WO2000062352A1

WO2000062352A1 - Teleskopartiger mikromanipulator mit piezomaterialien

Info

Publication number: WO2000062352A1
Application number: PCT/DE2000/001070
Authority: WO
Inventors: Kristof Szot; Wolfgang Speier
Original assignee: Forschungszentrum Jülich GmbH
Priority date: 1999-04-12
Filing date: 2000-04-05
Publication date: 2000-10-19
Also published as: DE19916277A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bewegung eines Objektes (5) mit wenigstens zwei getrennt elektrisch ansteuerbaren piezoelektrischen Bewegungselementen (1, 2, 3) und einer Wirkverbindung (4) zwischen den piezoelektrischen Bewegungselementen derart, daß sich die resultierenden Längenänderungen der piezoelektrischen Bewegungsmittel zu einer Gesamtlänge so addieren können, daß die maximal mögliche Länge der Bewegung in einer Dimension größer ist als die maximal mögliche Längenänderung eines einzelnen piezoelektrischen Bewegungsmittels. Insbesondere wirken die piezoelektrischen Bewegungselemente teleskopartig. Es kann so der nachteilhafte Einsatz von langen Piezokristallen vermieden werden, um relativ große Bewegungen auszuführen. Das teleskopartige Zusammenwirken ermöglicht sehr kompakte Bauweisen.

Description

B e s c h r e i b u n g

Teleskopartiger Mikromanipulator mit Piezomaterialien

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Mikrobewe- gung eines Objektes.

Es ist aus der Druckschrift DE 38 22 504 AI bekannt, mit Hilfe von piezoelektrischem Material und einer an das Material anlegbaren elektrischen Spannung, im folgenden auch piezoelektrisches Bewegungsmittel genannt, sehr kleine Verschiebungen sehr genau durchzuführen. An das piezoelektrische Material wird ein elektrisches Feld angelegt. In Abhängigkeit von der Größe des elek- trischen Feldes verändern sich äußere Abmessungen des Materials. Die Veränderungen werden genutzt, um entsprechende Bewegungen von zum Beispiel einem Objekt durchzuführen.

Mit Hilfe eines piezoelektrischen Bewegungsmittels, al- so zum Beispiel mit Hilfe eines Quarzkristalls oder mit Hilfe einer PZT-Elektrokeramik sowie mit Mitteln zur Anlegung einer Spannung an den Kristall oder die Keramik können Bewegungen ausgeführt werden, die 10^"4 bis

10^~6 Δl/1 (Δl/1: relative Längenänderung des piezoelek- trischen Bewegungsmittels) betragen. Die maximale Länge einer solchen Mikrobewegung ist also sehr klein. Es müssen piezoelektrische Elemente mit großen Ausdehnungen in wenigstens einer Dimension eingesetzt werden, um zu relativ großen Bewegungen gelangen zu können. Hier- aus ergeben sich Herstellungs- und Polarisationsprobleme. Aufgrund der großen Dimensionen sind solche Elemente für praktische Anwendungen unattraktiv. Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung, mit der sehr genau eine verhältnismäßig große Bewegung durchgeführt werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Eine vorteilhafte Ausgestaltungen ergibt sich aus dem Unteranspruch.

Die anspruchsgemäße Vorrichtung weist wenigstens zwei getrennt ansteuerbare piezoelektrische Bewegungselemen- te auf. Die Vorrichtung weist also Mittel auf, mit denen an jedes piezoelektrische Material gesondert eine steuerbare Spannung angelegt werden kann. Zwischen den piezoelektrischen Bewegungselementen besteht eine .Wirkverbindung derart, daß sich die resultierenden Längen- änderungen der piezoelektrischen Bewegungsmittel so addieren, daß die maximal mögliche Länge einer Bewegung in einer Dimension größer ist als die maximal mögliche Längenänderung eines einzelnen piezoelektrischen Bewegungsmittels. Wenigstens zwei piezoelektrische Bewe- gungsmittel sind also insbesondere parallel zur vorgesehenen Bewegungsrichtung angeordnet.

Bei der anspruchsgemäßen Vorrichtung können relativ kurze piezoelektrische Bewegungsmittel eingesetzt werden. Es entfallen damit die mit langen piezoelektri- sehen Bewegungsmitteln einhergehenden Schwierigkeiten und Nachteile.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die piezoelektrischen Bewegungselemente nebeneinander angeordnet. Die Bewegungsrichtung durch Anlegen von Spannungen erfolgt dann senkrecht zur Anordnung. Insbesondere sind wenigstens drei piezoelektrische Bewegungselemente im vorgenannten Sinne nebeneinander angeordnet. Die piezoelektrischen Bewegungselemente wirken dann in der von einem Teleskop her bekannten Weise zusammen. Insbesondere sind die verschiebbaren Enden der piezoelektrischen Bewegungselemente miteinander mechanisch verbunden. Es ergibt sich so eine besonders kompakte Bauform.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figur näher erläutert .

Piezoelektrische Bewegungsmittel 1, 2 und 3 sind paral- lel zu ihrer Bewegungsrichtung und zueinander benachbart angeordnet. Die Bewegungsrichtung der Bewegungsmittel wird durch den Doppelpfeil angedeutet. Die entlang der Bewegungsrichtung verschiebbaren, benachbarten Enden zweier benachbarter Bewegungsmittel 1 und 2 bzw. 2 und 3 sind mechanisch miteinander verbunden (Verbindung 4). Insgesamt ergibt sich so eine Wirkverbindung, die eine teleskopartige Bewegung zur Folge haben kann. Eine solche teleskopartige Ausdehnung der Vorrichtung tritt beispielsweise dann ein, wenn sich die piezoelek- trischen Bewegungselemente 1 und 3 ausdehnen und das dazwischen befindliche piezoelektrische Bewegungselement 2 schrumpft (Kontraktion) .

Durch die piezoelektrischen Bewegungsmittel 1, 2 und 3 kann ein Objekt 5 relativ zur Basis 6 angehoben oder gesenkt werden.

Die als piezoelektrische Bewegungsmittel 1, 2 und 3 fungierenden Bewegungsmittel können mehrfach (in der Figur zweifach) vorgesehen werden, um die mechanische Stabilität des Aufbaus zu verbessern. Natürlich kann der Aufbau variiert werden. So sind mehr als drei piezoelektrische Bewegungsmittel denkbar, die teleskopartig miteinander zusammenwirken. Anstelle des mittleren piezoelektrischen Bewegungsmittels kann auch in einer etwas schlechteren Ausführungsform eine einfache Stange als Verbindungsmittel vorgesehen sein.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1.Vorrichtung zur Bewegung eines Objektes mit wenigstens zwei getrennt elektrisch ansteuerbaren piezoelektrischen Bewegungselementen und einer Wirkverbindung zwischen den piezoelektrischen Bewegungselemen- ten derart, daß sich die resultierenden Längenänderungen der piezoelektrischen Bewegungsmittel zu einer Gesamtlänge so addieren können, daß die maximal mögliche Länge der Bewegung in einer Dimension größer ist als die maximal mögliche Längenänderung eines einzelnen piezoelektrischen Bewegungsmittels.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der piezoelektrische Bewegungselemente so nebeneinander angeordnet sind, daß diese mittels der Wirkverbindung in der Art eines Teleskops miteinander wirken.