DE10010392B4 - Piezoelekronisches X-Y-Mikropositioniersystem - Google Patents

Abstract

Piezoelektrisches Positioniersystem für das Bewegen oder Positionieren von mikrooptischen und mikromechanischen Bauteilen, bestehend aus zwei piezoelektrischen Stellelementen (1, 2) und zwei identischen miteinander gekoppelten Parallelführungen (10, 11), dadurch gekennzeichnet, dass die zwei piezoelektrischen Stellelemente (1, 2) mit jeweils einem freien Ende über Federgelenke (28, 30) an einer gemeinsamen Basis (3) fixiert sind und mit dem jeweils anderen Ende über weitere Federgelenke (29, 31) an zwei Stegen (6, 7) angekoppelt sind, die mittels Federgelenken (4, 5) ebenfalls an einer Basis befestigt sind und zwei Übersetzungsgetriebe bilden, wobei die zwei Stege (6, 7) mit zwei ersten Zwischenelementen (8, 9) verbunden sind, die mit Federgelenken (14, 15, 21, 23) jeweils ein Ende der zwei identischen, senkrecht zueinander angeordneten Parallelführungen (10, 11) bilden, wobei die zwei Parallelführungen (10, 11) an ihrem jeweils anderen Ende zwei weitere Zwischenelemente (12, 13) mit Federgelenken (16, 17, 20, 22) aufweisen, wobei die zwei weiteren Zwischenelemente (12, 13) miteinander...

Description

• Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Positioniersystem für das Bewegen oder Positionieren von mikrooptischen und mikromechanischen Bauteilen, bestehend aus zwei piezoelektrischen Elementen und zwei identischen miteinander gekoppelten Parallelführungen.
• Die Erfindung gehört zur Piezotechnik und zwar zu den piezoelektrischen Mikropositioniersystemen und kann besonders für das Bewegen oder Positionieren von Bauteilen der Mikrooptik, der Mikroelektronik und Mikromechanik verwendet werden.
• Im Stand der Technik sind verschiedene Positioniersysteme bekannt.
• In der DE 44 05 501 C1 ist der zur vorliegenden Erfindung nächstliegende Stand der Technik beschrieben. Es wird eine Verstellvorrichtung vorgestellt, die aus zwei miteinander gekoppelten parallelen Federführungen besteht. Jede Parallelführung besteht aus zwei gleichartigen, gleichzeitig ansteuerbaren und bei Ansteuerung sich in die gleiche Richtung biegenden piezoelektrischen Bimorphelemente und zwei gegenüberliegenden Zwischenelementen. Die Ankopplung der beiden Parallelführungen ist so gestaltet, dass das erste Zwischenelement der ersten Parallelführung an einer Basis fixiert und das zweite Zwischenelement mit einem Zwischenelement der zweiten Parallelführung verbunden ist. Das gegenüberliegende bewegbare Zwischenelement der zweiten Parallelführung ist mit dem zu bewegenden optischen Element verbunden. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Piezobimorphbieger jeder Parallelführung werden sie ausgelenkt und damit das Ausgangselement in x- und y-Richtung bewegt. Nachteilig bei diesem Positioniersystem ist die kinematische Ankopplung der beiden piezoelektrischen Parallelführungen, was zur Verschlechterung der dynamischen Eigenschaften führt. Bei der kinematisch gekoppelten Ausführungsvariante unterscheiden sich die zu bewegenden Massen jeder Bewegungsrichtung. Dies führt im dynamischen Betrieb zu nicht identischen Eigenschaften der beiden piezoelektrischen Parallelführungen. Außerdem führt die Platzierung des zweiten Paares der piezoelektrischen Bimorphelemente auf dem beweglichen Teil der ersten Parallelführung dazu, dass die elektrischen Leitungen beim Positionieren mitbewegt werden, was beim Betreiben des Positioniersystems auf die Funktionszuverlässigkeit wirkt. Dieses Konstruktionsprinzip hat besonders beim Betreiben des Positioniersystems mit hohen Ansteuerfrequenzen wesentliche Nachteile. Die Verwendung piezoelektrischer Bimorphbieger als Antriebselement erfordert die Verwendung von Standardtechnologien der Feinwerktechnik und führt _zu größerer Bauhöhe des gesamten Positioniersystems (z.B. 7 mm ' 7 mm ' 20 mm).
• Aus der JP 08-334519 A (punkt Abstracts of Japan) ist ein Positioniersystem bekannt, bei dem zwei senkrecht zueinander angeordnete Piezoelemente sich mittels Biegefedern an einem festen Rahmen abstützen und eine Bewegung in x-y-Richtung ermöglichen. Mit Hilfe eines weiteren Piezoelementes ist auch eine Bewegung in z-Richtung möglich. Hierbei erweisen sich die großen Abmaße der Bewegungs- und Piezoelemente als besonders nachteilig. Das vorgestellte Positioniersystem kann nur eingeschränkt als Probenhalterung in der Mikroskopie angewendet werden, da der Abtrieb sich nur kreisförmig bewegen kann.
• In der Veröffentlichung von Jendritza D.: „Aktoren in Bewegung", In: F&M, Bd. 105, 1997, H.9, S. 623–632 ist eine zweiachsige Verstelleinrichtung mit piezoelektrischen Biegewandlern vorgestellt. Bei dieser Verstelleinrichtung sind jeweils zwei x- und y-Aktoren für eine parallele, geradlinige Bewegung notwendig. Die piezoelektrischen Biegewandler bilden gleichzeitig die Aufhängung und das Koppelgetriebe und definieren somit die Lage des Abtriebes. Nachteilig bei dieser Verstelleinrichtung ist, dass die piezoelektrischen Biegewandler eine geringe Biegesteifigkeit aufweisen. Es kann nur eine geringe Kraftwirkung und eine geringe Eigenfrequenz erreicht werden. Der Aufbau ist sehr kompliziert und daher kostenintensiv.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikropositioniersystem für das Bewegen oder Positionieren von mikrooptischen, mikroelektronischen, mikromechanischen und ähnlichen Bauteilen zu entwickeln, das sowohl eine planare Anordnung besitzt und zur Herstellung die Technologien der Mikrotechnik anzuwenden gestattet, als auch die kinematische Entkopplung der Bewegung auf jeder Positionierachse gewährleistet.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Für das Betreiben der Mikropositioniersysteme sind unterschiedliche Antriebsprinzipien möglich. Häufig werden elektrodynamische, piezoelektrische oder thermische Antriebe verwendet. Die piezoelektrische Antriebsvariante ist wegen ihres außerordentlich geringen Leistungsverbrauchs und im Mikrobereich hohen Wirkungsgrades bevorzugt. Die piezoelektrischen monomorphen Antriebe besitzen einen planaren Aufbau und lassen sich mit den eingeführten Herstellungstechnologien der Mikrosystemtechnik in das gesamte Mikropositioniersystem gut integrieren.
• Bei der erfindungsgemäßen Lösung bilden zwei monomorphe piezoelektrische Stellelemente, die mit einem freien Ende an einer Basis fixiert und mit dem anderen Ende über zwei Federgelenke und Übersetzungsmechanismen mit den entsprechenden ersten Zwischenelementen der völlig identischen Parallelführungen verbunden sind und die gegenüberliegenden zwei anderen Zwischenelemente, die miteinander fest gekoppelt sind und ein Ausgangselement bilden, mit dem das zu bewegende optische Element verbunden ist, eine geschlossene kinematische Struktur.
• Die Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Zwischenelement jeder Parallelführung ist über zwei Schenkel und vier Federgelenke realisiert, die im Gegensatz zu den üblichen Parallelführungen mit Federschenkel relativ größere Verstellwege gewährleisten.
• Gegenüber Verstellvorrichtungen mit bimorphen piezoelektrischen Biegeelementen kann das erfindungsgemäße Positioniersystem mit Hilfe von Technologien der Mikrotechnik planar angeordnet und in seiner Baugröße wesentlich kleiner ausgebildet werden. Außerdem führt die Verwendung von momomorphen piezoelektrischen Stellelementen im Gegensatz zu den bimorphen Biegeelementen zu relativ höheren Resonanzfrequenzen und als Folge dessen zu kleineren Reaktionszeiten.
• Die Einzelelemente des vorgeschlagenen Mikropositioniersystems sind bekannt, aber ihre Anordnung zeigt neue Eigenschaften, die sich von den Charakteristiken der bekannten technischen Lösungen wesentlichen unterscheiden und das Erreichen der Erfindungsziele gewährleisten.
• Die Erfindung wird im Folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
• In der zugehörigen Zeichnung zeigt 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Mikropositioniersystems, das die x-y-Positionierung realisiert.
• Das dargestellte Mikropositioniersystem weist zwei identische monomorphe piezoelektrische Stellelemente 1 und 2 auf, die senkrecht zueinander angeordnet sind. Die piezoelektrischen Stellelemente sind über Federgelenke 28, 29, 30 und 31 mit ihrem einen Ende an einer Basis 3 fixiert und mit dem anderen Ende an die zwei Stege 6 und 7 angekoppelt, die über zwei Federgelenke 4 und 5 ebenfalls an einer Basis befestigt sind und für jede Bewegungsrichtung ein Übersetzungsgetriebe bilden. Die Stege 6 und 7 sind fest mit den entsprechenden zwei Zwischenelementen 8 und 9 der zwei völlig identischen Parallelführungen 10 und 11 verbunden, so dass die von den piezoelektrischen Stellelementen hervorgerufene Kraft in der Mitte jedes Zwischenelements wirkt. Jede von den zwei Parallelführungen 10 und 11 besteht aus den oben genannten zwei Zwischenelementen 8 und 9, die mit ihren gegenüberliegenden Zwischenelementen 12 und 13 über Federgelenke 14, 15, 16, 17 und 20, 21, 22, 23 und zwei Paar parallel angeordneten Schenkel 18, 19 und 24, 25 angekoppelt sind. Die Schenkel jeder Parallelführung besitzen eine im Vergleich zu den Federgelenken hohe Biegesteifigkeit, so dass die Schenkel bei der Kraftübertragung keine Deformation erfahren. Die Symmetrieachse jeder Parallelführung ist im nicht deformierten Zustand parallel zu den entsprechenden Koordinatenachsen x und y. Die Parallelführungen 10 und 11 sind selbst senkrecht zueinander angeordnet. Die Zwischenelemente 12 und 13 jeder Parallelführung sind miteinander fest verbunden und bilden ein Ausgangselement 26, das das zu bewegende mikrooptische Bauteil 27 trägt.
• Die beim Anlegen einer elektrischen Spannung z. B. vom piezoelektrischen Stellelement 1 hervorgerufene Längenänderung wird über das Übersetzungsgetriebe 6, das Zwischenelement 8, zwei Schenkel 18, 19 und vier Federgelenke 14, 15, 16, 17 zum Ausgangselement 26 übertragen. Dabei werden die zwei Schenkel 24, 25 der Parallelführung 11 um die Federgelenke 20, 21, 22, 23 gedreht und als Folge wird das Ausgangselement 26 translatorisch in x-Richtung versetzt. Bei der Übertragung der Längenänderung des piezoelektrischen Stellelementes 1 über das Übersetzungsgetriebe 6 versuchen das Zwischenelement 12 und das Ausgangselement 26 sich zu drehen. Da aber die beiden Schenkel 24 und 25 der Parallelführung 11 in ihrer Längsrichtung eine große Steifigkeit besitzen, wird diese parasitäre Drehung unterdrückt und von den Federgelenken aufgenommen. Für die Bewegung in y-Richtung wird das piezoelektrische Stellelement 2 aktiviert. Die Längenänderung wird über das Übersetzungsgetriebe 7, das Zwischenelement 9, die zwei Schenkel 24, 25 der Parallelführung 11 und Federgelenke 20, 21, 22, 23 in die translatorische y-Bewegung des Ausgangselementes 26 umgesetzt. Bei gleichzeitiger elektrischer Ansteuerung der beiden piezoelektrischen Stellelemente 1 und 2 realisiert das Ausgangselement 26 das gleichzeitige Positionieren in x- und y-Richtung.
• Die vorgeschlagene Anordnung von Elementen des Mikropositioniersystems lässt das Bewegen oder Positionieren des Ausgangselementes auf beliebigen Bahnkurven mit hoher Dynamik realisieren.
• Das erfindungsgemäße Mikropositioniersystem zeichnet sich gegenüber den bekannten piezoelektrischen Positioniervorrichtungen mit in Reihe geschalteten Antrieben dadurch aus, dass die piezoelektrischen Antriebe an einer Basis fixiert sind und der Freiheitsgrad der kinematischen Kette des Bewegungsmechanismus gleich Null ist. Dabei entfallen die parasitären unsteuerbaren Freiheitsgrade des Positioniersystems. In speziellen Einsatzfällen ergeben sich folgende Vorteile: einfacherer mechanischer Aufbau durch den Wegfall von Bewegungswandlern und Koppelelementen zwischen den Bewegungsachsen, geringere zu bewegende Massen, bessere Dynamik und höhere Genauigkeit.
• Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft ist, dass es durch die Verwendung der monomorphen piezoelektrischen Stellelemente und das Übersetzungsgetriebe möglich ist, das Mikropositioniersystem planar anzuordnen. Dies ermöglicht die Anwendung der bekannten Technologien der Mikrotechnik bei der Herstellung des Mikropositioniersystems sowie die Mikrostrukturierung des gesamten Systems aus Silizium oder Glas. So sind runde Teile bzw. Löcher mit Durchmesser von weniger als 50 μm realisierbar. Dadurch kann das Positioniersystem miniaturisiert und beliebig geometrisch gestaltet werden.

Claims (10)

1. Piezoelektrisches Positioniersystem für das Bewegen oder Positionieren von mikrooptischen und mikromechanischen Bauteilen, bestehend aus zwei piezoelektrischen Stellelementen (1, 2) und zwei identischen miteinander gekoppelten Parallelführungen (10, 11), dadurch gekennzeichnet, dass die zwei piezoelektrischen Stellelemente (1, 2) mit jeweils einem freien Ende über Federgelenke (28, 30) an einer gemeinsamen Basis (3) fixiert sind und mit dem jeweils anderen Ende über weitere Federgelenke (29, 31) an zwei Stegen (6, 7) angekoppelt sind, die mittels Federgelenken (4, 5) ebenfalls an einer Basis befestigt sind und zwei Übersetzungsgetriebe bilden, wobei die zwei Stege (6, 7) mit zwei ersten Zwischenelementen (8, 9) verbunden sind, die mit Federgelenken (14, 15, 21, 23) jeweils ein Ende der zwei identischen, senkrecht zueinander angeordneten Parallelführungen (10, 11) bilden, wobei die zwei Parallelführungen (10, 11) an ihrem jeweils anderen Ende zwei weitere Zwischenelemente (12, 13) mit Federgelenken (16, 17, 20, 22) aufweisen, wobei die zwei weiteren Zwischenelemente (12, 13) miteinander fest gekoppelt sind und ein Ausgangselement (26) bilden, mit dem das zu bewegende Element (27) verbunden ist, und wobei das Positioniersystem eine geschlossene kinematische Struktur bildet, so dass eine Längenänderung der piezoelektrischen Stellelemente (1, 2), hervorgerufen beim Anlegen einer elektrischen Spannung, über die Übersetzungsgetriebe mit ihren Federgelenken (4, 5) und weiter über die Parallelführungen (10, 11) mit ihren Federgelenken (14–17, 20–23) an das Ausgangselement (26) derart übertragen wird, dass dies ein planares Positionieren realisiert.
2. Piezoelektrisches Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Parallelführungen (10, 11) derart angeordnet sind, dass eine kinematische Entkopplung der Bewegung des Ausgangselementes (26) auf jeder Positionierachse gewährleistet wird.
3. Piezoelektrisches Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Freiheitsgrad der kinematischen Kette des Bewegungsmechanismus gleich Null ist und bei gleichzeitiger Ansteuerung der piezoelektrischen Stellelemente (1, 2) gleich zwei wird.
4. Piezoelektrisches Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Antriebe zwei senkrecht zueinander angeordnete monomorphe piezoelektrische Stellelemente dienen, die mit den Übersetzungsgetrieben für das gesamte Positioniersystem eine planare Anordnung gewährleisten.
5. Piezoelektrisches Positioniersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Parallelführungen (10, 11) jeweils ein Paar nicht deformierbarer Schenkel (18, 19 und 24, 25) aufweisen, die über die Federgelenke (14–17, 20–23) mit den Zwischenelementen (8, 9, 12, 13) verbunden sind.
6. Piezoelektrisches Positioniersystem nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die planare Anordnung des Positioniersystems die Verwendung von Technologien der Mikrotechnik zum Herstellen ermöglicht.
7. Piezoelektrisches Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei genügend kleinen Biegesteifigkeiten der piezoelektrischen Stellelemente (1, 2) die mit den Stellelementen (1, 2) verbundenen Federgelenke (28, 29, 30, 31) entfallen können.
8. Piezoelektrisches Positioniersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die kinematische Struktur, gestaltet aus fotosensiblem Glas, optisch transparent ist.
9. Piezoelektrisches Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses sich bei der Nutzung des direkten Piezoeffektes in den Piezoelementen (1, 2) zur Messung von Kräften und Wegen eignet.
10. Piezoelektrisches Positioniersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Kaskadieren von mehreren Positioniersystemen eine Mehrkanalmessung erreicht wird.