DE4303125C1 - Schaltungsanordnung mit einem elektromechanischen Stellantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem elektromechanischen Stellantrieb der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Stellantriebe, insbesondere piezoelektrische Stellan­ triebe, die häufig auch als Aktoren oder Translatoren be­ zeichnet werden, haben den Nachteil, daß ihre Auslenkung nicht linear zum angelegten elektrischen Signal ist. Diese Nichtlinearität ist besonders deshalb nachteilig, weil sie zeitlich nicht konstant ist. Sie läßt sich somit auch nicht mit einem zwar individuell angepaßten, aber zeitlich konstanten Koeffizientensatz kompensieren. Die zeitliche Abhängigkeit beruht auf Hystereseerscheinungen, die von der Vorgeschichte des Spannungsverlaufs an dem Piezoele­ ment abhängen. Dieses Hystereseverhalten ist zeitlich nicht kon­ stant, es weist vielmehr ein Nachlaufen aufgrund einer Nach­ polarisation der Keramik auf. Hinzu kommt eine zeitliche Abhängigkeit von der Temperatur.

Durch die Druckschrift "Produkte für die Mikrostell­ technik" der Firma Physik Instrumente GmbH & Co. in Waldbronn ist eine Schaltungsanordnung der betreffenden Art mit einem piezoelektrischen Stellantrieb bekannt, bei dem die Mittel zur Linearisierung der Stellbewegung, die unabhängig von Hysterese, Drift und Temperatur sein soll, ein Meßsystem aufweisen, mit dem die Ausdehnung des piezoelektrischen Stellgliedes gemessen und ein entspre­ chendes Meßsignal gebildet wird, das als IST-Wert in einem geschlossenen Regelkreis einem SOLL-Wert überlagert wird, so daß die Speisespannung für das pieoelektrische Stellglied im Sinnen einer Gegenkopplung verändert und der Verlauf der Auslenkung zum IST-Wert linearisiert wird.

Als Meßsystem dienen auf das piezoelektrische Element aufgeklebte Dehnungsmeßstreifen, die in einer Brücken­ schaltung angeordnet sind. Bei einer anderen bekannten Anordnung der betreffenden Art (Firmendruckschrift "Queensgate System 2000 Nano Positioning" der Firma Queensgate Instru­ ments in Berkshire SL5 7 PW, England) erfolgt die Fest­ stellung der IST-Lage des piezoelektrischen Stellgliedes durch kapazitive Abstandsmessung.

Diese beiden bekannten Lösungen sind aufwendig, teuer und vergrößern insbesondere das Volumen des Stellantriebes, da die Einrichtung zur Messung der IST-Lage des pie­ zoelektrischen Stellgliedes unmittelbar an diesem ange­ bracht ist.

Durch JP 64-35613 (A) ist eine Positioniereinrichtung für ein Schneidwerkzeug einer spanabhebenden Werkzeugmaschine bekannt. Das Schneidwerkzeug ist über ein Piezoelement gehalten, mit dessen Hilfe durch Anlegen einer ent­ sprechenden elektrischen Spannung die Position der Schneidkante des Schneidwerkzeugs einstellbar ist, um so die Schneidtiefe zu bestimmen. Mittels eines zweiten pie­ zoelektrischen Elements gleicher Charakteristik wird ein Fehlersignal erzeugt, das dem Steuersignal für die Ein­ stellung der Schneidkante des Schneidwerkzeugs hinzugefügt wird, um so eine dynamische Hysterese des die Schneidkante einstellenden Piezoelements zu kompensieren. Eine Lineari­ sierung der Abhängigkeit der Längenänderung des das Schneidwerkzeug haltenden Piezoelements von dessen Speise­ spannung wird dadurch nicht erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schal­ tungsanordnung der betreffenden Art zu schaffen, bei der die Verknüpfung der Stellbewegung des Stellgliedes mit einer elektrischen Spannung und damit die Linearität ver­ bessert ist, so daß von der Spannung genauer auf die tat­ sächlich erfolgte Bewegung des Stellgliedes geschlossen werden kann. Die Schaltungsanordnung soll außerdem einfach und billig sein. Das Volumen des Stellantriebes soll dabei nicht vergrößert sein.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Lehre ge­ löst.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, einen zweiten Stellantrieb vorzusehen, der mit dem gleichen Speise­ signal wie der erste Stellantrieb beaufschlagt ist und somit die gleichen Bewegungen ausführt wie der erste Stellantrieb. Die Bewegungen dieses zweiten Stellantriebes werden mit einer elektrischen Längenmeßeinrichtung gemessen, deren Ausgangsspannung linear von der Bewegungslage des Stellgliedes des zweiten Stellantriebes abhängig ist. Damit ist sie auch mit der Stellbewegung des ersten Stell­ antriebes linear verknüpft. Sie kann daher als entsprechende Bezugsspannung dienen. Sie kann z. B. unmittelbar angezeigt werden, so daß dann unmittelbar die Bewegungs­ lage des Stellgliedes des Stellantriebes angezeigt wird. Die lineare Verknüpfung ist besonders dann gegeben, wenn der zweite Stellantrieb wie der erste Stellantrieb aufge­ baut ist. Er zeigt daher das gleiche mechanisch-elektrische Verhalten. Von besonderem Vorteil ist, daß die erste elektrische Längenmeßeinrichtung nicht mit dem ersten, vorzugsweise piezoelektrischen Stellantrieb verbunden oder in dessen unmittelbarer Nähe angeordnet sein muß. Der erste Stellantrieb ist daher völlig frei von zusätzlichen Elementen, so daß sein Volumen durch zusätzliche Bauteile nicht vergrößert ist. Die elektrische Verbindung beider Stellantriebe stellt keine Vergrößerung des Volumens dar.

Wenn auch grundsätzlich der zweite Stellantrieb mit der zugehörigen Längenmeßeinrichtung an einem beliebigen Ort angeordnet werden kann, so ist es doch in der Regel zweckmäßig, ihn möglichst nahe dem ersten Stellantrieb anzuordnen, so daß beide Stellantriebe den gleichen Tempe­ ratureinflüssen unterworfen sind. Damit ist die erzielte Linearität auch unabhängig von Temperatureinflüssen.

Der Grundgedanke der Erfindung läßt sich in verschiedener Weise weiterbilden. Nach der im Anspruch 3 gekenn­ zeichneten Lösung ist die Schaltungsanordnung zu einer Einrichtung zur Abtastung der Oberfläche eines Prüflings weitergebildet. Das Stellglied des ersten Stellantriebs bewegt den Prüfling parallel zu seiner Oberfläche, so daß eine zweite Längenmeßeinrichtung die Kontur der Oberfläche des Prüflings abtastet und ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das als Y-Signal in ein Schreib- oder Sichtgerät eingespeist ist, dessen X-Signal durch das Ausgangssignal des ersten Längenmeßtasters gebildet ist. Wegen der linearen Verknüpfung der Ausgangsspannung des ersten Längenmeß­ tasters mit der Stellbewegung des Stellgliedes des ersten Stellantriebs wird auf dem Schreib- oder Sichtgerät die von der zweiten Längenmeßeinrichtung abgetastete Oberflächen­ kontur des Prüflings in X-Richtung unverzerrt ge­ schrieben oder sichtbar gemacht.

Eine andere Möglichkeit der Weiterbildung der Lehre des Anspruchs 1 ist im Anspruch 4 gekennzeichnet, gemäß der unter Einschluß des zweiten Stellantriebes und der zugehörigen Längenmeßeinrichtung ein Regelkreis gebildet ist, aufgrund dessen die Abhängigkeit der Bewegung des Stellgliedes des zweiten Stellantriebes in bezug zu der Steuerspannung linearisiert ist. Da aber beide Stellan­ triebe, die vorzugsweise gleich ausgebildet sind, mit der gleichen Speisespannung beaufschlagt sind, folgt daraus, daß auch die Bewegung des Stellgliedes des ersten Stell­ antriebs linear mit der eingespeisten Steuerspannung ver­ knüpft ist. Es ist daher möglich, eine von der Oberfläche eines von dem Stellglied des ersten Stellantriebs bewegten Prüflings abgetastete Länge (in Bewegungsrichtung des Stellgliedes oder quer dazu) in linearer Abhängigkeit von der eingespeisten Steuerspannung (z. B. einem SOLL-Wert) aufzuzeichnen.

Diese Weiterbildung ist besonders zweckmäßig in ihrer Anwendung bei der Abtastung einer Oberflächenkontur, wenn diese Abtastung mit einer Spitze erfolgen soll, deren Ab­ stand in bezug zu der Oberfläche während der Bewegung ent­ lang der Oberfläche konstant gehalten werden soll, wie das z. B. bei Rasterkraftmikroskopen (PHYSICAL REVIEW LETTERS, 1986, S. 930-933) oder bei akustischen Rastermikroskopen (DE 38 20 518 C1) erforderlich ist. Erfindungsgemäß ist zu diesem Zweck ein zweiter Regelkreis vorgesehen, in dem das der Kontur der gemessenen Oberfläche entsprechende elek­ trische Meßsignal im Sinne einer Gegenkopplung dem Steuer­ signal hinzugefügt ist, das die Speisespannung für die vorzugsweise piezoelektrischen Stellantrieb steuert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 5 und 6 dargestellt.

Die gemäß der Erfindung verwendeten elektrischen Län­ genmeßeinrichtungen können grundsätzlich beliebiger Art sein. Es kann sich im induktive, kapazitive interferome­ trische oder andere Längenmeßeinrichtungen handeln, die ein elektrisches Meßsignal abgeben.

Anhand der Zeichnungen soll die Erfindung an Ausfüh­ rungsbeispielen näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer geregelten Speisespannung für den Stellantrieb und

Fig. 4 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform gemäß Fig. 3.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 gelangt über einen Steuereingang 1 ein Steuersignal in einen Hochspan­ nungsverstärker 2, dessen Ausgangsspannung als Speisespannung über eine Leitung 3 in einen piezoelektrischen Stell­ antrieb 4 mit einem Stellglied 5 gelangt, das sich in Richtung eines Doppelpfeiles 6 in Abhängigkeit von der Speisespannung auf der Leitung 3 ausdehnt bzw. zusammen­ zieht.

Über eine Leitung 7 gelangt die gleiche Speisespannung an einen zweiten piezoelektrischen Stellantrieb 8, der in gleicher Weise aufgebaut ist wie der piezoelektrische Stellantrieb 4 und dessen Stellglied 9 sich somit in gleicher Weise wie das Stellglied 5 des Stellantriebes 4 in Abhängigkeit von der Speisespannung auf der Leitung 7 in Richtung eines Doppelpfeiles 10 ausdehnt oder zusammen­ zieht.

Die Bewegungen des Stellgliedes 9 werden mittels eines nur schematisch dargestellten Tasters 11 einer Längenmeß­ einrichtung 12 abgetastet, deren Ausbildung beliebig sein kann. Es kann sich also z. B. um eine induktive, kapazitive oder auch interferometrische Längenmeßeinrichtung handeln. Das elektrische Ausgangssignal der Längenmeßeinrichtung 12 wird in eine nur schematisch dargestellte Anzeigeeinrichtung 13 eingespeist, deren Anzeige linear mit den Bewegungen des Stellgliedes 9 verknüpft ist.

Da sowohl der Stellantrieb 8 als auch der Stellantrieb 4 über die Leitungen 7 bzw. 3 mit der gleichen Speisespannung des Hochspannungsverstärkers 2 gespeist wird und somit die Bewegungen ihrer Stellglieder 9 bzw. 5 identisch sind (ab­ gesehen von in der Praxis unvermeidbaren Fertigungsunge­ nauigkeiten), ist die Ausgangsspannung der Längenmeßein­ richtung 12 und damit auch die Anzeige der Anzeigeeinrichtung 13 linear mit der Bewegung des Stellgliedes 5 ver­ knüpft.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Anzeigeeinrichtung 13 nur zum besseren Verständnis angeschlossen. Die Ausgangsspannung der Längenmeßeinrichtung 12 kann natür­ lich in jedem Fachmann geläufiger Weise ausgenutzt werden, um ihre lineare Abhängigkeit zu der Bewegung des Stell­ gliedes 5 zur Geltung zu bringen.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 entspricht teil­ weise dem gemäß Fig. 1. Gleiche oder übereinstimmende Teile sind daher mit gleichen Bezugsziffern versehen. Ein Unterschied besteht darin, daß auf dem Stellglied 5 ein Prüfling 14 gehalten ist, dessen Oberfläche sich im we­ sentlichen in Richtung des Doppelpfeiles 6 erstreckt und mittels eines Tasters 15 einer Längenmeßeinrichtung 16 abgetastet wird, deren Ausgangssignal über eine Leitung 17 als Y-Signal in ein Schreibgerät 18 eingespeist wird, dessen X-Eingang über eine Leitung 19 mit dem Ausgang der Längenmeßeinrichtung 12 verbunden ist.

Wird die Spannung an dem Steuereingang 1 für den Hoch­ spannungsverstärker 2 verändert, so ändern sich entsprechend auch die Speisespannungen auf den Leitungen 3 und 7 und damit die Stellung der Stellglieder 5 und 9 der Stell­ antriebe 4 und 8. Die Abhängigkeit der untereinander gleichen Bewegungen der Stellglieder 5 und 9 von der Spannung an dem Steuereingang 1 ist nicht linear. Sie ist aber linear verknüpft mit der Meßspannung am Ausgang der Längen­ meßeinrichtung 12. Das bedeutet, daß die X-Größe des Schreibgerätes 18 unverzerrt den Verlauf der Bewegung des Stellgliedes 5 und damit auch der Oberfläche des Prüflings 14 wiedergibt. Der auf dem Schreibgerät 18 wiedergegebene Kurvenverlauf stimmt daher genau mit der Oberflächenkontur des Prüflings 14 überein, der in Richtung seiner abgetasteten Oberfläche durch das Stellglied 5 bewegt wird.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfin­ dung, die teilweise mit der gemäß Fig. 2 übereinstimmt. Gleiche oder übereinstimmende Teile sind wieder mit gleichen Be­ zugsziffern versehen. Der Unterschied besteht darin, daß das Ausgangssignal der Längenmeßeinrichtung 12 über eine Leitung 20 im Sinne einer Gegenkopplung in einen Eingang 21 eines Addierers 22 eingespeist wird, dessen Ausgang über die Leitung 1 den Hochspannungsverstärker 2 steuert. In einen anderen Eingang 23 wird eine Steuerspannung einge­ speist, die gleichzeitig über eine Leitung 23 an den X- Eingang des Schreibgerätes 18 angelegt ist.

Über den Addierer 22, Hochspannungsverstärker 2, Leitung 7, Stellantrieb 8, Stellglied 9, Taster 11, Längen­ meßeinrichtung 12 und Leitung 20 zurück zu dem Addierer 22 ist somit ein Regelkreis gebildet mit der Wirkung, daß die Bewegung des Stellgliedes 9 enger, also linearer mit der Steuerspannung am Eingang 23 verknüpft ist. Die Steuer­ spannung am Eingang 23 kann daher unmittelbar als Bezugs­ größe für die Stellung des Stellgliedes 9 dienen, damit auch in bezug zu der damit übereinstimmenden Stellung des Stellgliedes 5 des Stellantriebes 4. Damit gibt im Ergebnis das Schreibgerät 18 die von dem Taster 15 und der Län­ genmeßeinrichtung 16 abgetasteten Oberflächenkontur des Prüflings 14 in X-Richtung unverzerrt wieder.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 stimmt teilweise mit dem gemäß Fig. 3 überein. Gleiche oder sich entsprechende Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Ein Unterschied besteht darin, daß ein dritter Stellantrieb 25 vorgesehen ist, der über eine Leitung 26 mit einer Speise­ spannung versorgt wird, so daß er in Abhängigkeit davon über sein Stellglied 27 den in Richtung eines Pfeiles 28 beweglichen Stellantrieb 4 bewegt. An dessen Stellglied 5 befindet sich am Ende ein Prüfling 29, dessen Oberfläche sich quer zur Bewegungsrichtung des Stellgliedes 5 in Richtung des Doppelpfeiles 6 entsprechend der Richtung des Pfeiles 28 bewegt.

Die Kontur der Oberfläche des Prüflings 29 wird durch einen Taster 30 einer Längenmeßeinrichtung 31 abgetastet, deren Ausgangsspannung über eine Leitung 34 und einen Ein­ gang 35 in einen Addierer 36 und in den Steuereingang 1 des Hochspannungsverstärkers 2 gelangt. Der Ausgang der Längenmeßeinrichtung 31 ist über eine Leitung 32 mit dem Y-Eingang einer Schreibeinrichtung 33 verbunden, dessen X- Eingang mit der Steuerspannung von Leitung 26 beaufschlagt ist. An einen anderen Eingang 37 des Addierers 36 ist eine Justierspannung anlegbar.

Wird bei Betrieb die Spannung auf Leitung 26 verändert, beispielsweise sägezahnförmig ansteigend, so bewegt der Stellantrieb 25 über Stellglied 27, Stellantrieb 4 und damit auch Prüfling 29 in Richtung von Pfeil 28. Dabei tastet der Taster 30 der Längenmeßeinrichtung 31 die Kon­ tur der Oberfläche des Prüflings 29 ab, und es erscheint auf Leitung 34 ein davon abhängiges Signal, das im Sinne einer Gegenkopplung in einer Regelschleife über Addierer 36 die Speisespannung aus dem Hochspannungsverstärker 2 für den piezoelektrischen Stellantrieb 4 beeinflußt mit der Tendenz, daß sich das Stellglied 5 im Sinne einer Kon­ stanthaltung des Abstandes der Oberfläche des Prüflings 29 zu dem Taster 30 bzw. Längenmeßeinrichtung 31 in Richtung des Doppelpfeiles 6 bewegt. Dies sind die Abtastbe­ dingungen, die beispielsweise bei einem Rasterkraftmikro­ skop erwünscht sind. Da der Stellantrieb 8 in gleicher Weise wie der Stellantrieb 4 ausgebildet und von der gleichen Speisespannung vom Hochspannungsverstärker 2 beauf­ schlagt ist, führt sein Stellglied 9 die gleichen Bewegungen aus wie das Stellglied 5 des Stellantriebes 4 mit dem daran befestigten Prüfling 29. Längenmeßeinrichtung 12 mißt am Stellglied 9 somit stellvertretend die Bewegungen des Stellgliedes 5 und damit den Verlauf der Oberflächen­ kontur des Prüflings 29, die von der Schreibeinrichtung 33 aufgeschrieben wird. Die Größe des Abstandes zwischen der Oberfläche des Prüflings 29 und dem Taster 30 ist durch die Justierspannung an Eingang 37 des Addierers einstell­ bar.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung mit einem elektromechanischen Stellantrieb,

• mit Mitteln zur Linearisierung der Stellbewegung eines Stellgliedes eines ersten, vorzugsweise piezoelektrischen Stellantriebes in bezug zu einer elektrischen Spannung,
  mit einem Speisespannungserzeuger, der einen Steuereingang und einen Ausgang für eine Speise­ spannung aufweist, der mit dem Stellantrieb ver­ bunden ist,
  dadurch gekennzeichnet,
  daß die Mittel zur Linearisierung einen zweiten Stellantrieb (8) aufweisen, der mit dem Ausgang des Speisespannungserzeugers verbunden ist,
  daß eine erste Längenmeßeinrichtung (12) vorgesehen ist, die die Stellbewegung des Stellgliedes (9) des zweiten Stellantriebes (8) abtastet und ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das linear mit der Stellbewegung des Stellgliedes (5) des ersten Stellantriebes (4) verknüpft ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Stellantrieb (8) in gleicher Weise wie der erste Stellantrieb (4) aufgebaut ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet,

• daß eine zweite Längenmeßeinrichtung (16) vorge­ sehen ist, die eine Oberfläche eines mit dem Stellglied (5) des ersten Stellantriebes (4) ver­ bundenen, von diesem entlang seiner Oberfläche bewegten Prüflings (14) abtastet, und
  daß die Ausgänge der ersten und zweiten Längen­ meßeinrichtung (12, 16) an die beiden Eingänge eines Schreib- oder Sichtgerätes (18) angeschlossen sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet,

• daß dem Steuereingang (1) des Speisespannungser­ zeugers (2) ein Addierer (22) vorgeschaltet ist, an dessen einen Eingang (23) die Steuerspannung und an dessen anderen Eingang (21) das Ausgangs­ signal der ersten Längenmeßeinrichtung (12) im Sinne einer Gegenkopplung angeschlossen ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet,

• daß eine zweite Längenmeßeinrichtung (16) vorge­ sehen ist, die eine Oberfläche eines mit dem Stellglied (5) des ersten Stellantriebes (4) ver­ bundenen, von diesem entlang seiner Oberfläche bewegten Prüflings (14) abtastet und
  daß ein Schreib- oder Sichtgerät (18) vorgesehen ist, mit dessen X-Eingang die Steuerspannung für den ersten Stellantrieb (4) und mit dessen Y-Ein­ gang der Ausgang der zweiten Längenmeßeinrichtung (16) verbunden ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet,

• daß ein dritter Stellantrieb (25) zur Bewegung des ersten Stellantriebes (4) quer zu dessen Stellbewegungsrichtung vorgesehen ist,
  daß eine dritte Längenmeßeinrichtung (31) zur Ab­ tastung einer quer zur Bewegungsrichtung des Stellgliedes (5) des ersten Stellantriebes (4) verlaufenden Oberfläche eines von dem Stellglied (5) des ersten Stellantriebes (4) gehaltenen Prüflings (29) vorgesehen ist,
  daß ein Schreib- oder Sichtgerät (33) vorgesehen ist, an dessen X-Eingang die Steuerspannung für den dritten Stellantrieb (25) und an dessen Y- Eingang das Ausgangssignal der ersten Längenmeß­ einrichtung (12) angeschlossen ist, und
  daß dem Eingang des ersten Addierers (22) für die Steuerspannung ein zweiter Addierer (36) vorge­ schaltet ist, an dessen einen Eingang (37) eine Justierspannung und an dessen anderen Eingang (35) die Ausgangsspannung der zweiten Längenmeß­ einrichtung (31) im Sinne einer Gegenkopplung angeschlossen ist.