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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft piezoelektrische Positionierer, insbesondere
piezoelektrische Mehrachsenpositionierer.
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Positionierer
werden oft für
die Positionierung optischer Komponenten verwendet, sowohl in Produktionen
als auch in wissenschaftlichen Experimenten.
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1 zeigt
eine schematische Querschnittansicht eines bekannten Typs eines
linearen piezoelektrischen Positionierers 2 [1, 2]. Diese
Art Positionierer ist als „Inchworm-
bzw. Raupenpositionierer" bekannt
und kann ein Objekt eindimensional positionieren. Der Positionierer 2 ist
um eine zentrale Achse z kreisförmig
symmetrisch und weist ein bewegliches Teil 4, ein festes
Teil 6, einen Antriebsmechanismus 8 und einen
Controller (nicht gezeigt) auf. Der Positionierer ermöglicht die
Positionierung des beweglichen Teils 4 relativ zu einem
festen Teil 6 entlang der z-Achse. Der Antriebsmechanismus 8 weist
einen linken piezoelektrischen Ring 10, einen rechten piezoelektrischen
Ring 12 und ein piezoelektrisches Abstandsstück 14 auf.
Das bewegliche Teil 4 weist einen Schaft auf, an dem ein
zu positionierendes Objekt befestigt sein kann. Das bewegliche Teil
wird durch den linken piezoelektrischen Ring 10 und den rechten
piezoelektrischen Ring 12 gegriffen. Die piezoelektrischen
Ringe 10, 12 sind so angeordnet, dass sie unabhängig von
dem Controller angetrieben werden können, sodass sie sich sternförmig um
die z-Achse erweitern und zusammenziehen, um folglich das bewegliche
Teil 4 zu greifen und loszulassen. Das piezoelektrische
Abstandsstück 14 ist
so angeordnet, dass es veranlasst werden kann, sich parallel zur
z-Achse zu erweitern und zusammenzuziehen. Der linke und der rechte
piezoelektrische Ring 10, 12 sind am entsprechenden
linken und rechten Ende des piezoelektrischen Abstandsstücks 14 befestigt. Das
piezoelektrische Abstandsstück
ist mittig an dem festen Teil 6 befestigt.
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Das
bewegliche Teil 4 wird wie in 1 gezeigt
durch Greifen der linken und rechten piezoelektrischen Ringe 10, 12 relativ
zum festen Teil 6 gehalten. Um das bewegliche Teil 4 nach
rechts zu bewegen (d. h. in der negativen z-Richtung), führt das Steuerelement
die folgenden Schritte aus. Zuerst wird der linke piezoelektrische
Ring 10 erweitert, sodass er nicht mehr das bewegliche
Teil 4 greift. Zweitens wird das piezoelektrische Abstandsstück 14 um ΔZ erweitert,
sodass der linke piezoelektrische Ring 10 sich um ΔZ/2 nach
links bewegt und der rechte piezoelektrische Ring 12 sich
gleichermaßen
nach rechts bewegt. Da das bewegliche Teil 4 während dieser
Bewegung von dem rechten piezoelektrischen Ring 12 gehalten
wird, bewegt sich das bewegliche Teil 4 auch um ΔZ/2 relativ
zu dem festen Teil 6 nach rechts. Drittens ist der linke
piezoelektrische Ring 10 spannungsfrei, sodass das bewegliche
Teil 4 wieder von beiden piezoelektrischen Ringen 10, 12 erfasst wird.
Viertens wird der rechte piezoelektrische Ring 12 erweitert,
sodass er das bewegliche Teil 4 nicht mehr greift. Fünftens ist
das piezoelektrische Abstandsstück 14 spannungsfrei,
sodass es sich um ΔZ zusammenzieht.
Dies veranlasst den rechten piezoelektrischen Ring 12,
sich um ΔZ/2
nach links zu bewegen und den linken piezoelektrischen Ring 10 sich um ΔZ/2 nach
rechts zu bewegen, das heißt,
die piezoelektrischen Ringe 10, 12 kehren zu den
in 1 gezeigten Achsenpositionen in Bezug auf das
feste Teil 6 zurück.
Während
dieses Ablaufs wird das bewegliche Teil 4 erneut um ΔZ/2 nach
rechts bewegt, da es von dem linken piezoelektrischen Ring 10 gehalten
wird. Schließlich
ist der rechte piezoelektrische Ring 12 spannungsfrei,
sodass er erneut das bewegliche Teil 4 greift.
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Nach
Ablauf der obigen Reihenfolge befinden sich das feste Teil 6,
die linken und rechten piezoelektrischen Ringe 10, 12 und
das piezoelektrische Abstandsstück 14 in
den gleichen entsprechenden Positionen wie in 1 gezeigt.
Das bewegliche Teil 4 wurde jedoch um ΔZ nach rechts bewegt. Wenn weitere
Bewegung erforderlich ist, wird die Abfolge wiederholt, sodass das
bewegliche Teil 4 nach rechts bewegt wird. Eine Bewegung
nach links des beweglichen Teils wird durch Verwendung einer ähnlichen Abfolge
erreicht, in der die Erweiterungs- und Kontraktionszyklen der rechten
und linken piezoelektrischen Ringe jedoch vertauscht sind.
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Piezoelektrische „Inchworm-
bzw. Raupenpositionierer" des
in 1 gezeigten Typs sind nützliche Vorrichtungen, da sie
genaues, hochauflösendes,
eindimensionales Positionieren ermöglichen und relativ einfach,
kompakt und stabil sind.
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In
vielen Fallen ist jedoch ein Positionieren mit mehreren Achsen erwünscht und
somit sind Positionierer, die in zwei, drei oder mehr Dimensionen einstellbar
sind, erforderlich. Mehrachsenpositioniermechanismen können im
Allgemeinen in zwei Typen unterteilt werden: Positionierer mit seriellen
Positioniermechanismen und Positionierer mit parallelen Positioniermechanismen.
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Serielle
Positioniermechanismen weisen eine gestapelte Reihe linearer Positionierer
auf. Ein serieller zweidimensionaler (2D)-Positionierer kann zum
Beispiel erste und zweite lineare „Inchworm- bzw. Raupenpositionierer" des oben beschriebenen Typs
aufweisen, sodass die Eingangsstufe (d. h. das feste Teil) des zweiten
linearen Positionierers auf die Ausgangsstufe (d. h. das bewegliche
Teil) des ersten Positionierers montiert ist. Ein zu positionierendes Objekt
ist auf die Ausgangsstufe des zweiten Positionierers montiert. Demzufolge
wird der zweite Positionierer betrieben, um das Objekt in einer
Richtung zu bewegen, während
der erste Positionierer betrieben wird, um den zweiten Positionierer
und daher auch das Objekt, das er trägt, in der anderen Richtung
zu bewegen. Ein bekanntes Problem serieller Positionierer ist, dass
ihr typisches Verhalten in den verschiedenen Achsen unterschiedlich
sein kann und dass das Verhalten einer Achse von der Position in der
anderen abhängen
kann. Dies ist im Wesentlichen auf unterschiedliche Belastungen
der linearen Positionierer im Stack zurückzuführen. Irr einem seriellen 2D-Positionierer
trägt zum
Beispiel der zweite Positionierer die Last des zu positionierenden
Objekts wobei der erste Positionierer sowohl diese Last als auch
die des zweiten Positionierers trägt. Diese Probleme werden erheblicher,
sobald mehr Bewegungsachsen enthalten sind.
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Parallele
Positioniermechanismen vermeiden diese Probleme durch das Ermöglichen
unabhängigen
Positionierens in jeder der zahlreichen Achsen. Dies wird durch
die Konstruktion von Antriebsmechanismen für jede Achse, die parallel
zueinander betrieben wird, erreicht. Das heißt die Eingangsstufen, die
mit jeder der verschiedenen Bewegungsachsen verbunden sind, sind
gemeinsam montiert und die Ausgangsstufen sind ähnlich gemeinsam montiert.
Parallele Positioniermechanismen sind im Allgemeinen bei genauem
Mehrachsenpositionieren bevorzugt, da sie die Probleme der oben
beschriebenen seriellen Positioniermechanismen nicht aufweisen.
Da jedoch die Antriebsmechanismen, die mit jeder der Achsen in einem
parallelen Positionierer verbunden sind, in der Lage sein müssen, Bewegungen
in jeder der anderen Achsen auszugleichen, können parallele Positionierer
recht groß und
komplex sein.
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Das
japanische Patent mit der Seriennummer
JP 01 043074 A beschreibt
eine Positioniereinrichtung zum Bewegen eines Druckkopfs über eine zweidimensionale
Fläche
ohne das Verwenden von Führungen.
Die Vorrichtung weist ein waagerechtes piezoelektrisches Element
auf, das auf drei piezoelektrische Abschnitte gestützt ist.
Das waagrechte piezoelektrische Element und die piezoelektrischen Abschnitte
werden durch ein Wechselstromsignal mit einer geeigneten Gleichschaltung
betrieben, um den Positionierer zu veranlassen, sich entlang einer
Fläche
zu bewegen.
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Das
deutsche Patent mit der Seriennummer
DE
19 33205 beschreibt einen dem in
1 gezeigten ähnlichen
Positionierer.
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ZUAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung
wird ein piezoelektrischer Mehrachsenpositionierer bereitgestellt,
der aufweist: ein festes Teil, ein bewegliches Teil, das in einer
Ebene relativ zu dem festen Teil positionierbar ist, wobei das bewegbare
Teil eine piezoelektrische Vorrichtung aufweist, die derart betreibbar
ist, dass sie sich innerhalb der Ebene erweitert und zusammenzieht;
und erste, zweite und dritte lösbare Klemmmechanismen,
die betreibbar sind, um selektiv das bewegliche Teil an dem festen
Teil an entsprechenden ersten, zweiten und dritten Orten zu klemmen,
sodass das bewegliche Teil innerhalb der Ebene durch das ausgewählte Aktivieren
eines der lösbaren
Klemmmechanismen bewegt werden kann, wenn die piezoelektrische Vorrichtung
sich ausdehnt oder zusammenzieht, wobei die lösbaren Klemmmechanismen jeweils
einen piezoelektrischen Betätiger
aufweisen, der betreibbar ist, um entlang einer zur Ebene senkrechten
Richtung eine Klemmkraft auf das bewegliche Teil aufzubringen.
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Dies
stellt einen relativ einfachen und stabilen Mehrachsenpositionierer
bereit, der einen Parallelmechanismus hat und von dem genauen und hochauflösenden Positionieren,
das mit piezoelektrischen linearen Positionierern verbunden ist,
profitiert.
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Die
piezoelektrische Vorrichtung kann aus einem einzelnen piezoelektrischen
Element, zum Beispiel einer planaren Scheibe, bestehen, die betreibbar
ist, um sich innerhalb der Ebene entlang mehrerer Richtungen zu
erweitern oder zusammenzuziehen. Dies stellt eine einfache Konstruktion
mit einer relativ kleinen Anzahl an Teilen bereit.
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Andernfalls
kann die piezoelektrische Vorrichtung eine Vielzahl piezoelektrischer
Elemente aufweisen, zum Beispiel vier piezoelektrische Elemente,
die entlang den Seiten eines Rechtecks angeordnet sind. In solch
einem Beispiel kann ein vierter lösbarer Klemmmechanismus bereitgestellt
werden, wobei die vier lösbaren
Klemmmechanismen so angeordnet sind, dass sie auf jeweils einer
der vier Ecken des Rechteckes einwirken. Diese Anordnung ermöglicht eine
beliebige Positionierung entlang zwei rechtwinkliger Achsen in der
Ebene. Die vier piezoelektrischen Elemente können an ihren Enden zum Bilden
eines Rechtecks verbunden sein oder können über Eckstücke miteinander verbunden sein.
Das Verwenden passiver Eckstücke
beseitigt Verbindungsspannungen, die andernfalls entstehen könnten, wenn
die piezoelektrischen Elemente direkt miteinander verbunden sind.
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Die
piezoelektrischen Betätiger
können
jeweils ein piezoelektrisches Element aufweisen, das in einem Biegeelement
montiert ist und so angeordnet ist, dass das piezoelektrische Element
veranlasst werden kann, sich in einer im Wesentlichen parallel zur
Ebene verlaufenden Richtung zu erweitern, wodurch das Biegeelement
veranlasst wird, sich in einer zur Ebene im Wesentlichen senkrechten
Richtung zusammenzuziehen und die Klemmkraft zu lösen. Diese
Anordnung stellt ein piezoelektrisches Stellglied bereit, das im
spannungsfreien Zustand eine Klemmkraft aufbringt, wobei die Klemmkraft
gelöst wird,
wenn sich das piezoelektrische Element erweitert. Dies kann hilfreich
sein, da piezoelektrische Elemente oft verbesserte Betriebseigenschaften
haben, wenn sie sich erweitern im Vergleich zum Zusammenziehen.
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Die
lösbaren
Klemmmechanismen können jeweils
weiterhin einen zweiten piezoelektrischen Betätiger aufweisen, der so gestaltet
ist, dass er mit dem erstgenannten Betätiger kooperiert, um das bewegliche
Teil relativ zu dem festen Teil entlang einer zur Ebene parallelen
Richtung zu bewegen, während er
eine Klemmkraft aufrecht erhält.
Dies stellt einen Positioniergrad innerhalb der Betätigerbaureihe
entlang einer senkrecht zur Ebene verlaufenden Richtung bereit und
somit einen einfachen Dreiachsenpositionierer.
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Das
bewegliche Teil kann weiterhin einen mit der piezoelektrischen Vorrichtung
verbundenen Träger
aufweisen, der sich entlang einer zur Ebene senkrechten Richtung
erstreckt, wobei der Träger eine
Montierfläche
hat, an der ein zu positionierendes Objekt befestigt sein kann.
Dies ermöglicht
das Stützen
eines zu positionierenden Objekts entfernt vom Hauptkörper des
Positionierers und verhindert so mögliche Behinderungen zwischen
ihnen. Die Montierfläche
kann konventionelle Befestigungen für Montierkomponenten enthalten,
wie zum Beispiel passend große
Gewindebohrungen.
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In
einigen Ausführungsformen
kann der Träger
einen Einachsenpositionierer aufweisen. Dies ermöglicht die Positionierung eines
Objekts entlang einer zur Ebene senkrechten Achse und die Positionierung
eines Objekts parallel zur Ebene. Der Träger kann zum Beispiel einen
konventionellen Inchworm- bzw. Raupenpositionierer aufweisen, um
einen vollständig
piezoelektrischen Dreiachsenpositionierer bereitzustellen. Andernfalls
kann der Träger
irgendeine andere Art eines linearen Positionierers aufweisen.
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In
anderen Ausführungsformen
wird ein Dreiachsenpositionierer bereitgestellt, wodurch das bewegliche
Teil eine zweite piezoelektrische Vorrichtung aufweist, die von
der erstgenannten piezoelektrischen Vorrichtung entlang einer zur
Ebene senkrechten Richtung durch ein einstellbares Abstandsstück beabstandet
ist, sodass die Trennung zwischen den erstgenannten und zweiten
piezoelektrischen Vorrichtungen änderbar
ist, wobei der Träger
lösbar von
den erstgenannten und zweiten piezoelektrischen Vorrichtungen gehalten
wird, sodass er durch Ändern
der Trennung der erstgenannten und zweiten piezoelektrischen Vorrichtungen
in einer zur Ebene senkrechten Richtung bewegt werden kann, da der Träger wahlweise
von den erstgenannten und zweiten piezoelektrischen Vorrichtungen
gehalten und gelöst
wird.
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Der
piezoelektrische Mehrachsenpositionierer kann einen Controller enthalten,
der konfiguriert ist, um die piezoelektrische Vorrichtung oder die
Elemente und die lösbaren
Klemmmechanismen in einer vorbestimmten Abfolge zur Umpositionierung
des beweglichen Teils relativ zu dem festen Teil zu aktivieren.
Wahlweise kann der Controller zur Aktivierung der piezoelektrischen
Vorrichtung oder der Elemente und der lösbaren Klemmmechanismen als
Reaktion auf ein Rückkopplungssignal
konfiguriert sein, wenn das bewegliche Teil relativ zu dem festen
Teil positioniert wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung und um zu zeigen, wie diese verwirklicht werden kann,
werden nun beispielhaft die begleitenden Zeichnungen beschrieben,
in denen:
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1 die
schematische Querschnittansicht eines bekannten piezoelektrischen
Einachsenpositionierers zeigt,
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2 die
schematische Darstellung einer perspektivischen Ansicht eines piezoelektrischen Zweiachsenpositionierers
nach einer ersten Ausführungsform
der Erfindung ist,
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3 die
schematische Querschnittansicht des in 2 gezeigten
piezoelektrischen Zweiachsenpositionierers zeigt,
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4A–F die schematische
Darstellung einer Beispielabfolge zur Positionierung eines Objekts, das
von dem in 2 gezeigten Positionierer auf
einer horizontalen Ebene gehalten wird, zeigen,
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5 eine
Tabelle ist, die schematisch den Status einiger der Elemente des
in 2 gezeigten Positionierers während der Ausführung der
in 4 gezeigten Abfolge zeigt,
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6 eine
Tabelle ist, die schematisch den Status einiger der Elemente des
in 2 gezeigten Positionierers während einer weiteren Beispielabfolge
zur Positionierung eines Objekts in einer waagerechten Ebene zeigt,
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7 die
schematische Querschnittansicht eines piezoelektrischen Dreiachsenpositionierers nach
einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung zeigt,
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8 die
schematische perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Zweiachsenpositionierers
nach einer dritten Ausführungsform
der Erfindung zeigt,
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9 eine
Tabelle ist, die schematisch den Status einiger der Elemente des
in 8 gezeigten Positionierers während einer Beispielabfolge
zur Positionierung eines Objekts in einer waagrechten Ebene zeigt,
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10 eine
Tabelle ist, die schematisch den Status einiger der Elemente des
in 8 gezeigten Positionierers während einer weiteren Beispielabfolge
zur Positionierung eines Objekts in einer waagerechten Ebene zeigt,
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11 die
schematische perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Dreiachsenpositionierers
nach einer vierten Ausführungsform
der Erfindung zeigt,
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12 die
schematische Querschnittansicht des in 11 gezeigten
piezoelektrischen Positionierers zeigt,
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13 eine
Tabelle ist, die schematisch den Status einiger der Elemente des
in 11 gezeigten Positionierers während einer Beispielabfolge
zur Positionierung eines Objekts in einer waagerechten Ebene zeigt,
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14 eine
Tabelle ist, die schematisch den Status einiger der Elemente des
in 11 gezeigten Positionierers während einer Beispielabfolge
zur Positionierung eines Objekts entlang einer senkrechten Achse
zeigt, und
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15 die
schematische Querschnittansicht eines piezoelektrischen Klemmelements
zeigt, das in Ausführungsformen
der Erfindung verwendet werden kann.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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2 zeigt
die schematische perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen
Positionierers 16 zur zweidimensionalen Positionierung
eines Objekts, wie zum Beispiel einer optischen Linse. In der in 2 gezeigten
Ausrichtung ist der Positionierer 16 so angeordnet, dass
er ein Objekt in einer waagrechten xy-Ebene bewegt. Der piezoelektrische
Positionierer weist ein festes Teil 20, ein bewegliches
Teil 22 und drei lösbare
Klemmmechanismen 28A-C auf. Der Positionierer wird durch
einen Controller 18 über einen
schematisch als Pfeil 19 dargestellten Signalpfad betrieben.
In diesem Beispiel ist der Controller ein passend konfigurierter
Mehrzweckcomputer. In anderen Beispielen kann ein anwendungsspezifischer
(ASIC)Controller bevorzugt werden, wie zum Beispiel ein Universalschaltkreis
oder ein anwendungsspezifischer integrierter Chip. Das feste Teil 20 fungiert
als Basis, die an einem optischen Tisch befestigt werden kann. Das
bewegliche Teil 22 weist eine piezoelektrische Vorrichtung
in Form einer piezoelektrischen Scheibe 24 auf, an der
ein Träger
in Form eines Befestigungspfostens 26 mittig befestigt ist.
Die piezoelektrische Scheibe 24 ist so angeordnet, dass
sie sich durch den Controller 18 sternförmig in einer xy-Ebene erweitert und
zusammenzieht. Das Erweitern oder Zusammenziehen eines piezoelektrischen
Elements wird oft als Benutzen bzw. Betätigen des piezoelektrischen
Elements bezeichnet. Anders als in diesem Beispiel kann die piezoelektrische Scheibe
in anderen Beispielen beispielsweise durch das Montieren eines Metallrings
um deren Umfang vorgespannt sein, sodass ihre unbetätigte Arbeitsgröße kleiner
ist als ihre natürliche
Größe, wenn
sie völlig
entspannt ist. Der Befestigungspfosten 26 dient zur Bereitstellung
einer oberen Montierfläche
für ein zu
positionierendes Objekt. Der Befestigungspfosten 26 kann
einen Einachsenpositionierer aufweisen, der angeordnet ist, um das
Positionieren entlang einer zur xy-Ebene senkrechten Achse zu ermöglichen.
In einigen Fällen
kann der Befestigungspfosten 26 überflüssig sein und das Objekt kann
direkt auf die piezoelektrische Scheibe 24 montiert werden.
Die drei lösbaren
Klemmmechanismen 28A–C
befinden sich an den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks und
sind konfiguriert, um selektives Klemmen der piezoelektrischen Scheibe 24 an
erste (A), zweite (B) und dritte (C) Orte unter Steuerung des Controllers 18 bereitzustellen.
Die lösbaren
Klemmmechanismen 28A–C
sind so angeordnet, dass wenn sie an A, B und/oder C geklemmt werden,
verhindert wird, dass der Teil der piezoelektrischen Scheibe 24,
der geklemmt wird, sich nicht in der xy-Ebene relativ zu dem festen
Teil bewegt.
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3 zeigt
die schematische Querschnittansicht des in 2 gezeigten
piezoelektrischen Positionierers 16. Die Schnittansicht
in 3 verläuft
entlang einer gefalteten Ebene, die durch den lösbaren Klemmmechanismus 28A hindurchgeht,
zur Mitte der piezoelektrischen Scheibe 24 und dann durch
den lösbaren
Klemmmechanismus 28B verläuft. Dieser gefaltete Abschnitt
ist ausgewählt,
um leichter zu zeigen, wie die piezoelektrische Scheibe 24 gestützt wird.
In diesem Beispiel sind die lösbaren
Klemmmechanismen 28A, 288, 28C identisch
zueinander und nur der lösbare
Klemmmechanismus 28A wird detailliert beschrieben. Der
lösbare
Klemmmechanismus 28A weist eine steife Halterung 30A,
ein Gerüst 34A und
ein piezoelektrisches Klemmelement 32A auf. Die steife
Halterung 30A und das Gerüst 34A sind an dem
festen Teil 20 befestigt. Die piezoelektrische Scheibe 24 bleibt
auf der festen Halterung und den entsprechenden festen Halterungen,
die mit jedem der anderen lösbaren
Klemmmechanismen verbunden sind. Das piezoelektrische Klemmelement 32A ist
an dem Gerüst 34A befestigt,
sodass es in einer Linie mit der festen Halterung 30A über der
piezoelektrischen Scheibe 24A gehalten wird. Das piezoelektrische
Klemmelement 32A ist so angeordnet, dass es sich durch
den Controller 18 in einer zur piezoelektrischen Scheibe 24 senkrechten
Richtung erweitert und zusammenzieht. In entspanntem Zustand (d.
h. wenn es nicht in Gebrauch ist) berührt das piezoelektrische Klemmelement
die piezoelektrische Scheibe und stellt somit eine Klemmkraft an
Ort A bereit. Wenn sich das piezoelektrische Klemmelement 32A durch
den Controller 18 zusammenzieht, wird die Klemmkraft an
Ort A gelöst.
Um mögliche
Beschädigungen
am piezoelektrischen Klemmelement oder der piezoelektrischen Scheibe
zu vermeiden, kann der lösbare
Klemmmechanismus 28A einen Elastizitätsgrad aufweisen, zum Beispiel
durch das Einsetzen einer elastischen Befestigung zwischen dem piezoelektrischen
Klemmelement 32A und dem Gerüst 34A. Obwohl das
piezoelektrische Klemmelement 32A in dem in 2 gezeigten
Positionierer die piezoelektrische Scheibe 24 direkt kontaktiert,
kann in anderen Beispielen ein Zwischenelement verwendet werden,
das an dem piezoelektrischen Klemmeelement befestigt ist. Ein derartiges
Zwischenelement kann so geformt sein, dass es eine geringere Kontaktfläche mit der
Scheibe bereitstellt und kann aus einem Material bestehen, das eine
erhöhte
Reibung zwischen dem lösbaren
Klemmmechanismus und der Scheibe bereitstellt. Es versteht sich,
dass viele andere lösbare
Klemmmechanismen verwendet werden können, zum Beispiel jene, die
hydraulische oder pneumatische Mittel oder andere Arten eines Stellglieds
anwenden.
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4A–F zeigen
die schematische Darstellung eines Schrittfolgenbeispiels zur Bewegung
der piezoelektrischen Scheibe 24 (und somit der Befestigungspfosten 26)
in der xy-Ebene. Beim Ausführen dieser
Beispielabfolge wird der Befestigungspfosten in einer Richtung bewegt,
die im Wesentlichen parallel zu einer imaginären Linie ist, die die Orte
A und C verbindet und in einer Richtung von A nach C verläuft. Jede
der 4A–F
zeigt die schematische Darstellung einer Draufsicht der piezoelektrischen
Scheibe 24 und der Orte A, B, C wo sie geklemmt werden kann.
In dieser Ausführungsform
sind diese Orte relativ zu dem festen Teil 20 befestigt,
sodass eine Bewegung der piezoelektrischen Scheibe in Bezug auf die
Orte A, B, C Bewegungen der piezoelektrischen Scheibe in Bezug auf
das feste Teil anzeigt. Die Orte A, B, C sind schematisch als Kreise
dargestellt. Ein geschlossener Kreis zeigt an, dass der lösbare Klemmmechanismus
konfiguriert ist, um die piezoelektrische Scheibe an diesem Ort
zu klemmen. Ein offener Kreis zeigt an, dass die piezoelektrische
Scheibe nicht an diesen Ort geklemmt und somit in der xy-Ebene frei bewegbar
ist.
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4A zeigt
eine Anfangsposition für
die piezoelektrische Scheibe 24 in Bezug auf die Orte A,
B, C. In dieser Beispielsanfangsstufe ist die piezoelektrische Scheibe
entspannt (d. h. nicht über
ihre normale Gebrauchsgröße hinaus
erweitert oder zusammengezogen) und in Bezug auf die drei Orte A,
B, C zentriert. Die lösbaren
Klemmmechanismen 28A, 28B, 28C klemmen
die piezoelektrische Scheibe an den entsprechenden Orten A, B, C.
Diese Anfangsposition wird als Schritt S1 der Abfolge bezeichnet.
In einem zweiten Schritt S2, der schematisch in 4B gezeigt
ist, wird die piezoelektrische Scheibe 24 bei B und C gelöst (d. h.
die lösbaren
Klemmmechanismen 28B, 28C werden von dem Controller 18 betätigt, um
ihre Klemmkraft von der piezoelektrischen Scheibe 24 zu
beseitigen). In einem dritten Schritt S3, der schematisch in 4C gezeigt
ist, ist die piezoelektrische Scheibe erweitert. Dies ist aus der Umfangsänderung
der piezoelektrischen Scheibe 24 in 4C ersichtlich.
Die Skizze der piezoelektrischen Scheibe wie sie in den Schritten
S1 und S2 positioniert ist, ist zum Vergleich als gestrichelte Linie dargestellt.
Das Erweitern der piezoelektrischen Scheibe veranlasst diese, sich
während
sie an A geklemmt ist asymmetrisch um ihre unerweiterte Position
zu erweitern, sodass sich ihr Zentrum von Ort A weg bewegt. In einem
vierten Schritt S4, der schematisch in 4D gezeigt
ist, bleibt die piezoelektrische Scheibe erweitert, während der
lösbare
Klemmmechanismus an Ort C konfiguriert ist, die piezoelektrische
Scheibe festzuklemmen und den lösbaren Klemmmechanismus
an Ort A zu lösen.
Durch das Klemmen der piezoelektrischen Scheibe an Ort C vor dem
Lösen der
Klemme an Ort A bleibt die Scheibe während dieses Schritts an irgendeinem
Ort. In einem fünften
Schritt S5, der schematisch in 4E dargestellt
ist, ist die piezoelektrische Scheibe 24 entspannt, sodass
sie sich zu ihrer anfänglichen
Größe zusammenzieht.
Dies ist in 4E durch das Verändern des
Umfangs der piezoelektrischen Scheibe gezeigt. Die Skizze der wie
in den Schritten S3 und S4 positionierten piezoelektrischen Scheibe
ist zum Vergleich als gestrichelte Linie dargestellt. Das Zusammenziehen
der piezoelektrischen Scheibe während
des Klemmens an Ort C veranlasst sie, sich asymmetrisch aus ihrer
erweiterten Position zusammenzuziehen, sodass sich ihre Mitte zum
Ort C bewegt. In einem sechsten Schritt S6, der schematisch in 4F gezeigt
ist, sind die lösbaren
Klemmmechanismen, die mit den Orten A und C verbunden sind, konfiguriert,
um die piezoelektrische Scheibe zu klemmen, sodass die Scheibe an
allen drei Orten geklemmt ist. Bei dieser Stufe ist die Abfolge
beendet, wobei die piezoelektrische Scheibe in einer Richtung bewegt
wurde, die parallel zu einer Linie ist, die die Orte A und C verbindet.
Die ursprüngliche
Position der in 4A gezeigten piezoelektrischen
Scheibe ist in 4F zum Vergleich als gestrichelte
Linie dargestellt.
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5 ist
eine Tabelle, die leicht verständlich den
Status jeder der lösbaren
Klemmmechanismen 28A–C
und der piezoelektrischen Scheibe 24 während der in 4A–F gezeigten
Abfolge zeigt. In jedem der Schritte S1–S6 ist der Status der lösbaren Klemmmechanismen
an den Orten A, B und C als "X"-Symbol gezeigt,
wenn dieser bestimmte lösbare Klemmmechanismus
konfiguriert ist, um die piezoelektrische Scheibe zu klemmen und
ist als "O"-Symbol gezeigt,
wenn dieser bestimmte lösbare
Klemmmechanismus gelöst
ist. Der Status der piezoelektrischen Scheibe 24 ist als "–"-Symbol gezeigt, um anzuzeigen, dass
die piezoelektrische Scheibe in spannungsfreiem Zustand ist und
ist als "E"-Symbol gezeigt,
um anzuzeigen, dass die piezoelektrische Scheibe in erweitertem
Zustand ist.
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6 zeigt
eine Tabelle, die ähnlich
der in 5 gezeigten Tabelle ist, die jedoch eine alternative
Abfolge von Schritten zeigt, um eine Bewegung ähnlich der in den 4A–F beschriebenen
zu erreichen. Die in 6 gezeigte Abfolge weicht von
der in 5 gezeigten ab, sodass sich die piezoelektrische Scheibe
bei Schritt S3 zusammenzieht anstatt sich auszudehnen und eine andere
Aktivierungsabfolge für
die lösbaren
Klemmmechanismen verwendet wird. Das Zusammenziehen der piezoelektrischen Scheibe 24 ist
in der Tabelle als "C"-Symbol angezeigt.
In der in 5 gezeigten Abfolge erweitert
sich die piezoelektrische Scheibe um sich von A zu entfernen und
entspannt sich dann um sich C anzunähern, während sich die piezoelektrische
Scheibe in der in 6 gezeigten Abfolge zusammenzieht,
um sich C anzunähern
und sich dann entspannt, um sich von A zu entfernen. Es versteht
sich, dass sich die piezoelektrische Scheibe vorzugsweise in ihrem
spannungsfreien Zustand erweitert anstatt zusammenzieht. Obwohl
die in 6 gezeigte Abfolge möglich ist, kann aus diesem
Grund die in 5 gezeigte Abfolge, die auf
das Erweitern der piezoelektrischen Scheibe setzt, der in 6 gezeigten
Abfolge vorgezogen werden.
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Die
Größe, um die
die piezoelektrische Scheibe während
solcher Abfolgen bewegt wird, ist von der Erweiterungs- oder Kontraktionsgröße der piezoelektrischen
Scheibe abhängig.
Mehrere Abfolgen können
hintereinander ausgeführt
werden, um die piezoelektrische Scheibe in einer gewählten Richtung
nach und nach um größere Entfernungen zu
bewegen, als es in einer einzelnen Abfolge möglich ist. Dies kann zum Beispiel
durch Wiederholen einer der in 5 oder 6 gezeigten
Abfolgen oder durch Ausführen
einer veränderten
Abfolge erreicht werden, die sowohl das Ausdehnen als auch das Zusammenziehen
der piezoelektrischen Scheibe anwendet, um den Abstand, der in einer
einzigen Abfolge zurückgelegt
wird, zu vergrößern. Eine
Beispielsabfolge, die diese Methode anwendet, kann eine Verknüpfung der
in 5 und 6 gezeigten Abfolgen aufweisen,
jedoch ohne die Schritte S5 und S6 aus 5 und die
Schritte S1 und S2 aus 6, sodass der Controller 18 den
Positionierer konfiguriert, um den in 6 in Schritt
S3 gezeigten Zustand direkt nach Ausführen von Schritt S4 in 5 anzunehmen.
Abhängig
von der piezoelektrischen Polung der piezoelektrischen Scheibe kann
es unmöglich
sein, den gleichen Kontraktions- und Erweiterungsumfang zu verwenden.
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Die
piezoelektrische Scheibe kann in Richtungen, die im Wesentlichen
parallel zu jeder Linie, die jedes Paar der Orte A, B und C verbindet,
bewegt werden. Unterschiedliche Bewegungsgrößen entlang verschiedener dieser
Richtungen können
aufeinanderfolgend durchgeführt
werden, um Bewegungen des Befestigungspfostens 26 an eine
gewünschte Stelle
innerhalb des Bewegungsbereiches des Positionierers bereitzustellen.
Es versteht sich, dass es im Allgemeinen beim Ausführen mehrerer
Abfolgen nicht notwendig sein wird, die piezoelektrische Scheibe
an allen Klemmorten am Ende jeder einzelnen Abfolge zu klemmen.
Obwohl es bei der Größe der Bewegung,
die ein Positionierer des in 1 gezeigten Typs
bereitstellen kann, grundsätzlich
keine Einschränkungen
gibt, wird eine typische Vorrichtung im Allgemeinen eine typische
Größe von ungefähr 1 und 10
cm haben und eine Größe der Bewegung
von ungefähr
100 μm bis
1 mm mit einer Auflösung
von ungefähr
10 bis 100 mm bereitstellen und fähig sein, eine Last von ungefähr 10 N
zu positionieren.
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Wie
oben beschrieben ist in den Abfolgen von 5 und 6 die
Nettobewegung der Mitte der piezoelektrischen Scheibe 24 größtenteils
parallel zu einer Linie, die A und C verbindet. Die Bewegung wird
im Allgemeinen nicht genau parallel zu dieser Linie sein. Deshalb
ist die Bewegungsrichtung leicht von der Anfangsposition der piezoelektrischen Scheibe
und dem Erweiterungs- und Kontraktionsumfang abhängig. Darum wird der Positionierer
in einigen Ausführungsformen
als Positionierhilfe einen Rückkopplungsmechanismus
enthalten. In einer Anwendung kann der Positionierer zum Beispiel
in einem System zur Anpassung einer Lichtleitfaser an eine andere
Komponente wie zum Beispiel eine andere Lichtleitfaser verwendet
werden. In solch einem Fall kann der Controller 18 den
Positionierer veranlassen, konventionelle Rückkopplungsverfahren zu verwenden,
um das Licht, das von einer Faser zur anderen geleitet wird, zu
maximieren anstatt den Positionierer auf eine feste Position zu
leiten. Allgemeiner gesagt können
Rückkopplungsmechanismen verwendet
werden, um das bewegliche Teil relativ zu dem festen Teil, das auf
einem beliebigen Parameter basiert, der von der Position des beweglichen
Teils abhängt,
zu positionieren.
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7 zeigt
schematisch eine Querschnittansicht eines piezoelektrischen Positionierers 36 nach einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung. Teile des Positionierers 36, die Teilen
des Positionierers der ersten Erfindung ähnlich sind, sind durch gleiche Bezugszeichen
gekennzeichnet. Diese Teile sind aus den entsprechenden Teilen der
ersten Ausführungsform
ersichtlich und werden hier nicht weiter beschrieben. Der in 7 gezeigte
Positionierer unterscheidet sich von dem in 2 gezeigten
Positionierer im Aufbau seiner lösbaren
Klemmmechanismen. Die in 7 gezeigte Querschnittansicht
verläuft
entlang einer gefalteten Ebene, die der in 3 gezeigten ähnlich ist
und durch einen lösbaren
Klemmmechanismus 38A hindurch zur Mitte der piezoelektrischen
Scheibe 24 geht und dann durch einen weiteren lösbaren Klemmmechanismus 38B verläuft. In diesem
Beispiel sind die lösbaren
Klemmmechanismen 38A, 38B (und ein weiterer Klemmmechanismus,
der nicht gezeigt ist) zueinander identisch und nur der lösbare Klemmmechanismus 38A ist
detailliert beschrieben.
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Anstatt
der steifen Halterung 30A des in 3 gezeigten
lösbaren
Klemmmechanismus 28A verwendet der in 7 gezeigte
Klemmmechanismus 38A eine steife Halterung 40A,
auf die ein piezoelektrisches Halteelement 42A montiert
ist. Der restliche Teil des lösbaren
Klemmmechanismus 38A ist den entsprechenden Teilen des
in 3 gezeigten lösbaren
Klemmmechanismus 28A ähnlich
und kann diesen entnommen werden. Das piezoelektrische Halteelement 42A ist
so angeordnet, dass es vom Controller 18 veranlasst werden
kann, sich in einer zur piezoelektrischen Scheibe 24 senkrechten
Richtung zu erweitern und zusammenzuziehen.
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Ein
Objekt, das von dem in 7 gezeigten Positionierer 36 gehalten
wird, kann wie oben für
die erste Ausführungsform
beschrieben innerhalb einer Ebene bewegt werden. Während dieser
Bewegung bleiben die piezoelektrischen Halteelemente, die mit jedem
der lösbaren
Klemmmechanismen verbunden sind, passiv. Sobald jedoch eine gewünschte Position erreicht
ist, können
die piezoelektrischen Halteelemente und die piezoelektrischen Klemmelemente, die
mit jedem der lösbaren
Klemmmechanismen verbunden sind, zusammenwirkend veranlasst werden, die
piezoelektrische Scheibe 24 anzuheben oder zu senken. Dies
kann erreicht werden, während
eine Klemmkraft erhalten wird, die auf die piezoelektrische Scheibe
einwirkt. Durch das Erweitern aller piezoelektrischen Halteelemente
um Δh und
das Zusammenziehen aller piezoelektrischen Klemmelemente um die
gleiche Größe wird
die piezoelektrische Scheibe zum Beispiel um Δh angehoben. Der in 7 gezeigte
Positionierer stellt deshalb Bewegung entlang der z-Achse und der
x-Achse bereit. Durch Aufbringen unterschiedlicher Erweiterungen und/oder
Kontraktionen auf die verschiedenen lösbaren Klemmmechanismen kann
auch ein Neigungsgrad eingeführt
werden. Wenn große
Neigungsgrade erwünscht
sind, kann zum Ausgleich der Neigung ein Biegungsgrad in die lösbaren Klemmmechanismen eingebaut
werden, während
eine Klemmkraft erhalten wird.
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8 zeigt
eine schematische Querschnittansicht eines piezoelektrischen Positionierers 56 nach
einer dritten Ausführungsform
der Erfindung. Der piezoelektrische Positionierer weist ein festes Teil 60,
ein bewegliches Teil 62 und vier lösbare Klemmmechanismen 63A–D auf.
Der Positionierer wird von einem Controller 58 über einen
als Pfeil 59 dargestellten Signalpfad betrieben. Das feste
Teil 60 bildet eine Basis, die zum Beispiel an einem optischen
Tisch befestigt sein kann. Das bewegliche Teil 62 weist
eine piezoelektrische Vorrichtung in Form von vier passiven Eckstücken 64A–D auf,
die durch vier piezoelektrische Positionierelemente 66A–D verbunden
sind. An einem der Eckstücke 64C ist
ein Befestigungspfosten 68 befestigt. Die piezoelektrischen Positionierelemente 66A–D sind
so angeordnet, dass jedes unabhängig
durch den Controller 18 veranlasst werden kann, sich entlang
seiner Länge
zu erweitern oder zusammenzuziehen, um den Abstand der Eckstücke, an
denen es befestigt ist, zu vergrößem oder zu
verkleinern. Die piezoelektrischen Positionierelemente 66A–D können individuell
oder zusammen betrieben werden. Ein erstes Paar lösbarer Klemmmechanismen 66B, 66D ist
parallel zur x-Achse angeordnet und ein zweites Paar 66A, 66C ist
parallel zur y-Achse angeordnet. Der Befestigungspfosten 68 dient
dazu, eine obere Montierfläche
bereitzustellen, auf der ein zu positionierendes Objekt platziert
werden kann. Die vier lösbaren
Klemmmechanismen 63A–D
sind an den Ecken eines Quadrats angeordnet und konfiguriert, um
selektives Klemmen der Eckstücke 64A–D an entsprechenden
ersten (A), zweiten (B), dritten (C) und vierten (D) Orten unter
Steuerung des Controllers 58 bereitzustellen. Jeder der
in 8 gezeigten lösbaren
Klemmmechanismen 63A–D
ist den lösbaren
Klemmmechanismen der ersten Ausführungsform
der Erfindung ähnlich
und ist aus diesen ersichtlich. Es können auch Klemmmechanismen,
die denen der zweiten Ausführungsform ähnlich sind,
verwendet werden.
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9 ist
eine Tabelle, die die Lage jeder der vier Klemmmechanismen 63A–D und der
vier piezoelektrischen Positionierelemente 66A–D während einer
Beispielsabfolge zum Bewegen eines Befestigungspfostens 68 relativ
zum festen Teil 60 in einer zur y-Achse parallelen Richtung
zeigt. Diese Tabelle ist den Tabellen in 5 und 6 ähnlich und
aus diesen ersichtlich.
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In
Schritt S1 ist der piezoelektrische Positionierer 36 in
einem Anfangsstadium, in dem alle vier Klemmmechanismen 63A–D ihre
jeweiligen Eckstücke 64A–D an den
entsprechenden Orten A, B, C und D halten und alle vier piezoelektrischen
Positionierelemente 66A–D spannungsfrei sind. In Schritt
S2 werden die Eckstücke 64C, 64D an
C und D gelöst (d.
h. die lösbaren
Klemmmechanismen 63C, 63D werden von dem Controller
betätigt,
um ihre Klemmkraft von ihren Eckstücken zu beseitigen). In Schritt S3
werden die piezoelektrischen Positionierelemente 66A, 66C,
die mit der y-Achse eine Linie bilden, um eine Größe ΔY erweitert.
Dies bewegt den Befestigungspfosten 68 um eine entsprechende
Größe. In Schritt
S4 bleiben die piezoelektrischen Positionierelemente 66A, 66C erweitert,
während
die lösbaren Klemmmechanismen
an den Orten C und D konfiguriert sind, um ihre jeweiligen Eckstücke und
die lösbaren
Klemmmechanismen an den Orten A und B, die anschließend gelöst werden,
zu klemmen. In Schritt S5 sind die piezoelektrischen Positionierelemente 66A, 66C spannungsfrei,
sodass sie sich zu ihrer ursprünglichen
Größe zusammenziehen.
In Schritt S6 werden die mit allen vier Orten A–D verbundenen lösbaren Klemmmechanismen
konfiguriert, um ihre jeweiligen Eckstücke 64A–D zu klemmen.
Bei dieser Stufe ist die Abfolge abgeschlossen, wobei der Befestigungspfosten 68 in
einer zur y-Achse parallelen Richtung um eine Größe ΔY bewegt wurde. Um den Befestigungspfosten
um Abstände
größer als ΔY zu bewegen,
können
mehrere Abfolgen ausgeführt
werden. Kleinere Abstände
können
durch Erweitern der piezoelektrischen Positionierelemente um eine
entsprechend kleinere Größe in den
Schritten S3 und S4 der in 9 gezeigten
Abfolge erreicht werden. Es versteht sich, dass eine Bewegung parallel
zur x-Achse erreicht
werden kann, indem eine ähnliche Abfolge
verwendet wird.
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10 ist
eine Tabelle, die den Stand jeder der vier Klemmmechanismen 63A–D und der
vier piezoelektrischen Positionierelemente 66A–D während einer
Beispielsabfolge zum Bewegen des Befestigungspfostens 68 relativ
zu dem festen Teil 60 in einer Richtung, die weder zur
x- noch zur y-Achse parallel ist, zeigt. In diesem Beispiel wird
der Befestigungspfosten in einer Richtung bewegt, die parallel zu
einer imaginären
Linie, die die Orte B und D verbindet, bewegt. Diese Tabelle ist
den in 5, 6 und 9 gezeigten
Tabellen ähnlich
und aus diesen ersichtlich und wird nicht weiter detailliert beschrieben.
-
Obwohl
die Erweiterungs- und/oder Kontraktionsgrößen des piezoelektrischen Positionierelementpaares 66B, 66D,
das mit der x-Achse und dem Paar 66A, 66C auf
einer Linie liegt, das wiederum mit der y-Achse auf einer Linie
liegt, gleich sein könnten, um
einen Bewegungsschritt bei 45° zu
den x- und y-Achsen bereitzustellen, können sie auch unterschiedlich
sein, um einen Bewegungsschritt in einer beliebigen Richtung in
der xy-Ebene bereitzustellen.
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Ein
winkelförmiger
Bewegungsgrad des beweglichen Teils relativ zu dem festen Teil um
eine zur xy-Ebene senkrechte Achse kann erreicht werden, indem die
piezoelektrischen Positionierelemente 66A–D um unterschiedliche
Größen erweitert
werden. Um eine übermäßige Beanspruchung
der piezoelektrischen Positionierelemente während dieses Ablaufs zu vermeiden,
kann überall
wo jedes piezoelektrische Positionierelement ein Eckstück verbindet, ein
biegbares Gelenk enthalten sein. Die biegbaren Gelenke können zum
Beispiel Scharniergelenke aufweisen, die konfiguriert sind, sodass
sich die piezoelektrischen Positionierelemente in der xy-Ebene um das Scharniergelenk
drehen können.
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11 zeigt
eine schematische Perspektivansicht eines piezoelektrischen Dreiachsenpositionierers 116 zur
dreidimensionalen Positionierung eines Objekts. In der in 11 gezeigten
Ausrichtung ist der Positionierer 116 angeordnet, um ein
Objekt in einer waagerechten xy-Ebene und/oder entlang einer senkrechten
z-Achse, die senkrecht zur waagerechten Ebene ist, zu bewegen. Der
piezoelektrische Positionierer 116 weist ein festes Teil 120,
ein bewegliches Teil 122 und drei lösbare Klemmmechanismen 128A–C auf.
Der Positionierer wird durch einen Controller 118 über einen
schematisch als Pfeil dargestellten Signalpfad 119 betrieben.
Das bewegliche Teil 122 weist einen oberen piezoelektrischen
Ring 124 und einen unteren piezoelektrischen Ring 126 auf.
Diese Ringe sind durch drei piezoelektrische Abstandsstückelemente 146A–C getrennt.
Die piezoelektrischen Ringe 124, 126 sind so angeordnet,
dass sie unabhängig
von dem Controller 118 veranlasst werden können, sich
in einer xy-Ebene sternförmig zu
erweitern und zusammenzuziehen. Die piezoelektrischen Abstandsstückelemente 146A–C sind
so angeordnet, dass sie vom Controller 118 veranlasst werden
können,
sich parallel zur z-Achse zu erweitern und zusammenzuziehen, um
den Abstand zwischen den piezoelektrischen Ringen 124 und 126 zu vergrößern oder
zu verkleinern. Ein zylindrischer piezoelektrischer Befestigungspfosten 127 geht
durch die Öffnungen
in den zwei piezoelektrischen Ringen 124 und 126.
Der piezoelektrische Befestigungspfosten 127 weist ein
oberes piezoelektrisches Befestigungspfostenelement 140 und
ein unteres piezoelektrisches Befestigungspfostenelement 142 auf.
Diese zwei piezoelektrischen Befestigungspfostenelemente sind durch
eine zentrale Befestigung 144 miteinander verbunden. Die
oberen und unteren piezoelektrischen Befestigungspfostenelemente
sind so angeordnet, dass sie unabhängig von dem Controller 18 veranlasst
werden können,
sich sternförmig
in einer xy-Ebene zu erweitern und zusammenzuziehen. Die zentrale
Befestigung 144 ermöglicht
eine relative Kontraktion zwischen den oberen und unteren piezoelektrischen
Befestigungspfostenelementen 140, 142 ohne eine übermäßige Beanspruchung
ihrer Schnittstelle. Bei gewöhnlichem
Gebrauch (wenn sie nicht umgestellt werden) werden die Befestigungspfostenelemente
passend durch eine Größe δE erweitert,
sodass sie reibschlüssig
innerhalb der Öffnung
ihrer jeweiligen piezoelektrischen Ringe gegriffen werden. Die drei
lösbaren
Klemmmechanismen 128A–C
sind an den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks angebracht
und sind konfiguriert, um ein selektives Klemmen des beweglichen
Teils 122 an ersten (A), zweiten (B) und dritten (C) Orten
unter Steuerung des Controllers 118 bereitzustellen. Das
Klemmen fungiert zwischen der oberen Fläche des oberen piezoelektrischen
Rings 124 und der unteren Fläche des unteren piezoelektrischen
Rings 126. Die piezoelektrischen Abstandsstückelemente 146A–C sind im
Allgemeinen in einer Linie mit den Klemmorten A, B, C positioniert,
um ein mögliches
Biegen der piezoelektrischen Ringe 124, 126 zu
verringern, wenn durch die lösbaren
Klemmmechanismen 128A–C eine
Klemmkraft aufgebracht wird. Sie können jedoch anders positioniert
sein.
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12 zeigt
einen schematischen Querschnitt des in 11 gezeigten
piezoelektrischen Positionierers 116. Die in 12 gezeigte
Querschnittansicht verläuft
entlang einer gefalteten Ebene, die durch den lösbaren Klemmmechanismus 128A zur
Mitte des beweglichen Teils 122 geht und dann durch den
lösbaren
Klemmmechanismus 128B verläuft. Die lösbaren Klemmmechanismen 128A, 128B, 128C sind
zueinander identisch und nur der lösbare Klemmmechanismus 128A ist
hier beschrieben. Der lösbare
Klemmmechanismus 128A weist ein Gerüst 134A, ein piezoelektrisches
Klemmelement 132A, eine steife Halterung 150A und
ein piezoelektrisches Halteelement 152A auf. Die steife Halterung 150A und
das Gerüst 134A sind
an dem festen Teil 120 befestigt. Das bewegliche Teil 122 bleibt
auf dem piezoelektrischen Halteelement 152A, das wiederum
auf die feste Halterung 150A montiert ist. Das piezoelektrische
Klemmelement 132A ist an dem Gerüst 34A befestigt,
sodass es über
dem oberen piezoelektrischen Ring 124 des beweglichen Teils 122 in
senkrechter Übereinstimmung
mit dem piezoelektrischen Halteelement 152A gehalten wird. Das
piezoelektrische Klemmelement 132A und das piezoelektrische
Halteelement sind so angeordnet, dass sie unabhängig von dem Controller 118 veranlasst
werden können,
sich parallel zur z-Achse zu erweitern und zusammenzuziehen. In
entspanntem Zustand kontaktiert das piezoelektrische Klemmelement 132A den
oberen piezoelektrischen Ring 124 des beweglichen Teils 122 und
stellt somit eine Klemmkraft an Ort A bereit. Wenn das piezoelektrische
Klemmelement 132A vom Controller 118 veranlasst
wird, sich zusammenzuziehen, wird die Klemmkraft an A gelöst.
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Obwohl
der lösbare
Klemmmechanismus 128A angeordnet ist, um anstatt zwischen
den oberen und unteren Flächen
der einzelnen piezoelektrischen Scheibe 24 in 7 eine
Klemmkraft zwischen der oberen Fläche des oberen piezoelektrischen
Rings 124 und der unteren Fläche des unteren piezoelektrischen
Rings 126 aufzubringen, versteht es sich, dass der lösbare Klemmmechanismus 128A andernfalls
fähig ist,
im Allgemeinen auf gleiche Weise wie die in 7 gezeigten
lösbaren
Klemmmechanismen 38A–C
zu funktionieren.
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13 ist
eine Tabelle, die den Stand jeder der drei lösbaren Klemmmechanismen 128A–C, der oberen
und unteren piezoelektrischen Ringe 124, 126 und
der oberen und unteren piezoelektrischen Befestigungspfostenelemente 140, 142 während einer
Beispielsabfolge zum Bewegen des piezoelektrischen Befestigungspfosten 127 relativ
zum festen Teil 120 in einer xy-Ebene zeigt. Die piezoelektrischen Halteelemente 152A–C und die
piezoelektrischen Abstandsstückelemente 146A–C bleiben
während
dieser Bewegung passiv. Beim Ausführen dieser Beispielsabfolge
wird der piezoelektrische Befestigungspfosten 127 in einer
Richtung, die im Wesentlichen zu einer imaginären Linie, die die Orte A und
C verbindet parallel ist und in einer Richtung von A nach C bewegt.
Diese Tabelle ist den Tabellen in 5, 6, 9 und 10 ähnlich und
aus diesen ersichtlich. Es ist jedoch ein zusätzlicher Status enthalten.
Dieser ist durch ein "δE"-Symbol gekennzeichnet
und zeigt an, wann die oberen und unteren piezoelektrischen Befestigungspfostenelemente 140, 142 in
ihrem normalen Betriebsstatus sind – d. h. leicht erweitert, um
von den piezoelektrischen Ringen 124, 126 gegriffen
zu werden.
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Die
in 13 gezeigte Abfolge entspricht in hohem Maße der in 5 gezeigten
Abfolge und wird zum Bewegen des beweglichen Teils 122 auf ähnliche
Weise betrieben. Folglich entsprechen die Arbeitsabläufe für die lösbaren Klemmmechanismen 128A–C in der
Abfolge von 13 der in 4 und 5 gezeigten
Abfolge und werden hier nicht weiter beschrieben. Die Hauptunterschiede
zwischen der in 13 gezeigten und der in 5 gezeigten
Abfolge sind, dass die oberen und unteren piezoelektrischen Ringe 124, 126 in
den Schritten S3 und S4 in 13 gleichzeitig
erweitert (oder zusammengezogen) werden, wobei in der Ausführungsform
in 5 nur eine piezoelektrische Scheibe 24 verwendet
werden muss. Um zu verhindern, dass der Befestigungspfosten 127 durch
die Öffnungen
in den piezoelektrischen Ringen 124, 126 fällt, wenn
sie erweitert sind, werden die oberen und unteren piezoelektrischen
Befestigungspfostenelemente in den Schritten S3 und S4 von 13 auch
erweitert, um ihr reibschlüssiges Greifen
zu erhalten. In Varianten der in 13 gezeigten
Abfolge, die ein Zusammenziehen der piezoelektrischen Ringe 124, 126 (zum
Beispiel in einer Abfolge, die größtenteils der in 6 entspricht)
können
die oberen und unteren piezoelektrischen Befestigungspfostenelemente
passend zusammengezogen werden, wenn sich die piezoelektrischen
Ringe zusammenziehen.
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14 ist
eine Tabelle, die den Status jedes der drei piezoelektrischen Klemmelemente 132A–C, der
drei piezoelektrischen Abstandsstückelemente 146A–C und der
oberen und unteren piezoelektrischen Befestigungspfostenelemente 142, 140 während einer
Beispielsabfolge zum Bewegen des piezoelektrischen Befestigungspfosten 127 relativ
zum festen Teil 120 in einer parallel zur z-Achse verlaufenden
Richtung zeigt. Während
dieser Bewegung werden alle drei piezoelektrischen Klemmelemente 132A–C nach
der gleichen Abfolge betätigt,
weshalb in der Tabelle nur eine einzige Spalte enthalten ist. Das
gleiche gilt für
die drei piezoelektrischen Abstandsstückelemente 146A–C. Die
piezoelektrischen Ringe 124, 126 und die piezoelektrischen
Halteelemente 150A–C
bleiben während
dieser Abfolge passiv. Beim Ausführen
dieser Beispielsabfolge wird der piezoelektrische Befestigungspfosten 127 um
eine Größe ΔZ nach unten
bewegt. Diese Tabelle ist den Tabellen in 5, 6, 9 und 10 ähnlich und
verwendet ähnliche
Bezeichnungen. Ein Unterschied zwischen den Tabellen ist, dass 14 den Status
der piezoelektrischen Klemmelemente entweder als entspannt, zusammengezogen
oder erweitert zeigt. Dies steht im Gegensatz zu den vorherigen
Tabellen, die den funktionellen Status der lösbaren Klemmmechanismen (d.
h. geklemmt oder gelöst) anstatt
dem Status der eigentlichen piezoelektrischen Klemmmechanismen zeigen.
Deshalb stellen die lösbaren
Klemmmechanismen 128A–C
während der
in 14 gezeigten Abfolge eine konsistente senkrechte
Klemmkraft auf das bewegliche Teil 122 bereit.
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Schritt
S1 in 14 entspricht einem Anfangsstadium
des Positionierers 116. Die piezoelektrischen Klemmelemente 132A–C und die
piezoelektrischen Abstandsstückelemente 146A–C sind
alle spannungsfrei. Die oberen und unteren piezoelektrischen Befestigungspfostenelemente 140, 142 sind alle
leicht erweitert, um eine reibschlüssige Passform innerhalb der
entsprechenden Öffnungen
in den piezoelektrischen Ringen 124, 126 wie oben
beschrieben bereitzustellen. In Schritt S2 ist das obere piezoelektrische
Befestigungspfostenelement 140 zusammengezogen, sodass
der Befestigungspfosten 127, der aus den oberen und unteren
piezoelektrischen Befestigungspfostenelementen gebildet ist, nur
von dem unteren piezoelektrischen Ring 126 gehalten wird.
In Schritt S3 sind die piezoelektrischen Klemmelemente 132A–C alle
um eine Größe ΔZ zusammengezogen,
während
die piezoelektrischen Abstandsstückelemente 146A–C um die
gleiche Größe erweitert
sind. Dies hat zur Folge, dass eine senkrechte Klemmkraft erhalten
wird, die eine Bewegung des beweglichen Teils 122 in der
xy-Ebene verhindert, die jedoch den oberen piezoelektrischen Ring 124 relativ
zu dem festen Teil 120 um eine Größe ΔZ anhebt. In Schritt S4 ist
das obere piezoelektrische Befestigungspfostenelement in seinen
leicht erweiterten Status zurückversetzt,
sodass es wieder von dem oberen piezoelektrischen Ring reibschlüssig gegriffen
wird. In Schritt S5 ist das untere piezoelektrische Befestigungspfostenelement 142 zusammengezogen,
sodass der Befestigungspfosten 127 nun nur noch von dem
oberen piezoelektrischen Ring 124 gehalten wird. In Schritt
S6 werden die piezoelektrischen Klemmelemente 132A–C und die
piezoelektrischen Abstandsstückelemente 146A–C in ihre
entspannten Stadien zurückversetzt.
Das hat zur Folge, dass der obere piezoelektrische Ring 124 relativ
zu dem festen Teil 120 um eine Größe ΔZ herabgesetzt wird, während eine
senkrechte Klemmkraft auf das bewegliche Teil 122 erhalten
wird. Da der Befestigungspfosten 127 von dem oberen piezoelektrischen Ring
gehalten wird und innerhalb der Öffnung
in dem unteren piezoelektrischen Ring frei beweglich ist, wird der
Befestigungspfosten 127 während dieses Vorgangs auch
um eine Größe ΔZ herabgesetzt.
in Schritt S7 wird das untere piezoelektrische Befestigungspfostenelement 142 in
sein leicht erweitertes Stadium zurückversetzt, sodass es wieder
von dem unteren piezoelektrischen Ring gegriffen wird. Das ist das
Ende der Abfolge. Der Befestigungspfosten 127 wurde um
eine Größe ΔZ abwärts bewegt,
während die
anderen Komponenten in ihre Anfangspositionen zurückversetzt
werden. Es können
mehrere Abfolgen und Abfolgen mit verschiedenen Umfängen (d.
h. unterschiedliche ΔZ)
ausgeführt
werden, um eine größere Bewegungsweite
bereitzustellen. Es wird geschätzt,
dass viele andere Abfolgen ausgeführt werden können, um
zum Beispiel eine Aufwärtsbewegung
zu erreichen. Es können
auch Abfolgen angewendet werden, die eine kombinierte Kontraktion und/oder
Erweiterung der piezoelektrischen Halteelemente enthalten, um eine
größere Bewegungsweite
pro Abfolgenablauf bereitzustellen.
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15 ist
ein schematischer Querschnitt eines piezoelektrischen Klemmelements 160,
das als Alternative zum in 3 gezeigten
piezoelektrischen Klemmelement 32A verwendet werden kann.
Das piezoelektrische Klemmelement 160 weist einen piezoelektrischen
Stack 162 auf, der innerhalb einer biegbaren Struktur 164 positioniert
ist. In diesem Beispiel weist die biegbare Struktur ein Paar relativ
steifer Verbindungsstäbe 166 auf,
die an ihren Enden durch biegbare Teile 168 verbunden sind.
Die biegbare Struktur 164 kann eine einstückige oder
eine zusammengesetzte Struktur haben. Der piezoelektrische Stack 162 ist
zwischen den biegbaren Teilen 168 befestigt und so angeordnet,
dass er sich z. B. durch den in 2 gezeigten
Controller 18 in einer waagerechten Richtung (bei der Ausrichtung
in 15) erweitern und zusammenziehen kann. Während sich der
piezoelektrische Stack 162 waagerecht erweitert, werden
die Verbindungsstäbe 166 aufgrund
des Biegens der biegbaren Teile 168 zusammengebracht. Während sich
der piezoelektrische Stack 162 zusammenzieht, bewegen sich
die Verbindungsstäbe
gleichermaßen
voneinander weg. Folglich kann das piezoelektrische Klemmelement 160 konfiguriert
sein, um zwischen einem Gerüst
und einer piezoelektrischen Scheibe (z. B. dem Gerüst 34A und
der in 3 gezeigten piezoelektrischen Scheibe 24,
wobei das piezoelektrische Klemmelement 160 das in 3 gezeigte
Klemmelement ersetzt) in spannungsfreiem Zustand eine Klemmkraft
aufzubringen und diese Kraft zu lösen, wenn der piezoelektrische Stack 162 veranlasst
wird, sich zu erweitern.
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Unter
Verwendung der in 15 gezeigten Anordnung kann
das piezoelektrische Klemmelement 160 in spannungsfreiem
Zustand eine Klemmkraft aufbringen (somit ist keine Stromversorgung
nötig)
und diese Kraft lösen,
wenn der piezoelektrische Stack veranlasst wird, sich zu erweitern
(was im Allgemeinen bei piezoelektrischen Stacks wirksamer ist als
das Zusammenziehen). Die Anordnung kehrt den Betrieb des piezoelektrischen
Stacks 162 um, sodass dessen Erweiterung ein Zusammenziehen
der biegbaren Struktur 164 in einer zur Erweiterung des piezoelektrischen
Stacks senkrechten Richtung (d. h. vertikal in 15)
schafft. Diese Richtung ist die Klemmrichtung. Mechanische Erweiterungen
können durch
geeignete Wahl der Form der biegbaren Teile erzielt werden. Mit
wie in 15 gezeigten halbrunden Teilen
liegt die mechanische Erweiterung bei eins.
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Es
versteht sich, dass Vorrichtungen der in 15 gezeigten
Art gleichermaßen
anstelle anderer mit den lösbaren
Klemmmechanismen verbundenen piezoelektrischen Elemente verwendet
werden können,
z. B. können
das in 7 gezeigte piezoelektrische Halteelement 42A und/oder
die in 12 gezeigten piezoelektrischen
Abstandsstückelemente 146A ähnliche
Vorrichtungen aufweisen.
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REFERENZEN
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