DE4408618A1 - Verstellantrieb aus Bimorphelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung mit einem Piezoantrieb, insbesondere für feinmechanisch- optische Geräte und dergleichen, bestehend aus zumin­ dest einem Piezo-Schwinger, der durch Anlegen unter­ schiedlich gesteuerter elektrischer Spannungen eine Längenänderung erfährt und abwechselnd über sein freies Ende mit einem Abtriebselement in Wirkverbindung ge­ langt derart, daß bei Bestehen der Wirkverbindung eine Bewegungsübertragung auf das Abtriebselement erfolgt, wogegen bei aufgehobener Wirkverbindung der Piezo­ schwinger im Bereich seines freien Endes eine Rückstel­ lung zur Vorbereitung der nächsten Bewegungsübertragung erfährt, so daß das Abtriebselement die Verstellbewe­ gung in der gewünschten Richtung durchführt.

Bekannte Verstelleinrichtungen aus Piezoschwingern sind beispielsweise die sogenannten Mikrostoßantriebe: Hier­ bei ist ein Piezoschwinger einseitig befestigt, während er mit seinem freien Ende schräg gegen einen Rotor ge­ drückt wird. Wird nun der Piezoschwinger mit einer hochfrequenten Wechselspannung erregt, die im Bereich der Resonanzfrequenz des Schwingers liegt, so führt der Schwinger stehende Längs- und Biegeschwingungen aus. Dies hat die Erzeugung einer ellipsenähnlichen Schwing­ bewegung des freien Schwingerendes gegenüber dem Rotor zur Folge, die über Gleitreibungskräfte die Drehung des Rotors hervorruft. Durch den Verkeilungseffekt bewegt sich der Rotor vorwärts, wogegen das Schwingerende bei seiner Rückwärtsbewegung am Rotor entlanggleitet oder abhebt.

Diese Art von Mikrostoßantrieben ist jedoch nur dazu in der Lage, den Rotor in einer Bewegungsrichtung anzu­ treiben. Um einen reversierbaren Antrieb zu erhalten, muß man einen weiteren Piezoschwinger vorsehen, der in umgekehrter Richtung am Rotor angreift, wobei sich je­ weils der eine Piezoschwinger außer Wirkverbindung mit dem Rotor befinden muß, wenn eine Bewegung entsprechend der Antriebsrichtung des anderen Piezoschwingers er­ zeugt werden soll.

Die genannten Mikrostoßantriebe haben allerdings einen großen Nachteil, da die verwendeten Piezoschwinger mit einer hochfrequenten Wechselspannung im Ultraschallbe­ reich angeregt werden müssen, um stehende Längs- und Biegeschwingungen zu erzeugen, die erst das Arbeiten mit den Mikrostoßantrieben ermöglichen. Eine einfache Längsschwingung, wie sie bei quasi-statischer Span­ nungsbeaufschlagung erzeugt würde, könnte nicht zu einem Antreiben, sondern nur zu einem Hin- und Herbewe­ gen des Rotors in der Größenordnung der Längenänderung des Piezoschwingers führen.

Aufgrund der angelegten hochfrequenten Wechselspannung sind derartige Antriebe auch nur als Dauerläufer oder bei Burststeuerung zum Zurücklegen von Schrittweiten von einigen 10 bis 100 nm zu benutzen. Ein genaues Positionieren, wie es insbesondere bei feinmechanisch- optischen Geräten erforderlich wäre, ist hiermit jeden­ falls nicht möglich, da mit einem in Resonanz befindli­ chen Schwinger weder eine genau definierte Verstellung durchführbar ist, noch der genaue Angriffspunkt zwi­ schen Rotor und Schwinger festgelegt werden kann und im übrigen unklar ist, ob und wie sich der Rotor während der Rückstellbewegung des Schwingers weiterbewegt.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu­ grunde, einen Stellantrieb zur Verfügung zu stellen, der ein Arbeiten im quasi-statischen Frequenzbereich und somit das Erzeugen kleinster Strecken und ein re­ produzierbares Positionieren mit Auflösung bis in den Subnanometerbereich ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Piezoschwinger mindestens zwei Aktoren aufweist, die parallel nebeneinander und in Antriebsrichtung hintereinander angeordnet und zur Bildung eines Bi­ morphelementes fest miteinander verbunden sind, daß die Aktoren sich etwa senkrecht zur gewünschten Bewegungs­ richtung erstrecken und daß sie elektrisch voneinander entkoppelt und getrennt ansteuerbar sind, derart daß unter Ausnutzung einer unterschiedlichen Dehnung zusam­ mengehöriger Aktoren deren Verbiegung und somit eine Bahnkurve in Längs- und Querrichtung des Bimorphelemen­ tes erzeugt wird, wobei die Rückstellung aktiv unter Abheben vom Abtriebselement erfolgt.

Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß das Bimorphelement auch deutlich unterhalb der Resonanzfrequenz, also im quasi-statischen Frequenzbereich nicht nur Bewegungen in Längsrichtung, sondern auch in Querrichtung durch­ führen kann, da beispielsweise die Kürzung eines Aktors bei gleichzeitiger Verlängerung des benachbarten Aktors aufgrund der festen Verbindung der Aktoren zu einer seitlichen Auslenkung des freien Bimorphelement-Endes auf die Seite führt, auf der sich der verkürzte Aktor befindet. Daraus folgt, daß bei entsprechend gesteuer­ ter Spannungsbeaufschlagung der Aktoren dem freien Ende des Bimorphelementes eine Bewegung in zwei Koordinaten­ richtungen, beispielsweise eine Ellipsenbewegung auf­ zwingbar ist. Hierbei wird der obere Bereich einer solchen Ellipsenbahnkurve dazu verwendet, die Be­ wegungsübertragung in der gewünschten Richtung durchzu­ führen, während der untere Bereich, bei dem die Wirk­ verbindung zwischen Bimorphelement und Abtriebselement aufgehoben ist, für die Rückstellung zur Vorbereitung der nächsten Bewegungsübertragung genutzt wird.

Ein noch effektiveres Antriebsverhalten ergibt sich insbesondere dann, wenn die Spannungsverläufe der bei­ den Aktoren eines Bimorphelementes um etwa 90° phasen­ verschoben sind und die beiden Aktoren mit einer etwa sägezahnförmigen Wechselsparinung beaufschlagt werden, so daß sich eine möglichst gleichmäßige Vortriebsbe­ wegung ergibt.

Zweckmäßig sind zumindest zwei Bimorphelemente vorge­ sehen, so daß beide abwechselnd für die Bewegungsüber­ tragung sorgen, während jeweils das Bimorphelement, das sich mit seinem freien Ende im unteren Bereich der jeweiligen Bahnkurve befindet, rückgestellt wird. Damit ist sichergestellt, daß das Abtriebselement während der Rückstellung des Bimorphelementes keine undefinierte Bewegung durchführt, sondern weiter in der gewünschten Richtung bewegt wird, also den doppelten Weg pro Zeit zurück legt.

Werden zwei Gruppen von Bimorphelementen eingesetzt, läßt sich die Anpressung des Piezoantriebes am Ab­ triebselement und auch die Genauigkeit beim Positionie­ ren weiter verbessern. Hierbei sind die beiden Gruppen zweckmäßigerweise jeweils parallel geschaltet, das heißt die neben- oder hintereinander angeordneten Bi­ morphelemente werden möglichst gleichmäßig in Gruppen mit gleichen Spannungsverläufen aufgeteilt.

Hierbei ist es zweckmäßig, daß die Bimorphelemente an eine Steuerung angeschlossen sind, die die Wirkverbin­ dung eines jeden Bimorphelementes mit dem Abtriebsele­ ment erst dann aufhebt, nachdem die Wirkverbindung des Abtriebselementes mit dem anderen Bimorphelement herge­ stellt ist. Dadurch ist sichergestellt, daß im kriti­ schen Moment des Antriebswechsels dennoch eine sichere Klemmung des Abtriebselementes vorliegt, wodurch die Zustellgenauigkeit verbessert wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die Verstellbe­ wegungen der Bimorphelemente überlappen, was durch ge­ eignete Spannungsverläufe, beispielsweise durch Beauf­ schlagung mit einer sägezahnförmigen Wechselspannung erreicht werden kann. Hierdurch erhält man einen konti­ nuierlichen Antrieb ohne Kraftflußunterbrechnung unter Vermeidung des Nachteils, daß die gewünschte Verstell­ bewegung des Abtriebselementes zur Rückstellung eines Bimorphelementes unterbrochen werden muß.

Auch das Hinzufügen weiterer Bimorphelement-Gruppen wirkt sich positiv auf das Antriebsverhalten aus. Als beste Konstellation hat sich die Anordnung von zwei oder mehr Bimorphelement-Paaren herausgestellt, wobei entsprechend zusammengehörige Aktoren der Paare paral­ lelgeschaltet, aber alle vier Aktoren eines Paares mit versetzten Spannungsverläufen beaufschlagt sind.

In jedem, also nicht nur im idealen Fall ist es vor­ teilhaft, wenn die Bimorphelemente mit gleichen, zeit­ lich versetzten Spannungsverläufen beaufschlagt werden.

Für die oben erwähnten Anwendungsbereiche weist die auf die Bimorphelemente einwirkende Spannung eine Frequenz auf, die insbesondere unterhalb des Ultraschallfre­ quenzbereiches liegt. Aufgrund der Vermeidung von Reso­ nanzschwingungen der Bimorphelemente ist eine Auflösung der Zustellbewegungen bis in den unteren Nanometerbe­ reich möglich. Jedoch soll sich der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung nun nicht ausschließlich auf den genannten Frequenzbereich beschränken, da eine Er­ regung im Ultraschallbereich für Zustellbewegungen mit hohen Geschwindigkeiten sinnvoll ist und hierbei die Spannungsamplitude beispielsweise zehnmal höher bzw. eine um den Faktor 10 kleinere Spannung erforderlich ist. Weil darüber hinaus die Phasenverschiebung im Resonanzbereich 90° beträgt, reicht es hierbei aus, die eine Elektrode des Bimorphelementes entsprechend anzu­ steuern, wobei die andere Elektrode jeweils automatisch um 90° nacheilt.

Grundsätzlich kann das Bimorphelement entweder über seine Stirnfläche, über eine Seitenfläche oder aber über ein mit dem Bimorphelement in Verbindung stehendes Zwischenglied in Wirkverbindung mit dem Abtriebselement gelangen. Das Angreifen an der Stirnfläche des Bimorph­ elementes empfiehlt sich insbesondere dann, wenn dieses - wie oben beschrieben - als Antrieb verwendet wird. Andererseits kann jedoch das Bimorphelement statt als Antriebselement auch als Selbstläufer eingesetzt werden. Dabei kann sich das Bimorphelement entsprechend den Verstellbewegungen auf einer ortsfesten Unterlage fortbewegen, was einer kinematischen Umkehr zum oben beschriebenen Antrieb entspricht.

Befand sich beim Einsatz als Antrieb die Bahnkurve noch parallel zur Längserstreckung der Bimorphelemente, so ist es bei einer Verwendung als Selbstläufer zweckmä­ ßig, über eine Seitenfläche der Bimorphelemente in Wirkverbindung mit dem Abtriebselement, das heißt mit der Unterlage zu gelangen. Hierdurch wird vor allem eine stabilere Auflage des aus mehreren Bimorphelemen­ ten bestehenden Läufers auf der Unterlage und ebenso eine geringere Bauhöhe des Läufers erreicht. Das Anlie­ gen an den Seitenflächen erfolgt natürlich vor allem im Bereich des freien Endes der Bimorphelemente, da dort die Verstellbewegung am größten ist.

Für die Verwendung als Selbstläufer ist es insbesondere von Vorteil, wenn mit den beiden ein Bimorphelement bildenden Aktoren ein weiteres Aktorenpaar fest verbun­ den ist, wobei sich die beiden Aktorenpaare nebeneinan­ der befinden und im Querschnitt gesehen eine Viereck­ anordnung bilden sollten. Hierdurch wird sowohl das Ab­ heben von der ortsfesten Unterlage, das zur Vorberei­ tung der Rückstellung des jeweiligen Bimorphelementes erforderlich ist, als auch eine hierzu senkrechte Ver­ stellbewegung erreicht, da die vier zu einem Doppelbi­ morphelement zusammengefaßten Aktoren durch entspre­ chende Spannungsbeaufschlagung beliebig aufeinander ab­ gestimmt werden können.

Werden jedoch solche Doppelbimorphelemente nicht als Selbstläufer, sondern als Antriebe verwendet, so ermög­ lichen sie eine Verstellbewegung in die zweite Dimen­ sion der Abtriebselementebene. Hierbei erfolgt das Auf­ heben der Wirkverbindung wie bei den oben geschilderten Antrieben durch Verkürzen der Doppelbimorphelemente.

In jedem Fall ist es aber bei der Verwendung sowohl als Antrieb als auch als Selbstläufer sinnvoll, wenn die freien Enden der Bimorphelemente, die mit dem Abtriebs­ element bzw. mit der Unterlage in Wirkverbindung gelan­ gen, gleichmäßig über diese verteilt sind, um eine stabile Auflage zu schaffen. Bei den Selbstläufern wird dies insbesondere durch eine Doppelkammanordnung von zueinander parallelen Doppelbimorphelementen erreicht, wie es in Fig. 4 dargestellt ist.

Diese Doppelanordnung kann noch derart erweitert werden, wenn zusätzlich zumindest zwei weitere Bimorph­ elemente vorgesehen werden, die sich in der gleichen Ebene, aber senkrecht zu den ersten Bimorphelementen erstrecken und ebenfalls zueinander parallel sind. Dabei ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß eine Be­ wegung in der zweiten Dimension und somit sogar belie­ bige ebene Kreis- und Kurvenbewegungen möglich sind.

Während bei den oben genannten, als Läufer verwendeten Bimorphelementen deren Gewichtskraft für ein ständiges Andrücken der Bimorphelemente auf dem Boden sorgt, ist es bei den Piezoantrieben besonders zweckmäßig, daß sie durch zumindest ein Federelement in Wirkverbindung mit dem Abtriebselement bringbar sind und die Wirkverbin­ dung jedes Bimorphelementes durch Spannungsbeaufschla­ gung aufhebbar ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß aufgrund des permanenten Andrückens durch das Federelement ein sicheres Klemmen des Abtriebselementes zu jedem Zeitpunkt gewährleistet ist, sich also immer mindestens ein Bimorphelement in Wirkverbindung mit dem Abtriebselement befindet. Das Aufheben der Wirkverbin­ dung erfolgt durch das jeweilige Bimorphelement selbst, wodurch unvermeidliche Wegdifferenzen sich nicht mehr negativ auf die Qualität der Klemmung auswirken können. Da lediglich die Relativwege und nicht die Absolutlän­ gendifferenzen der Bimorphelemente für das Klemmen bzw. Abheben relevant sind, haben somit Längenschwankungen der Bimorphelemente durch Temperatur-, Alterungs- und Umwelteinflüsse keinen Einfluß auf ein zuverlässiges Betriebsverhalten des Piezoantriebes. Die Bimorphele­ mente können daher mit geringen Präzisionsanforderungen und somit kostengünstiger hergestellt werden.

Zur Herbeiführung der Wirkverbindung zwischen Bimorph­ element und Abtriebselement besteht zum einen die Mög­ lichkeit, daß das Federelement auf das Abtriebselement einwirkt; zum anderen kann aber das Federelement statt­ dessen auf die Bimorphelemente einwirken, wobei es hierbei besonders vorteilhaft ist, diese an einer ge­ meinsamen Basis zu montieren. Dadurch ist sicherge­ stellt, daß immer das momentan längere Bimorphelement die Wirkverbindung garantiert, während das kürzere Bi­ morphelement seine Rückstellung durchführen kann.

Zweckmäßigerweise wird die gemeinsame Basis dadurch ge­ bildet, daß bei aus Piezokeramik bestehenden Bimorph­ elementen diese durch kammartiges Heraussägen einzelner Kammzinken aus einer Piezokeramikplatte hergestellt sind, wobei der sich senkrecht zu den Zinken er­ streckenden Kammsteg als gemeinsame Basis die Verbin­ dung zwischen den Bimorphelementen aufrechthält. Hier­ bei werden die einzelnen Aktoren in der Art herge­ stellt, daß die elektrisch voneinander entkoppelten und getrennt ansteuerbaren Elektroden auf die Piezokeramik aufgedampft werden, wobei zweckmäßigerweise - wie be­ reits erwähnt - jeweils gleichwirkende Bimorphelemente parallel geschaltet werden.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Piezokeramik der Bimorphelemente aus vielen dünnen Schichten gebil­ det ist. Durch solche Multilayer-Bimorphelemente, die in Dickenrichtung geschichtet aufgebaut sind, reduziert sich die benötigte Erregerspannung von beispielsweise 500 V bis 1000 V um den Faktor 10 auf 50 V bis 100 V, was die Einsatzgebiete solcher Antriebe erheblich ver­ größert.

Darüber hinaus ist es aber auch möglich, daß die Bi­ morphelemente anstatt aus Piezokeramik aus elektro- oder magnetostriktivem Material bestehen.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfin­ dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen; hier­ bei zeigen

Fig. 1a den Bewegungsablauf eines erfindungsgemäßen Bimorphelementes in Vorderansicht;

Fig. 1b den Verlauf der Erregerspannung, mit der das Bimorphelement aus Fig. 1a beaufschlagt wird;

Fig. 2a einen erfindungsgemäßen Verstellantrieb beste­ hend aus vier Bimorphelementen in Vorderan­ sicht;

Fig. 2b den Verstellantrieb aus Fig. 2a in Seitenan­ sicht;

Fig. 2c den Verstellantrieb aus Fig. 2a in Drauf­ sicht;

Fig. 2d das Abtriebselement und die daran angreifenden Bahnkurven der Verstelleinrichtung aus Fig. 2a in geschnittener Vorderansicht;

Fig. 3a einen erfindungsgemäßen Verstellantrieb ähn­ lich dem Verstellantrieb aus Fig. 2a, wobei jedoch die Bimorphelemente jeweils vier Akto­ ren aufweisen;

Fig. 3b den Verstellantrieb aus Fig. 3a in Seitenan­ sicht;

Fig. 3c den Verstellantrieb aus Fig. 3a in Drauf­ sicht;

Fig. 3d eine Skizze der Wirkungsweise und der Bahnkur­ ven des Verstellantriebes aus Fig. 3a;

Fig. 4 eine alternative Bauform des Verstellantriebes aus Fig. 3a in Doppelkammanordnung und

Fig. 5 eine weitere Bauform des Verstellantriebes aus Fig. 3a in Vierfachkammanordnung.

Fig. 1a zeigt ein Bimorphelement 1 in vier Bewegungs­ situationen Nr. 1 bis Nr. 4. Auf das aus einer ein­ stückigen Piezokeramik bestehende Bimorphelement 1 sind zwei Elektroden 2 und 3 zur Bildung von Piezoaktoren aufgedampft, die elektrisch voneinander entkoppelt und getrennt durch Spannungsquellen A und B ansteuerbar sind. Piezoaktoren haben die Eigenschaft, bei Anlegen einer Spannung ihre Länge zu ändern, das heißt hält man das eine Ende eines Aktors fest, so bewirkt eine Span­ nungsänderung eine Bewegung des freien Aktorendes in Längsrichtung.

Da nun aber beide Aktoren bzw. Elektroden 2 und 3 fest miteinander verbunden sind, führt eine einseitige Span­ nungsänderung an einer Elektrode zu einer Verbiegung des freien Endes in Querrichtung und zwar in Richtung des momentan kürzeren Aktors. Auf diese Weise ist es durch entsprechende Spannungsbeaufschlagung der beiden Elektroden 2 und 3 möglich, dem freien Ende des Bi­ morphelementes 1 Bewegungen in Längs- und Querrichtung aufzuzwingen beispielsweise in Form der in Fig. 1a dargestellten Ellipsenbahnkurve, die vom Mittelpunkt des freien Endes beschrieben wird und durch die in Fig. 1b dargestellten Spannungsverläufe A(t) und B(t) erzeugt wurde.

Hierbei ist die Elektrode 2 mit der Spannungsquelle A und die Elektrode 3 mit der Spannungsquelle B verbun­ den. Aus Fig. 1b sind außerdem die beiden Spannungs­ werte zum Zeitpunkt der vier Bewegungsabschnitte Nr. 1 bis Nr. 4 abzulesen.

Es ist nun leicht ersichtlich, daß bei zumindest zwei nebeneinander angeordneten und genau gegenläufig ange­ steuerten Bimorphelementen der obere Bereich der ellip­ senförmigen Bahnkurve zum Übertragen der Verstellbewe­ gung verwendet werden kann, während der untere Ellip­ senbereich bei durch das benachbarte höhere Bimorphele­ ment auf gehobener Wirkverbindung zwischen Bimorphele­ ment und Abtriebselement für ein Rückstellen des freien Endes benutzt werden kann.

Die in den Fig. 2a bis 2c in verschiedenen Ansichten dargestellte Verstelleinrichtung 5 besteht aus Bimorph­ elementen 6, 7, 8 und 9, die jeweils zwei Aktoren 61 und 62, 71 und 72, 81 und 82, 91 und 92 aufweisen. Die Bimorphelemente 6 bis 9 werden durch kammartiges Heraussägen einzelner Kammzinken aus einer Piezokera­ mikplatte unter Belassung einer gemeinsamen Basis 11 in Form eines Kammsteges gebildet, woraufhin die einzelnen Elektroden auf der einen Seite der Keramikplatte und auf der Rückseite jedes Bimorphelementes jeweils ein Nulleiter 63, 73, 83 und 93 aufgedampft werden.

Die vier Bimorphelemente 6 bis 9 sind so elektrisch ge­ koppelt, daß jede vierte Elektrode, also die Elektroden jedes zweiten Bimorphelementes miteinander verbunden werden. So ist die an die Spannungszufuhr C angeschlos­ sene Elektrode 61 mit der Elektrode 81 verbunden, die an die Spannungszufuhr D angeschlossene Elektrode 62 an die Elektrode 82 usw. Hierdurch wird erreicht, daß sich die Bimorphelemente 6 und 8 einerseits und die Bimorph­ elemente 7 und 9 andererseits jeweils gleichartig und im Gleichtakt bewegen. Demgemäß beschreiben die jewei­ ligen Mittelpunkte der freien Enden der Bimorphelemente die in Fig. 2d dargestellten Ellipsenbahnkurven (Bewe­ gung im Uhrzeigersinn) und bewirken somit das Übertra­ gen der gewünschten Verstellbewegung auf ein Abtriebs­ element 10 (Bewegung in Fig. 2d nach rechts).

Wie aus den Bahnkurvenverläufen ersichtlich, ist es für ein wirkungsvolles Angreifen der Bimorphelemente 6 bis 9 am Abtriebselement 10 besonders zweckmäßig, wenn durch eine nicht dargestellte Feder entweder das Ab­ triebselement in Richtung der Verstelleinrichtung 5 oder diese in Richtung des Abtriebselementes 10 ge­ drückt werden, wodurch eine ständige Wirkverbindung mit dem Abtriebselement sichergestellt wird.

In Fig. 2c ist in Draufsicht noch einmal verdeutlicht, wie die jeweiligen Elektroden der Bimorphelemente 6 bis 9 mit der jeweiligen Spannungszufuhr C, D, E und F ver­ bunden sind, während die Rückseiten der Bimorphelemen­ te, auf die die Nulleiterschichten 63, 73, 83 und 93 aufgedampft sind, miteinander verbunden sind.

In den Fig. 3a bis 3c ist eine weitere Verstellein­ richtung 15 in verschiedenen Ansichten dargestellt, die aus an einer gemeinsamen Basis 12 angeordneten Bimorph­ elementen 16, 17, 18 und 19 besteht, auf die jeweils vier Elektroden 161 bis 164, 171 bis 174, 181 bis 184 und 191 bis 194 aufgedampft sind. Durch die zusätzli­ chen Elektrodenpaare, die an von Spannungsquellen G, H, I und J der ersten Elektrodenpaaren getrennten Span­ nungsquellen K, L, M und N angeschlossen sind, ist es nun möglich, beispielsweise die Elektroden 161 und 162 gleichsinnig zu beaufschlagen, während die Elektroden 163 und 164 mit einer phasenverschobenen Spannung ange­ regt werden, wodurch eine Verbiegung des Bimorphelemen­ tes 16 in Dickenrichtung (das heißt in Fig. 3c nach oben/unten) erzeugt werden kann. Diese Bewegung ist insbesondere bei den in Fig. 3d dargestellten An­ griffsverhältnissen erforderlich, wobei sich die Ver­ stelleinrichtung 15 zu einer Unterlage 100 parallel er­ streckt und auf dieser entlangläuft, also die Verstell­ bewegung nicht eine Bewegungsübertragung auf das Ab­ triebselement erzeugt, sondern die Verstelleinrichtung 15 sich in die gewünschte Richtung bewegt, wobei aller­ dings die elektrischen Anschlüsse bei der Bewegung der Verstelleinrichtung mitgeführt werden müssen, jedoch auch eine - allerdings technisch aufwendige - Fern­ steuerung denkbar wäre.

Der in den Fig. 3a bis 3c dargestellte Verstellan­ trieb 15 wird insbesondere dadurch noch verbessert, daß die Anzahl der Bimorphelemente verdoppelt wird und sich zusätzliche Bimorphelemente 25, 26, 27 und 28 symme­ trisch zu einem Kammsteg 29 entgegengesetzt zu Bimorph­ elementen 21 bis 24 erstrecken, die den Bimorphelemen­ ten 16 bis 19 aus Fig. 3 entsprechen. Eine solche Ver­ stelleinrichtung 30′ die ebenfalls als Läufer arbeitet, ist in Fig. 4 dargestellt. Dort ist auch die seitliche Auslenkung der gleichmäßig in zwei Gruppen aufgeteilten Bimorphelemente 21 bis 28 erkennbar. Wie schon bei der Verstelleinrichtung 15 aus Fig. 3 ist auch hier die Spannungsbeaufschlagung der jeweiligen Bimorphelemente so aufeinander abzustimmen, daß sowohl eine Bewegung der freien Enden der Bimorphelemente in Querrichtung - wodurch die Verstellbewegung erzeugt wird - als auch eine Bewegung der Enden in Dickenrichtung - die zum Herstellen und Aufheben der Wirkverbindung dient - durchgeführt werden kann.

In Fig. 5 schließlich ist eine Verstelleinrichtung 50 dargestellt, die zwei Gruppen von Bimorphelementen 41 bis 46 und 51 bis 56 aufweist, wobei die Bimorphelemen­ te 41 bis 46 jeweils zueinander parallel verlaufen, ihre Erstreckungsrichtung aber senkrecht zu den eben­ falls zueinander parallel verlaufenden Bimorphelementen 51 bis 56 ist. Eine solche Anordnung hat den großen Vorteil, daß nicht nur das Bewegen in eine Richtung - wie dies beim Läufer 30 aus Fig. 4 der Fall ist - sondern vielmehr auch eine Bewegung in eine zweite Koordinatenrichtung und somit alle Arten von Bewegungen in einer zur jeweiligen Auflagefläche parallelen Ebene möglich sind. Demgemäß können mit einem solchen Läufer 50 nicht nur zueinander senkrechte gerade Bewegungen, sondern auch alle beliebigen Kurvenbewegungen durchge­ führt werden.

Für alle erfindungsgemäßen Verstelleinrichtungen bzw. Läufer ist es sinnvoll, anstatt einer massiven Piezo­ keramikplatte einen Multilayer-Aufbau aus vielen dünnen Keramikschichten zu verwenden: Während bei der Platten­ form mit üblicherweise 1 mm Dicke bei einem Ausfüh­ rungsbeispiel 500 bis 1000 Volt benötigt werden, so verringert sich bei einem Aufbau aus einer Vielzahl entsprechend dünnerer Schichten die benötigte Spannung etwa um den Faktor 10. Beispielhaft sei für die ellip­ senförmigen Bahnkurven, die sich aus einer solchen Spannungsbeaufschlagung resultieren und vom freien Ende eines Bimorphelementes beschrieben werden, eine Hubdif­ ferenz von etwa 1,5 µm und eine seitliche Auslenkungs­ differenz - die für die Zustellbewegung benutzt wird - von 10 µm aufgeführt.

Claims (16)

1. Verstelleinrichtung mit Piezoantrieb, insbesondere für feinmechanisch-optische Geräte und dergleichen, be­ stehend aus zumindest einem Piezoschwinger, der durch Anlegen unterschiedlich gesteuerter elektrischer Span­ nungen eine Längenänderung erfährt und abwechselnd über sein freies Ende mit einem Abtriebselement in Wirkver­ bindung gelangt derart, daß bei bestehender Wirkverbin­ dung eine Bewegungsübertragung auf das Abtriebselement erfolgt, wogegen bei auf gehobener Wirkverbindung der Piezoschwinger im Bereich seines freien Endes eine Rückstellung zur Vorbereitung der nächsten Bewegungs­ übertragung erfährt, so daß das Abtriebselement die Verstellbewegung in der gewünschten Richtung durch­ führt, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezoschwinger (1, 6-9, 16-19, 21-28, 41- 46, 51-56) mindestens zwei Aktoren (2, 3; 61, 62; 71, 72; 81, 82; 91, 92; 161, 162; 171, 172; 181, 182; 191, 192) aufweist, die parallel nebeneinander und in Antriebsrichtung hintereinander angeordnet und zur Bil­ dung eines Bimorphelementes (1, 6-9, 16-19, 21- 28, 41-46, 51-56) fest miteinander verbunden sind, daß die Aktoren sich etwa senkrecht zur gewünschten Be­ wegungsrichtung erstrecken und daß sie elektrisch von­ einander entkoppelt und getrennt ansteuerbar sind, der­ art daß unter Ausnutzung einer unterschiedlichen Deh­ nung zusammengehöriger Aktoren deren Verbiegung und somit eine Bahnkurve in Längs- und Querrichtung des Bi­ morphelementes erzeugt wird, wobei die Rückstellung aktiv unter Abheben vom Abtriebselement (10, 100) er­ folgt.

2. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsverläufe der beiden Aktoren (2, 3; 61, 62; 71, 72; 81, 82; 91, 92; 161, 162; 171, 172; 181, 182; 191, 192) eines Bimorphelementes (1, 6-9, 16- 19, 21-28, 41-46, 51-56) um etwa 90° phasenver­ schoben sind.

3. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Bimorphelemente (6-9, 16-19, 21-28, 41-46, 51-56) vorgesehen sind, von denen jeweils im Wechsel ein Teil die Bewegungsübertragung auf das Ab­ triebselement (10, 100) und der andere Teil die Rück­ stellung durchführt.

4. Verstellungeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Bimorphelemente (6-9, 16-19, 21-28, 41- 46, 51-56) an eine Steuerung angeschlossen sind, die die Wirkverbindung eines jeden Bimorphelementes mit dem Abtriebselement (10, 100) erst dann aufhebt, nachdem die Wirkverbindung des Abtriebselementes mit dem anderen Bimorphelement hergestellt ist.

5. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimorphelemente mit gleichen, zeitlich versetz­ ten Spannungsverläufen (A-B, C-F, G-J, K-N) be­ aufschlagt werden.

6. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Bimorphelemente einwirkenden Spannungen eine Frequenz aufweisen, die quasistatischen Betrieb ermöglichen und unterhalb des Ultraschallfrequenzberei­ ches liegen können.

7. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimorphelemente über ihre Stirnflächen in Wirk­ verbindung mit dem Abtriebselement (10, 100) gelangen.

8. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimorphelemente über ihre im Bereich des freien Endes liegenden Seitenflächen in Wirkverbindung mit dem Abtriebselement (10, 100) gelangen.

9. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß zusätzlich zu den beiden ein Bimorphelement bilden­ den Aktoren (161, 162; 171, 172; 181, 182; 191, 192) ein weiteres Aktorenpaar (163, 164; 173, 174; 183, 184; 193, 194) vorgesehen ist, das in Antriebsrichtung des ersten Aktorenpaares parallel daneben angeordnet und mit diesem unter Bildung eines Doppelbimorphelementes (16-19, 21-28, 41-46, 51-56) fest verbunden ist.

10. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den zumindest zwei zueinander paral­ lelen Bimorphelementen (41-46) zumindest zwei weitere Bimorphelemente (51-56) vorgesehen sind, die sich in der gleichen Ebene und senkrecht zu den ersten Bimorph­ elementen erstrecken und ebenfalls zueinander parallel sind.

11. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimorphelemente (6-9, 16-19, 21-28, 41- 46, 51-56) durch zumindest ein Federelement in Wirk­ verbindung mit dem Abtriebselement (10, 100) bringbar sind und die Wirkverbindung jedes Bimorphelementes durch Spannungsbeaufschlagung aufhebbar ist.

12. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimorphelemente mit einer gemeinsamen Basis (11, 12, 29 und 49) verbunden sind.

13. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Bimorphelemente (1, 6-9, 16-19, 21-28, 41- 46, 51-56) aus Piezokeramik bestehen.

14. Verstelleinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimorphelemente (1, 6-9, 16-19, 21-28, 41- 46, 51-56) durch kammartiges Heraussägen einzelner Kammzinken aus einer Keramikplatte gebildet sind.

15. Verstelleinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezokeramik der Bimorphelemente (1, 6-9, 16- 19, 21-28, 41-46, 51-56) aus vielen dünnen in Längsrichtung der Bimorphelemente verlaufenden Schich­ ten gebildet ist.

16. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimorphelemente (1, 6-9, 16-19, 21-28, 41- 46, 51-56) aus elektro- oder magnetostriktivem Material bestehen.