DE4023311C2 - - Google Patents

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Thomas Dipl.-Phys. Dr. 6200 Wiesbaden De Berghaus
Peter 6000 Frankfurt De Klaede
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OMICRON VAKUUMPHYSIK 6204 TAUNUSSTEIN DE
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Description

Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung für Mikrobewegungen mit einem Trägerelement, mit mindestens einem an dem Trägerelement befestigten Antriebselement, das einen den Schereffekt nutzenden Piezowandler aufweist, und mit einem Anlageelement, das am Antriebselement anliegt.
Eine Verstellvorrichtung für Linear- oder Winkelverschiebungen von Tragplatten relativ zu Basisplatten ist beispielsweise aus der DE-PS 20 29 715 bekannt. Derartige Verstelleinrichtungen besitzen für die Ausführung von Linear- und Drehbewegungen Spindeln, Mikrometer und Schrauben. Zur Führung der Tragplatten auf den Basisplatten sind die Tragplatten mit Nuten versehen, in denen beispielsweise Kugeln laufen.
Diese bekannte Verstelleinrichtung ist jedoch für mechanisch hochpräzise Bewegungsabläufe in der Mikrotechnik nicht einsetzbar, weil die für diese Anwendungszwecke gewünschte Feineinstellung mit den genannten mechanischen Verschiebeeinrichtungen nicht erzielbar ist.
Aus der DE-PS 76 13 73 ist eine mechanische Verstelleinrichtung in Form eines Tisches für Elektromikroskope bekannt, mit der jedoch keine Feineinstellung im Sub-Nanometer-Bereich möglich ist. Die Verstellung des Tisches, der auf einer Gleitfläche aufliegen muß, erfolgt mittels Verstellschrauben, die den Tisch gegen Druckkörper bewegen. Der Verstellweg ist durch den Federhub der Gegendruckkörper begrenzt, wobei die Zunahme der Gegenkraft bei zunehmender Kompression der Federn zu einer nicht linearen Verstellcharakteristik führt. Auch eine reproduzierbare Bewegung ist im Sub-Nanometer-Bereich nicht möglich, da eine lateral spielfreie Lagerung nur äußerst schwierig zu verwirklichen ist.
Insbesondere bei der Rastertunnelmikroskopie, mit der Oberflächenstrukturen mit einer Auflösung im Subnanometer-Bereich untersucht werden können, sind Verstelleinrichtungen erforderlich, die eine Verschiebung oder eine Drehbewegung dementsprechend im Subnanometer-Bereich ermöglichen.
Um diesen Erfordernissen gerecht zu werden, wurden Mikromanipulatoren entwickelt, wie sie aus der DE-PS 36 10 540 bekannt sind. Ein solcher Mikromanipulator ist zur Mikrobewegung von Objekten in X-, Y- und Z-Richtung befähigt, bei der das Objekt auf drei hohlzylinderartigen Piezobewegungselementen aufliegt. Diese piezoelektrischen Röhrchen besitzen auf einer Zylinderwand einen geschlossenen elektrisch leitfähigen Belag und auf der anderen Zylinderwand mehrere elektrische isolierte leitfähige Teilbeläge. Durch Anlegen von Spannungen zwischen den elektrisch leitfähigen Belägen können die piezoelektrischen Röhrchen in beliebige Richtungen verbogen werden. Durch schnelles Verbiegen und Aufrichten der Röhrchen wird das auf diesen piezoelektrischen Röhrchen aufliegende Objekt schrittweise verschoben. Dieser Mikromanipulator besitzt jedoch eine Reihe von Nachteilen. Die Bewegung des Objektes ist nicht reproduzierbar und insbesondere nicht eindimensional geführt. Dies bedeutet, daß beim Zurückbewegen des Objektes nicht wieder der Ausgangspunkt erreicht wird, was aber gerade bei Oberflächenuntersuchungen in der hochauflösenden Mikroskopie, bei der die gleichen Oberflächenstellen mehrfach reproduzierbar angefahren werden müssen, ein zwingendes Erfordernis ist.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Mikromanipulator lediglich zur horizontalen Bewegung des Objektes befähigt ist. Eine Bewegung des Objektes in einer vertikalen Ebene ist nicht vorgesehen und auch nicht möglich, da das Objekt in diesem Fall keinen sicheren Halt auf den piezoelektrischen Röhrchen hätte. Zwar wird die Möglichkeit erwähnt, das Objekt mittels einer Feder auf die Piezoröhrchen zu drücken, jedoch wird dadurch nur die Stabilität der gesamten Anordnung erhöht. Ein Einsatz in einer anderen als in der horizontalen Ebene wird dadurch nicht ermöglicht. Dem steht auch die geringe Belastbarkeit und insbesondere die geringe laterale Stabilität der piezoelektrischen Röhrchen entgegen, die insbesondere dann zum Zerbrechen neigen, wenn sie durch die angelegte Spannung verbogen sind und gleichzeitig belastet werden.
In K. Besocke "Ein neues Konzept für die Raster-Tunnel-Mikroskopie" in Sonderdruck aus Jahresbericht 1987/88 der Kernforschungsanlage Jülich GmbH, Seite 23 bis 31, ist eine Mikroverstellvorrichtung beschrieben, bei der neben der Anwendung der piezoelektrischen Röhrchen, wie sie aus der DE-PS 36 10 540 bekannt sind, zusätzlich ein Probenhalter zur Anwendung kommt, der einen Laufring aufweist. Die Auflageflächen der piezoelektrischen Röhrchen sind geschraubte schiefe Ebenen, so daß beim Betätigen der piezoelektrischen Röhrchen der Laufring gedreht und gleichzeitig eine Bewegung parallel zu den piezoelektrischen Röhrchen ausführt. Auch diese Anordnung ermöglicht keine reproduzierbaren Bewegungen.
Aus der EP 00 27 517 ist eine Verstellvorrichtung bekannt, bei der ein H-förmiges Piezostück sich in Art eines Wurmes in einem trogartigen Führungsstück fortbewegt. Der Aufbau und die Steuerung mit vierphasigen Treibströmen ist aufwendig und kostspielig und ebenfalls mit dem Nachteil behaftet, daß das sich bewegende Piezostück in Bewegungsrichtung nur gering belastbar ist. Bei dieser Ausgestaltung kann das Piezostück wenig mehr als sein Eigengewicht in vertikaler Richtung tragen, da es anderenfalls zu einem unkontrollierten Verrutschen des Piezostücks in der Führungseinrichtung kommt.
Darüber hinaus ist abolute Maßpräzision des Führungsstücks und des Piezostücks im Mikrometerbereich oder genauer erforderlich. Daraus ergibt sich ein hoher Fertigungsaufwand.
Aus der Firmenschrift "Micro Positioning Systems" der Firma BURLEIGH INSTRUMENTS ist der sogenannte Inchworm bekannt. In einer konzentrischen Anordnung ist als bewegliches Element ein Zylinder innerhalb von drei rohrartigen Piezoelementen angeordnet, von denen zwei durch Durchmesserveränderungen das bewegliche Element klemmen und das dritte durch Längenänderung den Zylinder bewegt. Ein wesentlicher Nachteil dieser Konstruktion ist die mangelnde Verdrehsicherung sowie die erforderliche Fertigungspräzision, da auch hier eine leichtgängige Passung im Submikrometerbereich erforderlich ist, die einen entsprechenden Fertigungsaufwand erfordert.
Aus Kiyohiko Uozumi "Novel three dimensional positioner and scanner for the STM using shear deformation of piezo ceramic plates" in Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 27 No. 1, Jan. 1988, Seite L 123 bis L 126 ist eine Verstellvorrichtung der eingangs genannten Art, nämlich ein sogenannter XY-Walker bekannt. An dem zu bewegenden Objekt sind an der Unterseite mehrere Piezowandler befestigt, wovon mindestens zwei Piezowandler ein Anheben des Objektes ermöglichen und mindestens zwei weitere Piezowandler eine Scherbewegung ausführen, um das Objekt seitlich zu verschieben. Die Piezowandler müssen derart angesteuert werden, daß immer dann, wenn das Objekt angehoben ist, die Scherbewegung der übrigen Piezowandler ausgeführt wird. Diese Scherbewegung muß so lange beibehalten werden, bis das Objekt wieder abgesenkt worden ist und somit auf den gescherten Piezowandlern aufliegt. Danach werden die gescherten Piezowandler in die entgegengesetzte Richtung geschert und das gesamte Objekt wiederum angehoben. Auch diese Verstelleinrichtung bietet keine reproduzierbaren, geführten Bewegungen und ist ebenfalls nur für Horizontalbewegungen einsetzbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Verstellvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfachem Aufbau mit wenigen Bauteilen unabhängig von ihrer Lage reproduzierbare Mikrobewegungen hoher Präzision gewährleistet, wobei insbesondere auch Bewegungen in vertikaler Richtung unter Belastung möglich sein sollen.
Diese Aufgabe wird mit einer Verstellvorrichtung gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Eine besondere Ausführungsform für Drehbewegungen ist Gegenstand von Anspruch 2. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei Verstellvorrichtungen im Mikrobereich das Antriebselement und die Führungseinrichtung nicht zwei getrennte Vorrichtungen darstellen müssen, um eine geführte Bewegung im Mikrobereich ausführen zu können.
Ein einfacher Aufbau der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung für Mikrobewegungen wird dadurch erreicht, daß die, einen zum Scheren befähigten Piezowandler aufweisenden Antriebselemente nicht nur die Bewegung des Anlageelementes bewirken, sondern zusätzlich das Anlageelement auch in Bewegungsrichtung führen, wobei ausschließlich das Antriebselement und das Anlageelement in Gestalt und Anordnung zur gegenseitigen Lagerung und zur Ausführung der geführten Mikrobewegung ausgebildet sind.
Hierbei ist das Anlageelement durch seine Formgebung an Gestalt und/oder Anordnung des Antriebselementes zur Sicherung gegen Verdrehen um die Bewegungsrichtung bei Ausbildung als Linear-Verstellvorrichtung bzw. gegen Verschieben bei Ausbildung als Dreh-Verstellvorrichtung angepaßt.
Für eine Verstellvorrichtung, die Linearbewegungen ausführt, ist es besonders vorteilhaft, wenn das bewegliche Element ein teilzylindrischer mehrkantiger Stab ist, der mit seiner Zylinderfläche bzw. mindestens zwei seiner Seitenflächen auf mindestens einem Antriebselement aufliegt. Das bewegliche Element kann auf drei Piezowandlern oder auf einem mit drei Auflageflächen versehenen Piezowandler aufliegen, wobei die drei Auflagepunkte vorzugsweise in Art eines Dreibeines angeordnet sind.
Es können je nach Einsatzzweck auch vier oder mehr Antriebselemente zum Einsatz kommen.
Die Verwendung eines den Schereffekt nutzenden Piezowandlers bietet den einzigartigen Vorteil, daß die Dicke des Piezowandlers senkrecht zur Verstellrichtung während der Auslenkung konstant bleibt, sowie daß die Auslenkung bei gleich angelegter Spannung unabhängig von der Dicke des Wandlers ist. Damit sind Fertigungstoleranzen unerheblich, insbesondere ist eine beliebige Formgebung mit wechselndem Dickenverlauf möglich.
Durch den Einsatz von zum Scheren befähigten Piezowandlern können, wie aus der oben genannten Zeitschrift "Japanese Journal of Applied Physics bekannt ist, quaderförmige Piezoelemente eingesetzt werden, die weitaus belastbarer sind, als beispielsweise die aus dem Stand der Technik gleichfalls bekannten piezoelektrischen Röhrchen.
Ein wesentlicher Vorteil ist die kompakte Bauhöhe der Scherpiezoelemente von weniger als 1 mm, während die Röhrchen gemäß Besocke typischerweise eine Länge von 10 mm aufweisen. Daraus ergibt sich eine wesentlich verbesserte Stabilität in lateraler Richtung, sowohl in bezug auf Kraftwirkung als auch in bezug auf Vibrationsempfindlichkeit.
Die Einsparung einer besonderen Führungseinrichtung verringert auch die Reibungsverluste, so daß die von den Piezowandlern aufgebrachte Kraft vollständig für die Bewegung des beweglichen Elementes eingesetzt werden kann. Dadurch wird auch dann noch eine Bewegung des beweglichen Elementes ermöglicht, wenn dieses in vertikaler Richtung bewegt werden soll und eine Last trägt.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß das Anlageelement aus einer Verschiebeplatte mit einer Führungsnut besteht, die bevorzugt von zwei parallelen zylindrischen Stäben gebildet wird. Dieses Anlageelement kann ebenfalls auf mindestens drei Antriebselementen bzw. einem Antriebselement mit drei Auflagepunkten aufliegen, wobei das Anlageelement in der durch die beiden zylindrischen Stäbe gebildeten Führungsnut auf zwei Antriebselementen und mit der Platte auf dem dritten Antriebselement aufliegt. Die beiden an den zylindrischen Stäben angreifenden Antriebselemente stellen eine exakte Linearführung sicher, während das dritte Antriebselement eine Abstützfunktion und die Verdrehsicherung übernimmt.
Um Drehbewegungen ausführen zu können, ist das Anlageelement in einer bevorzugten Ausführungsform als ein eine Mantelfläche aufweisendes rotationssymmetrisches Bauteil ausgebildet. Dies kann beispielsweise ein Zylinder oder ein Kegel sein, wobei das Antriebselement und somit auch der Piezowandler an die Gestalt der Mantelfläche angepaßt ist. Um eine Drehbewegung des Anlageelementes herbeizuführen, ist das Antriebselement in Umfangsrichtung polarisiert, so daß bei Anlegen einer Spannung an den Piezowandler dieser eine Scherung in Umfangsrichtung ausführt und hierbei das Anlageelement mitnimmt.
Das Trägerelement, das das oder die Antriebselemente trägt, kann bei dieser Ausführungsform gleichzeitig die Funktion der Andrückeinrichtung übernehmen, wenn es das als angeschnittener Hohlzylinder ausgebildete Antriebselement zumindest teilweise umschließt und unter einer mechanischen Vorspannung steht, so daß das Antriebselement gegen das rotationssymmetrische Bauteil gedrückt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Anlageelement als Drehteller ausgeführt.
Dieser kann die Gestalt eines Kegelstumpfes aufweisen, der mit seiner Kegelfläche auf mindestens einem Antriebselement aufliegt. Hierbei können ebenfalls drei Piezowandler vorgesehen sein, die im wesentlichen gleiche Abstände zueinander aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Anlageelement ein Drehteller der in einem spielfreien Drehlager gelagert und auf mindestens einem, vorzugsweise zwei im Randbereich des Drehtellers angeordneten Antriebselementen anliegt. Das Drehlager ist bevorzugt eine Kugel, die in einer konischen Ausnehmung des Drehtellers aufliegt. Die Abstände vom Lagerpunkt zu den Piezowandlern sowie der Piezowandler untereinander sind im wesentlichen gleich. In dieser Ausgestaltung wird die Lagerung und Führung nicht ausschließlich durch das Anlageelement und das Antriebselement bewerkstelligt.
Ein weiterer wesentlicher Bestandteil der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung besteht in der Andrückeinrichtung, die eine Fixierung des beweglichen Elementes und damit einen Einsatz der Verstellvorrichtung in jeder beliebigen Lage ermöglicht. Die Andrückeinrichtung drückt das Anlageelement mit einer vorzugsweise einstellbaren oder konstruktiv vorgegebenen Kraft senrkecht zur Bewegungsrichtung gegen die Antriebselemente.
Damit die Andrückeinrichtung die Bewegung des Anlageelementes nicht bremst, weist diese gemäß einer Ausführungsform ebenfalls mindestens einen Piezowandler auf, der zum Scheren befähigt ist. Dieser zur Andrückeinrichtung gehörende Piezowandler drückt, wenn er mit einer Feder befestigt ist auf das Anlageelement und führt die entsprechende Scherbewegung aus wie die übrigen Piezowandler. Dadurch werden die Reibungsverluste minimiert. Die Anordnung des federbelasteten Piezowandlers ist derart, daß er das Anlageelement gegen die Antriebselemente drückt und damit klemmt. Dadurch wird sichergestellt, daß das bewegliche Element in jeder Lage sicher fixiert ist und daß aufgrund der Klemmwirkung das bewegliche Element auch entgegen der Bewegungsrichtung belastet werden kann, ohne daß es zu einem unkontrollierten Verrutschen des beweglichen Elementes beim Bewegungsvorgang oder auch im Ruhestand kommen kann.
Wenn ein teilzylindrischer Stab oder ein im Querschnitt mehrkantiger Stab als bewegliches Element eingesetzt wird, greift der federbelastete Piezowandler vorzugsweise an der planen Fläche des Stabes an und drückt auf diese Art und Weise den Stab gegen die Piezowandler, auf denen der Stab mit seiner halbzylindrischen Fläche oder seinen Seitenflächen bei mehreckigem Querschnitt aufliegt.
Bei stabförmigen Anlageelementen hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Andrückeinrichtung zusätzlich zu dem federbelasteten Piezowandler noch einen feststehenden Piezowandler aufweist, der im Abstand zu dem federbelasteten Piezowandler angeordnet ist, wenn der federbelastete Piezowandler und der zusätzliche Piezowandler senkrecht zur Bewegungsrichtung des Stabes nebeneinander angeordnet sind, wird ein Drehen des Stabes um die Längsachse wirksam verhindert.
Die Andrückeinrichtung kann gemäß einer weiteren Ausführungsform aus mindestens einem Magneten bestehen, der an einem Element befestigt und mit Abstand zu dem anderen Element angeordnet sind. Der oder die Magnete sind vorzugsweise auf dem feststehenden Bauteil zwischen den Antriebselementen angeordnet und drücken aufgrund der magnetischen Anziehungskräfte das Anlageelement gegen die Antriebselemente. Diese Andrückeinrichtung hat den Vorteil, daß keinerlei zusätzliche Reibungsverluste auftreten, und daß die den Antriebselementen abgewandte Seite des Anlageelementes auf ganzer Länge frei zugänglich ist.
Die Auslenkung der Piezowandler hängt von einer Materialkonstanten und dem angelegten Spannungsimpuls ab. Um große Schrittweiten zu ermöglichen, kann es für besondere Anwendungsfälle vorteilhaft sein, wenn der Piezowandler aus mindestens zwei Piezokörpern besteht, die aufeinander angeordnet sind, weil sich in diesem Fall die Auslenkungen der einzelnen Piezokörper addieren. Die Piezokörper sind jeweils durch einen elektrisch leitfähigen Belag getrennt, der zum Anlegen des Spannungsimpulses an die Piezokörper erforderlich ist.
Da die Schrittweite auch von dem angelegten Spannungsimpuls abhängt, sind die Piezowandler an eine Steuereinheit angeschlossen, die zum Abgeben unterschiedlicher Spannungsimpulse ausgebildet ist, wobei gleichzeitig an alle Piezowandler identische Spannungsimpulse abgegeben werden. Neben der Höhe des Spannungsimpulses ist auch der zeitliche Verlauf des Spannungsimpulses von Bedeutung. Wird bei der Vorrichtung nach Anspruch 26 die von der Steuereinheit abgegebene Spannung bis zum Maximalwert langsam (flache Impulsflanke) gesteigert, reagiert der Piezowandler mit einer entsprechend langsamen Scherbewegung. Hierbei wird das Anlageelement während der Scherbewegung der Piezowandler mitgenommen. Wenn nach Erreichen des maximalen Spannungswertes die Spannung schnell zurückgenommen wird (steile Impulsflanke), bewegt sich der Piezowandler mit entsprechender Geschwindigkeit in seine Ausgangsstellung zurück, wobei aufgrund der Massenträgheit das Anlageelement in seiner Lage verbleibt.
Die gemäß der Möglichkeit zunächst die steile Flanke des Spannungsimpulses durchfahren, rutscht der Piezowandler aufgrund seiner schnellen Scherbewegung und der Massenträgheit des Anlageelementes an dem Anlageelement entlang. Wird anschließend die langsame Flanke des Spannungsimpulses durchfahren, bewegt sich der Piezowandler mit entsprechend geringer Geschwindigkeit wieder in seine Ausgangslage zurück und nimmt hierbei das Anlageelement mit.
Diese Bewegungsschritte können in rascher Folge hintereinander ausgeführt werden, so daß auch Translationen oder Drehbewegungen in der Größenordnung von Millimetern innerhalb weniger Sekunden durchgeführt werden können. Hierbei hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß bei gleicher Maximalspannung ein schnellerer Bewegungsablauf erzielt wird, wenn zunächst die flache Flanke des Spannungsimpulses und dann erst die schnelle Flanke des Spannungsimpulses durchlaufen wird.
Abhängig von der Qualität der Anlagefläche ist die kleinste zuverlässige Schrittweite erfahrungsgemäß etwa 20 nm. Eine noch genauere Positionierung läßt sich durch Nutzung des Mitnahmeeffektes bei nicht zu schneller Anstiegsrate des Spannungsverlaufes erzielen.
Bei der kontinuierlichen Positionierung der Vorrichtung nach Anspruch 27 wird eine relative Genauigkeit von ca. 1 nm über einen Gesamtbereich von einigen 100 nm bis zu 1 µm typischerweise erreicht wird. Hierzu kann das Steuergerät mit der zusätzlichen Möglichkeit zur kontinuierlichen Ansteuerung ausgelegt werden.
Für größere Verstellwege oder -winkel kann sich die absolute Positioniergenauigkeit der Verstellvorrichtung wesentlich erhöhen lassen, indem man eine Weg- oder Positionsmessung integriert. Durch eine Rückführung des Weg- oder Positionssignals kann dadurch eine vorgegebene Position zielgenau angefahren werden. Diese Rückkopplung kann sowohl für die schrittweise wie auch für die kontinuierliche Positionierung genutzt werden.
Obwohl das Anlageelement direkt auf den Piezowandlern aufliegen kann, ist es im Hinblick auf Reibungsverluste vorteilhaft, mindestens eine Punktauflage vorzusehen. Eine solche Punktauflage besteht aus einer Kugel, die auf einem Kugelsitz befestigt ist, der wiederum auf der dem Anlageelement zugewandten Seite des Piezowandlers angeordnet ist. Die Kugel besteht aus Aluminiumoxid, während das Anlageelement vorzugsweise aus gehärtetem Stahl gefertigt ist. Es können auch andere Materialkombinationen zum Einsatz kommen, solange Auflage und Anlageelement bei den auftretenden Kräften nicht zum Fressen neigen.
Die erfindungsgemäße Verstellvorrichtung kann miteinander in beliebiger Weise kombiniert werden, so daß X-, Y-, Z-Verstelleinrichtungen oder auch Verstelleinrichtungen realisiert werden können, bei denen eine Drehbewegung mit einer Linearbewegung oder mehrere Drehbewegungen miteinander kombiniert sind.
Bevorzugt ist eine der Verstellvorrichtung nach Anspruch 31, bei der das bewegliche Element ein Werkzeug oder ein Werkstück sein kann, das gegebenenfalls endlos sein kann, wie beispielsweise ein Löt- oder Schweißdraht, der bei hoher Positioniergenauigkeit kontinuierlich zugeführt werden kann.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 die Seitenansicht einer linearen Verstellvorrichtung,
Fig. 2 die Vorderansicht der in Fig. 1 gezeigten Verstellvorrichtung,
Fig. 3 eine Draufsicht auf das Anlageelement,
Fig. 4 eine Draufsicht auf das Anlageelement gemäß einer weiteren Ausführungsform,
Fig. 5 und 5a die Vorderansichten von drei Verstellvorrichtungen unterschiedlicher Ausführungsformen,
Fig. 6 die perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform,
Fig. 7 die perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform,
Fig. 8 die perspektivische Darstellung eines Antriebselementes,
Fig. 9 die Seitenansicht eines zusammengesetzten Piezowandlers,
Fig. 10 die graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der an die Piezowandler angelegten Spannung,
Fig. 11 einen Schnitt durch eine Drehverstellvorrichtung,
Fig. 12 einen Schnitt durch eine Drehverstellvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform,
Fig. 13 die Unteransicht der in Fig. 11 oder 12 dargestellten Drehteller,
Fig. 14 die Seitenansicht einer Drehverstellvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform,
Fig. 15, 15a Draufsicht und Seitenansicht einer Drehverstellvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform,
Fig. 16a, 16b perspektivische Darstellungen einer weiteren Ausführungsform einer Verstellvorrichtung und eines entsprechenden Piezowandlers,
Fig. 17 die schematische Darstellung einer Kombination aus drei Verstellvorrichtungen.
In der Fig. 1 ist eine Verstellvorrichtung 1 für Linearverschiebungen dargestellt. Auf einem stationären Trägerelement 2, das eine Grundplatte 3 und einen Tragarm 4 aufweist, sind wie in Fig. 3 dargestellt ist, insgesamt vier Antriebselemente 6a, 6b, 6c und 6d befestigt. Diese Antriebselemente weisen eine Auflage 27 (s. Fig. 9) auf, die eine Kugel 7 und einen Kugelsitz 12 beinhaltet. Auf den Kugeln 7 liegt das bewegliche Anlageelement 5 auf, das mittels der zum Scheren befähigten Piezowandler 33 in Pfeilrichtung verschoben werden kann. Die Kugel kann aus Aluminiumoxid und das Anlageelement aus gehärtetem Stahl bestehen.
Zum Fixieren des Anlageelementes 5 ist eine Andrückeinrichtung 8 vorgesehen, die an dem Tragarm 4 befestigt ist. An der Unterseite einer beweglichen Halteplatte 11 ist ein zur Andrückeinrichtung gehörender Piezowandler 9b befestigt, der mit seiner Auflagekugel 7 von oben auf das Anlageelement 5 drückt. Die Kraft, mit der der Piezowandler 9b auf das bewegliche Element 5 drückt, wird durch die Feder 10 vorgegeben, die sich an der Unterseite des Tragarms 4 abstützt. Am Tragarm 4 ist ein weiterer Piezowandler 9a befestigt, der ebenfalls von oben auf das bewegliche Element 5 drückt.
Wie in der Fig. 2 zu sehen ist, besteht das Anlageelement 5 aus einem halbzylindrischen Stab, der mit seiner Zylinderfläche 23 auf den Kugeln 7 der Antriebselemente 6a bis 6d aufliegt. Die beiden Piezowandler 9a und 9b der Andrückeinrichtung 8 drücken von oben auf die plane Fläche 26 des beweglichen Elementes 5. In dieser Darstellung sind die beiden Piezowandler 9a und 9b nebeneinander angeordnet. Dadurch wird verhindert, daß sich der Stab 5 um die Längsachse 29 dreht, wenn die Linearbewegung ausgeführt wird. Die von dem Piezowandler 9b übertragene Federkraft bewirkt, daß sich das bewegliche Anlageelement 5 geringfügig um die Längsachse 29 dreht und mit seiner planen Fläche 26 am Piezowandler 9a zur Anlage kommt. Wenn die Kraft der Feder 10 geeignet eingestellt ist, wird eine stabile Lage des beweglichen Anlageelementes 5 erzielt und gleichzeitig eine Klemmwirkung erreicht, die ein Verrutschen des beweglichen Anlageelementes, beispielsweise beim Einsatz als vertikale Verstellvorrichtung verhindert.
In der Fig. 3 ist zu sehen, daß insgesamt vier Antriebselemente 6a, 6b, 6c, 6d unter dem beweglichen Anlageelement 5 angeordnet sind. Gemäß Fig. 4 sind drei Antriebselemente 6a bis 6c vorgesehen, die in Art eines Dreibeines unter dem beweglichen Element 5 angeordnet sind.
In der Fig. 5 ist ein bewegliches Anlageelement 5 mit dreieckigem Querschnitt dargestellt. Der Stab 5 liegt mit seinen Seitenflächen 25a und 25b auf den bereits beschriebenen Antriebselementen 6a bis 6d auf. Von oben drückt die Andrückeinrichtung 8 auf die plane Fläche 26. Auch in dieser Darstellung sind zwei Piezowandler 9a und 9b vorgesehen, die das bewegliche Anlageelement 5 klemmend auf den Antriebselementen 6a bis 6d fixieren.
In der Fig. 6 ist ein Anlageelement 5 mit 6eckigem Querschnitt dargestellt. Der Stab liegt mit zwei seiner Seitenflächen 25a, 25b an nur einem entsprechend geformten Antriebselement 6 an, das einen Piezowandler aufweist, der in Stabrichtung scherfähig ist.
Durch die Formgebung von Antriebselement 6 und Piezowandler 9 in Verbindung mit dem sechseckigen Querschnitt des Stabes 5 wird eine Führung in Bewegungsrichtung und gleichzeitig eine Verdrehsicherung des Stabes 5 erzielt. Von der anderen Seite drückt die Andrückeinrichtung 8 auf zwei weitere Seitenflächen 25c, 25d. In dieser Darstellung ist nur ein entsprechend geformter Piezowandler 9 vorgesehen, der das bewegliche Anlageelement 5 klemmend gegen das Antriebselement 6 drückt.
In der Fig. 5a und in der Fig. 7 sind weitere Ausführungsformen des Anlageelementes 5 dargestellt.
Dieses weist zwei zylindrische Stäbe 16a und 16b auf, die miteinander verbunden sind. Außerdem ist am zylindrischen Stab 16b eine Platte 15 angeordnet.
In der Fig. 5a ist zu sehen, daß die beiden Zylinderstäbe 16a und 16b eine Führungsrille 30 bilden, in der die Kugel 7 des Antriebselementes 6b zentriert anliegt. Ein weiteres Antriebselement 6c ist unterhalb der Platte 15 angeordnet, die ebenfalls auf einer Kugel 7 aufliegt. Von oben drückt in dieser Ausführungsform lediglich der Piezowandler 9a unter Federkraft auf die Platte 15 des beweglichen Anlageelementes 5.
In der Fig. 7 ist eine weitere Version der Andrückeinrichtung 8 dargestellt. Anstelle einer von oben wirkenden Andrückeinrichtung sind unterhalb des Anlageelementes 5 auf der Grundplatte 3 mehrere Magnete 17a bis 17d angeordnet, die das aus ferroelektrischem Material bestehende Anlageelement 5 anziehen und auf diese Weise auf die ebenfalls auf der Grundplatte 3 angeordneten drei Antriebselemente 6a bis 6c drückt.
In der Fig. 8 ist ein Antriebselement 6 dargestellt, das in dieser Form auch in der Andrückeinrichtung Verwendung findet. Der Piezowandler 33 weist einen Piezokörper 13 aus einem zum Scheren befähigten piezoelektrischen Material auf, das an seiner Ober- und Unterseite jeweils einen elektrisch leitfähigen Belag 14a, 14b besitzt, der an eine Steuereinheit 18 angeschlossen ist. Die Steuereinheit 18 liefert einen Spannungsimpuls an den Piezowandler 33, wodurch dieser sich aus seiner Ruhestellung A in Scherstellung B begibt. Die Scherstellung B des Piezowandlers 33 ist gestrichelt dargestellt. Auf dem oberen elektrischen Belag 14a ist der Kugelsitz 12 mit der Kugel 7 befestigt, die vorzugsweise aus Aluminiumoxid gefertigt ist. Aufgrund der Scherbewegung (Position B) wird die Kugel 7 bewegt.
Die Auslenkung der Kugel 7 aus ihrer Ruhestellung hängt u. a. von der Dicke des Piezokörpers 13 ab. Um große Schrittweiten zu erzielen, kann wie in der Fig. 9 dargestellt ist, der Piezowandler 33 aus mehreren Piezokörpern 13a bis 13c aufgebaut werden, die durch jeweils einen leitfähigen Belag 14b und 14c voneinander getrennt sind. Der untere und obere Piezokörper 13c bzw. 13a weisen zusätzlich noch einen elektrisch leitenden Belag 14a und 14d auf. Diese elektrisch leitenden Beläge 14a bis 14d sind ebenfalls an die Steuereinheit 18 angeschlossen. Da bei Anlegen des Spannungsimpulses alle Piezokörper 13a bis 13c die gleiche Scherbewegung ausführen, addieren sich die Einzelauslenkungen.
In der Fig. 10 ist der zeitliche Verlauf des an den Piezowandler angelegten Spannungsimpulses dargestellt. Die Kurve 1 zeigt zunächst einen langsam ansteigenden Spannungsverlauf (flache Flanke) und sich daran anschließenden steilen Spannungsabfall (steile Impulsflanke). Die Gesamtdauer des Impulses te-to beträgt vorzugsweise 0,2 bis 1 msec. Der Spannungswert liegt bei etwa 500 Volt und die Scherauslenkung des Piezowandlers beträgt etwa 200 nm. Dieser Spannungsverlauf bewirkt, daß die in Fig. 8 dargestellte Scherbewegung von Position A in Position B langsam verläuft, während die Rückstellbewegung aus der Position B in die Position A schnell durchgeführt wird.
Eine zweite Möglichkeit zeigt die Kurve II, bei der beginnend bei to die Spannung innerhalb einer Zeit < 10 µsec auf den maximalen Wert angehoben wird, was einer schnellen Scherbewegung entspricht. Daran schließt sich dann eine langsame Spannungsabnahme an, die ebenfalls nach der Zeit te wiederum den Wert O erreicht. Auf diese Weise wird eine langsame Rückstellbewegung des Piezowandlers erreicht.
Zusätzlich ist noch die Kurve III eingezeichnet, die der Kurve I entspricht, allerdings für umgekehrte Polarisation des Piezowandlers.
Die Fig. 11 zeigt eine Drehverstelleinrichtung 1, bei der das bewegliche Anlageelement 5 als Drehteller ausgebildet ist. Der Drehteller weist kegelstumpfförmige Gestalt auf und liegt mit seiner Kegelfläche 20 auf den Antriebselementen 6a und 6b auf, die in einem trogförmigen stationären Trägerelement 2 befestigt sind. Die Antriebselemente 6a und 6b sind in der Weise an dem stationären Trägerelement 2 angeordnet, daß sie die Scherbewegung in Drehrichtung ausführen. Von oben drückt die Andrückeinrichtung 8 in Gestalt der stationären Piezowandler 9b, 9c und des federbelasteten Piezowandlers 9a auf den Drehteller 5.
Anstelle der Andrückeinrichtung 8 ist in der Fig. 12 eine magnetische Andrückeinrichtung vorgesehen. Die Magnete 17a bis 17d sind ebenfalls auf dem stationären trogartigen Bauteil 2 unterhalb des Drehtellers 5 angeordnet. Die Kraftlinien 19 verlaufen senkrecht zur Unterseite des Drehtellers 5.
Wie in der Fig. 13 dargestellt ist, sind an der Kegelfläche 20 insgesamt drei Antriebselemente 6a bis 6c äquidistant angeordnet.
In der Fig. 14 ist eine weitere Ausführungsform des Drehtellers 5 dargestellt. Der Drehteller besitzt die Form einer runden Scheibe, in deren Mantelfläche 28 eine Nut 21 eingebracht ist, in der die Kugeln 7 der Antriebselemente 6a, 6b anliegen. Bei dieser Ausführungsform sind lediglich zwei Antriebselemente 6a und 6b (nicht dargestellt) erforderlich, während der dritte Piezowandler 9a gleichzeitig federbelastet ist und die Andrückeinrichtung 8 bildet.
In der Fig. 15, 15a ist der Drehteller 5 auf einer im Zentrum des Drehtellers angeordneten Kugel 36 gelagert. Die Antriebselemente 6a und 6b sind in dieser Ausführungsform an der Unterseite des Drehtellers 5 angeordnet. Die Abstände vom Lagerpunkt zu den Piezowandlern der Antriebselemente sowie der Piezowandler untereinander sind im wesentlichen gleich.
In Fig. 16 ist ein rotationssymmetrischer Bauteil 31 in Gestalt eines zylindrischen Stabes 5 axial in einem Antriebselement 6 angeordnet, das die Form eines angeschnittenen Zylinders aufweist. Das Antriebselement 6 wird auf seinem Außenumfang von der Grundplatte 3 gegen die Mantelfläche 32 des Stabes 5 gedrückt. Der im Antriebselement 6 enthaltene Piezowandler 33 ist längs des Umfangs polarisiert, die Elektroden 14a, 14b werden von der Innen- und der Außenfläche des Zylinders gebildet.
In der Fig. 17 ist eine Mehrfach-Verstellvorrichtung dargestellt, die aus insgesamt drei der beschriebenen Verstellvorrichtungen 1, 1′ und 1′′ aufgebaut ist. Die untere Verstellvorrrichtung 1 ist eine Drehverstellvorrichtung, wie sie in der Fig. 12 beschrieben und dargestellt ist. Auf dem Drehteller 5 ist eine Linearverstellvorrichtung 1′ befestigt, die ein bewegliches Anlageelement 5′ mit dreieckförmigem Querschnitt aufweist. Der Drehteller 5 stellt gleichzeitig das stationäre Element 2 der Verstellvorrichtung 1′ dar. Auf dem beweglichen Element 5′ ist eine weitere Linearverstellvorrichtung 1′′ montiert, die ein bewegliches Element 5′′ besitzt. Auch hier ist das bewegliche Element 5′ gleichzeitig das stationäre Element der Verstellvorrichtung 1′′. Die Andrückeinrichtungen der drei Verstelleinrichtungen 1, 1′ und 1′′ wird durch die Magnete 17, 17′ und 17′′ gebildet, die jeweils unterhalb der beweglichen Elemente 5, 5′ und 5′′ angeordnet sind.
Bezugszeichenliste
 1, 1′, 1′′ Verstellvorrichtung
 2 Trägerelement
 3 Grundplatte
 4 Tragarm
 5 Anlageelement
 6a, b, c, d Antriebselement
 7 Auflagekugel
 8 Andrückeinrichtung
 9a, b Piezowandler
10 Feder
11 bewegliche Halteplatte
12 Kugelsitz
13 Piezokörper
14a, 14b, 14c, 14d elektrisch leitfähiger Belag
15 Verschiebeplatte
16a, b Zylinderstäbe
17 Magnet
18 Steuereinheit
19 Kraftlinien
20 Kegelfläche
21 umlaufende Nut
22 Zentrierauflage
23 plane Fläche
25a, b, c, d Seitenfläche
26 plane Fläche
27 Auflage
28 Mantelfläche
29 Längsachse
30 Führungsnut
31 rotationssymmetrisches Bauteil
32 Mantelfläche
33 Piezowandler
36 Kugel

Claims (31)

1. Verstellvorrichtung für Mikrobewegungen mit einem Trägerelement, mit mindestens einem an dem Trägerelement befestigten Antriebselement, das einen den Schereffekt nutzenden Piezowandler aufweist, und mit einem Anlageelement, das am Antriebselement anliegt, dadurch gekennzeichnet,
daß ausschließlich das Antriebselement (6) und daß Anlageelement (5) in Gestalt und Anordnung zur gegenseitigen Lagerung und zur Ausführung einer geführten Mikrobewegung ausgebildet sind, und
daß eine Andrückeinrichtung (8) vorgesehen ist, die das Anlageelement (5) und das Antriebselement (6) mit einer vorgegebenen Kraft senkrecht zur Bewegungsrichtung gegeneinander drückt.
2. Verstellvorrichtung für Mikrobewegungen mit einem Trägerelement mit mindestens einem an dem Trägerelement befestigten Antriebselement, das einen den Schereffekt nutzenden Piezowandler aufweist, und mit einem Anlageelement, das am Antriebselement anliegt, dadurch gekennzeichnet,
daß das Anlageelement (5) ein Drehteller ist, der in einem Drehlager (20) gelagert und auf mindestens einen im Randbereich des Drehtellers angeordneten Antriebselement (6) anliegt und
daß eine Andrückeinrichtung (8) vorgesehen ist, die den Drehteller und das Antriebselement (6) mit einer vorgegebenen Kraft senkrecht zur Bewegungsrichtung gegeneinanderdrückt.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (2) ortsfest angeordnet ist und das Anlageelement (5) als bewegliches Element (5 die Mikrobewegungen ausführt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlageelement ortsfest angeordnet ist und daß das Trägerelement (2) als bewegliches Element die Mikrobewegungen ausführt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Andrückeinrichtung (8) mit dem ortsfest angeordneten Element (2 oder 5) oder dem beweglichen Element (2 oder 5) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlageelement (5) durch seine Formgebung an Gestalt und/oder Anordnung des Antriebselementes (6) zur Sicherung gegen Verdrehen um die Bewegungsrichtung angepaßt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlageelement (5) ein im Querschnitt teilzylindrischer oder mehrkantiger Stab ist, der mit seiner Zylinderfläche (23) bzw. mit mindestens zwei seiner Seitenflächen (25a, 25b) auf mindestens einem Antriebselement (6) aufliegt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3, bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlageelement (5) eine Verschiebeplatte (15) mit einer Führungsnut (30) ist, in der das Antriebselement (6) anliegt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsnut (30) mittels zweier aneinanderliegender zylindrischer Stäbe (16a, 16b) gebildet ist, die an der Verschiebeplatte (15) befestigt sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlageelement (5) an mindestens drei beabstandeten Stellen an mindestens einem Antriebselement (6) anliegt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlageelement (5) ein eine Mantelfläche (32) aufweisendes rotationssymmetrisches Bauteil (31) ist, das an mindestens einem an die Gestalt der Mantelfläche (32) angepaßten Antriebselement (6) anliegt, wobei der Piezowandler (33) in Umfangsrichtung der Mantelfläche (32) polarisiert ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlageelement (5) ein zylindrischer Stab (31) und das Antriebselement (6) ein angeschnittener Hohlzylinder ist, der das Anlageelement (5) umgreift.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (2) den Hohlzylinder (6) zumindest teilweise umschließt und unter Vorspannung steht, so daß der Hohlzylinder (6) gegen das Anlageelement (5) gedrückt wird.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlageelement (5) ein Drehteller ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehteller (5) als Kegelstumpf ausgebildet ist, der mit seiner Kegelfläche (20) auf mindestens einem Antriebselement (6) aufliegt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehteller (5) eine zylindrische Scheibe ist, die in ihrer Mantelfläche (28) eine Führungsnut (21) aufweist, in der mindestens ein Antriebselement (6) anliegt.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Andrückeinrichtung (8) mindestens einen mit einer Feder (10) belasteten Piezowandler (9a) aufweist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Andrückeinrichtung (8) mindestens einen weiteren Piezowandler (9b) aufweist, der feststehend und im Abstand vom mit der Federbelasteten Piezowandler (9a) angeordnet ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Andrückeinrichtung (8) mindestens einen Magneten (17) aufweist, der an einem Element (2 oder 5) befestigt und mit Abstand zum anderen Element (5 oder 2) angeordnet ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (17) auf dem Trägerelement (2) zwischen den Antriebselementen (6a, 6b, 6c) angeordnet ist und das Anlageelement (5) mit einer einstellbaren Kraft anzieht.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezowandler (33, 9) aus mindestens zwei durch jeweils einen elektrisch leitfähigen Belag (14b, 14c) getrennten Piezokörpern (13a, 13b, 13c) besteht.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Anlageelement (5) zugewandten Seite des Piezowandlers (33) mindestens eine Punktauflage (27) befestigt ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktauflage (27) aus einer auf einem Kugelsitz (12) befestigten Kugel (7) besteht.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel aus Al₂O₃ besteht.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auslösen der Scherbewegungen der Piezowandler (9, 33) eine Steuereinheit (18) an die Piezowandler angeschlossen ist, die gleichzeitig an alle Piezowandler (9, 33) identische Spannungsimpulse abgibt.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (18) Spannungsimpulse abgibt, die zunächst eine flach ansteigende bzw. abfallende Flanke aufweisen, an die sich eine steil abfallende bzw. ansteigende Flanke anschließt.
27. Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (18) einen einstellbaren oder vorgebbaren Spannungsverlauf liefert, um das bewegliche Element (2 oder 5) im Rahmen der maximalen Auslenkung der Piezowandler (9, 33) kontinuierlich zu positionieren.
28. Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (18) eine Einrichtung zur Messung des Verstellweges bzw. Verstellwinkels aufweist, dessen Meßsignal zur Linearisierung und zur Erhöhung der Positioniergenauigkeit dient.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem beweglichen Element (2 oder 5) einer Verstellvorrichtung (1) mindestens eine weitere Verstellvorrichtung (1′, 1′′) nach einem der Ansprüche 1 bis 28 angeordnet ist.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das ortsfeste Element (2 oder 5) der weiteren Verstellvorrichtung (1′, 1′′) das bewegliche Element (2 oder 5) der Verstellvorrichtung (1) ist.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element (2, 5) ein Werkzeug oder ein Werkstück ist.
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