DD140946A1 - ARRANGEMENT FOR FINE POSITIONING - Google Patents

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 SThe invention relates to an arrangement for the production of Movements in the micrometer range for positioning purposes. The goal of Invention is to provide an electromechanical transducer for realization of fine positioning. The converter should go through relatively large forces and relatively large positioning paths distinguished. A tightly clamped piezoelectric focus oscillator changes its height depending on the applied voltage potential. The drive element has high steep speeds and allowed mechanical overload. In cooperation with hydraulic Cylinder-piston systems can be used to generate positioning movements. By controlling stacked drive elements with digital electrical signals is the generation of defined positioning paths possible. The arrangement is for the fine positioning of tools and workpieces, preferably in semiconductor technology. Furthermore, the use in automation technology, the Control technology and information technology possible. 11 p

Description

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Anordnung zur Feinpositionierung Anwendungsgebiet der ErfindungArrangement for fine positioning Field of application of the invention

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.The invention can be applied in all fields of technology in which the exact positioning in the micrometer range of tools or workpieces is necessary. In particular, it is suitable to overcome relatively large opposing forces. Control with digital electrical signals switching functions resolved or decoding be made.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

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.There are devices for fine positioning of tools or »Yierk pieces with different electromechanical Wandlere elements known. However, their large-scale application often fails due to the complexity of the structure or the too low technological load capacity of the actuator * The piezoceramic bending strips (bimorph elements) often used in positioning drives, unless special measures are provided, the disadvantage of low load capacity because of their susceptibility to breakage , This concerns e.g. the solutions described in DE-AS 24 30 196 and DD-WP 108 172. The connection between positioning table and piezoceramic bending strip is realized by elastic coupling elements (leaf springs). The use of springs further reduces the effective technological B-elasticity.

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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,The application piezokeramiseher thickness vibrator is described in US-PS 36 84 904 ·. described. Die'Vorrichtung -zur Präzisionsverschiebung allows a high load capacity, but allows only small positioning paths. To increase the positioning paths existing columns are used from a variety of piezoceramic discs. This results in complicated arrangements. In the "magnetostrictive XY stage for fine adjustment of masks" (Messtechnik 77- (1969) 10, pp. 244-247) magnetostrictive or electrostrictive transducers are used. These transducers are relatively insensitive to stress. Due to the possible small change in length of the corresponding magnetostrictive columns, complicated arrangements are necessary when using the positive and negative magnetostriction,

Ziel der ErfindungObject of the invention

Es ist das Ziel der Erfindung, mit einfachen Mitteln Bewegungen im Mikrometerbereich zu erzeugen.It is the object of the invention to generate movements in the micrometer range by simple means.

Darlegung; des Wesens der Erfindungpresentation; the essence of the invention

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,The invention has for its object to provide a simple electromechanical transducer for movements in the micrometer range at relatively large actuating forces. The corresponding drive element should have a high mechanical overload capacity and high actuating speeds. The object is achieved in that a clamped piezoceramic focus oscillator changes its height by utilizing the reciprocal piezoelectric effect when applying a voltage potential. The polarity of the voltage and the polarization direction of the piezoceramic determine the direction of the height change. In the case of the focus oscillator, due to its curvature, a change in height which approximately corresponds to the change in thickness of a thickness vibrator at the same voltage potential results.

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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»Such drive elements can be arranged in series or parallel to the displacement or "force magnification. A combination with other drive elements (coarse drives) and transmission facilities (hydraulic cylinder-piston systems) is possible »

Ausführungsbeispieleembodiments

Die Erfindung soll nachstehend an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden· In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to several embodiments. In the accompanying drawings:

Fig, 1: ein einfaches Antriebselement,1 shows a simple drive element,

Pig. 2: ein doppeltes Antriebselement,Pig. 2: a double drive element,

Fig. 3ί eine Reihenschaltung von Antriebselementen,3ί a series connection of drive elements,

Fig. 4-: eine Parallelschaltung von Antriebselementen,4 shows a parallel connection of drive elements,

Fig. 5* ein einfaches hydraulisches Antriebselement,5 shows a simple hydraulic drive element,

Fig. 6: ein doppeltes hydraulisches Antriebselement,6: a double hydraulic drive element,

Fig. 7* ein Antriebselement mit vorgeschaltetem Grobantrieb undFig. 7 * a drive element with upstream coarse drive and

Fig. 8: eine Anwendung mechanisch in Reihe geschalteter Antriebselemente zur Decodierung.Fig. 8: an application of mechanically connected in series drive elements for decoding.

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.According to FIG. 1, the piezoelectric focus oscillator 3 is firmly clamped to the base plate 4 with the aid of an insulating clamping ring 6 and a contact ring 5, wherein the clamping ring 6 simultaneously serves to center the focus oscillator 3 and the contact ring 5 by positive engagement. At the highest point of the curvature of the focus oscillator, an insulating coupling element 7 is attached. At the. Applying a voltage potential between the base plate 4 and the contact ring 5, the height of the focus oscillator changes.

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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.In a double drive element according to Pig · 2 is the same at the bottom of a simple drive element 1. Structure arranged again, whereby a doubling of the achievable Positionierxveges is effected. By stacking double or a mutual stacking of simple drive elements 2 or 1 in a guide tube 8 (FIG. 3), the positioning path can be multiplied. In the stratification of the drive elements these must either be firmly connected to each other by the Ankoppelelemente 7 or it must be achieved by means of a return spring 9, the backlash of the arrangement v / ground.

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.According to the parallel connection of simple drive elements 1 shown in FIG. 4, a multiplication of the force is achieved. This option can be used especially for height adjustment of a machining table 10.

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.Fig. 5 and Fig. 6 show the application of the simple drive element 1 as an electro-hydraulic-mechanical converter. The fixedly clamped focus oscillator 3 closes off a space filled with an incompressible liquid 11, which ensures that when a voltage is applied and the resulting deformation of the piezoceramic is achieved, a portion of the liquid 11 is forced out of the space. This liquid 11 can initiate 12 movement processes via a cylinder-piston system. Hach Fig. 6, the effect of the arrangement of FIG. 5 is increased using a plurality of drive elements 1.

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.The arrangements according to FIGS. 1 to 6, if a large maximum positioning travel is required with very good resolution, can be preceded by a coarse drive 13 (FIG. 7). The actuation of the drives takes place with analog or digital electrical signals.

Durch die analoge Ansteuerung entstehen hochauflösende Antriebe; die digitale Ansteuerung ergibt die Möglichkeit, die AnordnungenThe analogue control creates high-resolution drives; the digital control gives the possibility of the arrangements

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nach Fig. 1 "bis 7 als elektrisch, betätigte mechanische Schalter oder als Decodierelemente einzusetzen,»1 "to use 7 as electrically actuated mechanical switch or as decoding elements, according to Fig ..

Zur Decodierung eignen sich sehr gut Anordnungen nach Fig. 3 und 6, indem den einzelnen Antriebselementen verschiedene Spannungswerte zugeordnet werden (Fig. 8). .Arrangements according to FIGS. 3 and 6 are very well suited for decoding in that different voltage values are assigned to the individual drive elements (FIG. 8). ,

Claims (5)

-6- 210036-6- 210036 Erfindungsanspruchinvention claim 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. 1. arrangement for fine positioning, are generated with the use of piezoelectric focus oscillator movements in the micrometer range, characterized in that the piezoelectric focus oscillator (3) at the edge firmly by the insulating clamping ring (6) which is fixed on a base plate (4) clamped is that between the piezoelectric focus oscillator (3) and the insulating clamping ring (6) a contact ring (5) and at the highest point of the curvature of the piezoelectric focus swinging he * (3) an insulating coupling element (7) is provided. 2. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten der Grundplatte (4) starr miteinander verbundene piezoelektrische Fokusschwinger (3) angeordnet sind.2. Arrangement according to item 1, characterized in that on both sides of the base plate (4) rigidly interconnected piezoelectric focus oscillator (3) are arranged. 3· Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Antriebselemente (1) durch ein isolierendes Ankoppelelement (7) starr miteinander verbunden sind.3 · Arrangement according to item 1, characterized in that two drive elements (1) by an insulating coupling element (7) are rigidly interconnected. 4. Anordnung nach Punkt 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (4) vorzugsweise als Ringelement ausgebildet ist.4. Arrangement according to item 1 to 3> characterized in that the base plate (4) is preferably formed as a ring member. 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.5 · Arrangement according to items 1 to 4, characterized in that simple drive elements (1) and / or double drive elements (2) in a guide tube (8) stacked with a return spring (9) are arranged. 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.6. Arrangement according to item 1 to 5> characterized in that simple drive elements (1) and / or double drive elements (2) are arranged as a parallel connection to a processing table (10). 7t Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß im isolierenden Spannring (6) ein Arbeitszylinder-Kolben-System (12)7t arrangement according to point 1, characterized in that in the insulating clamping ring (6) a working cylinder-piston system (12) 21003 621003 6 angeordnet ist und sich, zwischen einem oder mehreren piezoelektrischen Fokusschwingern (3) und dem isolierenden Spannring (6) eine inkompressible Flüssigkeit (11) befindet.is arranged and, between one or more piezoelectric focus oscillators (3) and the insulating clamping ring (6) is an incompressible liquid (11). 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.8. Arrangement according to item 1, characterized in that a plurality of stacked simple drive elements (1) or double drive elements (2) via the base plate (4) and the contact ring (5) are connected to different voltage potentials. Hierzu.. JLSeiten ZeichnungenFor this .. JLSeiten drawings