DE3304811A1

DE3304811A1 - Piezoelektrische antriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE3304811A1
Application number: DE19833304811
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Osaka Taniguchi
Original assignee: West Electric Co Ltd
Current assignee: West Electric Co Ltd
Priority date: 1982-02-12
Filing date: 1983-02-11
Publication date: 1983-09-08
Also published as: JPH0440951B2; US4454441A; DE3304811C2; JPS5917876A

Description

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige piezoelektrische Antriebsvorrichtungen weisen ein angetriebenes Teil auf, welches im Bezug auf ein festes Teil beweglich ist. Durch das gezielte Anlegen von Spannungen an Elektroden, welche an den piezoelektrischen Elementen angeordnet sind, kann eine Bewegung erreicht werden.

Eine derartige piezoelektrische Antriebsvorrichtung ist beispielsweise aus der JP-AS 51-12497 bekannt. Das Prinzip einer piezoelektrischen Antriebsvorrichtung der JP-AS 51-12497 ist in Fig. 1 dargestellt. Das heißt, die Vorrichtung weist ein festes Teil 4 und ein bewegliches Teil 23 auf, welches ein erstes Endstück 2 und ein zweites End stück 3 aufweist, die beide gleitbeweglich auf dem festen Teil 4 angeordnet sind. Zwischen dem ersten beweglichen Teil 2 und dem zweiten beweglichen Teil 3 ist ein rohrför miges piezoelektrisches Element 1 angeordnet, wobei die

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Endbereiche mit dem ersten Endstück 2 und dem zweiten Endstück 3 mittels Kupplungsteilen, wie beispielsweise Verbindungsschichten oder Hartplastik-Kupplungsstücken 12 bzw. zwischen diesen verbunden sind. Das rohrförmige piezoelektrische Element 1 weist Elektroden 11 und II¹ auf der Aussenseite bzw. auf der Innenseite auf, und eine Gleichspannungsquelle E, ist über einen Schalter S, mit den Elektroden verbunden.Mit dem ersten Endstück 2 und dem feste Teil 4 ist eine zweite Gleichspannungsquelle E„ über einen SchaljQ ter S verbunden. Ferner ist mit dem zweiten Endstück 3 und dem festen Teil 4 eine dritte Gleichspannungsquelle E_. über einen Schalter S_. verbunden.

Die beschriebene bekannte Vorrichtung funktioniert wie folgt: Zunächst wird der Schalter S_ geschlossen und dadurch das erste Endstück 2 mittels einer Gleichspannungs-Absorptionskraft an dem festen Teil 4 festgehalten. Dann wird durch Schließen des Schalters S, das piezoelektrische Element veranlaßt, sich in Längsrichtung auszustrecken und dadurch das zweite Endstück 3 nach rechts bewegt. Daraufhin wird der Schalter S-, geschlossen und dadurch das zweite Endstück 3 mittels elektrostatischer Anziehungskräfte an dem festen Teil 4 festgehalten. Dann wird der erste Schalter S- geöffnet und dadurch die Anziehung des ersten beweglichen Endstückes 2 aufgehoben. Dann wird der Schalter S, geöffnet und dadurch das piezoelektrische Element 1 auf seine normale Länge zurückgeführt. Daraufhin wird der Schalter S₂ geschlossen und der Schalter S₃ geöffnet. Somit wird das bewegliche Teil 23 um einen Schritt nach rechts in einer Bewegung wie ein "Meßwurm" bewegt. Durch Wiederholung die-; ses Ablaufes kann eine schrittweise Bewegung erreicht werden.

Die erwähnten Vorrichtungen verwenden jedoch Festhaltevorrichtungen, die mit elektrostatischer Kraft wirken, und daher ist die Verwendbarkeit der Vorrichtungen beschränkt. Beispielsweise erfordern die erwähnten elektrostatischen Festhaltevorrichtungen Spezialteile und beeinflussen auch

* β

ψ «

infolge der großen für die Absorption erforderlichen Gleich spannung die Umgebung. Ferner weist die oben erwähnte, bekannte Vorrichtung piezoelektrische Einheiten und zwei elektrostatische Festhaltevorrichtungen auf. Die elektrostatischen Festhaltevorrichtungen stehen in keiner Beziehung zur der piezoelektrischen Bewegung. Dementsprechend erfordert die oben beschriebene Funktion, welche wie eine Bewegung eines Meßwurmes abläuft, eine besonders gesteuerte Betätigung der Schalter S,, S_ und S- in einem gut festge- -^q legten zeitlichen Verhältnis zueinander, und daher muß eine besondere Sorgfalt aufgewendet werden. Dies stellt auch einen Grund dar, weshalb die Anwendbarkeit der bekannten Vorrichtung beschränkt ist.

-^g Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte piezoelektrische Antriebsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, welche einen einfachen Aufbau aufweist und leicht für eine breite Vielfalt von Anwendungsmöglichkeiten anwendbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Dadurch, daß die erfindungsgemäße piezoelektrische Antriebs vorrichtung lediglich unter Verwendung des Piezoeffektes arbeitet, ergibt sich zunächst die Möglichkeit, auf andere Festhalteverfahren, wie beispielsweise elektrostatische Anziehung oder dergleichen, zu verzichten.

Ferner ergibt sich der besondere Vorteil, daß erfindungsgemäß ein Antriebsteil mit einem piezoelektrischen Element mit einer Mehrzahl von Blöcken vorgesehen sein kann, welche individuell steuerbar sind, und daß ferner ein festes Teil gg vorgesehen sein kann, welches mechanisch mit dem Antriebsteil in Eingriff steht. Der besondere Vorteil ergibt sich daraus, daß die zusammengesetzten Blöcke des Antriebsteils sich relativ zu dem festen Teil einfach dadurch bewegen

können, daß Spannungen an die piezoelektrischen Elemente in einer vorgegebenen Folge angelegt werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung.

Es zeigen:

IQ Fig. 1 eine schematische Seitenansicht der bekannten piezoelektrischen Antriebsvorrichtung;

Fig. 2(a) eine Vorderansicht zur Darstellung der Arbeitsweise einer piezoelektrischen Scheibe in einem ■, ρ- Ausführungsbeispiel· der Erfindung;

Fig. 2(b) eine Seitenansicht einer piezoelektrischen Scheibe gemäß Fig. 2 (a) mit dem zugehörigen Schaltkreis;

Fig. 3(a) eine Seitenansicht eines beweglichen Teiles mit

einer Anzahl von piezoelektrischen Scheiben gemäß Fig. 2 (a) und Fig. 2 (b);

Fig. 3(b) eine Vorderansicht im Schnitt durch das bewegiiche Teil gemäß Fig. 3 (a);^!

Fig. 3(c) eine seitliche Schnittansicht eines festen Teils, welches mit dem beweglichen Teil zusammenwirken kann, welches in Fig. 3 (a) und Fig. 3 (b) dar

gestellt ist;

Fig. 3(d) eine Vorderansicht eines festen Teiles gemäß Fig. 3 (c);

Fig. 3(e) eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antriebsvorrichtung mit dem in Fig. 3(a) und Fig. 3 (b) dargestellten

beweglichen Teil und dem in Fig. 3 (c) und Fig.

3 (d) dargestellten festen Teil;

Fig. 4(a), Fig. 4 (b), Fig. 4 (c), Fig. 4 (d), Fig. 4 (e), Fig. 4(f) schematische Seitenansichten zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antriebsvorrichtung gemäß Fig. 3 (e);

Fig. 5(a), Fig. 5 (b), Fig. 5 (c), Fig. 5 (d), Fig. 5 (e), Fig. 5(f), Fig. 5 (g) und Fig. 5 (h)

schematische Seitenansichten zur Erläuterung einer anderen Wirkungsweise der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antriebsvorrichtung gemäß Fig. 3 (e);

Fig. 6 eine schematische Seitenansicht eines beweglichen

Teiles der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antriebsvorrichtung gemäß Fig. 3 (e) mit einer anderen elektrischen Beschaltung;

Fig. 7 eine seitliche Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antriebsvorrichtung, bei welcher das piezoelektrische Element ein durchgehendes rohrförmiges piezoelektrisches Element 5' aufweist, auf

welchem eine Mehrzahl von Paaren angeordnet sind, die aus einer Innenelektrode und einer Außenelektrode bestehen;

Fig. 8 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antriebsvorrichtung, bei welcher das piezoelektrische Element ein durchgehendes rohrförmiges piezoelektrisches Element 5¹ aufweist, auf welchem eine Mehrzahl von Paaren angeordnet sind, die aus ei- ■

ner Innenelektrode und einer Außenelektrode bestehen; und

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antriebsvorrichtung, bei welcher die piezoelektrischen Elemente als rechteckige Platten ausgebildet sind.

Bei einer piezoelektrischen Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1 kann das feste Teil ein Rohr sein, wenn das bewegliche Teil eine Mehrzahl von gestapelten Scheiben aus

■,Q piezoelektrischem Material hat oder - alternativ - kann das feste Teil ein Stab sein, wenn das bewegliche Teil eine Mehrzahl von gestapelten piezoelektrischen Scheiben aufweist, welche Ausnehmungen haben, in welche der Stab eingeführt ist. Ferner kann das bewegliche Teil ein Rohr

-,ρ- aus piezoelektrischem Material sein, wobei eine Mehrzahl von ringförmigen Elektrodenpaaren auf der Innenwand und auf der Außenwand vorgesehen sind. In einem derartigen Falle kann das feste Teil ein starres Rohr sein, welches das bewegliche Teil in Form des piezoelektrischen Rohres auf-

2Q nimmt, oder - alternativ - kann das feste Teil ein in die Ausnehmung des piezoelektrischen Rohres einzuführender Stab sein.

Das bewegliche Teil weist eine Mehrzahl von piezoelektri-2R sehen Scheiben auf, und ist in eine Mehrzahl von Blöcken unterteilt, von denen jeder einige piezoeletrische Scheiben aufweist. Die Scheiben sind mit den Elektroden abwechselnd geschichtet und mittels Klebstoff, beispielsweise mittels eines wärmehärtbaren Harzklebers, geklebt. Die benachbarten Blöcke aus der Mehrzahl von Blöcken des piezoelektrischen Elementes sind durch einen elektrisch inaktiven Bereich getrennt. Der inaktive oder abgeschaltete Bereich kann eine piezoelektrische Scheibe sein, an welche kein elektrisches Feld angelegt wird, oder ein gewöhnliches Isolierteil, wie beispielsweise eine Plastikscheibe. Um die Mehrzahl von piezoelektrischen Scheiben wirksam mit elektrischer Spannung zu versorgen, ist es besonders vorteilhaft, daß die zueinander benachbarten piezoelektrischen

Scheiben so ausgelegt sind, daß sie zueinander entgegengesetzte Polarisierungen aufweisen.

In Fig. 2 (a) ist eine Frontansicht einer piezoelektrischen Scheibe aus einem piezoelektrischen Block dargestellt, welche für das Zusammensetzen des beweglichen Teiles geeignet ist. Fig. 2 (b) ist eine Seitenansicht der Scheibe mit dem zugehörigen elektrischen Schaltkreis. Wie es in Fig. 2 (a) und Fig. 2 (b) dargestellt ist, nimmt die piezoelektrische Scheibe 5 in ihrer Dicke ab und in ihrem Durchmesser zu, wie es durch gestrichelte Linien in Fig. 2 (a) und Fig. 2 (b) dargestellt ist, wenn eine Spannung mit einer Polarität in der gleichen Richtung wie die Polarisierung oder Polarisation der piezoelektrischen Scheibe über die Elektroden der piezoelektrischen Scheibe 5 angelegt wird. Wenn die Polarität der Spannung umgedreht wird, zieht sich die piezoelektrische Scheibe in ihrer Radialrichtung-zusammen und dehnt sich in ihrer Dicke aus. Eine Beziehung zwischen der Polarität der Spannung und der Bewegung des Ausdehnens ^und Zusammenziehens hängt von der internen dielektrischen Polarisation der piezoelektrischen Scheibe 5 ab. Derartiges reziprokes piezoelektrisches Verhalten von piezoelektrischen Materialien ist bei keramischen Materialien mit Piezoeffekt bekannt.

Die vorliegende Erfindung verwendet die oben erwähnten Änderungen der Abmessungen in Richtung der Dicke und in Richtungen senkrecht zu der Dicke (d. h., in Radialrichtung) . Das bedeutet, daß durch Anwendung der Veränderungen der radialen Abmessungen der piezoelektrische Block an dem festen Teil festgehalten werden kann.

Fig. 3 (a) ist eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispieles der Erfindung, in welcher piezoelektrisehe Scheiben 5 Elektroden auf den beiden Hauptflächen der Scheiben aufweisen und in Richtung ihrer Dicke gestapelt sind, um das bewegliche Teil zu bilden. Fig. 3 (b) stellt die Frontansicht dar. Fig. 3 (c) ist eine Seitenansicht im

^/fa.·

Schnitt durch ein festes Teil, in welches das bewegliche Teil gemäß Fig. 3 (a) und Fig. 3 (b) einzuführen ist, und Fig. 3 (d) ist eine Vorderansicht des festen Teiles. Fig. 3 (e) ist eine perspektivsche Ansicht des vorliegenden Ausführungsbeispieles in fertig aufgebautem Zustand.

Wie es in Fig. 3 (a) dargestellt ist, bilden die gestapelten piezoelektrischen Scheiben 5 ein bewegliches Teil mit einer Mehrzahl von Blöcken, die je eine vorgegebene Anzahl ig von piezoelektrischen Scheiben aufweisen und je Elektroden aufweisen. Alternativ sind die piezoelektrischen Scheiben abwechselnd mit Elektrodenscheiben geschichtet bzw. gestapelt. Einige Elektroden sind miteinander verbunden, um einen Block zu bilden und mit je einem Paar von Anschluß-

iPL drahten 6,, 6_... 6, ,. oder 6 verbunden. Jeder Block 12 (n-1) η

von Scheiben weist eine Isolierschicht 8 auf seiner Umfangsaußenflache auf. Ein Anlagering I₁ der bevorzugt einen Elastizitätsmodul aufweist, der dem der piezoelektrischen Scheiben ähnlich ist, und beispielsweise aus Aluminium besteht, ist auf der Isolierschicht mit Ausnahme des Bereiches der Anschlußdrähte ausgebildet.

Das feste Teil 9 in dieser Ausführungsform ist ein starres Rohr, beispielsweise aus Messing, mit einem Durchgangsloch 91, welches einen Innendurchmesser aufweist, der um weniges größer als der Durchmesser des Anlageringes 7 der piezoelektrischen Scheibe in dem Zustand der radial geschrumpften Größe ist, so daß dann, wenn die piezoelektrischen Scheiben ihren Durchmesser vergrößern, der Anlagerung 7 mit der Innenfläche des Durchgangslochs 91 in Anlage gelangt. Ein Teil des innen befindlichen Loches des festen Teiles weist eine Nut 9a auf, durch welche die Anschlußdrähte von den piezoelektrischen Scheiben geleitet werden. Zwischen den Blöcken der piezoelektrischen Scheiben sind elektrische Isolatoren 5a angeordnet, um die selektive und individuelle Funktion der einzelnen Blöcke zu erlauben. Der Anlagering 7 ist an dem Umfangsbereich der piezoelektrischen Scheiben aufgeklebt und kann in passende Teile entlang des Umfanges

unterteilt werden oder kann mit mehreren Schnitten in Richtung parallel zu der Achse der Scheibe versehen sein, damit die Änderung der ebenen Größe bzw. Radialgröße der piezoelektrischen Scheibe frei gewählt werden kann. 5

Die Funktionsweise der in den Fig. 3 (a) bis 3 (e) dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden anhand von Fig. 4 (a) bis 4 (f) beschrieben, welche letzteren Figuren schematische Schnittansichten der piezoelektrischen Antriebsvorrichtung gemäß Fgi. 3 (a) bis Fig. 3 (e) sind und wobei das bewegliche Teil η Blöcke 10,, lO^... 10, . und 10 aufweist. Zur Förderung der Verständlichkeit und Einfachheit der Darstellung ist die Verschiebung der Blöcke in axialer Richtung (in den Figuren

χ5 horizontal) übertrieben dargestellt.

Jede piezoelektrische Scheibe erhöht ihren Druchmesser, wenn eine Spannung der gleichen Polarität wie die Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Materiales angelegt wird, und vermindert ihren Durchmesser, wenn die Polarität der Spannung umgekehrt ist. Wenn daher die erstere Spannung an einen piezoelektrischen Scheibenblock angelegt wird, gelangt der Anlagering 7 des Blockes mit dem Durchgangsloch 91 des festen Teiles 9 infolge der Vergrößerung des Durchmessers in Anlage und fixiert den Block an dem festen Teil 9. Wenn andererseits eine Spannung umgekehrt zu der Richtung der Polarisation der piezoelektrischen Scheibe ■ auf einen piezoelektrischen Scheibenblock einwirkt, wird die Anlage infolge des Schrumpfens oder der Verminderung des Durchmessers des Blockes aufgehoben.

Vorausgesetzt, daß alle Blöcke der piezoelektrischen Scheiben mit einer Spannung mit der gleichen Polarität wie die Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Elementes beaufschlagt werden, sind dann nun alle Blöcke an dem festen Teil 9 festgehalten, wie es in Fig. 4 (a) dargestellt ist. Dann wird ausgehend von diesem Zustand an den linkesten Block 10, eine Spannung mit umgekehrter Polarität angelegt,

wobei der linkeste Block seinen Durchmesser vermindert und die Anlageverbindung freigibt, wie es in Fig. 4 (b) dargestellt ist. In diesem Zustand hat der linkeste Block seine Stärke oder Dicke um &t erhöht, was eine sehr geringe Strecke einer Einheitsverschiebung bzw. Verschiebungseinheit ist. Dementsprechend kann dadurch, daß die Spannung mit einer Polarität zur Erhöhung der Stärke nacheinander angelegt wird, eine beträchtliche Verschiebung an dem linken Endbereich erreicht werden. Durch Fixierung des festen Teiles 9 und Verbindung des linken Blockes 10, mit einer Objekt- bzw. Gegenstandsvorrichtung, beispielsweise mit einer Geringverschiebevorrichtung (minute displacing means), wie beispielsweise einem Probenhalter eines Elektronenmikroskopes oder umgekehrt, kann so beispielsweise eine sehr geringe Verschiebung verwirklicht werden.

Wenn eine größere Verschiebung erforderlich ist, kann die folgende Wirkungsweise in der Art eines "Meßwurmes" verwendet werden. Diese Art des Antriebs bzw. der Bewegung wird dadurch durchgeführt, daß der Funktionsablauf, wie er in den Fig. 4 (a) bis 4 (f) dargestellt ist, wiederholt wird. Das bedeutet, daß zunächst ausgehend von dem festen Zustand gemäß Fig. 4 (a) alle Blocks außer dem rechtesten Block 10 mit einer Spannung mit umgekehrter Polarität zu der Polarisationsrichtung beaufschlagt werden, daß dann die Blöcke außer dem rechtesten ihre Stärke hierdurch beträchtlich erhöhen, und daß dann der in Fig. 4 (c) am weitesten links dargestellte Endblock verschoben wird. Dann wird die Spannung des linksseitigen Endblockes auf die gleiche PoIarität wie die Polarisationsrichtung geschaltet, und dadurch dieser Block an dem festen Teil 9 fixiert. Wie es in Fig. 4 (d) dargestellt ist, wird daraufhin der rechteste Block 10 mit einer entgegengesetzten Spannung beaufschlagt, um ihn von dem festen Teil 9 zu trennen, wie es in Fig. 4

(e) dargestellt ist. Daraufhin werden durch Beaufschlagung aller Blöcke mit der gleichen Polarität wie die Polarisationsrichtung alle Blöcke an dem festen Teil 9 in einer gegenüber der Auslage verschobenen Stellung fixiert, wie

es in Fig. 4 (f.) dargestellt ist.

Durch Wiederholen des oben erwähnten Funktionsablaufes kann das bewegliche Teil 23 Schritt für Schritt um eine gewünschte Strecke bewegt werden, und eine Gesamtstrecke D für die Verschiebung kann angegeben werden als

D = ΔΤ · (n-2),

IQ wobei η die Anzahl der piezoelektrischen Scheibenblöcke ist. Daher kann durch M-maliges Wiederholen des oben beschriebenen Prozesses eine Gesamtentfernung von M · ΔΤ * (n-2) erreicht werden.

]_5 Ferner kann eine Feinjustage dadurch verwirklicht werden, daß umgekehrte Spannungen an die Blöcke von 10, bis 10. angelegt werden. Dadurch wird eine geringe Verschiebung von k * ΔΤ erreicht werden.

In Fig. 5 (a) bis Fig. 5 (h) ist eine andere Art von Geringverschiebung dargestellt. Das bedeutet, daß ausgehend zunächst von dem festen Zustand gemäß Fig. 5 (a) alle Blöcke außer den zwei linkesten Scheiben 10- und 10_? mit einer Spannung mit gegenüber der Polarisationsrichtung umgekehrter Polarität beaufschlagt werden, daß dann die spannungsbeaufschlagten Blöcke in ihrem Durchmesser beträchtlich zunehmen und den rechtesten Teil verschieben, wie es in Fig. 5 (d) dargestellt ist. Daraufhin wird der linkeste Block 10, von der Fixierung freigegeben, wie es bei Fig. 5 (c) dargestellt ist und der dritte und vierte Block von links wird festgehalten. Daraufhin wird der vierte Block von links festgehalten und der zweite Block von links aus der Fixierung freigegeben, wie es in Fig. 5 (d) dargestellt ist. Somit bewegen sich die fixierten Blöcke Schritt für Schritt nach rechts, während der jeweils vorher fixierte Block noch fixiert gehalten wird. Auf diese Weise der Verschiebung verschiebt sich langsam der linksseitige Endbereich und der rechtsseitige Endbereich des beweglichen Teiles

Schritt für Schritt um eine Verschiebung von &T um einen Schritt für den Funktionsablauf zwischen Fig. 5 (b) bis Fig. 5 (f). Danach wird durch Fixierung des linkesten Blockes, wie es in Fig..5 (g) dargestellt ist und daraufhin durch Freigabe des rechtesten Blockes, gefolgt von der Abnahme der Stärken aller Blöcke 10, bis 10 gemäß Fig. 5 (h) der ganze Prozess dieser Art der Verschiebung abgeschlossen. Das heißt, die Verschiebungsweise gemäß Fig. 5 (a) bis Fig. 5 (h) ist eine Bewegung in der Art eines 2Q Erdwurmes oder Regenwurmes.

Wie es beschrieben wurde, kann mit dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung der Gegenstand auf drei verschiedene Arten von Verschiebungsweisen bewegt werden, und dementsprechend ist die Erfindung sehr nützlich in der Anwendung für ein breites Feld von Anwendungsmöglichkeiten, wei beispielsweise die Beobachtung mit einem Mikroskop, die Erfassung von Photoätz-Masken bei der Halbleiterherstellung oder die Brennweiteneinstellung einer Linse J-ⁿ einer Kamera oder dergleichen.

In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, in welcher piezoelektrische Scheibenblöcke in drei Blöcken zusammengefaßt sind, d. h., einige Scheibenblöcke im linken Endbereich, weitere Scheibenblöcke im rechten Endbereich und eine Vielzahl von Scheibenblöcken in dem Mittenbereich 59. In diesem sehr dicken Mittelteil-Block 59 ist keine Anlagevorrichtung vorgesehen. Die Vorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel dient nur zur Verschiebung in der Art eines "Meßwurmes", nicht jedoch in der Art eines "Regenwurmes" .

In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, in welchem das bewegliche Teil ein piezoelektrisches Element mit einer durchgehenden rohrförmigen piezoelektrischen Substanz 5¹ aufweist, auf welcher eine Mehrzahl von ringföimicjen Außenelektroden 51 und ringförmigen Innenelektroden 52 in Form von parallelen Reihen von Elektroden

vorgesehen sind. Durch Anlegen einer Spannung über die Innenelektrode 52 und die dieser gegenüberliegenden Außenelektrode 51 streckt sich die piezoelektrische Substanz an diesem Bereich in ihrer axialen Länge, und vermindert ihren Rohrdurchmesser, wenn die Polarität der Spannung der Polari sationsrichtung über die Elektroden gleicht. Wenn die Polarität der Spannung umgedreht wird, wird eine Bewegung in die entgegengesetzte Richtung vollzogen.

Auch wenn das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 ein Rohr 5' verwendet, das durchgehend aus piezoelektrischem Material besteht, können weitere Abänderungen dergestalt ausgeführt werden, daß das piezoelektrische Rohr 5' aus kurzen Rohrsegmenten besteht, von denen jedes die gleiche Länge in Axialrichtung wie die axialen Abstände der ringförmigen Elektroden 51 und 52 aufweist. Die kurzen Rohrsegmente sind miteinander verbunden bzw. geklebt, um ein gleichförmi ges Rohr 5 zu bilden. Das bewegliche Teil gemäß Fig. 7 ist in das feste Teil eingeführt, wie beispielsweise in Fig. 3

(c) und Fig. 3 Cd).

Die Funktionsweise des Beispieles gemäß Fig. 7 entspricht im wesentlichen der des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 3 (e). Das bedeutet, das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 kann in einem beliebigen der oben beschriebenen drei Funktionsarten betätigt werden. Ferner weist das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 ein piezoelektrisches Element in Form eines Rohres auf. Daher wird die Ausbildung der Elektroden im Vergleich mit den vorhergehenden Ausführungsbeispielen sehr einfach. Größenänderungen in radialer Richtung und in axialer Richtung können bei dem piezoelektrischen Element in weiten Bereichen frei festgelegt weden.

Das bedeutet, bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 (a) bis Fig. 3 (e) muß die Dicke jeder piezoelektrischen Scheibe, die senkrecht zu der Radialrichtung angeordnet ist, genau gesteuert werden, um die Einheitsverschiebung ^T auf einen gewünschten Wert festzulegen.

Über diese Dicke bzw. Stärke wird die Spannung angelegt. Wenn die Dicke bzw. Stärke der piezoelektrischen Scheibe erhöht wird, wird die für die gewünschte Änderung der Dicke erforderliche Spannung größer. Somit wird der elek-

P₃ trische Schaltkreis zur Steuerung der anliegenden Spannung kompliziert.

Dementsprechend ist bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel die Steuerung der Dicke aller piezoelektrischen Schei-

,Q ben bei der Herstellung schwierig. Die piezoelektrischen Scheiben werden dünn hergestellt und müssen dann mit Elektroden zwischen ihnen gestapelt werden. Um ein derartiges bewegliches Teil herzustellen, wird unbesehen ein derartig zeitaufwendiges Stapeln für notwendig gehalten, und eine

,p- solche Montage scheint ein Hindernis für das Erreichen einer einheitlichen Charakteristik zu sein, wenn die tatsächliche Verwendung betrachtet wird. Demgegenüber ist bei dem Beispiel gemäß Fig. 7 das Ausbilden der Elektroden einfach und die axiale Länge jedes Blockes der piezoelektri-

OQ sehen Elemente kann mit einem beträchtlichen Freiraum ausgelegt werden. Wenn dementsprechend die tatsächliche Anwendung betrachtet wird, kann eine piezoelektrische Vorrichtung mit verschiedenartiger Auslegung leicht mit einem einfachen Aufbau und einer guten Qualitätssteuerung erreicht

or- werden.

Ein weiterhin abgeändertes Ausführungsbeispiel im Rahmen der Erfindung kann hinsichtlich der Ausbildung des beweglichen Teiles mit dem rohrförmigen piezoleketrischen EIe-

OQ ment abgeändert werden. In Fig. 8 ist ein derartig abgeändertes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem ein rohrfÖrmiges piezoelektrisches Element mit einem festen Teil 9' kombiniert ist, welches in dem hohlen Innenbereich des rohrförmigen piezoelektrischen Elementes angeordnet

,,, ist. Dor Anlagerung 7 und die Isolierschicht 8 sind auf der Innenoberfläche angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise eine Linse einer photographischen Kamera oder einer Mikroskop-Kamera in die Innenausnehmung

entweder des rohrfömigen festen Teiles 9' oder in der Innenausnehmung des beweglichen Teiles befestigt werden, welches das rohrförmige piezoelektrische Element 5 aufweist. Mit einer derartigen Ausbildung, kann eine hochauflösende und exakte Einstellung von Linsen mit einem einfachen Aufbau realisiert werden.

In Fig. 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei das bewegliche Teil theoretisch itiit den in Fig. 6 dargestellten identisch ist. Entsprechend sind entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen bezeichnet. Wie es in.-der perspektivischen Ansicht gemäß Fig. 9 dargestellt ist, weisen die piezoelektrischen Blöcke 23 rechteckige plattenförmige oder quaderförmige Elemente anstelle von runden, scheibenförmigen Elementen, wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, auf. Die anderen Teile entsprechen denjenigen der vorhergehenden Ausführungsbeispiele und sind mit den gleichen Bezugszeichen wie das vorhergehende Ausführungsbeispiel bezeichnet. Natürlich weist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 das mit dem beweglichen Teil zu verbindende feste Teil 9 ein Durchgangsloch mit rechteckiger Form mit parallelen Seiten auf, um das bewegliche Teil aufzunehmen, da die äußere Form des piezoelektrischen Elementes rechteckig ist. Die Anlageteile, die alle mit dem Bezugszeichen 7 versehen sind, sind lediglich an den oberen und unteren Endbereichen des beweglichen Teiles 23 angeordnet. Das heißt, in diesem Ausführungsbeispiel wirkt die für die kraftschlüssige Anlage aufzubringende Kraft lediglich in senkrechter Richtung. Jedoch weist dieses Ausführungsbeispiel eine gute Anwendbarkeit in dem Falle auf, daß die Vorrichtung nacht mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet werden kann.

Wie anhand der vorhergehenden Ausführungsbeispiele ausgeführt ist, weist die erfindungsgemäße piezoelektrische Antriebsvorrichtung einen einfachen Aufbau auf, da ihr Bewegungsmechanismus lediglich den zweiten piezoelektrischen

Effekt bzw. den reziproken Piezoeffekt oder die Eletrostriktion verwendet, und keine andere Bewegung oder Kraft, wie beispielsweise elektrostatische Absorption, verwendet wird. Dementsprechend ist die Vorrichtung einfach und zuverlässig. Ferner besteht keine Besorgnis von Schwierigkeiten, die infolge hoher Gleichspannung bewirkt werden, welche bei elektrostatischen Absorptions-Mechanismen oder dergleichen verwendet werden müssen. Ferner wird eine Mehrzahl von piezoelektrischen Einheiten verwendet, verschiedene Wege der Bewegung bzw. des Antriebs d. h., schnelle Bewegung, langsame aber sehr fein auflösende Bewegung und kurze zusätzliche Feineinstellung sind erreichbar. Dementsprechend weist die Vorrichtung einen weiten Anwendungsbereich für optische Vorrichtungen und auf anderen Bereichen auf.

Obwohl das mit dem beweglichen Teil zusammenwirkende bzw. zu kombinierende Teil hier als "festes Teil" bezeichnet wird, ist es natürlich selbstverständlich für den Fachmann des betreffenden Fachgebietes, daß die Bewegung des beweglichen Teils und des festen teils relativ zueinander stattfindet, und daß dementsprechend irgendein beliebiges Teil an einem Rahmen oder einem chassis oder einem Gehäuse des betreffenden Gerätes in der tatsächlichen Anwendung befestigt werden kann, so daß das andere Teil als Antriebsvorrichtung zur Bewegung eines Gegenstandes in dem Gerät verwendet werden kann.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1/ Piezoelektrische Antriebsvorrichtung, mit einem festen Teil und einem beweglichen Teil, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Mehrzahl von piezoelektrischen Blöcken (10) aus piezoelektrischem Material vorgesehen ist, welche je Elektroden (11, II¹) für das Anlegen von Spannung in funktionalem Zusammenwirken mit der Richtung der elektrischen Polarisation in dem Block (10) für das Erzeugen eines reziproken Piezoeffektes oder von Elektrostriktion beim Anlegen der Spannung aufweisen,

daß mindestens zwei AnIage-Vorrichtungen (7)je an mindestens zwei der Mehrzahl von piezoelektrischen Blöcken (10) zur Herstellung eines Eingriffs oder einer insbesondere kraftschlüssigen Anlage der Einheit an dem festen Teil (4) befestigt sind, und

daß eine Vorrichtung (6; 6, bis 6 ) für das Anlegen von Spannung an die Elektroden (11) mit einer vorgegebenen Folge zur Erzeugung des reziproken Piezoeffektes in einer Weise vorgesehen ist, bei welcher die piezoelektrischen Blöcke (10) individuell ihre Abmessungen in einer Richtung zur Herstellung bzw. zur Freigabe des Eingriffs vergrößern bzw. vermindern und ihre Abmessungen in einer anderen

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Richtung für den Antrieb oder die Bewegung eines Teiles vermindern bzw. vergrößern, welches dabei nicht mit dem festen Teil (4) in Eingriff steht.
2. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von piezoelektrischen Blöcken (10) durch einen inaktiven oder abgeschalteten Bereich voneinander isoliert sind, welcher ein Teil der piezoelektrischen Substanz ist, -,Q die an diesem Bereich aufgrund ihrer Anordnung nicht mit einer Spannung beaufschlagt ist und so elektrisch abgeschaltet ist.
3. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach einem der -,c Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von piezoelektrischen Blöcken (10) mittels eines Isolators (8) isoliert sind, welcher die Ausdehnungs- bzw. Verschiebungseigenschaften der piezoelektrischen Substanz nicht beeinträchtigt.
4. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach einem der

vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlagevorrichtung (7) aus einer Substanz besteht, die einen Elastizitätsmodul hat, welcher im ok wesentlichen analog bzw. gleich demjenigen des piezoelektrischen Elementes (1) ist und eine derartige Stärke aufweist, daß der reziproke Piezoeffekt nicht durch die Anlagevorrichtung (7·) beeinträchtigt wird.

3Q
5. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlagevorrichtung (7) einzeln auf allen piezoelektrischen Blöcken (10) vorgesehen ist und daß alle piezoelektrischen Blöcke (10) Elektroden (11) für

g^ das Anlegen von Spannung an die piezoelektrischen Blöcke (10) aufweisen.
6. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach einem der

vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlagevorrichtungen (7)nur auf den piezoelektrischen Blöcken an beiden Enden vorgesehen sind und daß jeder der piezoelektrischen Blöcke (10) an beiden Enden Elektroden für das Anlegen von Spannungen an die Blöcke an beiden Enden aufweist und daß die anderen Blöcke zwischen diesen Endblöcken Elektroden (11) aufweisen, die so verbunden sind, daß sie eine gemeinsame Spannung zur gleichen Zeit empfangen.
7. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Blöcke (10) eine Mehrzahl von gestapelten piezoelektrischen Scheiben aufweisen,

bei welchen miteinander benachbarte Scheiben je zueinander entgegengesetzte .Polarisationsrichtungen aufweisen.

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8. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der inaktive Bereich durch eletrische Isolierung der piezoelektrischen Substanz abgeschaltet ist.
9. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach einem der 25

Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Substanz rohrförmig ausgebildet ist und in Radialrichtung polarisiert ist.

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10. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden als Paar von ringförmigen Innenelektroden (52) und ringförmigen Außenelektroden (51) ausgebildet sind, die einander zugewandt sind und zwischen denen sich die rohrförmige piezoelektrische Substanz befindet.
11. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die

piezoelektrischen Blöcke (10) im Querschnitt rechteckige Platten aus piezoelektrischem Material aufweisen und daß die Anlagevorrichtungen (7) auf einander gegenüberliegenden Außenflächen des rechtwinklig geformten beweglichen Teiles (23) mindestens an dessen beiden Endbereichen ausgebildet sind.