DE10012751B4 - Verstellvorrichtung zum Verschieben einzelner Elemente von optischen Systemen oder von Meßsystemen - Google Patents

Abstract

Verstellvorrichtung zum Verschieben einzelner Elemente (2) von optischen Systemen oder von Meßsystemen, wobei das zu verschiebende Element (2) auf einer Unterlage (1) längs einer vorgegebenen Richtung (x) mittels eines Piezoaktuators (4) bewegbar ist, der von dem Element (2) getragen wird und derart ausgebildet sowie ansteuerbar ist, daß er zur Ausführung einer schrittweisen Bewegung des Elementes (2) auf der Unterlage (1) Stoßimpulse auf dieses ausübt, wobei das zu verschiebende Element (2) im wesentlichen rohrförmig ausgebildet ist und in einem ebenfalls rohrförmigen Körper (1), der die Unterlage darstellt, konzentrisch angeordnet ist, eine radial vergrößerte Führungsscheibe (6) an seinem einen axialen Ende und ferner einen ebenfalls radial vergrößerten, scheibenförmigen Piezoaktuator (4) in Form eines Biegeaktuators trägt, und daß sich Piezoaktuator (4) und Führungsscheibe (6) jeweils unter Zwischenschaltung mindestens eines vorgespannten Federelementes (7; 8) radial an der Innenfläche des rohrförmigen Körpers (1) reibschlüssig abstützen.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstellvorrichtung zum Verschieben einzelner Elemente von optischen Systemen oder von Meßsystemen, wobei das zu verschiebende Element auf einer Unterlage längs einer vorgegebenen Richtung mittels eines Piezoaktuators bewegbar ist.
• Verstellvorrichtungen, die zum Verschieben einzelner Elemente von optischen Systemen oder von Meßsystemen auf einer Unterlage längs einer vorgegebenen Richtung dienen, werden auf verschiedenen Gebieten, so z. B. bei optischen Geräten (zum Verschieben von Linsen oder von Blenden im Millimeterbereich oder in einem noch kleineren Verstellbereich) oder auch bei Präzisionsmeßgeräten zum Positionieren von Objekten mit Nanometer-Präzision eingesetzt.
• Hierfür ist eine Vielzahl von Antriebsanordnungen bekannt, bei denen der Antrieb auf pneumatischem oder hydraulischem Weg oder elektromotorisch erfolgt. Als besonders geeignet haben sich jedoch Geräte erwiesen, bei denen mit einem piezoelektrischen Antrieb gearbeitet wird.
• In dem Artikel „Micro-step Motor" von G.C. Joyce und G.C. Wilson in Journal of Scientific Indstuments (Journal of Physics, E) Series 2, Vol. 2, S. 661-663, oder dem Artikel "Development of Linear Actuators Using Piezoelectric Elements" von Y. Okamoto und R. Yoshida in Electronics and Communications in Japan, Part 3, Vol. 81, No. 11, 1998, S. 11-17, sowie im Artikel "Simple piezoelectric translation device" von PH. Niedermann, R. Emch und P. Descouts in Rev. Sci. Instrum. Bd. 59(2), Febr. 1988, S. 368-369, wird allgemein das Prinzip einer Stoßbewegung von Massen mittels Piezoaktuatoren gezeigt, wobei allerdings eine federnde Lagerung der Masse bzw. des Piezoaktuators nicht angesprochen wird.
• In der US 4 849 579 wird eine Vorrichtung zum Erzeugen kleiner Bewegungen eines Objektes mittels Piezoaktuator beschrieben, wobei Federn zum Ausdrücken von Spulen vorgesehen sind, die in Öffnungen im Objekt angebracht sind und durch geeignete Strombeaufschlagung zum Schlagen gegen entsprechende Anschläge am Objekt dienen, um dieses durch die erfolgenden Stoßimpulse zu bewegen. Eine Federabstützung der Objektmasse selbst gegenüber einer Unterlage ist jedoch nicht beschrieben.
• So ist aus der DE 36 10 540 C2 ein Mikromanipulator zur Mikrobewegung von Objekten bekannt, bei dem zur Erzeugung der Mikrobewegung aus piezoelektrischem Werkstoff bestehende Hohlzylinder eingesetzt werden, die sich unter Spannung verbiegen und auf diese Weise eine schrittweise Verschiebung des auf dem Hohlzylinder aufliegenden Objektes bewirken. Allerdings sind diese Objektbewegungen nicht reproduzierbar und lassen sich daher für bestimmt Anwendungen, z. B. in der Mikroskopie, nicht anwenden. Zudem werden mit dieser bekannten Anordnung auch nur relativ geringe Stellwege erreicht.
• In der DE 40 23 311 A1 ist eine Verstellvorrichtung für Mikrobewegungen beschrieben, bei welcher der Antrieb mittels eines den Schereffekt nutzenden Piezowandlers erreicht wird, wobei die diesen Piezowandler umfassenden Antriebselemente nicht nur die Bewegung des gegen sie anliegenden Objektes bewirken, sondern zusätzlich dieses auch noch in Bewegungsrichtung führen. Dabei wird das Objekt mittels einer Andrückeinrichtung mit einer vorgegebenen Kraft gegen das (Piezo-) Antriebselement angedrückt. Der Antrieb kann dabei in der Form erfolgen, daß der Piezowandler die Scherbewegung langsam ausführt und das aufliegende Objekt dabei mitnimmt, während die Rückstellbewegung des Piezowandlers unter Überwindung der Reibung zwischen diesen und dem Objekt rasch durchgeführt wird. Gleichermaßen kann aber auch der Piezowandler umgekehrt angesteuert werden, nämlich daß zunächst eine schnelle Scherbewegung (unter Überwindung der Reibung) ausgeführt wird, bei der sich das Objekt infolge seiner Trägheit nicht bewegt, wonach dann eine langsame Rückstellbewegung erfolgt, bei der das Objekt in dieser Rückstellrichtung mitgenommen wird. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, mit diesem bekannten Antrieb das Objekt nicht nur in einer Richtung, sondern auch in der Gegenrichtung zu bewegen. Dabei weisen die (Piezo-) Antriebselemente an ihrer Oberseite Auflagen auf, die mit Kugelsitzen für Kugeln versehen sind, wobei auf den Kugeln das bewegliche Objekt aufliegt. Nachteilig ist dabei, daß durch die Gleitreibung an den Kugelelementen Abtrieb entsteht, wodurch bei längerer Einsatzdauer die Funktionsfähigkeit beeinträchtigt wird. Auch ist die erzielbare Verstellgeschwindigkeit des Objektes relativ gering.
• Aus der US 5 281 875 ist ein piezobetätigter Aktuator mit zwei Bremsabschnitten zur Verwendung in einem Rohr bekannt, wobei die beiden Abschnitt längs einer Achse zueinander beweglich sind. Um beide Abschnitte unter einer Vorspannung voneinander weg zu drücken, ist eine Feder zwischen ihnen vorgesehen. Eine Federabstützung der Elemente der Vorrichtung gegenüber den Innenwänden des sie aufnehmenden Rohres liegt aber nicht vor.
• Schließlich ist aus der DE 691 25 974 T2 wie auch aus der US 5,225,941 A eine Antriebsvorrichtung für ein Objekt bekannt, das gleitend auf einer Stange geführt ist, die ihrerseits mit einem Piezoaktuator zu einer in ihrer Längsrichtung verlaufenden Expansion bzw. Kontraktion angeregt werden kann. Auch hier kann eine langsame Expansion und eine rasche Kontraktion der Stange durch eine geeignete Ansteuerung des Piezoaktuators erreicht werden mit der Folge, daß bei der langsamen Expansion das Objekt infolge der Reibkräfte mitgenommen wird, hingegen bei der raschen Kontraktion unter Überwindung der Reibkräfte das Objekt infolge seiner Massenträgheit am Platz verbleibt. Dadurch ist eine schrittweise Fortbewegung des Objektes in Längsrichtung möglich, wobei bei einer gegenläufigen Ansteuerung des Piezoelementes (zu einer raschen Expansion und einer langsamen Kontraktion) auch ein Antrieb in Gegenrichtung erfolgen kann. Der konstruktive Aufwand ist bei dieser bekannten Konstruktion jedoch vergleichsweise hoch und es muß eine Vielzahl von einzelnen Anordnungselementen vorgesehen werden. Zudem ist auch der Verstellbereich zwischen den beiden Lagerstellen der Verschiebestange im Hinblick auf größere Verstellwege relativ begrenzt.
• Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für optische Systeme oder für Meßsysteme eine verbesserte Verstellvorrichtung zum Verschieben einzelner Element vorzuschlagen, die eine besonders rasche Verstellmöglichkeit über einen weiten Verstellweg bei stets größter Präzision gewährleistet und dabei preisgünstig herstellbar und einfach aufgebaut ist.
• Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch eine Verstellvorrichtung zum Verschieben einzelner Elemente von optischen Systemen oder von Meßsystemen, wobei das zu verschiebende Element auf einer Unterlage längs einer vorgegebenen Richtung mittels eines Piezoaktuators bewegbar ist, der von dem Element getragen wird und derart ausgebildet sowie ansteuerbar ist, daß er zur Ausführung einer schrittweisen Bewegung des Elementes auf der Unterlage Stoßimpulse auf dieses ausübt, wobei das zu verschiebende Element im wesentlichen rohrförmig ausgebildet ist und in einem ebenfalls rohrförmigen Körper, der die Unterlage darstellt, konzentrisch angeordnet ist, eine radial vergößerte Führungsschiene an seinem einen axialen Ende und ferner einen ebenfalls radial vergrößerten, scheibenförmigen Piezoaktuator in Form eines Biegeaktuators trägt, und daß sich Piezoaktuator und Führungsscheibe jeweils unter Zwischenschaltung mindestens eines vorgespannten Federelementes radial an der Innenfläche des rohrförmigen Körpers reibschlüssig abstützen.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt bei einem sehr kleinen Aufwand eine hoch präzise, vorzügliche Verstellmöglichkeit für z. B. Linsensysteme dar, die durch ihren einfachen Aufbau und ihre hervorragende Wirksamkeit besticht.
• Bei der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung wird die piezoelektrische Aktuatoranordnung von dem zu verschiebenden Element selbst getragen und ist so ausgebildet und ansteuerbar, daß durch die piezoelektrischen Auslenkungen Stoßimpulse auf das Element selbst ausgeübt werden. Durch die aufgrund dieser Stoßimpulse an dem Element wirkenden Stoßkräfte kann dieses, wenn dabei die Reibung zwischen dem Element und seiner Unterlage überschritten wird, schrittweise in einer der Richtung der Stoßimpulse entsprechenden Richtung fortbewegt werden. Dadurch, daß der piezoelektrische Aktuator aber von dem Element selbst getragen wird, bedeutet dies, daß das Element alle Einrichtungen seines piezoelektrischen Antriebs selbst trägt, weshalb es im Grundsatz einen beliebig großen Verstellbereich hat. Denn solange der piezoelektrische Aktuator seine Stoßimpulse abgibt, solange kann grundsätzlich das Element in der betreffenden Richtung bewegt werden, so daß bei Einsatz der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung auch ein sehr großer Verstellweg ohne weiteres realisierbar ist.
• Durch die reibschlüssige Abstützung des Körpers an mindestens einer Stelle seiner Unterlage unter Zwischenschaltung einer vorgespannten Federeinrichtung wird zunächst eine Reibkraft erzeugt, die im ausgestalteten Zustand der Aktuatoranordnung zu einer guten Lagefixierung des zu bewegenden Elementes dient und sicherstellt, daß eine einmal erreichte Lage sich nicht unerwünschterweise wieder ändert. Damit ist es auch möglich, mit der erfindungsgemäßen Verstellanordnung auch Verstellbewegungen in Richtung der oder unter einer Neigung zur Schwerkraft durchzuführen, somit z. B. zur Verstellung eines Elementes in einem senkrecht verlaufenden Rohr von unten nach oben (oder auch umgekehrt). Durch die Feder kann unschwer sichergestellt werden, daß das Element dann bei Erreichen einer bestimmten Verstellposition auch in dieser verbleibt, selbst wenn die Schwerkraft laufend wirkt, wobei dabei sowohl in aufsteigender, wie auch in absteigender Richtung gleich große Stellschritte erzielt werden können. Voraussetzung ist hier lediglich, daß die auftretende Reibkraft in jedem Fall größer ist als die maximale Lastkraft des Aktuators.
• Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung ist der scheibenförmige Piezoaktuator. auf seiner einen Seite axial über ein elastisches rohrförmiges Koppelglied an das zu verschiebende Element angeschlossen, wobei er vorzugsweise auch noch auf seiner dem zu verschiebenden Element abgewandten Seite eine konzentrisch an ihm angeordnete Zusatzmasse trägt, wobei – erneut bevorzugt – die Zusatzmasse von einem auf diese Seite des Piezoaktuators überstehenden Endabschnitt des rohförmigen Elementes gebildet wird.
• Bevorzugt besteht das zu verschiebende Element aus einer Linsengruppe. Ebenfalls bevorzugt weist der rohrförmige Körper einen kreisförmigen Hohlquerschnitt auf.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur im Prinzip beispielshalber noch näher erläutert. Die Figur zeigt eine perspektivische, teilweise aufgeschnittene erfindungsgemäße Verstellvorrichtung:
  Bei der in der Figur dargestellten Verstellvorrichtung ist der die Reibunterlage ausbildende Körper 1 als ein hülsenförmiges Rohr ausgebildet, wobei die Darstellung in der Figur so vorgenommen ist, daß der hülsenförmige Körper 1 längs eines Durchmessers geschnitten ist, die darin befindliche Verstellvorrichtung jedoch nicht geschnitten dargestellt ist, wobei zudem alles in perspektivischer Darstellung erfolgt.
• Das zu bewegende Element 2, welches bei der gezeigten Ausführungsform z. B. durch eine (dort nicht mehr dargestellte) Linsengruppe gebildet sein kann und seinerseits rohrförmig ausgebildet sowie konzentrisch innerhalb des hülsenförmigen Körpers 1 angeordnet ist, ist seinerseits über ein elastisches Koppelglied 3 mit einem scheibenförmigen Piezoelement 4 zentral verbunden, das sich über Federelemente 8 auf der Innenfläche des hülsenförmigen Rohres 1 abstützt. Auf der gegenüberliegenden axialen Seite des Piezoelementes 4 ist an diesem noch eine Zusatzmasse 5 angebracht, die, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt, auch in einem Endabschnitt des rohrförmigen Körpers 2 bestehen kann, der durch den scheibenförmigen Piezoaktuator 4 hindurchgeführt ist und auf dessen gegenüberliegender Seite übersteht.
• Zur Führung und Unterstützung des Körpers 2 bzw. der diesen ausbildenden Linsengruppe dient eine Führungsscheibe 6, die über ein oder mehrere Federelemente 7 radial außen sich gegenüber der Innenseite des hülsenförmigen Körpers 1 abstützt.
• Der hier eingesetzte scheibenförmige Piezoaktuator 4 bewirkt eine translatorische Bewegung des Systems, das aus ihm, der Zusatzmasse 5, dem elastischen Koppelglied 3, der angeschlossenen Linsengruppe 2 und einer Führungsscheibe 6 sowie den Federelementen 7 und 8 besteht.
• Die an den scheibenförmigen Piezoaktuator 4 angeschlossene Zusatzmasse 5 weist eine Größe auf, die etwa 50% der Masse des scheibenförmigen Piezoaktuators 4 und des elastischen Koppelgliedes 3 entspricht.
• Der scheibenförmige Piezoaktuator 4 wird, wie dies in der Figur nur ganz prinzipiell dargestellt ist, über elektrische Anschlüsse 9 angesteuert, zwischen denen eine Spannung U_A anliegt, die in Form definierter positiver oder negativer Spannungsimpulse zu einer beschleunigten Verbiegung des scheibenförmigen Piezoaktuators 4 führt. Dabei erfolgt z. B. eine Verbiegung desselben in –x-Richtung, was infolge der Trägheit des scheibenförmigen Piezoaktuators 4 in Verbindung mit der Zusatzmasse 5 und der Wirkung der Federelemente 8 eine Bewegung des Systems in +x-Richtung bewirkt. Bei einer Umpolung der Spannung wird in analoger Weise eine Bewegung der Linsengruppe 2 in Gegenrichtung erzeugt.

Claims (6)

1. Verstellvorrichtung zum Verschieben einzelner Elemente (2) von optischen Systemen oder von Meßsystemen, wobei das zu verschiebende Element (2) auf einer Unterlage (1) längs einer vorgegebenen Richtung (x) mittels eines Piezoaktuators (4) bewegbar ist, der von dem Element (2) getragen wird und derart ausgebildet sowie ansteuerbar ist, daß er zur Ausführung einer schrittweisen Bewegung des Elementes (2) auf der Unterlage (1) Stoßimpulse auf dieses ausübt, wobei das zu verschiebende Element (2) im wesentlichen rohrförmig ausgebildet ist und in einem ebenfalls rohrförmigen Körper (1), der die Unterlage darstellt, konzentrisch angeordnet ist, eine radial vergrößerte Führungsscheibe (6) an seinem einen axialen Ende und ferner einen ebenfalls radial vergrößerten, scheibenförmigen Piezoaktuator (4) in Form eines Biegeaktuators trägt, und daß sich Piezoaktuator (4) und Führungsscheibe (6) jeweils unter Zwischenschaltung mindestens eines vorgespannten Federelementes (7; 8) radial an der Innenfläche des rohrförmigen Körpers (1) reibschlüssig abstützen.
2. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der scheibenförmige Piezoaktuator (4) auf seiner einen Seite axial über ein elastisches rohrförmiges Koppelglied (3) zentral an das zu verschiebende Element (2) angeschlossen ist.
3. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der scheibenförmige Piezoaktuator (4) auf seiner dem zu verschiebenden Element (2) abgewandten Seite eine konzentrisch an ihm angeordnete Zusatzmasse (5) trägt.
4. Verstellvorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Zusatzmasse (5) von einem auf diese Seite des Piezoaktuators (4) überstehenden Endabschnitt des rohrförmigen Elementes (2) gebildet wird.
5. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das zu verschiebende Element (2) aus einer Linsengruppe besteht.
6. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher der rohrförmige Körper (2) einen kreisförmigen Hohlquerschnitt aufweist.