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Die
Erfindung betrifft einen Piezolinearantrieb mit einer Gruppe von
Piezostapelaktoren, welche einen Läufer antreiben, gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Aus
der
DE 101 48 267
A1 ist ein Piezolinearantrieb mit einer Gruppe von Piezostapelaktoren sowie
ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Antriebs vorbekannt.
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Die
dortige Lehre betrifft einen Piezolinearantrieb mit einer Gruppe
von Piezostapelaktoren, welche einen in einer Führung befindlichen Läufer antreiben.
Die dortigen Aktoren stellen eine auf einem gemeinsamen Substrat
befindliche Hybridanordnung dar, wobei innerhalb eines Stapels,
ausgehend vom Substrat, ein erstes Stapelteil als Longitudinal-
und ein zweites oder drittes Stapelteil als Scheraktor ausgebildet
sowie letzteres mit einer verschleißfesten Endscheibe versehen
ist, welche in Klemm- und ggfs. auch Scherkontakt mit dem Läufer steht,
um einerseits den Läufer
zu führen
und andererseits eine gewünschte
Scherbewegung zu übertragen.
Identische Aktoren befinden sich nebeneinander oder gegenüberliegend,
um im Schrittbetrieb wechselseitige Klemm- und Vorschubbewegungen auszuführen. Mit
einer derartigen Piezolinearantriebs-Anordnung einer Gruppe von Piezostapelaktoren
besteht die Möglichkeit,
einerseits in kurzer Zeit große
Stellwege zurückzulegen,
andererseits aber auch am oder in der Nähe des Zielpunkts Feinpositionierungen
hoher Genauigkeit zu erreichen.
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Bei
dem in der
DE 101
48 267 A1 beschriebenen Verfahren zum Betreiben des vorstehend
kurz erläuterten
Piezolinearantriebs wird für
eine Grobpositionierung der Antrieb im Schrittmodus aktiviert, wobei
hierfür
die benachbarten und gegenüberliegenden
Aktoren wechselseitig oder wechselseitig gegenphasig die gewünschten
Klemmungen und Vorschubbewegungen ausführen. Die Steuerspannungen
werden über
einen entsprechenden Generator in der gewünschten Puls- bzw. Schrittweite
eingestellt. Für
die Feinpositionierung sind alle zweiten Stapelteile der Aktoren
parallel geschaltet und werden analog angesteuert, so dass im Bereich
um die momentane Mittellage bei wesentlich geringerer Spannung im
Vergleich zum Schrittbetrieb die exakte Zielposition des Läufers einstellbar
ist. Im energielosen oder, wie erwähnt, Analogmodus befinden sich
sämtliche
erste Stapelteile in Klemmung, um die gewünschten Haltekräfte und
Steifigkeiten zu erreichen.
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Die
Feinpositionierung im Analogmodus gemäß dem Stand der Technik erfolgt
ausschließlich durch
die Scheraktoren, die einen Verstellbereich von einigen μm realisieren
können
und welche symmetrisch um die Mittellage arbeiten.
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Im
Analogmodus liegt die nominal zulässige Feldstärke der
Scheraktoren bei maximal 25% der Feldstärke, die bei d33-Aktoren an
Luft verwendet wird. Bei einer Annäherung an die Zielposition über den
Schrittmodus auf 0,1 μm
werden gemäß dortigem
Ausführungsbeispiel
die Scheraktoren beim Umschalten in den Analogmodus mit lediglich
1 bis 2% der nominalen Feldstärke
an Luft betrieben, was für
die Langzeitstabilität
der Anordnung von Vorteil ist. Ergeben sich größere Abweichungen als solche, die
der Analogstellbereich abdeckt, oder sind die benötigten Betriebsfeldstärken zu
hoch, muss durch Umschalten auf Einzelschrittbetrieb wieder auf
die Mittellage nachgeführt
bzw. eingestellt werden.
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Zusammenfassend
sind mit dem Antrieb nach
DE
101 48 267 A1 zwar präzise
Zustellbewegungen mit kurzen Reaktionszeiten im Analogmodus möglich, jedoch
nur mit eingeschränkter
Auslenkungsamplitude im Bereich weniger Mikrometer, und zwar aufgrund
der vorliegenden Bauform und der vorgegebenen Andruckkräfte. Im
Schrittbetrieb hingegen sind zwar theoretisch unendlich große Stellwege
mit sehr hoher Auflösung
realisierbar, wobei jedoch die Zustellzeiten sowohl durch die notwendige Schrittfolge
selbst als auch durch die dynamischen Störungen, die durch die Kontaktwechsel
der Reibflächen
der einzelnen Teilstapel mit den Reibflächen des Läufers erzeugt werden, limitiert
sind. Diese vorerwähnten
dynamischen Störungen
durch Kontaktwechsel können
sich besonders bei der Kombination mehrerer Piezolinearantriebe
in Mehrachsensystemen mit voneinander unabhängigen Achssteuerungen als
nachteilig erweisen, da hierbei unkontrolliertes Übersprechen
entsteht.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten Piezolinearantrieb
mit einer Gruppe von Piezostapelaktoren, welche einen Läufer antreiben, anzugeben,
welcher bei Wahrung kompakter äußerer Abmessungen
einen vielfach vergrößerten Zustellweg
im Analog-Betriebsmodus aufweist.
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Durch
den zu gewinnenden erweiterten analogen Stellbereich soll es möglich werden,
Schrittbewegungen in zeitkritischen Stellphasen zu vermeiden bzw.
zu reduzieren, so dass nicht nur ein unkontrolliertes Übersprechen
in den anderen Prozeßphasen unterbunden,
sondern auch die Stellzeiten verkürzbar sind.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt durch einen Piezolinearantrieb mit einer Gruppe
von Piezostapelaktoren, welche einen Läufer antreiben, wobei die Aktoren
auf einem gemeinsamen Substrat befindliche Mehrschicht-Keramik-Hybridanordnungen
sind, gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen
und Weiterbildungen darstellen.
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Der
Piezolinearantrieb mit Aktoren, die auf einem gemeinsamen Substrat
befindliche Mehrschicht-Keramik-Hybridanordnungen sind, weist innerhalb
eines jeweiligen Stapels ausgehend vom Substrat ein erstes Stapelteil
als Longitudinal- und ein zweites Stapelteil als Scheraktor auf.
Letzteres Stapelteil hat bezüglich
des Läufers
eine Klemm- und/oder Scherauslenkung, wobei mindestens zwei derartige
Hybridanordnungen in Läuferlängsachsenrichtung
nebeneinander befindlich und diesen Hybridanordnungen bezogen auf
den Läufer
gegenüberliegend
mindestens zwei wie beschrieben ausgebildete weitere Hybridanordnungen
vorgesehen sind, um gegenphasige wechselseitige Klemm- und Vorschubbewegungen
des Läufers
auszuführen.
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Erfindungsgemäß ist stellbereichsvergrößernd der
Läufer
selbst als piezoelektrischer Vielschichtaktor ausgebildet oder im
Läufer,
oder an dessen freiem Ende ein zusätzlicher, piezoelektrischer Vielschichtaktor
angeordnet.
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Durch
den stellbereichsvergrößernden
Läufer
wird unter Erhalt der kompakten äußeren Abmessungen
des Antriebs sowie unter Wahrung der mechanischen Funktionen die
bisherige Beschränkung des
analogen Stellbereichs auf wenige Mikrometer überwunden.
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Mit
dem so gewonnenen größeren analogen Stellbereich
können
Schrittbewegungen in zeitkritischen Stellphasen vermieden bzw. verringert
werden.
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Der
stellbereichsvergrößernde Aktor
kann gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ein longitudinaler piezoelektrischer Vielschicht-
oder rohrförmiger
d31-Aktor sein.
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Zur
Erzeugung von Zugkräften
besteht die Möglichkeit,
den stellbereichsvergrößernden
Aktor so auszubilden, dass dieser im Zentrum und in Längsrichtung
durchbohrt wird und innerhalb der Bohrung ein Dehnungselement aufnimmt,
welches unter mechanischer Vorspannung gehalten ist.
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Gemäß einem
relativ unabhängigen
Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens zwei Hybridanordnungen
in Richtung einer Läuferlängsachse
nebeneinander angeordnet sind und auf der, bezogen auf den Läufer, gegenüberliegenden
Seite ein Gegenlager oder mindestens eine weitere Hybridanordnung
vorgesehen ist. Es muss also als Gegenlager nicht notwendigerweise
eine Mehrschicht-Keramik-Hybridanordnung vorgesehen sein, sondern
dieses kann etwa durch eine Rollenführung gebildet sein.
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Die
Hybridanordnungen sind als Module mit n Aktoren (n ≥ 2) ausgebildet,
wobei zur Lastaufteilung bei Anordnungen mit n ≥ 3 jeweils die ungeradzahligen
und die geradzahligen Aktoren untereinander parallel geschaltet
werden können.
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Zwischen
den auf dem gemeinsamen Substrat befindlichen Aktoren ist ein auf
die Scherbewegung, speziell die hierfür vorbestimmte Auslenkung, abgestimmter
Abstand vorgesehen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung können
die Aktoren in einer Array- oder Quadrantenanordnung von mindestens
vier Stapeln ausgebildet sein, wobei jeweils die diagonal gegenüberliegenden
Stapel eines Aktors parallel angesteuert werden.
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Gemäß einem
weiteren relativ selbständigen Aspekt
der Erfindung ist vorgesehen, dass in mindestens einem der ersten
und/oder mindestens einem der zweiten Stapelteile Kontaktierungselektroden
der Einzelschichten miteinander verbunden sind und die Polarisationsrichtung
der Schichten alternierend festgelegt ist, um die gegenphasige Auslenkung
im jeweiligen Klemm- bzw. Scherteil zu erzeugen. Hierdurch wird
es möglich,
die erforderliche Anzahl von Ansteuerkanälen für den Piezolinearantrieb um
einen zu verringern. Als nützlichen
Nebeneffekt bewirkt die Durchkontaktierung der Elektroden der Einzelschichten über alle
Stapelaktoren im „Klemmteil", dass der Antrieb
in Antriebsrichtung steifer wird und damit höhere Kräfte erzeugen kann.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter
Zuhilfenahme von Figuren näher
erläutert
werden.
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Hierbei
zeigen:
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1 einen
hybriden piezoelektrischen Antrieb mit Klemm- und Scherelementen,
Läufer
sowie axial steifer und lateral weicher Ankopplung der Last gemäß Stand
der Technik;
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2 eine
erfindungsgemäße Ausführungsform
eines weiterentwickelten Piezolinearantriebs mit stellbereichsvergrößerndem
Läufer,
welcher einen integrierten zusätzlichen
longitudinalen piezoelektrischen Vielschicht- oder rohrförmigen d31-Aktor
aufweist,
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3 eine
Ausführungsform
der Erfindung mit einem durchbohrten piezoelektrischen Vielschichtaktor,
in dessen Bohrung ein Dehnelement zur mechanischen Vorspannung eingebracht
ist, so dass mit dem Piezolinearantrieb auch Zugkräfte erzeugt
werden können
und
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4A und 4B eine
schematische Darstellung der Elektroden-Durchverbindung zwischen den einzelnen
Hybridanordnungen (Aktoren) einer Ausführung des Piezolinearantriebes.
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Bei
dem in der
1 dargestellten Piezolinearantrieb
des Standes der Technik handelt es sich um eine Ausführungsform
zurückgehend
auf die Firma Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, repräsentiert beispielsweise in
der
DE 101 48 267
A1 .
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Mit
einem solchen Aktor ist eine Grobpositionierung im Schrittmodus
möglich,
wobei hierfür
die benachbarten und/oder gegenüberliegenden
Aktoren wechselseitig oder wechselseitig gegenphasig Klemm- und
Vorschubbewegungen ausführend, elektrisch
angesteuert werden. Für
die Feinpositionierung werden alle zweiten oder dritten Stapelteile der
Aktoren parallel geschaltet und analog angesteuert, so dass im Bereich
um die jeweilige momentane Mittellage bei wesentlich verringerter
Spannung und Feldstärke
die Zielposition des Läufers
eingestellt werden kann.
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Der
Piezolinearantrieb besitzt hierfür
auf einem gemeinsamen Substrat 1 jeweils angeordnete Mehrschicht-Keramik-Hybridanordnungen 2.
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Innerhalb
eines Stapels ist ausgehend vom Substrat 1 ein erstes Stapelteil
als Longitudinalaktor 3 und ein zweites Stapelteil als
Scheraktor 4 ausgebildet.
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Der
Scheraktor 4 steht mit der Außenoberfläche des Läufers 5 in Klemmkontakt,
wobei mindestens zwei Hybridanordnungen in Läuferlängsachsenrichtung nebeneinander
befindlich sind und diesen Hybridanordnungen 2, bezogen
auf den Läufer 5,
gegenüberliegend
weitere wie beschrieben ausgebildete Hybridanordnungen 2 angeordnet
sind. Im Beispiel ist eine Ausführung
dargestellt, bei der auf beiden Seiten des Läufers jeweils 5 Hybridanordnungen bzw.
Teil-Stapel vorgesehen sind, von denen jeweils die beiden äußeren geringer
dimensioniert sind. Diese Ausführung
bietet nach Erfahrungen der Erfinder Vorteile hinsichtlich des Symmetrieverhaltens
des Antriebes.
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Gemäß Ausführungsbeispiel
ist die Last 6 axial steif und lateral weich bezogen auf
den Läufer 5 angekoppelt.
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Gemäß Darstellung
nach 2 wird in den Läufer ein zusätzlicher
longitudinaler piezoelektrischer Vielschicht- oder rohrförmiger d31-Aktor 7 integriert,
um den analogen Stellweg unter Wahrung der äußeren Abmessungen des Piezolinearantriebs
zu vergrößern. Die
mechanische Funktion der Lastankopplung wird dabei mit Bezug auf
die Darstellung des Standes der Technik nach 1 gewahrt.
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Neben
der Vergrößerung des
analogen Stellweges hat die vorgeschlagene Lösung den Vorteil, dass die
anwenderseitig gewünschte
Funktionalität „Ankopplung
am Abtrieb axial steif/lateral weich" auch bei der Vergrößerung des Stellweges erhalten bleibt.
Ansteuerungsseitig ist hierzu insbesondere vorgesehen, dass die
am Läufer
angreifenden Antriebselemente (Aktoren) ausschließlich zum
Schrittbetrieb eingesetzt werden, während der in den Läufer ein-
bzw. an diesen angefügte
zusätzliche
Aktor zur Realisierung der Analogbewegung dient. Hierdurch lässt sich
die komplexe Funktionalität
des Antriebs mit vergrößertem Analoghub,
bei komplett gegenphasig verschalteten Teilstapeln, mit insgesamt
nur drei Ansteuerkanälen
realisieren.
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Um
nun mit einem derartigen Antrieb auch Zugkräfte erzeugen zu können, wird
gemäß der Darstellung
nach 3 im Zentrum des stellbereichsvergrößernden
Aktors 7 eine Bohrung 8 eingebracht, welche in
Längsrichtung
verläuft.
In diese Bohrung 8 wird ein Dehnungselement 9,
welches unter mechanischer Vorspannung steht, eingebracht.
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Die
so erhaltene Vorspannung verhindert das Auftreten von mechanischen
Zugspannungen im keramischen Aktorelement, so dass dessen Langzeitstabilität nicht
beeinträchtigt
wird.
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4A und 4B zeigen
in schematischer Darstellung, und zwar in Art einer Querschnittsdarstellung,
(4A) sowie einer Draufsicht (4B) eine
spezielle Art der Verschaltung der einzelnen Kontaktelektroden der
Schichten zweier beispielhafter Hybridanordnungen 2' eines (hier
nicht insgesamt dargestellten) Piezolinearantriebs der oben beschriebenen
Art.
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Die
Antriebskomponente 2' umfasst
im dargestellten Beispiel zwei Hybridanordnungen 2.1' und 2.2', welche jeweils
einen Scheraktor 2S' und,
von diesem durch eine Isolierschicht 2I' getrennt, einen Klemmaktor 2K' umfassen. In
der dargestellten Ausführung
umfasst wiederum jeder der insgesamt vier Aktoren vier (nicht einzeln
bezeichnete) Piezo-Schichten, deren Stirn- und Grenzflächen jeweils mit
(ebenfalls nicht einzeln bezeichneten) Kontaktelektroden belegt
sind. Wie in der Figur zu erkennen ist, sind vertikal übereinander
folgende Piezo-Schichten sowohl des Scher- wie des Klemmaktors jeweils gegenpolig
polarisiert. Die auf den Deckflächen
beider Stapel sowie zwischen den einzelnen Schichten vorgesehenen
Kontaktelektroden sind über
ein Verbinder-Teil 2C zwischen den beiden Hybridanordnungen 2.1' und 2.2' durchkontaktiert
und alternierend zu einem negativen Potential „–" bzw. einem positiven Potential „+" geführt.
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Die
Ausführung
ist nicht auf die hier gezeigten und erläuterten Beispiele und hervorgehobenen Aspekte
beschränkt,
sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die
im Rahmen fachgemäßen Handelns
liegen. Derartige Abwandlungen sind insbesondere hinsichtlich der
Anzahl und des spezifischen Aufbaus der Hybridanordnungen sowie
auch des Läufers
möglich.
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- 1
- gemeinsames
Substrat
- 2;
2'
- Mehrschicht-Keramik-Hybridanordnung
- 2.1', 2.2'
- Hybridanordnung
(Teilstapel)
- 2C'
- Verbinder-Teil
- 2I'
- Isolierteil
- 2K'
- Klemmaktor
- 2S'
- Scheraktor
- 3
- Longitudinalaktor
- 4
- Scheraktor
- 5
- Läufer
- 6
- Last
- 7
- stellbereichsvergrößernder
Aktor
- 8
- Bohrung
- 9
- Dehnungselement