DE29709878U1 - Piezoelectric precision device - Google Patents

Piezoelectric precision device

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Description

U. Mescheder, Ch. Kötter Gebrauchsmusteranmeldung: Piezoelektrische Präzisionsverstelleinrichtung, AZ
29709878.0U. Mescheder, Ch. Kötter Utility model application: Piezoelectric precision adjustment device, AZ
29709878.0

Beschreibung zur Gebrauchsmusteranmeldung
Piezoelektrische Präzisionsverstelleinrichtung Description of the utility model application
Piezoelectric precision adjustment device

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend des Oberbegriffs des Schutzanspruchs I.The invention relates to a device according to the preamble of claim I.

In vielen technischen Anwendungsfeldern werden Verstell- und Positionierungsvorrichtungen mit Genauigkeiten unterhalb 1 &mgr;&eegr;&igr; benötigt. Beispiele sind etwa die Mikrotechnik (z.B. Beschriftungsanlagen, Stepper), die Meßtechnik (Objektpositionierung, Abtastung) und die Montage/Positionierung (z.B. Lichtwellenleitertechnik). In den meisten Fällen sind dabei mehrachsige Bewegungen erforderlich. Die Erfindungsmeldung betrifft eine Vorrichtung für eine piezoelektrische Antriebsvorrichtung, mit der mehrachsige Bewegungen mit einer Genauigkeit besser als 0.1 &mgr;&idiagr;&eegr; bei Verfahrwegen von mehr als 100 mm durchgeführt werden können.In many technical fields of application, adjustment and positioning devices with accuracies of less than 1 μηι are required. Examples include microtechnology (e.g. labeling systems, steppers), measurement technology (object positioning, scanning) and assembly/positioning (e.g. fiber optic technology). In most cases, multi-axis movements are required. The invention application relates to a device for a piezoelectric drive device with which multi-axis movements can be carried out with an accuracy of better than 0.1 μηι with travel distances of more than 100 mm.

Stand der TechnikState of the art

Piezoelektrische Verstelleinrichtungen sind bekannt und werden z.B. in Lichtfaserpositionierungen, in Rastertunnelmikroskopen und optischen Belichtungsgeräten (Steppern) eingesetzt.Piezoelectric adjustment devices are well known and are used, for example, in optical fiber positioning, in scanning tunneling microscopes and optical exposure devices (steppers).

So wird in einer früheren Patentmeldung (Burleigh, 1974, 3,902,084) eine einachsige piezoelektrische elektromechanische Translations-Verstelleinrichtung vorgestellt, die nach dem sogenannten Inch-worm-Prinzip arbeitet und bei der 3 tubusförmige Piezoelemente in aneinanderstoßender Anordnung um eine Welle montiert werden. Die Piezoelemente bewegen dann die Welle durch eine geeignete Spannungsabfolge.For example, an earlier patent application (Burleigh, 1974, 3,902,084) presents a single-axis piezoelectric electromechanical translation adjustment device that works according to the so-called inch-worm principle and in which three tubular piezo elements are mounted in abutting arrangement around a shaft. The piezo elements then move the shaft using a suitable voltage sequence.

Andere Anmeldungen (Teldix GmbH, Gebrauchsmuster 1987 und Patent DE3934968A1) beziehen sich auf Verstellungen im Bereich von wenigen &mgr;&eegr;&igr;, wobei Piezoelemente mit einer speziellen Verbindungstechnik zu Stapeln zusammengefaßt werden.Other applications (Teldix GmbH, utility model 1987 and patent DE3934968A1) refer to adjustments in the range of a few μηλ, where piezo elements are combined into stacks using a special connection technology.

Eine zweiachsige Vorrichtung allerdings für nur sehr kleine Bewegungsbereiche wurde durch Jenoptik GmbH vorgestellt (1984, DE3511447 Al). Hierbei wird ein Objektträgerteil auf verschleißfesten Flächen von Piezoschwinger-Andmcksystemen geführt und durch Piezostreifen bewegt.A two-axis device, however, for only very small ranges of movement, was presented by Jenoptik GmbH (1984, DE3511447 Al). Here, a specimen slide part is guided on wear-resistant surfaces by piezo oscillator clamping systems and moved by piezo strips.

U. Mescheder, Ch. Kötter Gebrauchsmusteranmeldung: Piezoelektrische Präzisionsverstelleinricfitung, AZ
29709878,0U. Mescheder, Ch. Kötter Utility model application: Piezoelectric precision adjustment device, AZ
29709878.0

Seite 2 der Beschreibung zur Gebrauchsmusteranmeldung Piezoelektrische Präzisionsversteileinrichtung Page 2 of the description of the utility model application Piezoelectric precision adjustment device

Größere Stellwege werden durch ein aus dem inch worm-Antrieb abgeleitetes Prinzip möglich, bei dem Stell- und Klemmantriebe die reibschlüssige Verbindung zu einem Führungsband herstellen. Dieses Verfahren ermöglicht größere Bewegungsw,ege in einer Achse, wobei durch die gewählte Ansteuerung sowohl Step- wie auch Linearbetrieb möglich ist (PI, Patentanmeldung 1993).Larger travel distances are made possible by a principle derived from the inch worm drive, in which actuating and clamping drives create a frictional connection to a guide belt. This method enables larger travel distances in one axis, whereby both step and linear operation are possible thanks to the selected control (PI, patent application 1993).

Eine Steilwegserweiterung bei Aufrechterhaltung einer großen Genauigkeit und freier Bewegungsmöglichkeit auch in mehreren Achsen wird durch einen Hybridantrieb erreicht, bei dem der Piezoantrieb zur Feinverstellung und ein konventioneller Linear- oder Stepmotor zur Grobverstellung genutzt wird. (Brain GmbH 1992, Gebrauchsmuster 692095215.1)An extension of the steep path while maintaining a high level of accuracy and free movement in several axes is achieved by a hybrid drive in which the piezo drive is used for fine adjustment and a conventional linear or stepper motor for coarse adjustment. (Brain GmbH 1992, utility model 692095215.1)

Nachteile der genannten LösungenDisadvantages of the solutions mentioned

Die genannten Verstelleinrichtungen haben folgende Nachteile:The adjustment devices mentioned have the following disadvantages:

- ohne Klemm- und Vorschubvorrichtung nach dem inch-worm-Prinzip sind piezoelektrisch
auch bei Stellwegserweiterung durch entsprechende Übersetzungen nur wenige hundert &mgr;&eegr;&igr;
Verstellwege möglich.- without clamping and feed device according to the inch-worm principle are piezoelectric
Even with an extension of the travel range by means of appropriate gear ratios, only a few hundred μgr;&eegr;&igr;
Adjustment ranges possible.

- bei Hybridantrieben ist dagegen die schlupffreie Ankoppelung der Antriebsarten und die
regelungstechnische Koppelung der Steuerung für die verschiedenen Antriebsarten schwierig.- in hybrid drives, however, the slip-free coupling of the drive types and the
Control-technical coupling of the control for the different drive types is difficult.

- bisher vorgestellte inch-worm-Antriebe sind konstruktionsbedingt nur für einachsige
Bewegungen geeignet.- inch-worm drives presented so far are, due to their design, only suitable for single-axle
movements.

- Bei allen Konstruktionen besteht ein großer Montageaufwand.- All constructions require a great deal of assembly effort.

- Die Anforderungen an die Präzision der mechanischen Elemente (Fertigungstoleranzen) sind extrem.- The requirements for the precision of the mechanical elements (manufacturing tolerances) are extreme.

- Die Einbindung von üblichen Wegmeßsystemen ist bei den Lösungen für größere Stellwege bis auf den Hybridantrieb nicht berücksichtigt.- The integration of conventional position measuring systems is not taken into account in the solutions for larger travel distances except for the hybrid drive.

- Die Lösung von PI ist nur für den einachsigen Betrieb geeignet, für eine Achse werden 2
Stelleinrichtungen (z.B. durch Piezos betätigt) und 2 Antriebspiezos benötigt.- The PI solution is only suitable for single-axis operation, for one axis 2
Adjusting devices (e.g. operated by piezos) and 2 drive piezos are required.

U. Mescheder, Ch. Kötter Gebrauchsmusteranmeldung: Piezoelektrische Präzistonsverstelleinrichtung, AZ
29709878.0U. Mescheder, Ch. Kötter Utility model application: Piezoelectric precision adjustment device, AZ
29709878.0

Seite 3 der Beschreibung zur Gebrauchsmusteranmeldung Piezoelektrische Präzisionsverstelleinrichtung Page 3 of the description of the utility model application Piezoelectric precision adjustment device

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Die Erfindung soll für eine mehrachsige Verstelleinheit einsetzbar sein (z.B. xy-Tisch). Mit der Vorrichtung sollen Bewegungen von wenigen &mgr;&pgr;&igr; bis zu mehreren hundert mm mit nur einerThe invention is intended to be applicable to a multi-axis adjustment unit (e.g. xy-table). The device is intended to enable movements of a few μπλ up to several hundred mm with only one

Antriebsart möglich sein. Bei hoher Genauigkeit (<0.1 &mgr;&eegr;&igr;) sollen nur normale mechanische *&diams;·*·! Fertigungstoleranzen nach dem Stand der Technik erforderlich sein. Gängige hochgenaue ,··*·«drive type should be possible. With high accuracy (<0.1 μgr;&eegr;&igr;) only normal mechanical *&diams;·*·! manufacturing tolerances according to the state of the art should be required. Common high-precision ,··*·«

Wegmeßsysteme (z.B. Glasmaßstäbe, Interferometer) sollen verwendet werden können. DieDistance measuring systems (e.g. glass scales, interferometers) should be able to be used.

Verstelleinrichtung soll in einem Regelkreis betrieben werden. * *""Adjustment device should be operated in a control loop. * *""

Beschreibung der LösungDescription of the solution

Die vorgenannten Aufgaben werden durch eine in Figur 1 beispielhaft dargestellte Verstelleinrichtung gelöst, bei der pro Bewegungsachse 3 Verstellelemente, hier Piezoelemente ( oder auch andere Festkörper-Antriebe z.B. aus Formgedächnis-Legierung, aus magnetostriktiven oder elektrostriktiven Materialien), benötigt werden. Hierbei dienen 2 Piezoelemente zur Klemmung (2,4) und 1 Element (3) zum eigentlichen Antrieb. Die für die Klemmung (2,4) zuständigen Verstellelemente sind parallel angeordnet, das für die Bewegung zuständige Verstellelement (3) senkrecht zu diesen (und parallel zur Bewegungsrichtung) im zentralen Bereich der Vorrichtung. Es sind aber auch andere Formen der Anordnung denkbar, z.B. können alle Verstellelemente parallel zur Bewegungsachse des Tisches liegen und die Umlenkung für die Klemmung über monolithisch integrierte Hebelgelenke erfolgen. Damit sind sehr schlanke Aufbauten bei einachsigen Antrieben möglich.The above tasks are solved by an adjustment device shown as an example in Figure 1, in which 3 adjustment elements, here piezo elements (or other solid-state drives, e.g. made of shape memory alloy, magnetostrictive or electrostrictive materials), are required per movement axis. Here, 2 piezo elements are used for clamping (2,4) and 1 element (3) for the actual drive. The adjustment elements responsible for clamping (2,4) are arranged in parallel, the adjustment element (3) responsible for movement is arranged perpendicular to these (and parallel to the direction of movement) in the central area of the device. However, other forms of arrangement are also conceivable, e.g. all adjustment elements can be parallel to the table's movement axis and the deflection for clamping can take place via monolithically integrated lever joints. This makes very slim structures possible with single-axis drives.

Das in Figur 1 dargestellte Vorschubelement besteht aus einem Grundkörper (9), welcher monolithisch aufgebaut ist. In diesem Grundkörper sind die Aufnahme für die Verstellelemente (in diesen Fall Piezoelemente), die Federn (5), Aussparungen zum Anbringen von zusätzlich benötigten Elementen (z.B. Tellerfedern oder Schrauben)(8,10) und spezielle Einstellmöglichkeiten (6,11) angebracht. Die Einstellmöglichkeit (6) kann Fertigungstoleranzen ausgleichen. Zusätzlich können Elemente zur Stell Wegvergrößerung der Verstellelemente (12) integriert werden, um ein bessere Bewegung zu gewährleisten (z.B. Hebelgelenke). Die Verstellelemente sind auch ohne Übersetzung funktionsfähig. In diesem Beispiel wird eine Wegübersetzung für die Klemmpiezos dergestalt ausgeführt, daß bei ausreichender KlemmkraftThe feed element shown in Figure 1 consists of a base body (9) which is monolithically constructed. In this base body, the holder for the adjustment elements (in this case piezo elements), the springs (5), recesses for attaching additionally required elements (e.g. disc springs or screws) (8,10) and special adjustment options (6,11) are mounted. The adjustment option (6) can compensate for manufacturing tolerances. In addition, elements for increasing the travel of the adjustment elements (12) can be integrated in order to ensure better movement (e.g. lever joints). The adjustment elements can also function without a transmission. In this example, a transmission for the clamping piezos is designed in such a way that with sufficient clamping force

U. Mescheder, Ch. Kotier Gebrauchsmusteranmeldung: Piezoelektrische Präzisions verstelleinrichtung, AZ
29709878.0U. Mescheder, Ch. Kotier Utility model application: Piezoelectric precision adjustment device, AZ
29709878.0

Seite 4 der Beschreibung zur Gebrauchsmusteranmeldung Piezoelektrische Präzisionsverstelleinrichtung Page 4 of the description of the utility model application Piezoelectric precision adjustment device

eine Stellwegerweiterung der Piezostapel (hier 30 &mgr;&eegr;&igr;) von bis zu 80% erreicht wird. Anstelle der Piezoelemente können wahlweise auch andere Stellvorichtungen zur Klemmung eingesetzt werden. Möglich wäre hier auch der Einsatz von Formgedächnislegierungen oder einem elektomechanischen Klemmsystem. Die Verwendung gleicher Antriebsprinzipien für Klemmung und Vorschub verringert den Aufwand bei der Ansteuerung.an extension of the travel of the piezo stack (here 30 μηι) of up to 80% is achieved. Instead of the piezo elements, other actuating devices can also be used for clamping. The use of shape memory alloys or an electromechanical clamping system would also be possible here. The use of the same drive principles for clamping and feed reduces the effort required for control.

Die beiden Klemmelemente werden ausschließlich für das Halten oder Loslassen des Tisches eingesetzt. Die Bewegung selbst wird vom mittleren Verstellelement (3) aktiviert. Das mittlere Verstellelement (3) bewegt eine verschleißfeste Vorrichtung (1) entlang einer Führung und erzeugt durch Ausdehnung oder Zusammenziehen eine Bewegung des Tisches. Hierbei wird durch eine sequentielle Ansteuerung der 3 Verstellelemente (2,3,4) pro Bewegungsachse ein Schrittbetrieb erreicht. Die Bewegung wird durch Klemmung von einem oder zwei Verstellelementen in jeder Sequenz gewährleistet ist. Der Ausgangszustand ist immer durch die Klemmung von zwei Verstellelementen definiert.The two clamping elements are used exclusively for holding or releasing the table. The movement itself is activated by the middle adjustment element (3). The middle adjustment element (3) moves a wear-resistant device (1) along a guide and generates a movement of the table by expanding or contracting. A step operation is achieved by sequentially controlling the 3 adjustment elements (2,3,4) per movement axis. The movement is ensured by clamping one or two adjustment elements in each sequence. The initial state is always defined by the clamping of two adjustment elements.

Figur 2 ist ein Schnitt durch Figur 1 entlang der gestrichelten Linie: Die Vorrichtung kann im bewegten Zustand das zu bewegende Objekt aber auch weitere Bewegungsachsen, falls mehrachsiger Betrieb gewünscht wird, aufnehmen. Gleichzeitig können auf dieser Vorrichtung Positionsmeßgeräte montiert werden ( z.B. Referenzspiegel zur Messung mit einem Interferometer oder Glasmaßstäbe (17) oder andere).Figure 2 is a section through Figure 1 along the dashed line: The device can accommodate the object to be moved in the moving state, but also other axes of movement if multi-axis operation is desired. At the same time, position measuring devices can be mounted on this device (e.g. reference mirrors for measuring with an interferometer or glass scales (17) or others).

Das zu tragende Objekt wird über eine Führung (15) mit sehr geringen Reibungsverlusten (Kreuzrollenführung, Linearkugelführungen u.s.w. ) bewegt. Dadurch wird es möglich, die Verstelleinrichtung (9) über die Abdeckplatte (1) mit mehreren kg zu belasten. Diese Führung ist parallel zur Bewegungsrichtung montiert und begrenzt mit ihrer Länge den Verfahrweg. Durch den Einsatz einer längeren Führung läßt sich der Verfahrweg vergrößern. Die verschleißfreie Führung (1) ist direkt an die Linearführung und somit mit der Grundmontageplatte (16) gekoppelt.The object to be carried is moved via a guide (15) with very low friction losses (cross roller guide, linear ball guide, etc.). This makes it possible to load the adjustment device (9) with several kg via the cover plate (1). This guide is mounted parallel to the direction of movement and its length limits the travel path. The travel path can be increased by using a longer guide. The wear-free guide (1) is directly coupled to the linear guide and thus to the base mounting plate (16).

Figur 3 zeigt ein Beispiel für einen mehrachsigen Ausbau, in diesem Fall einen xy-Tisch.Figure 3 shows an example of a multi-axis setup, in this case an xy table.

U. Mescheder, Ch. Kotier Gebrauchsmusteranmeldung: Piezoelektrische Präzisionsverstelleinrichtung, AZ
29709878.0U. Mescheder, Ch. Kotier Utility model application: Piezoelectric precision adjustment device, AZ
29709878.0

Seite 5 der Beschreibung zur Gebrauchsmusteranmeldung Piezoelektrische Präzisionsverstelleinrichtung Page 5 of the description of the utility model application Piezoelectric precision adjustment device

Figur 4: Die Verstelleinrichtung ist über einen Regelkreis ansteuerbar. Es können Daten z.B. aus gängigen CAD-Systemen über ein Eingabefile (25) eingelesen werden. Diese Daten werden von einem PC (24) (auch andere Rechnersysteme sind möglich) eingelesen. Über einen D/A-Wandler (21) werden die Steuersignale an die Leistungselektronik (20) weitergeleitet. Von dort werden * die 3 Piezoelemente pro Achse angesteuert. Die Position wird von einem Wegmeßsystem (23) ,···", registriert und aufgezeichnet und über eine PC-Karte (22) in das Rechnersystem (24) eingelesen. Die Regelung erfolgt über entsprechende Software und Hardware.Figure 4: The adjustment device can be controlled via a control loop. Data can be read in, for example, from common CAD systems via an input file (25). This data is read in by a PC (24) (other computer systems are also possible). The control signals are forwarded to the power electronics (20) via a D/A converter (21). From there, * the 3 piezo elements per axis are controlled. The position is registered and recorded by a position measuring system (23) "···", and read into the computer system (24) via a PC card (22). The control is carried out using appropriate software and hardware.

Vorteile durch die ErfindungAdvantages of the invention

Die Erfindung gemäß Anspruch 1 hat folgende Vorteile:The invention according to claim 1 has the following advantages:

- für sehr kleine (&mgr;&eegr;&igr;) und sehr große (hundert mm) Verfahrwege geeignet- suitable for very small (μ&eegr;&igr;) and very large (hundred mm) travel distances

- mehrachsige Bewegungen sind möglich- multi-axis movements are possible

- Genauigkeit unterhalb 0.1 &mgr;&eegr;&igr;- Accuracy below 0.1 μηι

- kommt mit einer geringen Anzahl von Stell- und Klemmvorrichtungen aus- requires a small number of adjustment and clamping devices

- ist kostengünstig fertig- und montierbar,- can be manufactured and assembled cost-effectively,

- kann in einem Regelkreis unter Verwendung gängiger Wegmeßsysteme benutzt werden- can be used in a control loop using common position measuring systems

- erlaubt die Verwendung konventioneller Führungen- allows the use of conventional guides

- kann auch größere Lasten (bis kg) bewegen- can also move larger loads (up to kg)

- durch eine dynamische Feinregelung wirkt das System aktiv vibrationsdämpfend- through dynamic fine control, the system actively dampens vibrations

SchlagworteTags

piezoelektrische Verstelleinrichtung, Präzisionstisch, piezoelektrischer Schrittmotorpiezoelectric adjustment device, precision table, piezoelectric stepper motor

piezoelectrical stepping motor, high-precision movementpiezoelectric stepping motor, high-precision movement

Claims (4)

U. Mescheder, Ch. Kötter Gebrauchsmusteranmeldung: Piezoelektrische Präzisionsverstelleinriciitung, AZ 29709878.0 Schutzansprüche zur Gebrauchsmusteranmeldung Piezoelektrische PräzisionsverstelleinrichtungU. Mescheder, Ch. Kötter Utility model application: Piezoelectric precision adjustment device, AZ 29709878.0 Protection claims for the utility model application Piezoelectric precision adjustment device 1. Vorrichtung zur hochgenauen, mehrachsigen Bewegung mit Piezoelementen nach dem inchworm-Prinzip 1. Device for high-precision, multi-axis movement with piezo elements based on the inchworm principle dadurch gekennzeichnet,characterized, - daß alle zum Antrieb notwendigen Vorrichtungen pro Bewegungsachse in einem monolithischen Block mit gleichzeitiger Klemm- und Antriebsfunktion angeordnet sind.- that all devices required for driving per movement axis are arranged in a monolithic block with simultaneous clamping and driving function. 2. Vorrichtung nach Schutzanspruch 1 weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß2. Device according to claim 1, further characterized in that - weitere Bewegungsachsen auf die jeweils vorherige montiert werden;- additional movement axes are mounted on the previous one; - die Vorschubeinheit in gängige Führungen eingepaßt werden kann;- the feed unit can be fitted into common guides; - übliche hochgenaue Meßsysteme (Interferometer, Glasmaßstäbe) integriert werden können;- common high-precision measuring systems (interferometers, glass scales) can be integrated; 3. Vorrichtung nach Schutzanspruch 1 weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß3. Device according to claim 1, further characterized in that - eine Klemmung und damit Arretierung der Vorrichtung leistungslos (spannungslos) gegeben- a clamping and thus locking of the device without power (without voltage) is given - die Klemmvorrichtung über Piezoelemente (oder auch andere Festkörperaktoren) betätigt wird;- the clamping device is operated via piezo elements (or other solid-state actuators); - die Betätigung der Klemmelemente durch eine monolithisch integrierte Hubübersetzung erfolgt;- the clamping elements are actuated by a monolithically integrated stroke transmission ; - eine reibschlüssige Verbindung zwischen Antriebselement und zu bewegendem Teil hergestellt wird;- a frictional connection is established between the drive element and the part to be moved ; - alle Kontaktflächen für die reibschlüssige Verbindung aus gehärteten, verschleißfesten Materialien hergestellt werden;- all contact surfaces for the frictional connection are made of hardened, wear-resistant materials; - die Ankoppelung der Vorschubpiezos zu den Klemmvorrichtungen über einen monolithisch gefertigten, spielfreien Federblock erfolgt;- the feed piezos are coupled to the clamping devices via a monolithically manufactured, play-free spring block; 4. Vorrichtung nach Schutzanspruch 1 weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß4. Device according to claim 1, further characterized in that - die Schrittweite zwischen 30 &mgr;&eegr;&igr; und wenigen nm wählbar ist;- the step size can be selected between 30 μηι and a few nm; - Verfahrwege unterhalb etwa 20 &mgr;&pgr;&igr; im Linearmode zurückgelegt werden;- travel distances below approximately 20 μπα are covered in linear mode; - die Verfahrgeschwindigkeit durch Schrittweite und Ansteuerungsfrequenz variiert wird.- the travel speed is varied by step size and control frequency. - die Vorrichtung in einem Regelkreis betrieben wird.- the device is operated in a control loop.
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