DE19644550C1 - Piezoelektrischer oder elektrostriktiver Trägheitsantrieb zum Verschieben oder Positionieren von insbesondere schweren Objekten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Trägheitsantrieb mit einem vorzugsweise piezoelektrischen Aktuator, wobei die Verschiebung und Positionierung eines Objekts sowohl innerhalb der Längenänderung des Aktuators als auch schrittweise erfolgen kann.

Piezoelektrische Trägheitsantriebe funktionieren nach dem Prinzip, daß bei stoßartiger Längenänderung des piezoelektrischen Aktuators durch geeignete elektrische Ansteuerung, die Trägheitskraft der Masse, die mit dem Aktuator fest verbunden ist, die Haftreibungskraft an der Klemmstelle und die Trägheitskraft der eingeklemmten Masse übertrifft. Dadurch wird die eingeklemmte Masse schrittweise verschoben, wobei während des Verschiebevorgangs an der Klemmstelle nur die im Vergleich zur Haftreibung wesentlich kleinere Gleitreibung wirksam wird Piezoelektrische Trägheitsantriebe werden als Grobversteller für leichte Objekte, wie z. B. Miniaturwerkzeuge, -instrumente und -optiken, in der Rastersondenmikroskopie oder im Bereich der Nanotechnologien, eingesetzt.

Gemäß dem Stand der Technik sind unterschiedliche Anordnungen mit linear dehnenden piezoelektrischen Aktuatoren bekannt:

• 1. In Ausführungsformen, wie sie in Rev. Sci. Instrum. 63 (1), Januar 1992 (Seite 263-264) und DE 44 40 758 A1 beschrieben sind, wird ein vorzugsweiser rohrförmiger Piezoaktuator auf einer Seite in Dehnungs- bzw. Kontraktionsrichtung fest mit einer Masse verbunden. Eine zweite Masse wird mit einer Klemmeinrichtung an der Innenfläche des rohrförmigen Aktuators, die als Reibungsfläche dient, eingeklemmt, wobei eine der Massen ortsfest ist und die andere Masse positioniert wird. Die Positionierung nach dem Trägheitsprinzip erfolgt, wie oben erläutert, durch eine mittels einer entsprechenden elektrischen Ansteuerung hervorgerufenen stoßartigen Längenänderung des Aktuators, die bei Überwindung der Haftreibung zwischen eingeklemmter Masse und Aktuator zu einer Verschiebung der Massen relativ zueinander führt. Diese Anordnung hat mehrere grundlegende Nachteile:
  • - Der maximal mögliche Verschiebeweg wird durch die Länge des Aktuators bestimmt.
  • - Zudem wird die Haft- und Gleitreibung durch die Reibungsfläche zwischen der Oberfläche des Aktuators und der eingeklemmten Masse bestimmt, was unvorteilhaft zu Verschleiß am Aktuator führt, insbesondere bei hohen Haftreibungen.
  • - Ein weiterer grundlegender Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß die absolute Dehnung oder Kontraktton des Aktuators entlang des Aktuators variiert. Sie nimmt in Dehnungsrichtung von dem Ende, das fest mit der Referenzmasse verbunden ist, bis zum anderen Ende des Aktuators von Null bis zur Gesamtdehnung des Aktuators zu. Das führt einerseits zu einer nicht gleichmäßigen Verschiebung, und andererseits dazu, daß der nutzbare Verschiebeweg sich auf einen Teilbereich der Länge des Aktuators beschränkt. Bei gleichmässiger elektrischer Ansteuerung nimmt die Schrittweite der Verschiebung entsprechend der Dehnung in Abhängigkeit der Position der angeklemmten Masse von Null auf einen Maximalwert zu, wobei der maximal mögliche Verschiebeweg bei gegebener elektrischer Ansteuerung mit dieser Anordnung nicht erreicht werden kann.
  • - Einen weiteren Nachteil stellen die hohe Betriebsspannungen von typisch 500 V dar, die erforderlich sind, um die maximal verfügbare Dehnung rohrförmiger Piezoaktuatoren selbst bei dünnen Wandstärken zu erreichen.
• 2. In einer weiteren bekannten Ausführung (DE 39 33 296 A1, A. R. Smith, S. Gwo und C. K. Shih, Rev. Sci. Instrum. Vol.65, 3216 (1994)) ist das zu positionierende Objekt selbst mit dem Aktuator fest verbunden und mit einer Klemm- und Führungseinrichtung an einer ortsfesten Referenzmasse angeklemmt oder das Objekt ist mit einem Kraftübertragungs- und Führungselement verbunden, das über eine Klemm- und Führungseinrichtung an der Referenzmasse gelagert und mit dem Aktuator fest verbunden ist. In beiden Fällen ist der Aktuator in Dehnungs- und Kontraktionsrichtung auf der gegenüberliegenden Seite zum Objekt bzw. zum Führungselement mit einer freitragenden Gegenmasse fest verbunden. Wie oben erläutert, führt auch hier eine stoßartige Längenänderung des Aktuators zu einer Verschiebung des Objekts. Derartige Anordungen haben mehrere grundlegende Nachteile, die sich dadurch ergeben, daß die Trägheitkraft der Gegenmasse bei stoßartiger Längenänderung des Aktuators die Haftreibungskraft übertreffen muß, wobei die Trägheitskraft des Objekts und gegebenenfalls des Führungselements der Verschiebung des Objekts entgegenwirkt:
  • - Die Trägheit der Objektmasse wirkt der Bewegung entgegen, das erfordert unter Umständen unvorteilhaft große Gegenmassen.
  • - Die Kraft die sich aus der Haftreibungskraft und der Trägheit der Objektmasse und gegebenenfalls der Führungselementmasse ergibt, darf nicht größer sein als die Blockierkraft des Aktuators. Haftreibungskraft und Trägheitskraft des Objekts begrenzen sich daher gegenseitig. D. h. schwere Objekte können mit einer nicht so großen Haftreibung eingeklemmt werden wie leichte Objekte.
  • - Die maximal mögliche Schrittweite bei der durch die elektrische Ansteuerung gegebenen Dehnung des Aktuators und vernachlässigbarer Gleitreibung wird verkürzt entsprechend dem Massenverhältnis aus Gegenmasse zu Objektmasse und gegebenenfalls der Führungselementmasse, gemäß der Impulserhaltung.
  • - Bei vorgegebener Schrittweite oder Haftreibung nimmt die erforderliche Betriebsspannung des Aktuators mit der Objektmasse unvorteilhaft zu. Ein weiterer Nachteil ist, dass bei derartigen Anordnungen das Objekt nur schrittweise bewegt werden kann über das oben erläuterte Trägheitsprinzip, aber eine kontinuierliche Positionierung des Objekts durch Längenänderung des Aktuators in Abhängigkeit einer angelegten Spannung nicht möglich ist.
• 3. In weiteren bekannten Ausführungen (DE 35 31 099 A1, DE-OS 19 33 205) wird eine schrittweise Bewegung dadurch erreicht, dass die Klemmkraft der Klemm- und Führungseinrichtung mit Hilfe eines Aktuators elektrisch steuerbar ist. Es werden also im Gegensatz zu piezoelektrischen Trägheitsantrieben mindestens zwei Piezoaktuatoren benötigt für die schrittweise Verschiebung bei dieser Art von Antrieb, die mit zeitlich korrelierten Spannungssignalen angesteuert werden müssen. Nachteilig bei diesen Ausführungen ist die aufwendigere Klemm- und Führungseinrichtung mit Piezoaktuator, die die Kompaktheit des Antriebs beschränkt, eine komplexere Steuerelektronik erfordert und einen höheren Energie- und Leistungsbedarf besitzt als piezoelektrische Trägheitsantriebe ohne elektrisch steuerbare Klemmkraft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben erwähnten Nachteile von Verschiebevorrichtungen mit piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoren zu vermindern oder zu beseitigen, und die Verschiebevorrichtungen zu verbessern, daß unter anderem schwere Objekte, die mit hoher Haftreibung gelagert sind, exakt positioniert werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss nach Anspruch 1 gelöst.

Unter dem Objekt wird eine zu verschiebende und zu positionierende Masse verstanden, die sich auch aus einer Anordnung von Massen, z. B. aus verschiedenen Materialien zusammensetzen kann, und Elemente zur Anpassung und Befestigung an dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuator, z. B. durch Kleben, aufweisen kann. Bei Anordnung des Objekts am Kraftübertragungs- und Führungselement, das z. B. stabförmig ist, weist das Objekt eine Führungseinrichtung, z. B. eine Nut, mit einer Klemmvorrichtung, z. B. eine Feder, auf bzw. ist an dem Krattübertragungs- und Führungselement befestigt. Bei z. B. sehr leichten Miniaturinstrumenten kann sich das Objekt aus dem eigentlichen Instrument und einer zusätzlich angebrachten Masse zusammensetzen, um zu erreichen, dass die Masse des Objekts vorteilhaft größer ist als die Masse des Kraftübertragungs- und Führungselements. Zudem kann unter Umständen das Objekt mit kleiner Haft- und Gleitreibung z. B. über Kugellager oder Führungsschienen auf der Referenzmasse gelagert sein. Das Objekt ist z. B. ein Läufer eines Positioniertisches gegebenenfalls mit Aufbauten wie Spiegel, Werkzeuge und Instrumente mit Befestigungsvorrichtungen usw. Die Referenzmasse ist eine große Masse, die im allgemeinen ortsfest ist, und an der die Klemm- und Führungseinrichtung bzw. eine Seite des piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuators befestigt ist. Sie weist gegebenenfalls eine Halterung oder andere Anordnungen zur Befestigung der großen Masse und/oder Anpassungs- und Befestigungselemente zur Befestigung an dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuator auf. Die Referenzmasse ist z. B. der Stator einer Positioniervorrichtung, an dem der piezoelektrische/elektrostriktive Aktuator bzw. die Klemm- und Führungseinrichtung befestigt ist. Der im wesentlichen in einer Dimension dehnende bzw. kontrahierende piezoelektrische/elektrostriktive Aktuator ist z. B. ein linear dehnendes Piezoelement, also kein Scherpiezoelement. Bei entsprechender elektrischer Ansteuerung des Aktuators wird eine Längenänderung in Verschiebungsrichtung hervorgerufen, die eine Kraft auf das Objekt bzw. die Referenzmasse und das Kraftübertragungs- und Führungselement ausübt. Das Kraftübertragungs- und Führungselement ist fest mit dem Aktuator verbunden und im allgemeinen stabförmig ausgebildet, und besteht aus harten Materialien, wie z. B. harten Stahllegierungen, Wolframcarbid, usw., und dient zusammen mit der Klemmvorrichtung zur Festhaltung des Objekts über die Haftreibung, und zur Kraftübertragung und Führung des durch elektrische Ansteuerung dehnenden piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuators auf die Klemmstelle zwischen dem Kraftübertragungs- und Führungselement und der Klemm- und Führungseinrichtung. Ebenso wie die Referenzmasse und das Objekt kann das Kraftübertragungs- und Führungselement Anpassungs- und Befestigungselemente zur Befestigung am piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuator aufweisen. Zudem kann es die von der Aktuatoroberfläche ausgeübte Kraft pro Fläche bei grosser Aktuatorfläche in eine grosse Kraft pro Fläche transformieren, wenn das Führungselement einen grossen Querschnitt am Aktuatur und einen kleinen Querschnitt, d. h. kleine Reibfläche, an der Klemmstelle besitzt.

Die Klemm- und Führungseinrichtung besteht z. B. aus einer Nut und einer Klemmfeder, zwischen denen das Kraftübertragungs- und Führungselement gelagert ist, wobei die Kraft der Klemmfeder auf das Kraftübertragungs- und Führungselement z. B. über eine Schraube eingestellbar sein kann. Die Größe der Haftreibung ist z. B. von den Materialeigenschaften des Kraftübertragungs- und Führungselements und der Klemm- und Führungseinrichtung, deren Oberflächenbeschaffenheit, deren Form und der Klemmkraft der Feder abhängig.

Entscheidend für die Verschiebung und Positionierung des Objekts relativ zur Referenzmasse ist die Anordnung nach Anspruch 1 und das sich hieraus ergebende Zusammenwirken des Objekts mit den übrigen Komponenten des piezoelektrischen/elektrostriktiven Antriebs. Vorteilhaft bewirkt die Trägheit der Objektmasse bei entsprechender elektrischer Ansteuerung des Aktuators eine Trägheitskraft, die zur Überwindung der Haftreibung zwischen dem Kraftübertragungs- und Führungselement und der Klemm- und Führungseinrichtung führt. Die Trägheitskraft des Objekts muß nicht bei einer Verschiebung des Kraftübertragungs- und Führungselements zusätzlich zur Haftreibungskraft überwunden werden, sie wirkt also der gewünschten Bewegung nicht entgegen. Die Haftreibung wird vorteilhaft an der Klemm- und Führungseinrichtung eingestellt, wie oben erläutert, und ist damit unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit und Form des Aktuators.

Durch das Zusammenwirken der Objektmasse mit den übrigen Komponenten in der erfindungsgemässe Anordnung nach Anspruch 1 ergeben sich unter anderem folgende technische Möglichkeiten und Vorteile:

• - Objektmasse und Haftreibungskraft begrenzen sich nicht gegenseitig, d. h. vorteilhaft können grosse Objektmassen sehr stark über das Kraftübertragungs- und Führungselement an der Klemm- und Führungseinrichtung eingespannt werden und unabhängig von der Objektmasse können Haftreibungskräfte bis nahe an die Blockierkraft des Aktuators überwunden werden.
• - Bei gegebener Betriebsspannung kann die maximal mögliche Haftreibung überwunden und eine maximal mögliche, gleichmässige Verschiebung und Verschiebungsgeschwindigkeit über die gesamte Länge des Kraftübertragungs- und Führungselements erreicht werden. Andererseits kann bei einer vorgegebener Haftreibung mit einer relativ kleinen Betriebsspannung eine Verschiebung hervorgerufen werden. Der insgesamt mögliche Verschiebungsweg ist bei dieser Anordnung von der Länge des Kraftübertragungs- und Führungselement abhängig und nur begrenzt durch dessen Härte, wobei die Elastizität des Kraftübertragungs- und Führungselements die vom Aktuator ausgeübte Maximalkraft auf die Klemmstelle begrenzt.
• - Die hohe einstellbare Haftreibung und die hohe Kraft pro Fläche, die das Kraftübertragungs- und Führungselement an der Klemmstelle erzeugen kann, macht die Verschiebung im wesentlichen unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit des Kraftübertragungs- und Führungselements und der Klemm- und Führungseinrichtung, d. h. unabhängig von z. B. Korrosion, Verschmutzung, usw. und führt zu einer spiel- und hysteresefreien, und im wesentlichen gleichmäßigen und reproduzierbaren Verschiebung.
• - Da die Trägheit des Objekts bei der Überwindung der Haftreibung des Kraftübertragungs- und Führungselements nicht der Verschiebung entgegenwirkt, können insbesondere mit dieser Anordnung schwere Objekte mit mehreren hundert Gramm gegen die Schwerkraft pro Antriebseinheit bewegt und positioniert werden, wie z. B. handelsübliche Mikroskopobjektive, was neue Anwendungsbereiche für piezoelektrische/elektrostriktive Antriebe eröffnet.
• - Vorteilhaft kann bei dieser Anordnung, das Objekt sowohl schrittweise bewegt werden, z. B. im cm-Bereich durch eine Verschiebung des Kraftübertragungs- und Führungselements, als auch fein positioniert werden im Nanometerbereich durch Einstellung einer Dehnung am Aktuator über eine statische bzw. zeitlich langsam variierende Spannung.

Nach Anspruch 2 ist es vorteilhaft, dass das Kraftübertragungs- und Führungselement eine möglichst kleine Masse aufweist, z. B. nadelförmig aus leichtem, aber hartem Material besteht. Die Trägheit des Kraftübertragungs- und Führungselements wirkt zusammen mit der Haftreibungskraft der Kraft des Aktuators bzw. der Trägheitskraft des Objekts bzw. der Referenzmasse entgegen. Bei sehr kleiner Masse können daher bei gegebener elektrischer Ansteuerung des Aktuators vorteilhaft sehr große Haftreibungskräfte, im Grenzfall bis nahe an die Blockierkraft des Aktuators, überwunden und gemäß der Impulserhaltung sehr große Verschiebeschritte pro angelegtem Spannungspuls, die praktisch der Längenänderung des Aktuators entsprechen, und große Verschiebegeschwindigkeiten erreicht werden. Andererseits führt bei gegebener Haftreibung die sehr kleine Trägheit des Kraftübertragungs- und Führungselements zu einer vorteilhaft niedrigen Betriebsspannung zur Überwindung der Haftreibung.

Vorteilhaft ist es, das Objekt an der Oberfläche des Aktuators und die Klemm- und Führungseinrichtung an der Referenzmasse zu befestigen. Bei dieser Anordnung wirkt die Trägheitskraft des Objekts bei stoßartiger Längenänderung des Aktuators in Richtung der Verschiebung. Das Objekt muss nicht mit einer Klemm- und Führungseinrichtung versehen werden, was insbesondere bei sehr kleinen Objekten, oder Anwendungen, bei welchen das Objekt sehr kompakt sein muß, wie z. B. bei Miniaturinstrumenten, von Vorteil ist.

Die Verwendung von Vielschichtpiezoelementen als Aktuator in der erfindungsgemäßen Anordnung nach Anspruch 3 erlaubt es, die elektromechanische Verschiebevorrichtung mit kleinen Betriebsspannungen zu betreiben, wie z. B. kleiner 10 V, und schon bei kleinen Spannungen relativ große Haftreibungen zu überwinden.

Ein Kraftübertragungs- und Führungselement mit rundem Querschnitt, das in einer V-Nut der Klemm- und Führungseinrichtung gelagert ist, und mit einer Klemmfeder, z. B. einer Blattfeder, mit einstellbarer Federkraft in die V-Nut gedrückt wird, kann vorteilhaft technisch einfach realisiert werden, wobei sich die oben erläuterten Vorteile in dieser einfachen Ausführung nutzen lassen. Zudem läßt sich die Ausführungsform nach Anspruch 4 einfach nachträglich in vorhandene Konstruktionen integrieren.

Nach Anspruch 5 kann die Klemm- und Führungseinrichtung als Quetschverschraubung, bestehend aus einem schraubenartigen Element, das eine Bohrung aufweist und geschlitzt ist, und einer aufschraubbaren Gewindehülse, eine vorteilhafte Ausführungsform sein. In der Bohrung ist das Kraftübertragungs- und Führungselement gelagert, die Haftreibung wird durch Anschrauben der Gewindehülse eingestellt. Diese Klemm- und Führungseinrichtung weist vorteilhaft eine Federwirkung nur senkrecht zur Bewegungsrichtung auf, in Bewegungsrichtung ist die Klemmvorrichtung extrem starr. Dadurch wird die maximale Kraft, die durch stoßartige Längenänderung des Aktuators hervorgerufen wird, zur Überwindung der Haftreibung wirksam. Ferner lassen sich Quetschverschraubungen leicht nachträglich in vorhandene Gewindebohrungen, z. B. zur Aufnahme von Verstellschrauben, einsetzen.

Nach Anspruch 6 ist eine grosse Haftreibung zwischen Kraftübertragungs- und Führungselement und Führung bzw. eine kleine Haftreibung zwischen Klemmfeder und Kraftübertragungs- und Führungselement von Vorteil. So können z. B. die Teile der Oberflächen, die als Reibfläche zwischen Kraftübertragungs- und Führungselement und Führungseinrichtung dienen, rauh sein und die Teile der Oberflächen, die die Reibfläche zwischen Kraftübertragungs- und Führungselement und Klemmfeder darstellen, möglichst glatt sein. Durch diese Massnahme wird vorteilhaft eine hohe Haftreibung erreicht, wobei bei stossartiger Längenänderung des Aktuators die Klemmfeder nur eine kleine Kraft in Bewegungsrichtung erfährt und damit die maximale Stoßkraft zur Überwindung der Haftreibung an der Klemmstelle wirksam wird.

Vorteilhaft nach Anspruch 7 kann als Objekt der Läufer eines Verschiebetisches mit der erfindungsgemäßen Anordnung verschoben und positioniert werden, da sich insbesondere diese kompakte, erfindungsgemäße Anordnung zum Verschieben von schweren Objekten eignet und leicht nachträglich in z. B. manuell betätigte Verschiebetische integrieren läßt, die dann elektronisch, z. B. über Computer, mit hoher Positioniergenauigkeit justiert werden können. Zudem kann auf aufwendige Antriebe, z. B. auf Elektromotoren mit Getriebe, verzichtet werden.

Bei Lagerung des Läufers eines Verschiebetisches auf drei Kraftübertragungs- und Führungselementen, die mit piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoren fest verbunden sind, an Klemm- und Führungseinrichtungen am Stator des Verschiebetisches nach Anspruch 8, ist der Läufer vorteilhaft statisch bestimmt und spielfrei gelagert. Die piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoren werden in diesem Fall zeitlich und spannungsmässig korreliert angesteuert.

Vorteilhaft nach Anspruch 9 können Kippspiegel, mit der erfindungsgemässen Anordnung justiert werden. Der Kippspiegel als das zu positionierendes Objekt ist z. B. fest mit zwei Aktuatoren und einem Gelenk, z. B. Festkörpergelenk, verbunden, wobei die zwei Kraftübertragungs- und Führungselemente an dem Stator als Referenzmasse über Klemm- und Führungseinrichtungen mit grosser Haftreibung gelagert sind. Der Kippspiegel kann mit einer solchen einfachen Anordnung in zwei Dimensionen elektrisch justiert werden, was sonst nur mit einer sehr aufwendigen Mechanik, bestehend z. B. aus Elektromotoren und Getrieben, möglich ist. Die erfindungsgemässe Anordnung ist besonders für solche Anwendungen geeignet, da große Massen wie der Spiegel positioniert, hohe Verschiebegeschwindigkeiten erreicht und hohe Haftreibungen überwunden werden können, wie oben erläutert.

Für z. B. Tieftemperaturanwendungen kann es erforderlich sein, daß der piezoelektrische/elektrostriktive Aktuator und die Elemente, die an ihm befestigt sind, ähnliche Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen, um eine Zerstörung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuators durch thermisch bedingte Verspannungen zu verhindern. Vorteilhaft nach Anspruch 10 weisen das Kraftübertragungs- und Führungselement und das Objekt bzw. die Referenzmasse vorzugsweise schichtartige Anpassungselemente auf, welche mit dem Aktuator verbunden sind. Diese Anpassungselemente, z. B. harte Keramiken, mit ähnlichem Temperaturausdehnungskoeffizienten wie der Aktuator, verhindern, dass thermische bedingte Verspannungen, hervorgerufen durch das Kraftübertragungs- und Führungselement und das Objekt bzw. die Referenzmasse, am Aktuator auftreten.

Die erzielbaren Vorteile werden an den nun folgenden Ausführungsbeispielen erläutert. In den Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise veranschaulicht und zwar zeigen

• - die Fig. 1 a-d schematisch die Verschiebung eines Objekts in Abhängigkeit der angelegten Spannung für eine Anordnung, bei der das zu positionierende Objekt fest mit den Aktuator verbunden ist.
• - die Fig. 2a und 2b einen Positioniertisch, dessen Läufer mit der erfindungsgemässen Anordnung verschoben werden kann.
• - die Fig. 3a und 3b einen Positioniertisch, dessen Läufer auf drei Kraftübertragungs- und Führungselementen gelagert ist und verschoben werden kann.
• - die Fig. 4a und 4b eine erfindungsgemässe Anordnung für eine Positioniervorrichtung, die z. B. für Tieftemperaturanwendungen geeignet ist.

In Fig. 1a ist eine erfindungsgemässe Anordnung dargestellt bei angelegter Spannung Null am piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuator 1, bestehend aus einem piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuator 1, einem zu positionierenden Objekt 2, einem Kraftübertragungs- und Führungselement 3, einer Klemm- und Führungseinrichtung 5/5' mit einer Klemmeinrichtung 5 und einer Nut als Führungseinrichtung 5' und einer ortsfesten Referenzmasse 4, die fest mit der Klemm- und Führungseinrichtung 5/5' verbunden ist. Das Objekt 2 ist, z. B. durch Klebung, mit einer der Oberflächen des Aktuators 1 in Dehnungs- bzw. Kontraktionsrichtung fest verbunden. Das Kraftübertragungs- und Führungselement 3 ist fest mit der gegenüberliegenden Oberfläche des Aktuators 1 verbunden und in der Klemm- und Führungseinrichtung 5/5' eingespannt. Die Haftreibung an der Klemmstelle wird durch die Oberflächenbeschaffenheit des Kraftübertragungs- und Führungselements 3 und der Klemm- und Führungseinrichtung 5/5' und durch den Anpressdruck der Klemmeinrichtung 5 bestimmt.

Wird nun ein ausreichend grosser Spannungspuls auf den Aktuator 1 gegeben, wie in Fig. 1b gezeigt, dann führt die stoßartige Dehnung des Aktuators 1 zu einer Trägheitskraft des Objekts 2 in Bewegungsrichtung, die größer als die Haftreibungskraft an der Klemmstelle zwischen Kraftübertragungs- und Führungselement 3 und Klemm- und Führungseinrichtung 5/5', die mit der ortsfesten Referenzmasse 4 verbunden ist, wobei die Trägheitskraft der vorteilhaft möglichst kleinen Masse des Kraftübertragungs- und Führungselements 3 entgegenwirkt. Die Trägheitskraft des Objekts 2 wirkt vorteilhaft in Verschiebungsrichtung und dient im wesentlichen zur Überwindung der Haftreibungskraft, falls die Trägheit des Kraftübertragungs- und Führungselements 3 vernachlässigbar ist. Vorteilhaft können mit dieser Anordnung schwerere Objekte 2 bei gegebener elektrischer Ansteuerung größere Haftreibungen überwinden, wobei die Haftreibungskraft bei der erfindungsgemäßen Anordnung bis nahe am Wert der Blockierkraft des Aktuators 1 liegen kann. Daher können vorteilhaft insbesondere schwere Objekte fest, d. h. spielfrei, an der Klemmstelle eingespannt werden. Die Haftreibung wird nahezu unabhängig von Korrosion, Verschmutzung usw. der Oberflächen von dem Kraftübertragungs- und Führungselement 3 und der Klemm- und Führungseinrichtung 5/5'.

Ist die Haftreibung überwunden, verschiebt sich das Kraftübertragungs- und Führungselement 3 in der Klemm- und Führungseinrichtung 5/5' gegen die wesentlich kleinere Gleitreibungskraft, wobei der Verschiebungsschritt bei einer gegenüber der Objektmasse 2 vernachlässigbaren Kraftübertragungs- und Führungselement-Masse 3 im wesentlichen der Dehnung des Aktuators 1 entspricht.

Die anschließend zeitlich abfallende Spannung am Aktuator 1 muß so gewählt werden, daß die durch Kontraktion des Aktuators 1 hervorgerufene Trägheitskraft am Objekt 2 die Haftreibungskraft an der Klemmstelle 5/5' nicht übertrifft, wie in Fig. 1c und 1d gezeigt. Das Kraftübertragungs- und Führungselement 3 bleibt dann gegenüber der Referenzmasse fest, und das Objekt 2 verschiebt sich entsprechend der Längenänderung des Aktuators 1. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann daher vorteilhaft mit einer vorzugsweise sägezahnförmigen elektrischen Ansteuerung eine zeitlich lineare, schrittweise Verschiebung des Objekts 2 erfolgen durch das Trägheitsprinzip (vergleiche Fig. 1a und 1d) als auch eine kontinuierliche Positionierung im Nanometerbereich (vergleiche Fig. 1e und 1d) mit einer zeitlich langsam variierenden Spannung am Aktuator 1. Da die Objektmasse 2 in Richtung der Verschiebung wirkt, wird zum Erreichen von großen Schrittweiten und Verschiebegeschwindigkeiten, zum Verschieben von großen Objektmassen und zum Überwinden von hohen Haftreibungen relativ zu anderen Anordnungen nur eine kleine Betriebsspannung benötigt, insbesondere dann, wenn der piezoelektrische/elektrorestriktive Aktuator 1 ein Vielschichtpiezoelement ist. Vorzugsweise wird der Aktuator 1 in Form eines Plättchens gewählt, wobei einerseits eine hohe Bruchfestigkeit der Anordnung erreicht wird und andererseits durch entsprechende Form des Kraftübertragungs- und Führungselements 3, wie in Fig. 1a-d dargestellt, eine Transformation von der Kraft pro Fläche am Aktuators 1 in eine höhere Kraft pro Fläche, wirksam auf eine kleine Reibfläche an der Klemmstelle zwischen Kraftübertragungs- und Führungselement 3 und Klemm- und Führungseinrichtung 5/5', erreicht wird. Aufgrund der Anordnung kann eine spiel- und hysteresefreie, sehr gleichmässige und reproduzierbare Bewegung über die gesamte Länge des Kraftübertragungs- und Führungselement 3 erreicht werden.

Wie anhand der Erläuterungen zu den Fig. 1a-d hervorgeht, wird das Verschieben und Positionieren des Objekts 2 erreicht durch das Zusammenwirken des Objekts 2 mit den übrigen Komponenten der Verschiebevorrichtung (1, 3, 4, 5/5'), wobei das Objekt 2 selbst eine wichtige Komponente des Antriebs darstellt. Insbesondere können mit dieser Anordnung vorteilhaft schwere Objekte 2, die mit hoher Haftreibung gelagert sind, verschoben und positioniert werden. Alternativ kann in der Anordnung in Fig. 1a-d die Referenzmasse 4 und Objekt 2 vertauscht werden, wobei dann das Objekt 2 an der Klemm- und Führungseinrichtung 5/5' befestigt werden muß.

In Fig. 2a und 2b ist die Frontansicht und Aufsicht eines Verschiebtisches gezeigt, bestehend aus einem Läufer als das zu positionierende Objekt 2, der über Führungsschienen 7 mit kleiner Haft- und Gleitreibung am Stator als Referenzmasse 4 gelagert ist. Der Antrieb selbst besteht aus dem Läufer 2, dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuator 1, dem Kraftübertragungs- und Führungselement 3 mit rundem Querschnitt und der Klemm- und Führungseinrichtung 5/5' befestigt am Stator 4. Vorteilhaft weist die Klemm- und Führungseinrichtung 5/5' eine V-Nut 5' und eine Blattfeder 5 auf. Die erforderliche Haftreibung kann mit der Schraube 6 und durch die Härte der Blattfeder 5 eingestellt werden. Eine solche Anordnung läßt sich technisch einfach realisieren, und einfach nachträglich in vorhandene Konstruktionen von Verschiebetischen, z. B. mit manueller Verstellung, integrieren. Damit kann der Läufer 2 elektromechanisch verschoben und exakt positioniert werden. Auf im allgemeinen komplizierte elektrische Antriebe, wie Elektromotoren, kann verzichtet werden. Weiterhin vorteilhaft ist es, eine kleine Haftreibung zwischen Feder 5 und Kraftübertragungs- und Führungselement 3 und eine große Haftreihung zwischen V-Nut 5' und Kraftübertragungs- und Führungselement 3 zu wählen, und eine Feder 5 zu verwenden, die starr in Verschiebungsrichtung und biegsam nur senkrecht zur Verschiebungsrichtung ist. Mit beiden Maßnahmen wird eine Verschiebung gegen eine hohe Haftreibung erreicht, wobei die maximale Kraft bei stoßartiger Längenänderung des Aktuators 1 zur Überwindung der Haftreibung bzw. zur Verschiebung des Kraftübertragungs- und Führungselements 3 wirksam wird.

In Fig. 3a und 3b ist ein Verschiebetisch ähnlich dem in Fig. 2a und 2b gezeigt, wobei statt der Lagerung des Läufers 2 auf Führungsschienen 7 der Läufer 2 fest durch drei Kraftübertragungs- und Führungselemente 3 über die Klemm- und Führungseinrichtung 5/5' am Stator 4 eingespannt ist. Diese Anordnung führt vorteilhaft zu einer absoluten Spielfreiheit des Läufers 2, vorallem da der Läufer 2 erfindungsgemäss mit hohen Haftreibungskräften eingespannt werden kann. Zur Verschiebung des Läufers 2 muß eine zeitlich und spannungsmäßig korrelierte Ansteuerung der Aktuatoren 1 erfolgen.

In Fig. 4a und 4b ist eine erfindungsgemäße Anordnung dargestellt, die sich z. B. zum Positionieren von Objekten 2, wie z. B. Läufer von Verschiebetischen, bei tiefen Temperaturen eignet, z. B. Heliumtemperatur. Bei Anwendungen für weite Temperaturbereiche müssen Objekt 2 und Kraftübertragungs- und Führungselement 3 schichtartige Anpassungselemente 2', 3' aufweisen, die mit dem Aktuator 1 fest verbunden werden, um eine Zerstörung des Aktuators 1 durch unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten von Aktuator 1 und Kraftübertragungs- und Führungselement 3 bzw. Objekt 2 zu verhindern. Diese Schichten 2', 3' können z. B. aus Keramiken mit ähnlichem Temperaturausdehnungskoeftizienten wie der des Aktuators 1 bestehen, und die temperaturbedingten Verspannungen zwischen Aktuator 1 und Objekt 2 bzw. Kraftübertragungs- und Führungselement 3 zerstörungsfrei aufnehmen. Ferner zeigt Fig. 4a und 4b statt einer Klemmung mit Blattfeder 5 und V-Nut 5' eine Quetschverschraubung 5''/5''' als Klemm- und Führungseinrichtung, bestehend aus einer Gewindehülse 5''' und einem geschlitzten schraubenartigen Element mit Bohrung 5'', in der das Kraftübertragungs- und Führungselement 3 gelagert ist. Quetschverschraubungen 5''/5''' weisen vorteilhaft eine Federwirkung nur senkrecht zur Verschieberichtung und eine extreme Starrheit in Verschieberichtung auf, und können leicht nachträglich in vorhandene Gewindebohrungen, z. B. von Verstellschrauben, eingeschraubt werden.

Claims (10)

1. Elektromechanischer Trägheitsantrieb zum Verschieben und Positionieren von mindestens einem Objekt (2), wobei:

• a) mindestens ein im wesentlichen in einer Dimension dehnender und/oder kontrahierender piezoelektrischer oder elektrostriktiver Aktuator (1) mit einer seiner Oberflächen in Bewegungsrichtung fest mit einem Kraftübertragungs- und Führungselement (3) verbunden ist,
• b) das Kraftübertragungs- und Führungselement (3) über Reibungsflächen in zumindest einer Klemm- und Führungseinrichtung (5/5') gelagert ist und eine kleinere Querschnittsfläche an der Klemm- und Führungseinrichtung (5/5') aufweist als die entsprechende Querschnittsfläche des Aktuators (1),
• c) das Objekt (2) fest mit der anderen Oberfläche in Bewegungsrichtung des piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuators (1) verbunden ist und eine Referenzmasse (4) fest mit der Klemm- und Führungseinrichtung (5/5') verbunden ist, oder eine Referenzmasse (4) fest mit der anderen Oberfläche in Bewegungsrichtung des piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuators (1) verbunden ist und das Objekt (2) fest mit der Klemm- und Führungseinrichtung (5/5') verbunden ist.

2. Elektromechanischer Trägheitsantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftübertragungs- und Führungselement (3) eine möglichst kleine Masse aufweist.

3. Elektromechanischer Trägheitsantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Aktuator (1) ein Vielschichtpiezoelement ist.

4. Elektromechanischer Trägheitsantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftübertragungs- und Führungselement (3) einen runden Querschnitt aufweist und in der Klemm- und Führungseinrichtung (5/5') mittels V-Nut (5') und Klemmfeder (5) gelagert ist.

5. Elektromechanischer Trägheitsantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemm- und Führungseinrichtung (5/5') eine Quetschverschraubung (5''/5''') ist.

6. Elektromechanischer Trägheitsantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Reibfläche zwischen dem Kraftübertragungs- und Führungselement (3) und der Führungseinrichtung (5') einen größeren Haftreibungskoeffizienten aufweist als die gemeinsame Reibfläche zwischen dem Kraftübertragungs- und Führungselement (3) und der Klemmeinrichtung (5).

7. Elektromechanischer Trägheitsantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (2) der Läufer eines Verschiebetisches und die Referenzmasse (4) der Stator eines Verschiebetisches ist.

8. Elektromechanischer Trägheitsantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (2) eines Verschiebetisches in Verschiebungsrichtung beidseitig fest mit insgesamt drei piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuatoren (1) mit Kraftübertragungs- und Führungselementen (3) am Stator (4) des Verschiebetisches über Klemm- und Führungseinrichtungen (5/5') gelagert ist, wobei zwei der Aktuatoren (1) auf einer der Seiten des Läufers (2) in Verschiebungsrichtung befestigt sind und der dritte Aktuator (1) auf der anderen Seite des Läufers (2) in Verschiebungsrichtung befestigt ist.

9. Elektromechanischer Trägheitsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (2) ein Spiegel ist und die Referenzmasse (4) der Stator einer Kippspiegelhalterung ist.

10. Elektromechanischer Trägheitsantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (2) oder die Referenzmasse (4) und/oder das Kraftübertragungs- und Führungs­ element (3) zur Befestigung an dem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuator (1) zumindest ein Anpassungselement (2', 3') mit ähnlichem Temperaturausdehnungskoeffzienten wie der des piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuators (1) aufweist/aufweisen.