DE4408618A1 - Bimorphous element adjustment drive - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung mit einem Piezoantrieb, insbesondere für feinmechanisch- optische Geräte und dergleichen, bestehend aus zumin dest einem Piezo-Schwinger, der durch Anlegen unter schiedlich gesteuerter elektrischer Spannungen eine Längenänderung erfährt und abwechselnd über sein freies Ende mit einem Abtriebselement in Wirkverbindung ge langt derart, daß bei Bestehen der Wirkverbindung eine Bewegungsübertragung auf das Abtriebselement erfolgt, wogegen bei aufgehobener Wirkverbindung der Piezo schwinger im Bereich seines freien Endes eine Rückstel lung zur Vorbereitung der nächsten Bewegungsübertragung erfährt, so daß das Abtriebselement die Verstellbewe gung in der gewünschten Richtung durchführt.The invention relates to an adjusting device a piezo drive, especially for precision mechanical optical devices and the like, consisting of at least least a piezo transducer, which by placing under differently controlled electrical voltages Undergoes change in length and alternates via its free End with an output element in operative connection reaches such that when the active connection exists, a Motion is transmitted to the output element, whereas, when the active connection is broken, the piezo oscillates a reset in the area of its free end preparation for the next transmission of motion experiences so that the output element the Verstellbewe in the desired direction.
Bekannte Verstelleinrichtungen aus Piezoschwingern sind beispielsweise die sogenannten Mikrostoßantriebe: Hier bei ist ein Piezoschwinger einseitig befestigt, während er mit seinem freien Ende schräg gegen einen Rotor ge drückt wird. Wird nun der Piezoschwinger mit einer hochfrequenten Wechselspannung erregt, die im Bereich der Resonanzfrequenz des Schwingers liegt, so führt der Schwinger stehende Längs- und Biegeschwingungen aus. Dies hat die Erzeugung einer ellipsenähnlichen Schwing bewegung des freien Schwingerendes gegenüber dem Rotor zur Folge, die über Gleitreibungskräfte die Drehung des Rotors hervorruft. Durch den Verkeilungseffekt bewegt sich der Rotor vorwärts, wogegen das Schwingerende bei seiner Rückwärtsbewegung am Rotor entlanggleitet oder abhebt.Known adjustment devices from piezo oscillators are For example, the so-called micro-impulse drives: here a piezo oscillator is attached on one side, while with its free end at an angle to a rotor is pressed. Now the piezo oscillator with one high frequency AC excites that in the range the resonance frequency of the transducer is, so leads Vibration standing longitudinal and bending vibrations. This has the creation of an elliptical-like vibration movement of the free end of the vibrator relative to the rotor result in the rotation of the Rotor. Moved by the wedging effect the rotor moves forward, while the end of the oscillator contributes its backward movement slides along the rotor or takes off.
Diese Art von Mikrostoßantrieben ist jedoch nur dazu in der Lage, den Rotor in einer Bewegungsrichtung anzu treiben. Um einen reversierbaren Antrieb zu erhalten, muß man einen weiteren Piezoschwinger vorsehen, der in umgekehrter Richtung am Rotor angreift, wobei sich je weils der eine Piezoschwinger außer Wirkverbindung mit dem Rotor befinden muß, wenn eine Bewegung entsprechend der Antriebsrichtung des anderen Piezoschwingers er zeugt werden soll.However, this type of micro-impulse drive is only in able to start the rotor in one direction float. To get a reversible drive, you have to provide another piezo oscillator, which in reverse direction on the rotor, whereby each because the one piezo oscillator out of active connection with the rotor must be located when there is movement accordingly the drive direction of the other piezo oscillator to be fathered.
Die genannten Mikrostoßantriebe haben allerdings einen großen Nachteil, da die verwendeten Piezoschwinger mit einer hochfrequenten Wechselspannung im Ultraschallbe reich angeregt werden müssen, um stehende Längs- und Biegeschwingungen zu erzeugen, die erst das Arbeiten mit den Mikrostoßantrieben ermöglichen. Eine einfache Längsschwingung, wie sie bei quasi-statischer Span nungsbeaufschlagung erzeugt würde, könnte nicht zu einem Antreiben, sondern nur zu einem Hin- und Herbewe gen des Rotors in der Größenordnung der Längenänderung des Piezoschwingers führen.The micro-impulse drives mentioned, however, have one big disadvantage because the piezo vibrators used with a high-frequency alternating voltage in the ultrasound need to be richly stimulated to stand longitudinally and To generate bending vibrations that only work with the micro push drives. An easy one Longitudinal vibration, as with quasi-static chip would not be able to a drive, but only for a back and forth movement towards the rotor in the order of magnitude of the change in length of the piezo oscillator.
Aufgrund der angelegten hochfrequenten Wechselspannung sind derartige Antriebe auch nur als Dauerläufer oder bei Burststeuerung zum Zurücklegen von Schrittweiten von einigen 10 bis 100 nm zu benutzen. Ein genaues Positionieren, wie es insbesondere bei feinmechanisch- optischen Geräten erforderlich wäre, ist hiermit jeden falls nicht möglich, da mit einem in Resonanz befindli chen Schwinger weder eine genau definierte Verstellung durchführbar ist, noch der genaue Angriffspunkt zwi schen Rotor und Schwinger festgelegt werden kann und im übrigen unklar ist, ob und wie sich der Rotor während der Rückstellbewegung des Schwingers weiterbewegt.Because of the high-frequency AC voltage applied are such drives only as endurance or with burst control for covering increments from a few 10 to 100 nm. Exactly Positioning, as is especially the case with precision optical devices would be required is hereby everyone if not possible, because with a resonant Chen oscillator neither a precisely defined adjustment is feasible, the exact point of attack between the rotor and oscillator can be determined and in remaining unclear whether and how the rotor turns during the return movement of the transducer.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu grunde, einen Stellantrieb zur Verfügung zu stellen, der ein Arbeiten im quasi-statischen Frequenzbereich und somit das Erzeugen kleinster Strecken und ein re produzierbares Positionieren mit Auflösung bis in den Subnanometerbereich ermöglicht.The present invention is therefore the object reasons to provide an actuator, which is working in the quasi-static frequency range and thus the creation of the smallest distances and a re producible positioning with resolution up to Subnanometer range enabled.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Piezoschwinger mindestens zwei Aktoren aufweist, die parallel nebeneinander und in Antriebsrichtung hintereinander angeordnet und zur Bildung eines Bi morphelementes fest miteinander verbunden sind, daß die Aktoren sich etwa senkrecht zur gewünschten Bewegungs richtung erstrecken und daß sie elektrisch voneinander entkoppelt und getrennt ansteuerbar sind, derart daß unter Ausnutzung einer unterschiedlichen Dehnung zusam mengehöriger Aktoren deren Verbiegung und somit eine Bahnkurve in Längs- und Querrichtung des Bimorphelemen tes erzeugt wird, wobei die Rückstellung aktiv unter Abheben vom Abtriebselement erfolgt.According to the invention the object is achieved in that the piezo oscillator has at least two actuators, the parallel side by side and in the drive direction arranged one behind the other and to form a bi morph element are firmly connected that the Actuators are approximately perpendicular to the desired movement extend direction and that they are electric from each other are decoupled and separately controllable, such that using a different stretch together associated actuators their bending and thus a Path curve in the longitudinal and transverse directions of the bimorph telem tes is generated, with the provision active under Take off from the output element.
Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß das Bimorphelement auch deutlich unterhalb der Resonanzfrequenz, also im quasi-statischen Frequenzbereich nicht nur Bewegungen in Längsrichtung, sondern auch in Querrichtung durch führen kann, da beispielsweise die Kürzung eines Aktors bei gleichzeitiger Verlängerung des benachbarten Aktors aufgrund der festen Verbindung der Aktoren zu einer seitlichen Auslenkung des freien Bimorphelement-Endes auf die Seite führt, auf der sich der verkürzte Aktor befindet. Daraus folgt, daß bei entsprechend gesteuer ter Spannungsbeaufschlagung der Aktoren dem freien Ende des Bimorphelementes eine Bewegung in zwei Koordinaten richtungen, beispielsweise eine Ellipsenbewegung auf zwingbar ist. Hierbei wird der obere Bereich einer solchen Ellipsenbahnkurve dazu verwendet, die Be wegungsübertragung in der gewünschten Richtung durchzu führen, während der untere Bereich, bei dem die Wirk verbindung zwischen Bimorphelement und Abtriebselement aufgehoben ist, für die Rückstellung zur Vorbereitung der nächsten Bewegungsübertragung genutzt wird.This has the advantage that the bimorph element also well below the resonance frequency, i.e. in quasi-static frequency range not just movements in the longitudinal direction, but also in the transverse direction can lead to, for example, the shortening of an actuator with simultaneous extension of the neighboring actuator due to the fixed connection of the actuators to one lateral deflection of the free end of the bimorph element leads to the side on which the shortened actuator is located located. It follows that if taxed accordingly ter voltage application of the actuators to the free end movement of the bimorph element in two coordinates directions, for example an elliptical movement is mandatory. The upper area becomes a such an elliptical orbit curve, the Be transmission of movement in the desired direction lead while the lower area where the knit connection between bimorph element and output element is canceled for the provision to prepare the next motion transmission is used.
Ein noch effektiveres Antriebsverhalten ergibt sich insbesondere dann, wenn die Spannungsverläufe der bei den Aktoren eines Bimorphelementes um etwa 90° phasen verschoben sind und die beiden Aktoren mit einer etwa sägezahnförmigen Wechselsparinung beaufschlagt werden, so daß sich eine möglichst gleichmäßige Vortriebsbe wegung ergibt.This results in an even more effective drive behavior especially when the voltage waveforms at phase the actuators of a bimorph element by about 90 ° are shifted and the two actuators with an approximately sawtooth-shaped alternate savings are applied, so that there is the most uniform possible drive movement results.
Zweckmäßig sind zumindest zwei Bimorphelemente vorge sehen, so daß beide abwechselnd für die Bewegungsüber tragung sorgen, während jeweils das Bimorphelement, das sich mit seinem freien Ende im unteren Bereich der jeweiligen Bahnkurve befindet, rückgestellt wird. Damit ist sichergestellt, daß das Abtriebselement während der Rückstellung des Bimorphelementes keine undefinierte Bewegung durchführt, sondern weiter in der gewünschten Richtung bewegt wird, also den doppelten Weg pro Zeit zurück legt.At least two bimorph elements are expediently provided see so that both alternate for the movement over care while the bimorph element, the itself with its free end in the lower area of the the respective curve is located, is reset. In order to it is ensured that the output element during the Resetting the bimorph element no undefined Performs movement, but continues in the desired one Direction is moved, i.e. twice the way per time puts back.
Werden zwei Gruppen von Bimorphelementen eingesetzt, läßt sich die Anpressung des Piezoantriebes am Ab triebselement und auch die Genauigkeit beim Positionie ren weiter verbessern. Hierbei sind die beiden Gruppen zweckmäßigerweise jeweils parallel geschaltet, das heißt die neben- oder hintereinander angeordneten Bi morphelemente werden möglichst gleichmäßig in Gruppen mit gleichen Spannungsverläufen aufgeteilt.If two groups of bimorph elements are used, can be the pressure of the piezo drive from drive element and also the accuracy in positioning further improve. Here are the two groups expediently connected in parallel, that is the name of the bi or next to each other Morph elements are grouped as evenly as possible divided with the same voltage curves.
Hierbei ist es zweckmäßig, daß die Bimorphelemente an eine Steuerung angeschlossen sind, die die Wirkverbin dung eines jeden Bimorphelementes mit dem Abtriebsele ment erst dann aufhebt, nachdem die Wirkverbindung des Abtriebselementes mit dem anderen Bimorphelement herge stellt ist. Dadurch ist sichergestellt, daß im kriti schen Moment des Antriebswechsels dennoch eine sichere Klemmung des Abtriebselementes vorliegt, wodurch die Zustellgenauigkeit verbessert wird.It is appropriate that the bimorph elements a controller is connected, which is the active connection of each bimorph element with the stripping element ment only after the active connection of the Output element with the other bimorph element represents is. This ensures that in the crit torque of the drive change is still a safe one Clamping of the output element is present, whereby the Delivery accuracy is improved.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die Verstellbe wegungen der Bimorphelemente überlappen, was durch ge eignete Spannungsverläufe, beispielsweise durch Beauf schlagung mit einer sägezahnförmigen Wechselspannung erreicht werden kann. Hierdurch erhält man einen konti nuierlichen Antrieb ohne Kraftflußunterbrechnung unter Vermeidung des Nachteils, daß die gewünschte Verstell bewegung des Abtriebselementes zur Rückstellung eines Bimorphelementes unterbrochen werden muß.It is particularly advantageous if the adjustment movements of the bimorph elements overlap, which is indicated by ge suitable voltage profiles, for example through Beauf Beat with a sawtooth AC voltage can be reached. This gives you a conti nuclear drive without power flow interruption under Avoiding the disadvantage that the desired adjustment movement of the output element to reset a Bimorph element must be interrupted.
Auch das Hinzufügen weiterer Bimorphelement-Gruppen wirkt sich positiv auf das Antriebsverhalten aus. Als beste Konstellation hat sich die Anordnung von zwei oder mehr Bimorphelement-Paaren herausgestellt, wobei entsprechend zusammengehörige Aktoren der Paare paral lelgeschaltet, aber alle vier Aktoren eines Paares mit versetzten Spannungsverläufen beaufschlagt sind.Also adding more bimorph element groups has a positive effect on the drive behavior. When The best constellation has been the arrangement of two or more pairs of bimorph elements, wherein correspondingly related actuators of the pairs paral switched on, but with all four actuators of a pair offset voltage profiles are applied.
In jedem, also nicht nur im idealen Fall ist es vor teilhaft, wenn die Bimorphelemente mit gleichen, zeit lich versetzten Spannungsverläufen beaufschlagt werden.In every, not just in the ideal case, it is there partial if the bimorph elements with the same, time shifted voltage profiles are applied.
Für die oben erwähnten Anwendungsbereiche weist die auf die Bimorphelemente einwirkende Spannung eine Frequenz auf, die insbesondere unterhalb des Ultraschallfre quenzbereiches liegt. Aufgrund der Vermeidung von Reso nanzschwingungen der Bimorphelemente ist eine Auflösung der Zustellbewegungen bis in den unteren Nanometerbe reich möglich. Jedoch soll sich der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung nun nicht ausschließlich auf den genannten Frequenzbereich beschränken, da eine Er regung im Ultraschallbereich für Zustellbewegungen mit hohen Geschwindigkeiten sinnvoll ist und hierbei die Spannungsamplitude beispielsweise zehnmal höher bzw. eine um den Faktor 10 kleinere Spannung erforderlich ist. Weil darüber hinaus die Phasenverschiebung im Resonanzbereich 90° beträgt, reicht es hierbei aus, die eine Elektrode des Bimorphelementes entsprechend anzu steuern, wobei die andere Elektrode jeweils automatisch um 90° nacheilt. For the areas of application mentioned above, the has the voltage acting on the bimorph elements is a frequency on, especially below the ultrasonic fre frequency range. Due to the avoidance of reso The vibrations of the bimorph elements are a resolution of the feed movements down to the lower nanometer range rich possible. However, the scope should of the present invention is not exclusively based on limit the frequency range mentioned, since an Er excitation in the ultrasonic range for infeed movements with high speeds makes sense and the Voltage amplitude for example ten times higher or a voltage smaller by a factor of 10 is required is. Because, moreover, the phase shift in the Resonance range is 90 °, it is sufficient here that an electrode of the bimorph element accordingly control, the other electrode automatically lagging by 90 °.
Grundsätzlich kann das Bimorphelement entweder über seine Stirnfläche, über eine Seitenfläche oder aber über ein mit dem Bimorphelement in Verbindung stehendes Zwischenglied in Wirkverbindung mit dem Abtriebselement gelangen. Das Angreifen an der Stirnfläche des Bimorph elementes empfiehlt sich insbesondere dann, wenn dieses - wie oben beschrieben - als Antrieb verwendet wird. Andererseits kann jedoch das Bimorphelement statt als Antriebselement auch als Selbstläufer eingesetzt werden. Dabei kann sich das Bimorphelement entsprechend den Verstellbewegungen auf einer ortsfesten Unterlage fortbewegen, was einer kinematischen Umkehr zum oben beschriebenen Antrieb entspricht.Basically, the bimorph element can either be over his face, over a side face or else via a connection with the bimorph element Intermediate link in operative connection with the output element reach. Attacking the face of the bimorph elementes is particularly recommended if this - as described above - is used as a drive. On the other hand, however, the bimorph element can be used instead of Drive element also used as a no-brainer become. The bimorph element can change accordingly the adjustment movements on a stationary base move forward, which is a kinematic reversal to the above described drive corresponds.
Befand sich beim Einsatz als Antrieb die Bahnkurve noch parallel zur Längserstreckung der Bimorphelemente, so ist es bei einer Verwendung als Selbstläufer zweckmä ßig, über eine Seitenfläche der Bimorphelemente in Wirkverbindung mit dem Abtriebselement, das heißt mit der Unterlage zu gelangen. Hierdurch wird vor allem eine stabilere Auflage des aus mehreren Bimorphelemen ten bestehenden Läufers auf der Unterlage und ebenso eine geringere Bauhöhe des Läufers erreicht. Das Anlie gen an den Seitenflächen erfolgt natürlich vor allem im Bereich des freien Endes der Bimorphelemente, da dort die Verstellbewegung am größten ist.When used as a drive, the trajectory was still there parallel to the longitudinal extent of the bimorph elements, see above it is useful when used as a self-runner ßig, over a side surface of the bimorph elements in Active connection with the output element, that is, with to get the document. This will, above all a more stable edition of several bimorph telemes existing runner on the pad and so on achieved a lower overall height of the runner. The Anlie of course on the side surfaces, especially in the Area of the free end of the bimorph elements, since there the adjustment movement is greatest.
Für die Verwendung als Selbstläufer ist es insbesondere von Vorteil, wenn mit den beiden ein Bimorphelement bildenden Aktoren ein weiteres Aktorenpaar fest verbun den ist, wobei sich die beiden Aktorenpaare nebeneinan der befinden und im Querschnitt gesehen eine Viereck anordnung bilden sollten. Hierdurch wird sowohl das Ab heben von der ortsfesten Unterlage, das zur Vorberei tung der Rückstellung des jeweiligen Bimorphelementes erforderlich ist, als auch eine hierzu senkrechte Ver stellbewegung erreicht, da die vier zu einem Doppelbi morphelement zusammengefaßten Aktoren durch entspre chende Spannungsbeaufschlagung beliebig aufeinander ab gestimmt werden können.For use as a no-brainer, it is special an advantage if the two are a bimorph element forming actuators firmly connected another pair of actuators is, with the two pairs of actuators next to each other a square and seen in cross section should form an arrangement. As a result, both the Ab lift from the stationary base, that to the preparation the provision of the respective bimorph element is required, as well as a vertical Ver actuation movement achieved because the four to a double bi morph element summarized actuators by corre sponding appropriate voltage application on each other can be voted.
Werden jedoch solche Doppelbimorphelemente nicht als Selbstläufer, sondern als Antriebe verwendet, so ermög lichen sie eine Verstellbewegung in die zweite Dimen sion der Abtriebselementebene. Hierbei erfolgt das Auf heben der Wirkverbindung wie bei den oben geschilderten Antrieben durch Verkürzen der Doppelbimorphelemente.However, such double bimorph elements are not considered Self-propelled, but used as drives, so made possible make an adjustment movement in the second dimension sion of the output element level. Here the opening takes place lifting the active connection as in the above Drives by shortening the double bimorph elements.
In jedem Fall ist es aber bei der Verwendung sowohl als Antrieb als auch als Selbstläufer sinnvoll, wenn die freien Enden der Bimorphelemente, die mit dem Abtriebs element bzw. mit der Unterlage in Wirkverbindung gelan gen, gleichmäßig über diese verteilt sind, um eine stabile Auflage zu schaffen. Bei den Selbstläufern wird dies insbesondere durch eine Doppelkammanordnung von zueinander parallelen Doppelbimorphelementen erreicht, wie es in Fig. 4 dargestellt ist.In any case, it is useful when using both as a drive and as a self-runner if the free ends of the bimorph elements, which are in contact with the output element or with the base, are evenly distributed over these to ensure a stable support to accomplish. In the self-running, this is achieved in particular by a double-comb arrangement of parallel double bimorph elements, as is shown in FIG. 4.
Diese Doppelanordnung kann noch derart erweitert werden, wenn zusätzlich zumindest zwei weitere Bimorph elemente vorgesehen werden, die sich in der gleichen Ebene, aber senkrecht zu den ersten Bimorphelementen erstrecken und ebenfalls zueinander parallel sind. Dabei ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß eine Be wegung in der zweiten Dimension und somit sogar belie bige ebene Kreis- und Kurvenbewegungen möglich sind.This double arrangement can be expanded in this way if at least two more bimorphs are added elements are provided that are in the same Plane, but perpendicular to the first bimorph elements extend and are also parallel to each other. This has the additional advantage that a loading movement in the second dimension and thus even Any flat circular and curved movements are possible.
Während bei den oben genannten, als Läufer verwendeten Bimorphelementen deren Gewichtskraft für ein ständiges Andrücken der Bimorphelemente auf dem Boden sorgt, ist es bei den Piezoantrieben besonders zweckmäßig, daß sie durch zumindest ein Federelement in Wirkverbindung mit dem Abtriebselement bringbar sind und die Wirkverbin dung jedes Bimorphelementes durch Spannungsbeaufschla gung aufhebbar ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß aufgrund des permanenten Andrückens durch das Federelement ein sicheres Klemmen des Abtriebselementes zu jedem Zeitpunkt gewährleistet ist, sich also immer mindestens ein Bimorphelement in Wirkverbindung mit dem Abtriebselement befindet. Das Aufheben der Wirkverbin dung erfolgt durch das jeweilige Bimorphelement selbst, wodurch unvermeidliche Wegdifferenzen sich nicht mehr negativ auf die Qualität der Klemmung auswirken können. Da lediglich die Relativwege und nicht die Absolutlän gendifferenzen der Bimorphelemente für das Klemmen bzw. Abheben relevant sind, haben somit Längenschwankungen der Bimorphelemente durch Temperatur-, Alterungs- und Umwelteinflüsse keinen Einfluß auf ein zuverlässiges Betriebsverhalten des Piezoantriebes. Die Bimorphele mente können daher mit geringen Präzisionsanforderungen und somit kostengünstiger hergestellt werden.While in the above, used as a runner Bimorph elements whose weight for a permanent Pressing the bimorph elements on the floor is it is particularly useful with the piezo drives that they by at least one spring element in operative connection with the output element can be brought and the operative connection each bimorph element by applying voltage can be canceled. This gives the advantage that due to the permanent pressure from the Spring element a secure clamping of the output element is guaranteed at all times, so always at least one bimorph element in operative connection with the Output element is located. The removal of the active connection is done by the respective bimorph element itself, whereby inevitable path differences no longer exist can have a negative impact on the quality of the clamping. Because only the relative paths and not the Absolutlän gene differences of the bimorph elements for clamping or Taking off are relevant, therefore have length fluctuations of bimorph elements due to temperature, aging and Environmental influences do not affect a reliable Operating behavior of the piezo drive. The bimorphele elements can therefore with low precision requirements and thus can be manufactured more cost-effectively.
Zur Herbeiführung der Wirkverbindung zwischen Bimorph element und Abtriebselement besteht zum einen die Mög lichkeit, daß das Federelement auf das Abtriebselement einwirkt; zum anderen kann aber das Federelement statt dessen auf die Bimorphelemente einwirken, wobei es hierbei besonders vorteilhaft ist, diese an einer ge meinsamen Basis zu montieren. Dadurch ist sicherge stellt, daß immer das momentan längere Bimorphelement die Wirkverbindung garantiert, während das kürzere Bi morphelement seine Rückstellung durchführen kann.To bring about the active connection between bimorph on the one hand there is the element and the output element Lichity that the spring element on the output element acts; on the other hand, the spring element can take place whose act on the bimorph elements, whereby it it is particularly advantageous here at a ge to assemble common base. This ensures security represents that the currently longer bimorph element the active connection is guaranteed, while the shorter Bi morph element can perform its reset.
Zweckmäßigerweise wird die gemeinsame Basis dadurch ge bildet, daß bei aus Piezokeramik bestehenden Bimorph elementen diese durch kammartiges Heraussägen einzelner Kammzinken aus einer Piezokeramikplatte hergestellt sind, wobei der sich senkrecht zu den Zinken er streckenden Kammsteg als gemeinsame Basis die Verbin dung zwischen den Bimorphelementen aufrechthält. Hier bei werden die einzelnen Aktoren in der Art herge stellt, daß die elektrisch voneinander entkoppelten und getrennt ansteuerbaren Elektroden auf die Piezokeramik aufgedampft werden, wobei zweckmäßigerweise - wie be reits erwähnt - jeweils gleichwirkende Bimorphelemente parallel geschaltet werden.The common basis is expediently ge forms that in bimorph made of piezoceramic elements by comb-like sawing out of individual Comb teeth made from a piezoceramic plate are, which is perpendicular to the tines stretching ridge as a common base the verbin between the bimorph elements. Here at are the individual actuators of the type represents that the electrically decoupled and separately controllable electrodes on the piezoceramic be evaporated, expediently - as be already mentioned - in each case equivalent bimorph elements can be connected in parallel.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Piezokeramik der Bimorphelemente aus vielen dünnen Schichten gebil det ist. Durch solche Multilayer-Bimorphelemente, die in Dickenrichtung geschichtet aufgebaut sind, reduziert sich die benötigte Erregerspannung von beispielsweise 500 V bis 1000 V um den Faktor 10 auf 50 V bis 100 V, was die Einsatzgebiete solcher Antriebe erheblich ver größert.Another advantage arises when the piezoceramic the bimorph elements are made up of many thin layers det. Through such multilayer bimorph elements that are built up layered in the thickness direction, reduced the required excitation voltage, for example 500 V to 1000 V by a factor of 10 to 50 V to 100 V, which considerably ver the areas of application of such drives enlarged.
Darüber hinaus ist es aber auch möglich, daß die Bi morphelemente anstatt aus Piezokeramik aus elektro- oder magnetostriktivem Material bestehen.In addition, it is also possible that the Bi morph elements instead of piezoceramic made of electro or magnetostrictive material.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfin dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen; hier bei zeigenFurther advantages and features of the present inven dung result from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawings; here at show
Fig. 1a den Bewegungsablauf eines erfindungsgemäßen Bimorphelementes in Vorderansicht; Figure 1a is the sequence of movement of a bimorph element according to the invention in front view.
Fig. 1b den Verlauf der Erregerspannung, mit der das Bimorphelement aus Fig. 1a beaufschlagt wird; FIG. 1b shows the course of the excitation voltage, is applied to the bimorph of Figure 1a.
Fig. 2a einen erfindungsgemäßen Verstellantrieb beste hend aus vier Bimorphelementen in Vorderan sicht; FIG. 2a shows an adjustment according to the invention best starting view from four bimorph in Vorderan;
Fig. 2b den Verstellantrieb aus Fig. 2a in Seitenan sicht; Fig. 2b the adjustment drive of Figure 2a in Seitenan view.
Fig. 2c den Verstellantrieb aus Fig. 2a in Drauf sicht; Fig. 2c, the adjustment drive of Figure 2a in plan view.
Fig. 2d das Abtriebselement und die daran angreifenden Bahnkurven der Verstelleinrichtung aus Fig. 2a in geschnittener Vorderansicht; FIG. 2d the driven element and the trajectory curves of the adjusting device from FIG. 2a acting thereon in a sectional front view; FIG.
Fig. 3a einen erfindungsgemäßen Verstellantrieb ähn lich dem Verstellantrieb aus Fig. 2a, wobei jedoch die Bimorphelemente jeweils vier Akto ren aufweisen; Figure 3a is an adjustment according to the invention similarity Lich the adjusting of Figure 2a, except that the bimorphous elements each comprise four ren Akto..;
Fig. 3b den Verstellantrieb aus Fig. 3a in Seitenan sicht; Fig. 3b, the adjustment drive of Figure 3a in Seitenan view.
Fig. 3c den Verstellantrieb aus Fig. 3a in Drauf sicht; FIG. 3c view the adjustment of Fig 3a in plan.
Fig. 3d eine Skizze der Wirkungsweise und der Bahnkur ven des Verstellantriebes aus Fig. 3a; FIG. 3d shows a sketch of the mode of operation and the trajectory of the adjusting drive from FIG. 3a;
Fig. 4 eine alternative Bauform des Verstellantriebes aus Fig. 3a in Doppelkammanordnung und Fig. 4 shows an alternative design of the adjustment drive from Fig. 3a in a double comb arrangement and
Fig. 5 eine weitere Bauform des Verstellantriebes aus Fig. 3a in Vierfachkammanordnung. Fig. 5 shows a further design of the adjustment drive from Fig. 3a in a four-way comb arrangement.
Fig. 1a zeigt ein Bimorphelement 1 in vier Bewegungs situationen Nr. 1 bis Nr. 4. Auf das aus einer ein stückigen Piezokeramik bestehende Bimorphelement 1 sind zwei Elektroden 2 und 3 zur Bildung von Piezoaktoren aufgedampft, die elektrisch voneinander entkoppelt und getrennt durch Spannungsquellen A und B ansteuerbar sind. Piezoaktoren haben die Eigenschaft, bei Anlegen einer Spannung ihre Länge zu ändern, das heißt hält man das eine Ende eines Aktors fest, so bewirkt eine Span nungsänderung eine Bewegung des freien Aktorendes in Längsrichtung. Fig. 1a shows a bimorph element 1 in four movement situations No. 1 to No. 4. On the bimorph element 1 consisting of a one-piece piezoceramic, two electrodes 2 and 3 are evaporated to form piezo actuators, which are electrically decoupled from one another and separated by voltage sources A. and B can be controlled. Piezo actuators have the property of changing their length when a voltage is applied, i.e. if one end of an actuator is held firmly, a change in voltage causes the free end of the actuator to move in the longitudinal direction.
Da nun aber beide Aktoren bzw. Elektroden 2 und 3 fest miteinander verbunden sind, führt eine einseitige Span nungsänderung an einer Elektrode zu einer Verbiegung des freien Endes in Querrichtung und zwar in Richtung des momentan kürzeren Aktors. Auf diese Weise ist es durch entsprechende Spannungsbeaufschlagung der beiden Elektroden 2 und 3 möglich, dem freien Ende des Bi morphelementes 1 Bewegungen in Längs- und Querrichtung aufzuzwingen beispielsweise in Form der in Fig. 1a dargestellten Ellipsenbahnkurve, die vom Mittelpunkt des freien Endes beschrieben wird und durch die in Fig. 1b dargestellten Spannungsverläufe A(t) und B(t) erzeugt wurde.However, since both actuators or electrodes 2 and 3 are now firmly connected to one another, a one-sided voltage change on an electrode leads to a bending of the free end in the transverse direction, namely in the direction of the currently shorter actuator. In this way, it is possible by appropriate voltage application of the two electrodes 2 and 3 to force the free end of the Bi morphelementes 1 movements in the longitudinal and transverse directions, for example in the form of the elliptical orbit curve shown in Fig. 1a, which is described by the center of the free end and was generated by the voltage profiles A (t) and B (t) shown in FIG. 1b.
Hierbei ist die Elektrode 2 mit der Spannungsquelle A und die Elektrode 3 mit der Spannungsquelle B verbun den. Aus Fig. 1b sind außerdem die beiden Spannungs werte zum Zeitpunkt der vier Bewegungsabschnitte Nr. 1 bis Nr. 4 abzulesen.Here, the electrode 2 is connected to the voltage source A and the electrode 3 to the voltage source B. The two voltage values at the time of the four movement sections No. 1 to No. 4 can also be read from FIG. 1b.
Es ist nun leicht ersichtlich, daß bei zumindest zwei nebeneinander angeordneten und genau gegenläufig ange steuerten Bimorphelementen der obere Bereich der ellip senförmigen Bahnkurve zum Übertragen der Verstellbewe gung verwendet werden kann, während der untere Ellip senbereich bei durch das benachbarte höhere Bimorphele ment auf gehobener Wirkverbindung zwischen Bimorphele ment und Abtriebselement für ein Rückstellen des freien Endes benutzt werden kann.It is now readily apparent that at least two juxtaposed and exactly opposite controlled bimorph elements of the upper area of the ellip Sen-shaped trajectory for transferring the adjustment movement can be used while the lower ellip area due to the neighboring higher bimorphele ment on an active connection between bimorphs ment and output element for resetting the free Can be used in the end.
Die in den Fig. 2a bis 2c in verschiedenen Ansichten dargestellte Verstelleinrichtung 5 besteht aus Bimorph elementen 6, 7, 8 und 9, die jeweils zwei Aktoren 61 und 62, 71 und 72, 81 und 82, 91 und 92 aufweisen. Die Bimorphelemente 6 bis 9 werden durch kammartiges Heraussägen einzelner Kammzinken aus einer Piezokera mikplatte unter Belassung einer gemeinsamen Basis 11 in Form eines Kammsteges gebildet, woraufhin die einzelnen Elektroden auf der einen Seite der Keramikplatte und auf der Rückseite jedes Bimorphelementes jeweils ein Nulleiter 63, 73, 83 und 93 aufgedampft werden.The adjusting device 5 shown in FIGS . 2a to 2c in different views consists of bimorph elements 6 , 7 , 8 and 9 , each having two actuators 61 and 62 , 71 and 72 , 81 and 82 , 91 and 92 . The bimorph elements 6 to 9 are formed by comb-like sawing out individual comb teeth from a piezoceramic plate while leaving a common base 11 in the form of a comb web, whereupon the individual electrodes on one side of the ceramic plate and on the back of each bimorph element, a neutral conductor 63 , 73 , 83 and 93 are evaporated.
Die vier Bimorphelemente 6 bis 9 sind so elektrisch ge koppelt, daß jede vierte Elektrode, also die Elektroden jedes zweiten Bimorphelementes miteinander verbunden werden. So ist die an die Spannungszufuhr C angeschlos sene Elektrode 61 mit der Elektrode 81 verbunden, die an die Spannungszufuhr D angeschlossene Elektrode 62 an die Elektrode 82 usw. Hierdurch wird erreicht, daß sich die Bimorphelemente 6 und 8 einerseits und die Bimorph elemente 7 und 9 andererseits jeweils gleichartig und im Gleichtakt bewegen. Demgemäß beschreiben die jewei ligen Mittelpunkte der freien Enden der Bimorphelemente die in Fig. 2d dargestellten Ellipsenbahnkurven (Bewe gung im Uhrzeigersinn) und bewirken somit das Übertra gen der gewünschten Verstellbewegung auf ein Abtriebs element 10 (Bewegung in Fig. 2d nach rechts).The four bimorph elements 6 to 9 are electrically coupled so that every fourth electrode, that is, the electrodes of every second bimorph element, are connected to one another. Thus, the electrode 61 connected to the voltage supply C is connected to the electrode 81 , the electrode 62 connected to the voltage supply D to the electrode 82 , etc. This ensures that the bimorph elements 6 and 8 on the one hand and the bimorph elements 7 and 9 on the other hand, move in the same way and in synchronism. Accordingly, the respective centers of the free ends of the bimorph elements describe the elliptical trajectory shown in Fig. 2d (clockwise movement) and thus cause the transfer of the desired adjustment movement to an output element 10 (movement in Fig. 2d to the right).
Wie aus den Bahnkurvenverläufen ersichtlich, ist es für ein wirkungsvolles Angreifen der Bimorphelemente 6 bis 9 am Abtriebselement 10 besonders zweckmäßig, wenn durch eine nicht dargestellte Feder entweder das Ab triebselement in Richtung der Verstelleinrichtung 5 oder diese in Richtung des Abtriebselementes 10 ge drückt werden, wodurch eine ständige Wirkverbindung mit dem Abtriebselement sichergestellt wird.As can be seen from the trajectory curves, it is particularly expedient for an effective attack of the bimorph elements 6 to 9 on the output element 10 if either the drive element is pushed in the direction of the adjusting device 5 by a spring (not shown) or this is pressed in the direction of the output element 10 , thereby a permanent operative connection with the output element is ensured.
In Fig. 2c ist in Draufsicht noch einmal verdeutlicht, wie die jeweiligen Elektroden der Bimorphelemente 6 bis 9 mit der jeweiligen Spannungszufuhr C, D, E und F ver bunden sind, während die Rückseiten der Bimorphelemen te, auf die die Nulleiterschichten 63, 73, 83 und 93 aufgedampft sind, miteinander verbunden sind.In Fig. 2c is a plan view once again illustrates how the respective electrodes of the bimorph elements 6 to 9 are connected to the respective voltage supply C, D, E and F, while the rear sides of the bimorph elements on which the neutral layers 63 , 73 , 83 and 93 are evaporated, connected to each other.
In den Fig. 3a bis 3c ist eine weitere Verstellein richtung 15 in verschiedenen Ansichten dargestellt, die aus an einer gemeinsamen Basis 12 angeordneten Bimorph elementen 16, 17, 18 und 19 besteht, auf die jeweils vier Elektroden 161 bis 164, 171 bis 174, 181 bis 184 und 191 bis 194 aufgedampft sind. Durch die zusätzli chen Elektrodenpaare, die an von Spannungsquellen G, H, I und J der ersten Elektrodenpaaren getrennten Span nungsquellen K, L, M und N angeschlossen sind, ist es nun möglich, beispielsweise die Elektroden 161 und 162 gleichsinnig zu beaufschlagen, während die Elektroden 163 und 164 mit einer phasenverschobenen Spannung ange regt werden, wodurch eine Verbiegung des Bimorphelemen tes 16 in Dickenrichtung (das heißt in Fig. 3c nach oben/unten) erzeugt werden kann. Diese Bewegung ist insbesondere bei den in Fig. 3d dargestellten An griffsverhältnissen erforderlich, wobei sich die Ver stelleinrichtung 15 zu einer Unterlage 100 parallel er streckt und auf dieser entlangläuft, also die Verstell bewegung nicht eine Bewegungsübertragung auf das Ab triebselement erzeugt, sondern die Verstelleinrichtung 15 sich in die gewünschte Richtung bewegt, wobei aller dings die elektrischen Anschlüsse bei der Bewegung der Verstelleinrichtung mitgeführt werden müssen, jedoch auch eine - allerdings technisch aufwendige - Fern steuerung denkbar wäre.In FIGS. 3a to 3c a further Verstellein is directionally represented in different views 15, arranged out on a common base 12 bimorph elements 16, 17, 18 and 19 consists, on the four electrodes 161 to 164, 171 to 174, 181 to 184 and 191 to 194 are evaporated. Due to the additional pairs of electrodes connected to voltage sources K, L, M and N separated from voltage sources G, H, I and J of the first electrode pairs, it is now possible, for example, to apply the electrodes 161 and 162 in the same direction while the Electrodes 163 and 164 are excited with a phase-shifted voltage, whereby a bending of the bimorph element 16 in the thickness direction (that is to say upwards / downwards in FIG. 3c) can be generated. This movement is required in particular in the grip conditions shown in FIG. 3d, wherein the adjusting device 15 extends parallel to a base 100 and extends along it, that is to say the adjusting movement does not produce a transmission of motion to the drive element, but rather the adjusting device 15 moves in the desired direction, although the electrical connections must be carried with the movement of the adjusting device, but a - albeit technically complex - remote control would also be conceivable.
Der in den Fig. 3a bis 3c dargestellte Verstellan trieb 15 wird insbesondere dadurch noch verbessert, daß die Anzahl der Bimorphelemente verdoppelt wird und sich zusätzliche Bimorphelemente 25, 26, 27 und 28 symme trisch zu einem Kammsteg 29 entgegengesetzt zu Bimorph elementen 21 bis 24 erstrecken, die den Bimorphelemen ten 16 bis 19 aus Fig. 3 entsprechen. Eine solche Ver stelleinrichtung 30′ die ebenfalls als Läufer arbeitet, ist in Fig. 4 dargestellt. Dort ist auch die seitliche Auslenkung der gleichmäßig in zwei Gruppen aufgeteilten Bimorphelemente 21 bis 28 erkennbar. Wie schon bei der Verstelleinrichtung 15 aus Fig. 3 ist auch hier die Spannungsbeaufschlagung der jeweiligen Bimorphelemente so aufeinander abzustimmen, daß sowohl eine Bewegung der freien Enden der Bimorphelemente in Querrichtung - wodurch die Verstellbewegung erzeugt wird - als auch eine Bewegung der Enden in Dickenrichtung - die zum Herstellen und Aufheben der Wirkverbindung dient - durchgeführt werden kann.The Fig. 3a to 3c shown Verstellan drive 15 is particularly improved in that the number of bimorph elements is doubled and additional bimorph elements 25 , 26 , 27 and 28 symmetrical to a ridge 29 opposite to bimorph elements 21 to 24 extend , which correspond to the bimorph elements 16 to 19 from FIG. 3. Such Ver adjusting device 30 'which also works as a runner is shown in Fig. 4. The lateral deflection of the bimorph elements 21 to 28, which are evenly divided into two groups, can also be seen there. As with the adjusting device 15 from FIG. 3, the voltage applied to the respective bimorph elements must be coordinated with one another in such a way that both a movement of the free ends of the bimorph elements in the transverse direction - which produces the adjusting movement - and a movement of the ends in the thickness direction - the serves to establish and remove the active connection - can be carried out.
In Fig. 5 schließlich ist eine Verstelleinrichtung 50 dargestellt, die zwei Gruppen von Bimorphelementen 41 bis 46 und 51 bis 56 aufweist, wobei die Bimorphelemen te 41 bis 46 jeweils zueinander parallel verlaufen, ihre Erstreckungsrichtung aber senkrecht zu den eben falls zueinander parallel verlaufenden Bimorphelementen 51 bis 56 ist. Eine solche Anordnung hat den großen Vorteil, daß nicht nur das Bewegen in eine Richtung - wie dies beim Läufer 30 aus Fig. 4 der Fall ist - sondern vielmehr auch eine Bewegung in eine zweite Koordinatenrichtung und somit alle Arten von Bewegungen in einer zur jeweiligen Auflagefläche parallelen Ebene möglich sind. Demgemäß können mit einem solchen Läufer 50 nicht nur zueinander senkrechte gerade Bewegungen, sondern auch alle beliebigen Kurvenbewegungen durchge führt werden.Finally, FIG. 5 shows an adjusting device 50 which has two groups of bimorph elements 41 to 46 and 51 to 56 , the bimorph elements 41 to 46 each running parallel to one another, but their direction of extension perpendicular to the bimorph elements 51 which also run parallel to one another to 56 . Such an arrangement has the great advantage that not only the movement in one direction - as is the case with the rotor 30 from FIG. 4 - but also a movement in a second coordinate direction and thus all types of movements in a respective bearing surface parallel plane are possible. Accordingly, not only straight movements perpendicular to one another, but also any curve movements can be performed with such a rotor 50 .
Für alle erfindungsgemäßen Verstelleinrichtungen bzw. Läufer ist es sinnvoll, anstatt einer massiven Piezo keramikplatte einen Multilayer-Aufbau aus vielen dünnen Keramikschichten zu verwenden: Während bei der Platten form mit üblicherweise 1 mm Dicke bei einem Ausfüh rungsbeispiel 500 bis 1000 Volt benötigt werden, so verringert sich bei einem Aufbau aus einer Vielzahl entsprechend dünnerer Schichten die benötigte Spannung etwa um den Faktor 10. Beispielhaft sei für die ellip senförmigen Bahnkurven, die sich aus einer solchen Spannungsbeaufschlagung resultieren und vom freien Ende eines Bimorphelementes beschrieben werden, eine Hubdif ferenz von etwa 1,5 µm und eine seitliche Auslenkungs differenz - die für die Zustellbewegung benutzt wird - von 10 µm aufgeführt.For all adjustment devices or It makes sense for runners instead of a solid piezo ceramic plate a multilayer structure from many thin Ceramic layers to use: While with the plates shape with usually 1 mm thickness in one version Example 500 to 1000 volts are required, see above decreases with a construction from a multitude correspondingly thinner layers the required voltage about a factor of 10. Take ellip as an example sen-shaped trajectories that result from such Stress application result and from the free end a bimorph element are described, a Hubdif reference of about 1.5 µm and a lateral deflection difference - used for the delivery movement - of 10 µm.
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Owner name: PHYSIK INSTRUMENTE (PI) GMBH & CO. KG, 76228 K, DE |
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R071 | Expiry of right | ||
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