DD140946A1

DD140946A1 - Anordnung zur feinpositionierung

Info

Publication number: DD140946A1
Application number: DD21003678A
Authority: DD
Inventors: Manfred Rauch; Manfred Brauer; Albrecht Donner
Original assignee: Manfred Rauch; Manfred Brauer; Albrecht Donner
Priority date: 1978-12-21
Filing date: 1978-12-21
Publication date: 1980-04-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Bewegungen im Mikrometerbereich für Positionierzwecke. Das Ziel der Erfindung ist es, einen elektromechanischen Wandler zur Realisierung von Feinpositionierungen zu schaffen. Der Wandler soll sich durch verhältnismäßig große Kräfte und relativ große Positionierwege auszeichnen. Ein fest eingespannter piezoelektrischer Fokusschwinger verändert seine Höhe in Abhängigkeit vom angelegten Spannungspotential. Das Antriebselement besitzt hohe Steilgeschwindigkeiten und gestattet mechanische Überlastung. Im Zusammenwirken mit hydraulischen Zylinder-Kolben-Systemen können Positionierbewegungen erzeugt werden. Durch Ansteuerung von gestapelten Antriebselementen mit digitalen elektrischen Signalen ist die Erzeugung definierter Positionierwege möglich. Die Anordnung ist für die Feinpositionierung von Werkzeugen und Werkstücken, vorzugsweise in der Halbleitertechnik, geeignet. Weiterhin ist der Einsatz in der Automatisierungstechnik, der Regelungstechnik und der Informationstechnik möglich. 11 S

Description

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Anordnung zur Feinpositionierung Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung kann in allen Gebieten der Technik, in denen die genaue Positionierung im Mikrometerbereich von Werkzeugen oder Werkstücken notwendig ist, angewandt werden* Insbesondere ist sie geeignet, relativ große Gegenkräfte zu überwinden· Weiterhin können mit der Erfindung durch. Ansteuerung mit digitalen elektrischen Signalen Schaltfunktionen aufgelöst bzw. eine Decodierung vorgenommen werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind Vorrichtungen zur Feinpositionierung von Werkzeugen bzw» Yierkstücken mit verschiedenen elektromechanischen Wandlere lementen bekannt. Ihre großtechnische Anwendung scheitert aber oft an der Kompliziertheit des Aufbaus oder an der zu geringen technologischen Belastbarkeit des Stellgliedes * Die oft in Positionierantrieben eingesetzten piezokeramischen Biegestreifen (Bimorph-Elemente) haben, wenn nicht besondere Maßnahmen vorgesehen sind, den Nachteil der geringen Belastbarkeit wegen ihrer Bruchanfälligkeit. Das betrifft z.B. die in den DE-AS 24 30 196 und DD-WP 108 172 beschriebenen Lösungen. Die Verbindung zwischen Positioniertisch und piezokeramischem Biegestreifen wird durch elastische Koppelelemente (Blattfedern) realisiert. Durch die Anwendung von Federn ¥/ird die effektive technologische B-elastbarkeit weiter gesenkt.

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Die Anwendung piezokeramiseher Dickenschwinger wird im US-PS 36 84 904·. beschrieben. Die'Vorrichtung -zur Präzisionsverschiebung ermöglicht zwar eine hohe Belastbarkeit, gestattet jedoch nur geringe Positionierwege. Zur Vergrößerung der Positionierwege werden aus einer Vielzahl von piezokeramischen Scheiben bestehende Säulen verwendet. Dadurch ergeben sich komplizierte Anordnungen. Beim "Magnetostriktiven Kreuztisch zum Feinjustieren von Masken" (Meßtechnik 77-(1969·) 10, S. 244 - 247) werden magnetostriktive oder elektrostriktive Wandler eingesetzt. Diese Wandler sind relativ belastungsunempfindlich. Bedingt durch die mögliche geringe Längenänderung der entsprechenden magnetostriktiven Säulen, sind bei Verwendung der positiven und negativen Magnetostriktion komplizierte Anordnungen notwendig,

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, mit einfachen Mitteln Bewegungen im Mikrometerbereich zu erzeugen.

Darlegung; des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen elektromechanischen Wandler für Bewegungen im Mikrometerbereich bei relativ großen Stellkräften zu schaffen. Das entsprechende Antriebselement soll eine große mechanische Überlastbarkeit und hohe Stellgeschwindigkeiten besitzen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein eingespannter piezokeramischer Fokusschwinger unter Ausnutzung des reziproken piezoelektrischen Effektes beim Anlegen eines Spannungspotentials seine Höhe verändert. Die Polung der Spannung und die Polarisierungsrichtung der Piezokeramik bestimmen die Richtung der Höhenänderung. Beim Fokusschwinger ergibt sich, bedingt durch seine Wölbung, eine Höhenänderung, die etwa dem 1Of ac hen Viert der Dickenänderung eines Dickenschwingers bei gleichem Spannungspotential entspricht,

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Derartige Antriebselemente können in Reihe bzw. parallel zur Weg- bzw« Kraftvergrößerung angeordnet werden. Eine Kombination mit anderen Antriebselementen (Grobantriebe) und Übertragungseinrichtungen (hydraulische Arbeitszylinder-Kolben-Systeme) ist möglich»

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll nachstehend an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden· In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig, 1: ein einfaches Antriebselement,

Pig. 2: ein doppeltes Antriebselement,

Fig. 3ί eine Reihenschaltung von Antriebselementen,

Fig. 4-: eine Parallelschaltung von Antriebselementen,

Fig. 5* ein einfaches hydraulisches Antriebselement,

Fig. 6: ein doppeltes hydraulisches Antriebselement,

Fig. 7* ein Antriebselement mit vorgeschaltetem Grobantrieb und

Fig. 8: eine Anwendung mechanisch in Reihe geschalteter Antriebselemente zur Decodierung.

Gemäß Fig. 1 ist der piezoelektrische Fokusschwinger 3 mit Hilfe eines isolierenden Spannringes 6 und eines Kontaktringes 5 fest mit der Grundplatte 4· verspannt, wobei der Spannring 6 gleichzeitig der Zentrierung des Fokusschwingers 3 und des Kontaktringes 5 durch Formschluß dient. Am höchsten Punkt der Wölbung des Fokusschwingers ist ein isolierendes Ankoppelelement 7 angebracht. Beim. Anlegen eines Spannungspotentials zwischen der Grundplatte 4 und dem Kontaktring 5 ändert sich die Höhe des Fokusschwingers.

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Bei einem doppelten Antriebs element nach Pig· 2 ist an der Unterseite eines einfachen Antriebselementes 1 der gleiche. Aufbau nochmals angeordnet, wodurch eine Verdopplung des erreichbaren Positionierxveges bewirkt wird. Durch eine Stapelung doppelter bzw. eine wechselseitige Stapelung einfacher Antriebselemente 2 bzw· 1 in einem Führungsrohr 8 (Fig. 3) kann der Positionierweg vervielfacht werden. Bei der Schichtung der Antriebselemente müssen diese entweder durch die Ankoppelelemente 7 fest miteinander verbunden sein oder es muß mittels einer Gegenfeder 9 die Spielfreiheit der Anordnung erreicht v/erden.

Nach der in Fig. 4· dargestellten Parallelschaltung von einfachen Antriebselementen 1 wird eine Vervielfachung der Kraft erreicht. Diese Möglichkeit kann besonders zur Höhenjustierung eines Bearbeitungstisches 10 genutzt v/erden.

Fig. 5 und Fig. 6 zeigen die Anwendung des einfachen Antriebselementes 1 als elektro-hydraulisch-mechanischen Wandler. Der fest eingespannte Fokusschwinger 3 schließt einen mit einer inkompressiblen Flüssigkeit 11 gefüllten Raum ab, wodurch erreicht wird, daß beim Anlegen einer Spannung und daraus resultierender Verformung der Piezokeramik ein Teil der Flüssigkeit 11 aus dem Raum herausgepreßt wird bzw. hineinströmt. Diese Flüssigkeit 11 kann über ein Arbeitszylinder-Kolben-System 12 Bewegungsvorgänge auslösen. Hach Fig. 6 wird unter Verwendung mehrerer Antriebselemente 1 die Wirkung der Anordnung nach Fig. 5 erhöht.

Den Anordnungen nach Fig. 1 bis 6 kann, falls ein großer maximaler Positionierweg bei sehr guter Auflösung gefordert wird, ein Grobantrieb 13 vorgeschaltet werden (Fig. 7)· Die Ansteuerung der Antriebe erfolgt mit analogen oder digitalen elektrischen Signalen.

Durch die analoge Ansteuerung entstehen hochauflösende Antriebe; die digitale Ansteuerung ergibt die Möglichkeit, die Anordnungen

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nach Fig. 1 "bis 7 als elektrisch, betätigte mechanische Schalter oder als Decodierelemente einzusetzen,»

Zur Decodierung eignen sich sehr gut Anordnungen nach Fig. 3 und 6, indem den einzelnen Antriebselementen verschiedene Spannungswerte zugeordnet werden (Fig. 8). .

Claims

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Erfindungsanspruch

1. Anordnung zur Feinpositionierung, mit der unter Verwendung piezoelektrischer Fokusschwinger Bewegungen im Mikrometerbereich erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Fokusschwinger (3) am Rand fest durch den isolierenden Spannring (6), der auf einer Grundplatte (4) befestigt ist, eingespannt ist, daß zwischen dem piezoelektrischen Fokusschwinger (3) und dem isolierenden Spannring (6) ein Kontaktring (5) und am höchsten Punkt der Wölbung des piezoelektrischen Fokus schwing er s* (3) ein isolierendes Ankoppelelement (7) vorgesehen ist.
2. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten der Grundplatte (4) starr miteinander verbundene piezoelektrische Fokusschwinger (3) angeordnet sind.

3· Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Antriebselemente (1) durch ein isolierendes Ankoppelelement (7) starr miteinander verbunden sind.
4. Anordnung nach Punkt 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (4) vorzugsweise als Ringelement ausgebildet ist.

5· Anordnung nach Punkt 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß einfache Antriebselemente (1) und/oder doppelte Antriebselemente (2) in einem Führungsrohr (8) gestapelt mit einer Gegenfeder (9) angeordnet sind.
6. Anordnung nach Punkt 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß einfache Antriebselemente (1) und/oder doppelte Antriebselemente (2) als Parallelschaltung an einem Bearbeitungstisch (10) angeordnet sind.

7t Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß im isolierenden Spannring (6) ein Arbeitszylinder-Kolben-System (12)

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angeordnet ist und sich, zwischen einem oder mehreren piezoelektrischen Fokusschwingern (3) und dem isolierenden Spannring (6) eine inkompressible Flüssigkeit (11) befindet.
8. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gestapelte einfache Antriebselemente (1) oder doppelte Antriebselemente (2) über die Grundplatte (4) und den Kontaktring (5) mit verschiedenen Spannungspotentialen in Verbindung stehen.

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