau umgekehrt. Der indizierte Punkt ist von der Trennlinie entsprechend weit nach rechts gewandert. Denkt man sich diesen Punkt durch Haftreibung mit einem Punkt auf der Glasscheibe 18 verbunden, so ist auch das Objekt um den Betrag der Verschiebung des Punktes nach rechts gewandert.At time t b , the two voltages U a and U b are the same. The piezoelectric disk has a uniform thickness. The point indicated by the arrow has moved to the right and lies on the dividing line between the two electrodes. At time t c , the thickness ratios are exactly the opposite of time t a . The indexed point has moved far enough to the right from the dividing line. If one thinks this point is connected to a point on the glass pane 18 by static friction, then the object has also moved to the right by the amount of the displacement of the point.
Zur Zeit tc setzt dann der Sprung der Spannung zum Zustand wie bei ta ein. Diese Spannungsänderung erfolgt so schnell, daß die Haftreibungskräfte überwunden werden, so daß das Objekt an seinem Platz verharrt und der antreibende Punkt auf der Oberfläche der piezoelektronischen Scheibe unter dem Objekt an den Ausgangspunkt der vorstehenden Betrachtung zurückwandert.At the time t c then sets the jump of a voltage to the state in t a. This change in voltage occurs so quickly that the static friction forces are overcome, so that the object remains in place and the driving point on the surface of the piezoelectric disk beneath the object moves back to the starting point of the above observation.
Es ist ersichtlich, daß die Schrittlänge des in Fig. 4 indizierten Punktes von der Amplitude der angelegten Spannung abhängt.It can be seen that the step length of the point indicated in Fig. 4 depends on the amplitude of the applied voltage.
Bei einem Testobjekt von 180 Gramm wurde z . B . mit einer Betriebsspannung von 100 V eine minimale Schrittlänge von 13 nm ereicht und bei einer Betriebsspannung von 900 V eine maximale Schrittlänge von 630 nm. Die Schrittfrequenz konnte zwischen 0 und 100 Hz verändert werden . Diese Werte hängen in bekannterWith a test object of 180 grams z. B. with an operating voltage of 100 V a minimum step length of 13 nm is reached and with an operating voltage of 900 V a maximum step length of 630 nm. The step frequency could be changed between 0 and 100 Hz. These values depend on known ones
Weise von den piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen Materials ab.Way on the piezoelectric properties of the piezoelectric material.
Bei Einzelschrittfolge ist zu beachten, daß nach der plötzlichen Spannungsumschaltung die Massenveriagerung innerhalb der piezoelektrischen Scheibe erst nach einer gewissen Zeit endgültig zur Ruhe kommt. Die Endlage wird asymptotisch erreicht, so daß dabei durchaus wieder der Haftreibungszustand zwischenIn the case of a single step sequence, it should be noted that after the sudden voltage switchover, the mass shift within the piezoelectric disc only finally comes to rest after a certain time. The end position is reached asymptotically, so that the state of static friction between
Objekt ud Antriebsvorrichtung einsetzen kann. Das führt dann zu einer Objektverschiebung aus der zuvor angesteuerten Lage heraus. Durch eine geeignete Gegenspannung kann dieser Effekt beseitigt werden. Die Gegenspannung kann zeitlich begrenzt sein oder auch als Spannungsimpuls an die Elektroden gelegt werden . Object and drive device can use. This then leads to an object shift from the previously controlled position. This effect can be eliminated by a suitable counter voltage. The counter voltage can be limited in time or can also be applied to the electrodes as a voltage pulse.

Claims

A n s p r ü c h e Expectations
1. Elektrisch steuerbare Antriebsvorrichtung zur Verschiebung eines Objekts in sehr kleinen Schrittlängen mit einer piezoelektrischen Platte (10), die auf beiden Flächen mit Elektroden belegt ist, und mit einer steuerbaren Gleichspannungsquelle (Ua,Ub), die mit den Elektroden so verbunden ist, daß zwischen den Elektroden der gegenüberliegenden Flächen der Platte (10) ein elektrisches Feld entsteht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß1. Electrically controllable drive device for moving an object in very small stride lengths with a piezoelectric plate (10), which is covered on both surfaces with electrodes, and with a controllable DC voltage source (U a , U b ), which is connected to the electrodes that between the electrodes of the opposite surfaces of the plate (10) an electric field is created, characterized in that
a) die piezoelektrische Platte (10) an ihrem Rand in einen Rahmen (11) eingespannt ist,a) the piezoelectric plate (10) is clamped at its edge in a frame (11),
b) die eine Fläche der Platte (10) ganzflächig mit einer gegenüber dem Rahmen (11) elektrisch isolierten Elektrode (12) und die andere Fläche der Platte (10) mit mindestens zwei nahezu gleichgroßen, gegenüber dem Rahmen (11) elektrisch isolierten Elektrodenflächen (13,14) belegt ist, c) die Steuerung der Spannungsquelle (Ua,Ub) so ausgelegt ist, daß in einer ersten Phase eine langsame Spannungsänderung erfolgt und in einer zweiten Phase eine sehr viel schnellere, entgegengerichtete Spannungsänderuπg gleicher Amplitude einsetzt, wobei,b) the entire surface of the plate (10) with an electrode (12) which is electrically insulated from the frame (11) and the other surface of the plate (10) with at least two almost identical electrode surfaces (11) which are electrically insulated from the frame (11) 13.14) is occupied, c) the control of the voltage source (U a , U b ) is designed in such a way that a slow voltage change takes place in a first phase and a much faster, opposing voltage change of the same amplitude occurs in a second phase,
d) jeweils die Summe der Potentiale an zwei mit unterschiedlichem Potential belegten Elektrodenflächen (13,14) zumindest nahezu konstant ist.d) the sum of the potentials at two electrode surfaces (13, 14) occupied by different potentials is at least almost constant.
2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, d ad u r c h g e ke n n z e i c h n e t , daß die ganzflächig mit einer Elektrode (12) belegte Fläche der piezoelektrischen Platte (10) die obere Seite bildet, die auf Masssepotential liegt und als Auflagefläche für das zu verschiebende Objekt (17) vorgesehen ist.2. Drive device according to claim 1, d ad urchge ke nnzeich that the entire surface with an electrode (12) occupied surface of the piezoelectric plate (10) forms the upper side, which is at ground potential and as a support surface for the object to be moved (17) is provided.
3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, da d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die mit getrennten Elektrodenflächen (13,14) belegte Fläche der piezoelektrischen Platte (10) die obere Seite bildet, an die die Steuerpotentiale (Ua,Ub) angelegt sind und die unter Zwischenschaltung einer elektrisch isolierenden Schicht (18) als Auflagefläche für das zu verschiebende Objekt (17) vorgesehen ist.3. Drive device according to claim 1, characterized in that the surface of the piezoelectric plate (10) occupied with separate electrode surfaces (13, 14) forms the upper side to which the control potentials (U a , U b ) are applied and which are connected in between an electrically insulating layer (18) is provided as a support surface for the object (17) to be moved.
4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als elektrisch isolierende Schicht eine dünne Glasscheibe (18) vorgesehen ist, die mit dem zu verschiebenden Objekt (17) verbunden ist.4. Drive device according to claim 3, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t that a thin glass pane (18) is provided as an electrically insulating layer, which is connected to the object to be moved (17).
5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e ke n n z e i c h n e t , daß die elektrisch isolierende Schicht ganzflächig, die getrennten Elektrodenflächen (13,14) überdeckend, auf die piezoelektrische Platte (10) aufgebracht ist. 5. Drive device according to claim 3, dadurchge ke nnzeich that the electrically insulating layer over the entire surface, covering the separate electrode surfaces (13, 14), is applied to the piezoelectric plate (10).
6. Antriebsvorrichtung nach Anpruch 5, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , daß eine aufgesputterte Beschichtung vorgesehen ist.6. Drive device according to claim 5, so that a sputtered coating is provided.
7. Antriebsvorrichtung 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 eine runde piezoelektrische Scheibe (10) vorgesehen ist, die in einen quadratischen Rahmen (11) eingespannt ist, wobei die Trennungslinie der getrennten Elektrodenflächen (13,14) parallel zu einem Rahmenpaar liegt.7. Drive device according to one of the preceding claims, that a round piezoelectric disc (10) is provided which is clamped in a square frame (11), the dividing line of the separated electrode surfaces (13, 14) being parallel to a pair of frames.
8. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die getrennten Elektroden (13,14) zwei Halbkreisflächen bilden.8. Drive device according to claim 7, so that the separate electrodes (13, 14) form two semicircular surfaces.
9. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 7, da d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die getrennten Elektroden vier gleichgroße Kreissegmente (13,13',14,14') bilden.9. The drive device as claimed in claim 7, since the separate electrodes form four segments of the same size (13, 13 ', 14, 14').
10. Antriebsvorrichtung 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 Steuerung des Spannungsverlaufs einer Sägezahnkurve entspricht (Fig. 3).10. Drive device according to one of the preceding claims, that the control of the voltage profile corresponds to a sawtooth curve (FIG. 3).
11. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Anstiegszeit der flachen Flanke des Sägezahns größer als 1 ms und die steile Flanke kleiner als 100 μs ist.11. Drive device according to claim 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the rise time of the flat edge of the sawtooth is greater than 1 ms and the steep edge is less than 100 μs.
12. Antriebsvorrichtung 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 zweite Phase der Spannungsänderung einen asymptopisch gegen den Endwert verlaufenden Teil enthält. 12. Drive device according to one of the preceding claims, characterized in that the second phase of the voltage change contains an asymptopically extending part against the final value.
13. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, d a d u r c h g e ke n n z e i c h n e t , daß die piezoelektrische Scheibe (10) einen Durchmesser von 100 mm und eine Dicke von 3 mm aufweist.13. Drive device according to one of claims 7 to 12, d a d u r c h g e ke n n z e i c h n e t that the piezoelectric disc (10) has a diameter of 100 mm and a thickness of 3 mm.
14. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e ke n n z e i c h n et , daß die Spannungsquelle zwischen 0 und 1000 V regelbar ist.14. Drive device according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e ke n n z e i c h n et that the voltage source is adjustable between 0 and 1000 V.
15. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e ke n n z e i c h n e t , daß die Anzahl der Steuerzyklen einstellbar ist. 15. Drive device according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e ke n n z e i c h n e t that the number of control cycles is adjustable.
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