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Dokumentenidentifikation DE69308512T2 07.08.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0603835
Titel Piezoelektrischer Antrieb mit Dehnungsmesser
Anmelder NEC Corp., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Ohya, Kazumasa, c/o NEC Corporation, Tokyo, JP;
Hamada, Kiyotaka, c/o NEC Corporation, Tokyo, JP;
Inoi, Takayuki, c/o NEC Corporation, Tokyo, JP
Vertreter Glawe, Delfs, Moll & Partner, Patentanwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69308512
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 21.12.1993
EP-Aktenzeichen 931206320
EP-Offenlegungsdatum 29.06.1994
EP date of grant 05.03.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.08.1997
IPC-Hauptklasse H01L 41/08
IPC-Nebenklasse H01L 41/04   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antrieb und insbesondere einen piezoelektrischen Antrieb mit Schichtstruktur, der Dehnungsmesser hat.

Ein piezoelektrischer Antrieb, der die Piezoelektrizität von Kristall verwendet, ist in breitem Umfang bei einem Präzisions-Positioniermechanismus verwendet worden, da er eine kleine mechanische Verschiebung mit hoher Geschwindigkeit steuern kann. Unter anderem ist ein piezoelektrischer Antrieb vom Schichttyp, der aus einer Schichtstruktur aus piezoelektrischen Filmen aus piezoelektrischen Keramikmaterialien etc., aufgebaut ist, die jeweils eine Dicke von mehreren Zehn µm haben und auf welchen eine interne Elektrode aus einem dünnen Film ausgebildet ist, durch sein Vermögen, eine große Kraft mit relativ niedriger Antriebsspannung zu schaffen, gekennzeichnet, und ist in breitem Umfang auf dem Gebiet der hochpräzisen Positioniersteuerung eines Halbleiterherstellgerätes, wie beispielsweise einem Belichtungsgerät, bei der Steuerung der Ventile eines Massendurchflußmessers, der Dickensteuerung in einem Extruder für Kunststoffilm und bei der Steuerung der optischen Achse einer optischen Vorrichtung, verwendet, auf welchem eine hochpräzise Steuerung einer kleinen Verschiebung in der Größenordnung eines Mikrometers oder weniger erforderlich ist.

Da das Maß der Verschiebung eines derartigen piezoelektrischen Antriebs vom Schichttyp von der Dehnung abhängt, die in den jeweiligen piezoelektrischen Keramikschichten entsprechend einer Antriebsspannung erzeugt wird, die extern an die jeweiligen piezoelektrischen Keramikschichten über externe Elektroden angelegt wird, ist es grundsätzlich möglich, das Maß der Verschiebung des piezoelektrischen Antriebs durch Steuern der Größe der Antriebsspannung zu steuern. Im Fall des Antriebs, bei dem der ein piezoelektrische Effekt ausgenutzt wird, ist jedoch die Relation zwischen der Antriebsspannung und der Dehnung der entsprechenden piezoelektrischen Material-(-Keramik)-Schichten üblicherweise nicht linear, sondern zeigt eine Hysterese. Wenn daher der piezoelektrische Antrieb auf diesen Gebieten verwendet wird, um die Verschiebung in der Größenordnung von µm oder weniger präzise zu steuern, dann ist es notwendig, die tatsächliche Verschiebung des piezoelektrischen Antriebs zu detektieren und das Ergebnis auf die Antriebsspannung zurückzuführen. Die Konstruktion eines derartigen piezoelektrischen Antriebs mit einem Dehnungsmesser zum Detektieren des Maßes der Verschiebung des Antriebs ist in dem offengelegten JP-Gebrauchsmuster Sho-61-140661 offenbart.

Fig. 1 zeigt eine schematische, perspektivische Darstellung eines herkömmlichen piezoelektrischen Antriebs mit einem Dehnungsmeßstreifen. Der piezoelektrische Antrieb selbst hat einen aktiven Bereich 2, der in der Fig. 2 gezeigt ist. Üblicherweise hat der piezoelektrische Antrieb eine obere Schutzschicht 31 und eine untere Schutzschicht 32, die jeweils aus Gründen der Verwendung an einander gegenüberliegenden Enden des aktiven Bereiches 2 angeordnet sind, wie dies in der Fig. 2 gezeigt ist. In der Fig. 2 ist der aktive Bereich 2 mit einer alternativ aufgeschichteten Struktur aus einer Anzahl von piezoelektrischen Keramikschichten 4 und einer Anzahl von internen Elektrodenschichten 5 gebildet. Die internen Elektrodenschichten 5 sind mit den externen Elektroden 71 und 72 alternativ verbunden, um ein Paar Kammelektroden zu bilden, die Elektrodenfinger haben, welche im Querschnitt ineinandergreifend angeordnet sind, so daß die externen Elektroden 71 und 72 als einander gegenüberliegende Elektroden funktionieren, die über die piezoelektrischen Keramikschichten 4 einander gegenüberliegen. In der Fig. 2 ist eine Antriebsspannung zwischen den externen Elektroden 71 und 72 über die Zuleitungsdrähte 711 und 712 zwischen benachbarten internen Elektrodenschichten 5 angelegt, um quer zu jeder piezoelektrischen Keramikschicht 4, die zwischen den internen Elektroden aufgeschichtet ist, ein elektrisches Feld zu bilden. Mit derartigen elektrischen Feldern erzeugen die jeweiligen piezoelektrischen Keramikschichten 4 Dehnung in einer Richtung rechtwinklig zur Ebene der piezoelektrischen Keramikschicht, d.h. in der Richtung der Dicke oder der Schichtrichtung. Der piezoelektrische Antrieb leitet die Dehnung als eine Änderung der Länge der Schichtstruktur in Richtung der Dicke ab, d.h. eine Verschiebung, und überträgt diese nach außen.

In dem in der Fig. 1 gezeigten piezoelektrischen Antrieb ist ein Dehnungsinesser 8 an einer Seitenfläche des Antriebs, an welcher keine externe Elektrode vorgesehen ist, befestigt. Wenn die Antriebsspannung zwischen den externen Elektroden 71 und 72 angelegt wird, dehnt sich der piezoelektrische Antrieb in seiner Schichtrichtung um ein vorbestimmtes Maß infolge des Piezoeffektes aus. Mit einer solchen Ausdehnung des piezoelektrischen Antriebs in Richtung seiner Dicke wird ein Widerstand des Dehnungsmessers 8 einer Zugspannung unterworfen, und sein Widerstandswert wird erhöht. Das Maß der Widerstandsänderung wird über Leitungen 9 detektiert, welches auf das Maß der Ausdehnung oder Zusammenziehung des piezoelektrischen Antriebs linear bezogen ist, d.h. das Maß der Verschiebung. Daher ist es durch vorheriges Messen der Relation zwischen dem Maß der Verschiebung des piezoelektrischen Antriebs und des Maßes der Widerstandsänderung des Dehnungsmessers bei entsprechenden Antriebsspannungen und Detektieren des Maßes der Widerstandsänderung des Dehnungsmessers 8, wenn eine vorbestimmte Spannung zwischen den externen Elektroden 71 und 72 angelegt ist, möglich, das Maß der Verschiebung des piezoelektrischen Antriebs zu wissen. Weiterhin ist es möglich, die Relation vom Maß der Widerstandsänderung zu Zielverschiebung zu steuern, wenn das Maß der Widerstandsänderung des Dehnungsmessers 8 mit einem angestrebten Einstellwert nicht übereinstimmt, in dem die Antriebsspannung entsprechend einer Abweichung des Maßes der Widerstandsänderung gegenüber dem angestrebten Wert gesteuert wird.

Wie vorstehend erwähnt, kann das Maß der Ausdehnung oder der Zusammenziehung, d.h. das Maß der Verschiebung des piezoelektrischen Antriebs vom Schichttyp, präzise durch Detektieren des tatsächlichen Maßes der Verschiebung gesteuert werden, und zwar mittels des Dehnungsmessers, der an der Seitenfläche der Schichtstruktur befestigt ist, und Rückführen der Differenz zwischen der detektierten Verschiebung und der angestrebten Verschiebung auf die Antriebs spannung.

Für den Fall jedoch, wo ein piezoelektrischer Antrieb vom Schichttyp in der Praxis verwendet wird, sind zusätzlich zu dem aufgeschichteten aktiven Bereich zum Erzeugen der Verschiebung entsprechend der extern angelegten Antriebsspannung Bereiche, wie beispielsweise Schutzschichten zum Schützen des aktiven Bereiches und Temperaturkompensationselemente aus Metall zum Verbessern der Genauigkeit der Verschiebesteuerung, die bei der Antriebsspannung keine Verschiebung erzeugen, in der Schichtstruktur erforderlich. In einem derartigen herkömmlichen Antrieb wie vorstehend erwähnt, kann zwischen dem Gesamtmaß der tatsächlichen Verschiebung des gesamten piezoelektrischen Antriebs und dem Maß der Verschiebung, das durch den Dehnungsmesser detektiert worden ist, eine Differenz bestehen, durch die es unmöglich werden kann, die Verschiebung prazise zu steuern. Dies wird im einzelnen im Folgenden beschrieben.

Wie vorstehend erwähnt, zeigt Fig. 2 den Querschnitt des piezoelektrischen Antriebs vom Schichttyp mit den vorstehend genannten Schutzschichten. In der Fig. 2 hat der piezoelektrische Antrieb eine Schichtstruktur 10 aus dem aktiven Bereich 2 und den Schutzschichten 31 und 33 als seine Grundkomponenten.

Der aktive Bereich 2 ist mit der abwechselnd aufgeschichteten Struktur aus piezoelektrischen Keramikschichten 4 und internen Elektrodenschichten 5 gebildet, und dessen Verschiebung wird in Schichtrichtung durch die Antriebsspannung erzeugt, die an die externen Elektroden 71 und 72, und damit an die jeweiligen piezoelektrischen Keramikschichten 4 über die jeweilige internen Elektroden 5 angelegt ist.

Die Schutzschichten 31 und 32 sind vorgesehen, um den aktiven Bereich 2 elektrisch und mechanisch gegenüber externer Kraft zu schützen. Das heißt, obwohl die Grundfunktion des piezoelektrischen Antriebs als elektromechanischer Umformer durch den aktiven Bereich 2 erhalten wird, ist es wünschenswert, um diesen auf einer praktischen Vorrichtung zu verwenden, daß ein äußerster Bereich der Schichtstruktur 10 in Schichtrichtung aus einem isolierenden Material besteht, da es an eine zugehörige Vorrichtung selbst dann angepaßt werden kann, wenn diese nicht aus einem isolierenden Material, sondern Metallmaterial gebildet ist. Da weiterhin jede piezoelektrische Keramikschicht 4 des aktiven Bereiches 2 mehrere Zehn µm dünn ist, und die Stärke des elektrischen Feldes, das in der piezoelektrischen Keramikschicht 4 durch die an diese angelegte Antriebsspannung in der Größenordnung von 150 V erzeugt wird, sehr groß ist, muß der aktive Bereich 2 mechanisch gegen externe mechanische Stöße dergestalt geschützt werden, daß die piezoelektrische Keramikschicht oder die Schichten 4 nicht gespalten oder zerstört werden. Zu diesem Zweck sind wenigstens die Schutzschichten 31 und 32 auf den Ober- und Unterseiten des aktiven Bereiches 2 vorgesehen, und daher sollte jede Schutzschicht dick genug sein, um den gewünschten Schutz zu schaffen. Beispielsweise kann die Dicke, d.h. die Länge in Schichtrichtung, jeder Schutzschicht in der Größenordnung von 2 mm liegen, wenn der aktive Bereich 2 eine Länge von 12 mm in Schichtrichtung hat. Angesichts der Leichtigkeit der Herstellung der Schutzschichten 31 und 32 ist jede Schutzschicht üblicherweise durch Aufschichten von dünnen Schichten desselben Materials wie das der piezoelektrischen Keramikschicht 4, welche den aktiven Bereich 2 bildet, gebildet.

Wenn bei dem wie vorstehend beschrieben aufgebauten piezoelektrischen Antrieb vom Schichttyp die externe Kraft, die auf die Schichtstruktur 10 in der Dehnung erzeugenden Richtung, d.h. der Schichtrichtung, ausgeübt wird, variiert, unterscheidet sich die elastische Dehnung der Schutzschichten 31 und 32 von der des aktiven Bereiches 2 selbst dann, wenn sie die gleichen piezoelektrischen Charakteristika haben, da der aktive Bereich 2 dem elektrischen Feld ausgesetzt ist, während die Schutzschichten dies nicht sind. Das heißt, das tatsächliche Maß der Verschiebung dieser Schichtstruktur ist eine Summe aus der Dehnung des aktiven Bereiches 2 und der Dehnung der Schutzschichten 31 und 32. Bei dem in der Fig. 1 gezeigten piezoelektrischen Antrieb jedoch wird nur die Dehnung des aktiven Bereiches 2 detektiert. Daher stimmt die detektierte Verschiebung nicht mit der tatsächlichen Verschiebung überein. Da weiterhin die Länge der Schutzschichten 31 und 32 mit Bezug auf die Länge des aktiven Bereiches 2 wie vorstehend erwähnt nicht vernachlässigbar ist, ist die Differenz zwischen der tatsächlichen Verschiebung und der detektierten Verschiebung sehr bedeutend.

Wenn andererseits die Temperatur der Schichtstruktur 10 durch die Änderung der Umgebungstemperatur und/oder von Wärme, die durch den Betrieb des piezoelektrischen Antriebes erzeugt wird, geändert wird, stimmt die detektierte Verschiebung ebenfalls nicht mehr mit der tatsächlichen Verschiebung überein, wenn der Koeffizient der linearen Ausdehnung des aktiven Bereiches 2 sich von dem der Schutzschichten 31 und 32 unterscheidet.

Um die Temperaturcharakteristika des Maßes der Verschiebung des piezoelektrischen Antriebs abzuflachen, kann in Betracht gezogen werden, weiterhin ein Temperaturkompensationselement auf dem oberen oder unteren Bereich der Schichtstruktur 10 vorzusehen. Ein derartiges Temperaturkompensationselement ist ein Block aus einem solchen rostfreien Stahl, dessen linearer Ausdehnungskoeffizient im Vorzeichen entgegengesetzt zu dem der Schichtstruktur 10 ist, die aus piezoelektrischem Material gebildet ist, dessen linearer Ausdehnungskoeffizient negativ ist, und so funktioniert, daß Änderungen der Verschiebung des piezoelektrischen Antriebs infolge von Wärmeausdehnung kompensiert werden. Die Länge des Temperaturkompensationselementes in Schichtrichtung kann vorzugsweise in der Größenordnung von ungefähr 4 mm sein, wenn die Schichtstruktur 10 eine Länge von 16 mm hat. Selbst bei einem derartigen piezoelektrischen Antrieb, der ein derartiges Temperaturkompensationselement hat, wird eine detektierte Verschiebung mit der tatsächlichen Verschiebung nicht übereinstimmen, wenn die elastische Dehnung des aktiven Bereiches 2 sich von der der Schutzschichten 31 und 32 unterscheidet, was zu einer verminderten Genauigkeit der Verschiebungssteuerung führt.

Das heißt, wenn ein piezoelektrischer Antrieb zusätzlich zu einem aktiven Bereich, der die Verschiebung entsprechend einer Antriebsspannung erzeugt, Teile aufweist, deren elastische Dehnungen und/oder Dehnungen infolge von Wärmeausdehnung sich voneinander unterscheiden, daß die Präzision der Verschiebungssteuerung gemäß der herkömmlichen Technik tendenziell verschlechtert wird, wenn die externe Kraft in einer Schichtrichtung und/oder die Temperatur geändert wird. Eine derartige Verschlechterung der Verschiebungssteuerungsgenauigkeit tritt auch durch Änderung der Antriebsspannung auf, wenn der aktive Bereich mit einer Vielzahl von Bereichen gebildet ist, die aus Materialien hergestellt sind, deren piezoelektrische Eigenschaften sich voneinander unterscheiden.

Die Veröffentlichungen DD-A-137982, Sumitomo Search, October 1991, Japan, 47,141 bis 144, ISSN 0585-9131 und Patent Abstracts of Japan, Vol 12, Nr. 291 (E-644), offenbaren jeweils piezoelektrische Antriebe wie vorstehend erwähnt, wobei ein oder mehrere Dehnungsmesser dem aktiven Schichtbereich des Antriebs, wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 erwähnt, zugeordnet sind.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen piezoelektrischen Antrieb vom Schichttyp, der Dehnungsmesser hat, zu schaffen, bei dem selbst dann keine Verschlechterung der Genauigkeit der Verschiebungssteuerung auftritt, wenn dessen Antriebsspannung, eine auf diesen ausgeübte externe Kraft und/oder die Temperatur geändert werden.

Diese Aufgabe wird durch einen piezoelektrischen Antrieb wie im Anspruch 1 definiert gelöst; die abhängigen Patentansprüche beziehen sich auf Weiterentwicklungen der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Beispiel eines herkömmlichen piezoelektrischen Antriebs vom Schichttyp mit einem Dehnungsstreifen;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer Schichtstruktur, die bei dem herkömmlichen piezoelektrischen Antrieb vom Schichttyp verwendet wird;

Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Antriebs, der Dehnungsmeßstreifen gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat;

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer Verschiebungs-Detektions- und -Steuerschaltung, die für die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;

Fig. 5 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Antriebs mit Dehnungsmessern gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung eines piezoelektrischen Antriebs mit Dehnungsmessern gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7A ist eine schematische perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Antriebs mit Dehnungsmessern gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7B ist eine Draufsicht in vergrößertem Maßstab auf einen in der Fig. 7A gezeigten Dehnungsmesser;

Fig. 8 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Antriebs mit Dehnungsmessern gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 9 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Antriebs mit Dehnungsmessern gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 hat eine Schichtstruktur 10 die gleiche Struktur, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, und ist durch ein Verfahren hergestellt, das anhand der Fig. 2 beschrieben wird.

Als erstes werden rohe Keramikblätter durch Schlickerguß eines Schlamms aus einem Gemisch aus Pulver piezoelektrischer Keramiken, wie beispielsweise Bleititanat oder Bleititanatzirkonat, einem Bindemittel und einem organischen Lösungsmittel erhalten. Eine Oberfläche der rohen Keramikblätter wird mit einer leitfähigen Paste, die Pulver eines Gemisches aus Silber und Palladium oder Platinpulver dispergiert enthält, im Siebdruckverfahren bedruckt, um die internen Elektroden zu bilden. Dann werden eine Anzahl von rohen Keramikblättern, auf die die leitfähige Paste aufgebracht ist, aufgeschichtet, und es werden rohe Keramikblätter, die mit keiner leitfähigen Paste bedruckt sind, auf die obersten und untersten rohen Keramikblätter aufgeschichtet, um einen geschichteten, piezoelektrischen Keramikkörper zu bilden. Die rohen Keramikblätter, auf welche die internen Elektroden aufgedruckt sind, dienen dazu, einen aktiven Bereich 2 zu bilden, und die rohen Keramikblätter ohne interne Elektroden dienen dazu, die oberste bzw. unterste Schutzschicht 31 bzw. 32 zu bilden. Nachdem der geschichtete piezoelektrische Keramikkörper auf 100ºC erhitzt worden ist und innig unter Druck geschichtet worden ist, wird das darin enthaltene Bindemittel bei ungefähr 500ºC zersetzt und entfernt, und dann wird der Körper bei ungefähr 1000ºC gesintert, was zu einer Schichtstruktur führt, die die Schutzschichten 31 und 32 und die piezoelektrischen Keramikschichten 4 und die internen Elektrodenschichten 5 aufweist, die abwechselnd mit den piezoelektrischen Keramikschichten geschichtet sind.

Danach werden die ungeradzahligen internen Elektrodenschichten 5, die zu einer Seitenfläche des Sinterkörpers freiliegen, elektrisch durch die Isolatoren 6 isoliert, und die geradzahligen internen Elektrodenschichten 5, die zur anderen Seite der Oberfläche des Sinterkörpers freiliegen, werden ähnlich elektrisch isoliert, so daß die internen Elektrodenschichten 5, die nicht isoliert sind, abwechselnd an den beiden Oberflächen des Sinterkörpers erscheinen. Die internen Elektrodenschichten 5, die nicht isoliert sind und die an beiden Seitenflächen des Sinterkörpers freiliegen, werden jeweils an externe Elektroden 71 bzw. 72 elektrisch angeschlossen, was zu einer Schichtstruktur 10 führt.

Der Sinterkörper mit der Schichtstruktur 10, der die piezoelektrischen Keramikschichten 4 mit der leitfähigen Paste aufweist, bildet einen aktiven Bereich, welcher infolge des piezoelektrischen Effektes aufgrund eines elektrisches Feldes, das durch das Anlegen einer Antriebsspannung an diesselben erzeugt wird, eine Dehnung erzeugt, und einen oberen und einen unteren Teil der Schichtstruktur 10, die die piezoelektrischen Keramikschichten enthalten, die keine leitfähige Paste aufweisen, die eine obere bzw. untere Schutzschicht 31 bzw. 32 bilden, welche keine Dehnung infolge der Antriebsspannung erzeugen. Die Querschnittsfläche der Schichtstruktur 10 bei dieser Ausführungsform ist in einer Richtung rechtwinklig zur Schichtrichtung 5 mm x 5 mm und die Länge derselben in Schichtrichtung beträgt 16 mm. Die Länge des aktiven Bereiches 2 ist 12 mm und die Längen der Schutzschichten 31 und 32 betragen jeweils 2 mm.

Bei der in der Fig. 3 gezeigten ersten Ausführungsform sind Dehnungsmesser 81, 82 und 83, die jeweils einen Widerstandswert von 120 Ω und eine Meßrate von 2 haben, an den Oberflächen der Schutzschicht 31, des aktiven Bereiches 2 und des aktiven Bereichs 32 befestigt. Meßleitungen 9 dieser Dehnungsmesser sind separat vorgesehen. Jeder der Dehnungsmesser, der bei der ersten Ausführungsform verwendet wird, hat eine Basis aus einem Polyimidblatt mit 0,1 mm Dicke und ist an dem Antrieb mittels eines Klebstoffes vom Epoxyd-Phenol- oder Zyanoacrylat-Typ unter Druck von 2 kgf/cm² angeklebt.

Die Änderungsraten des Widerstandes dieser Dehnungsmesser 81, 82 und 83 sind proportional zur Größe der Dehnung in den jeweiligen Bereichen (den Bereichen der Schutzschicht 31 und 32 und dem aktiven Bereich 2). Bei dieser Ausführungsform sind diese Dehnungsmesser an Wheatstone'sche Brücken 101, 102 und 103 mit jeweils 120 Ω angeschlossen, wie dies in der Fig. 4 gezeigt ist, um solche Widerstandsänderungen zu messen. Die Wheatstone'schen Brücken sind gemeinsam an eine Konstantspannungsquelle 11 angeschlossen, von denen Dehnungssignale 121, 122 und 123 erhalten werden, deren Größen proportional zum Dehnungskoeffizienten sind, der durch die Dehnungsmesser detektiert worden ist. Das Detektieren der Widerstandsänderung des Dehnungsmessers kann auch auf irgendeine andere bekannte Art als dem Gleichstrom-Brücken-Verfahren wie vorstehend erwähnt durchgeführt werden.

Das Maß der Verschiebung eines Gegenstandes, wenn letztgenannter verformt worden ist, ist ein Produkt aus der Länge und der Dehnungsrate des Gegenstandes, und das Gesamtmaß der Verschiebung einer Anzahl von in Reihen geschalteten Gegenständen ist die Summe der Verschiebungen der jeweiligen Gegenstände. Daher kann die Gesamtverschiebung erhalten werden, indem die Längen und die Dehnungsraten dieser Gegenstände bekannt sind.

Bei der vorliegenden Ausführungsform, bei der die Dehnungsmesser 81, 82 und 83 identische Widerstandswerte und identische Dehnungsraten haben und die Wheatstone'schen Brücken 101, 102 und 103 an die gemeinsame Konstantspannungsquelle 11 angeschlossen sind, sind die Größen der Dehnungssignale 121, 122 und 123 analog zu den Dehnungsraten, die durch die Dehnungsmesser 81, 82 bzw. 83 detektiert worden sind. Bei dieser Ausführungsform sind die Schutzschichten 31 und 32 und der aktive Bereich 2 2mm, 2mm bzw. 12mm in Schichtrichtung lang. Daher verstärkt eine Arbeitsschaltung 13 die Dehnungssignale 121, 122 und 123 mit Verstärkungsfaktoren gleich den Verhältnissen von Längen der Bereiche, an welchen die jeweiligen Dehnungsmesser 81, 82 und 83 befestigt sind, und addiert diese, was zu einem Verschiebungssignal 14 proportional zur Gesamtverschiebung der Schichtstruktur 10 führt.

Bei dieser Ausführungsform ist die Größe y des Verschiebungssignals 14, das durch die Arbeitsschaltung 13 erhalten worden ist, repräsentiert durch

y = kX(2a+2b+12c)

wobei a, b und c die Größen der jeweiligen Dehnungssignale 121, 122 und 123 und k eine willkürliche Konstante ist.

Indem das so erhaltene Verschiebungssignal 14 einer Rückkopplungssteuerschaltung 15, die eine Vergleichsbetriebsschaltung hat, zugeführt wird, kann eine Verschiebung entsprechend einem Steuersignal 16, das einen angestrebten Antriebsspannungswert bezeichnet und keine Hysterese hat, erhalten werden.

Wenn beispielsweise die Brückenwiderstände jeweils 120 Ω sind, ist der Spannungswert von der Konstantspannungsquelle 2V und die Spannungswerte der jeweiligen Dehnungssignale sind -0,1 V bis +0,1 V, wobei eine Änderung von 1 mV erhalten ist. Durch Verstärken des Maßes der Änderung von 1 mV wird das Verschiebungssignal 14 von -5V bis +5V erhalten. Durch Einstellen der Steuersignalspannung auf -5V bis +5V und Vergleichen derselben mit dem Verschiebungssignal 14 und Verstärken des Ergebnisses des Vergleichs in der Rückkopplungssteuerschaltung 15 wird eine Antriebsspannung des piezoelektrischen Antriebs im Bereich von 0 bis 100 V erhalten.

Durch Vergleichen des piezoelektrischen Antriebs, der die Schichtstruktur gemäß dieser Ausführungsform verwendet, mit einem herkömmlichen piezoelektrischen Antrieb, der die gleiche Schichtstruktur wie bei der gegenwärtigen Erfindung hat, wurde eine Abweichung von 1 µm oder weniger zwischen der gemessenen Verschiebung und der tatsächlichen Verschiebung bei dem gegenwärtigen Antrieb beobachtet, wenn auf diesen eine externe Kraft von 100 kgf ausgeübt wurde, während bei dem herkömmlichen Antrieb die Abweichung 5 µm unter den gleichen Bedingungen betrug.

Die Wheatstone'schen Brücken und die Arbeitsschaltung bei dieser Ausführungsform können vereinfacht werden, indem die drei Dehnungsmesser in Reihe geschaltet werden, wie dies in der Fig. 5 gezeigt ist, welche eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. In der Fig. 5 sind Dehnungsmesser 81 und 82 an die Oberflächen der Schutzschichten 31 und 32 einer Schichtstruktur angeklebt, die die gleiche wie jene der ersten Ausführungsform ist, und ein Dehnungsmesser 83 ist an eine Oberfläche eines aktiven Bereiches 2 der Schichtstruktur 10 angeklebt. Der Widerstandswert des Dehnungsmessers 83 ist 90 Ω, und die Widerstandswerte der Dehnungsmesser 81 und 82 sind jeweils 15 Ω und die Meßraten der Dehnungsmesser 81, 82 und 83 sind gemeinsam 2. Eine Reihenschaltung dieser drei Dehnungsmesser 81, 82 und 83 ist äquivalent einem einzelnen Dehnungsmesser mit 120 Ω. Die Eigenschaften dieses einzelnen Dehnungsmessers werden beschrieben.

Es wird angenommen, daß ein Dehnungsmesser mit einem Widerstandswert R und einer Meßrate K an einen Bereich eines Gegenstandes mit der Länge L angeklebt ist, und der Widerstand R des Dehnungsmessers wird um ΔR als Ergebnis der Verschiebung ΔL des Gegenstandes, der mit einer Dehnungsrate ε deformiert worden ist, verändert, so daß die folgende Gleichung aufgestellt werden kann:

ΔL = L X ε = L X (ΔR/R)/K

= ΔR X{[L/(R X K)}

Daher werden in einem solchen Fall, wie bei der vorliegenden Ausführungsform, wo die Dehungsmesser an den jeweiligen drei Bereichen, d.h. den Schutzschichten 31 und 32 bzw. dem aktiven Bereich 2 angeklebt sind, die Widerstandsänderungen ΔR der jeweiligen Dehnungsmesser proportional zu der Verschiebung ΔL der jeweiligen Bereiche, indem ein Produkt aus dem Widerstandswert R und der Meßrate K des Dehnungsmessers proportional zur Länge L des Gegenstandes, an welchem der Dehnungsmesser angeklebt ist, gemacht wird, das heißt, indem ein Wert L (R X K) in jedem Bereich konstant gemacht wird. Durch in Reihe schalten dieser drei Dehnungsmesser kann die Verschiebung der Schichtstruktur 10 gemessen werden, indem die Widerstandsänderung der in Reihe geschalteten Dehnungsmesser gemessen wird. Bei dieser Ausführungsform werden die Dehnungsmesser entsprechend diesem Prinzip gewählt.

Während bei der ersten Ausführungsform drei Brückenschaltungen für die jeweiligen Dehnungsmesser zusätzlich zu der Arbeitsschaltung notwendig sind, um die drei Dehnungssignale zu bearbeiten, ist es bei der zweiten Ausführungsform ausreichend, die einzige Brückenschaltung vorzusehen, ohne daß irgendeine Arbeitsschaltung erforderlich ist.

Fig. 6 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Fig. 6 ist die Schichtstruktur 10 die gleiche wie jene, die bei der ersten Ausführungsform verwendet wird. Da die Schutzschichten 31 und 32 aus dem gleichen Material hergestellt sind und die gleichen Querschnittsflächen und die gleichen Young-Module haben, sind ihre Dehnungen gegenüber externer Kraft gleich. Weiterhin sind ihre Dehnungen gegenüber Temperaturänderung ebenfalls gleich, da ihre Wärmeausdehnungskoeffizienten gleich sind. Da daher ihre Dehnungen immer gleich sind, ist es möglich, einen der Dehnungsmesser zu entfernen. Um die Widerstandsänderung eines einzigen Dehnungsmessers zu gestalten, hat in der Fig. 6 der Dehnungsmesser 82, der mit jenen der Schutzschichten 31 und 32 zusammenpaßt, einen Widerstandswert, der auf der Basis der Summe aus den Längen der Schutzschichten 31 und 32 errechnet ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Dehnungsmesser 82 nur an der Schutzschicht 32 befestigt. Die Widerstandswerte des Dehnungsmessers 82 und des Dehnungsmessers 83 sind 30 Ω bzw. 90 Ω, und ihre Meßraten sind gemeinsam 2.

Fig. 7A zeigt eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Gegensatz zur dritten Ausführungsform, bei der die Dehnungsmesser 82 und 83 separat wie in der Fig. 6 gezeigt, befestigt sind, ist ein einziger Dehnungsmesser 87, der durch eine Reihenschaltung von Meßbereichen 181 und 182 auf einer gemeinsamen Basis 17, wie in der Fig. 7B gezeigt, bei der vierten Ausführungsform verwendet, um dadurch die Zuverlässigkeit der Schaltung zu verbessern und die Herstellschritte zu reduzieren. Die Widerstandswerte der Meßbereiche 181 und 182 betragen 30 Ω bzw. 90 Ω für eine Schichtstruktur 10, die die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform ist, und ihre Meßraten betragen gemeinsam 1,98.

Bei einer fünften Ausführungsform, wie in der Fig. 8 gezeigt, hat ein Dehnungsmesser 88 einen Widerstandswert von 120 Ω und ist an einer Grenzfläche zwischen einem aktiven Bereich 2 und einer Schutzschicht 32 einer Schichtstruktur 10, die die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform ist, befestigt. Die Grenzfläche, an welcher der Dehnungsmesser 88 befestigt ist, reicht über die Schutzschicht 32 mit einem Abstand von L1 und über den aktiven Bereich 2 mit einem Abstand L2, wobei L1:L2 = 3:1 ist. Dies ist äquivalent zu dem Fall, bei dem Dehnungsmesser mit Widerstandswerten von 30 Ω bzw. 90 Ω in Reihe geschaltet sind. Gemäß der fünften Ausführungsform kann der gleiche Effekt wie bei der dritten oder vierten Ausführungsform mit einem einzigen Dehnungsmesser, der einen einzigen Meßbereich hat, erzielt werden. Da weiterhin identische Dehnungsmesser identische Meßraten haben, ist es ausreichend, nur das Verhältnis zwischen L1 und L3 in Betracht zu ziehen.

Eine sechste Ausführungsform, die in der Fig. 9 gezeigt ist, ist durch Ankleben eines Temperaturkompensationselementes 19 an die Struktur gemäß der zweiten Ausführungsform, die in der Fig. 5 gezeigt ist, das aus rostfreiem Stahl (15 ppm/ºC) gebildet ist und 4 mm lang ist, und Ankleben eines Dehnungsmessers 84 an das Temperaturkompensationselement 19 gebildet. Bei dieser Ausführungsform ist die Gesamtwärmeausdehnung als piezoelektrischer Antrieb im wesentlichen 0, da eine Schichtstruktur 10 bei einem Temperaturanstieg von 1ºC sich um 0,06 µm zusammenzieht. Durch Reihenschaltung der Dehnungsmesser 81, 82, 83 und 84 mit den Widerstandswerten 72 Ω, 12 Ω bzw. 24 Ω ist es möglich, die Nichtübereinstimmung der angestrebten Verschiebung des Temperaturkompensationselementes 19 und der Schichtstruktur 10 infolge der Differenz der elastischen Dehnung bei Änderung der externen Kraft zu korrigieren. Das heißt, bei dem herkömmlichen piezoelektrischen Antrieb ist es praktisch unmöglich, ein derartiges Temperaturkompensationselement zur Verbesserung seiner Temperaturcharakteristika daran zu befestigen, da die Dehnungen des Temperaturkompensationselementes und der Schichtstruktur bei Änderung der externen Kraft sich sehr voneinander unterscheiden. Diese Ausführungsform zeigt eine korrekte Verschiebung nicht nur bei Temperaturänderung, sondern auch bei Änderung der externen Kraft. Beispielsweise liegt bei dem herkömmlichen piezoelektrischen Antrieb, der kein Temperaturkompensationselement hat, ein steuerbarer Bereich der Verschiebung bezogen auf eine angelegte Spannung in der Größenordnung von 3 µm bei 50ºC. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der steuerbare Bereich jedoch 0,5 µm oder weniger bei 50ºC, und die Abweichung bei Ausüben einer externen Kraft von 100 kg/f ist 1,5 µm oder weniger.

Wie vorstehend beschrieben ist der piezoelektrische Antrieb gemäß der vorliegenden Erfindung aus einer Anzahl von Bereichen, deren Dehnungen aufgrund von angelegter Antriebsspannung, elastische Dehnungen und Dehnungen infolge von Wärmeausdehnung sich voneinander unterscheiden, und Dehnungsmessern zum Detektieren der Dehnungen der jeweiligen Bereiche zusammengesetzt. Somit ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, die Dehnungen der jeweiligen Bereiche selbst dann zu detektieren, wenn externe Kraft und/oder Temperatur geändert werden, anders als bei dem herkömmlichen piezoelektrischen Antrieb, bei dem nur Dehnung infolge der Antriebsspannung detektiert wird.

Somit ist es verglichen mit dem herkömmlichen piezoelektrischen Antrieb möglich, durch Detektieren einer Verschiebung des piezoelektrischen Antriebs als Ganzes auf der Basis der Dehnungen, die in den jeweiligen Bereichen detektiert worden sind, und Rückkoppeln dieser auf die Antriebsspannung, die Steuergenauigkeit der Verschiebung wesentlich zu verbessern, wenn externe Kraft und/oder Temperatur verändert werden. Weiterhin kann die Genauigkeit des Verschiebungsmaßes selbst in einem piezoelektrischen Antrieb aufrechterhalten werden, der eine Schichtstruktur, zusammengesetzt aus einer Anzahl von Bereichen hat, die aus Materialien mit unterschiedlichen piezoelektrischen Charakteristika zusammengesetzt ist.


Anspruch[de]

1. Piezoelektrischer Antrieb (10) mit einer Schichtstruktur aus einem aktiven Bereich (2), der durch abwechselndes Aufschichten einer Anzahl von Keramikschichten mit piezoelektrischen Eigenschaften und einer Anzahl interner Elektrodenschichten aufgebaut ist, zum Erzeugen von Dehnung in einer Richtung rechtwinklig zu den Keramikschichten und den internen Elektrodenschichten entsprechend einer extern angelegten Antriebsspannung, und einer Anzahl weiterer Bereiche (31, 32), wobei zumindest eine Dehnung in der Richtung, die durch die Antriebsspannung ausgelöst wird, die der Schichtstruktur angelegt wird, eine elastische Dehnung in diese Richtung und eine Dehnung aufgrund von thermischer Expansion in der Richtung der aneinandergrenzenden aktiven Bereiche (2) und der Anzahl weiterer Bereiche (31, 32) sich voneinander unterscheiden, wobei der piezoelektrische Antrieb erste Mittel (81) aufweist, die feststehend dem aktiven Bereich (2) zugeordnet sind, zum Erfassen von Dehnung in der Richtung in dem aktiven Bereich (2), dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Antrieb weiterhin zweite Mittel (82, 83) aufweist, die feststehend zumindest einem der weiteren Bereiche (31, 32) zugeordnet sind, zur Erfassung von Dehnung, die in der Richtung in zumindest einem der weiteren Bereiche (31, 32) erzeugt wird.

2. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Mittel Dehnungsmesser aufweisen, die dem aktiven Bereich (2) und der Anzahl weiterer Bereiche (31, 32) zugeordnet sind, wobei das Produkt des Widerstandswertes und der Meßrate jedes Dehnungsmessers proportional zur Länge in der Richtung des aktiven Bereichs (2) bzw. des weiteren Bereichs (31, 32) ist, der ihm zugeordnet ist, und wobei die Dehnungsmesser in Reihe geschaltet sind.

3. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 2, wobei die Anzahl weiterer Bereiche zumindest zwei Bereiche (31, 32) aufweist, deren Dehnung durch die Antriebsspannung verursacht wird, wobei die elastische Dehnung und die Dehnung aufgrund von thermischer Expansion in dieser Richtung identisch sind, wobei sie nicht aneinander in der Richtung angrenzen und wobei der Dehungsmesser (82), der feststehend an einem (32) der zumindest zwei Bereiche (31, 32) befestigt ist, ein Produkt des Widerstandswertes und der Meßrate aufweist, das proportional der Summe der Längen in dieser Richtung der zumindest zwei Bereiche (31, 32) ist.

4. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 2, wobei zumindest zwei der Dehnungsmesser (181, 182) auf einer gemeinsamen Basis (17) ausgebildet sind und wobei die Basis (17) feststehend an einer Fläche befestigt ist, die eine Grenze zwischen den Bereichen (2, 32) derart aufweist, daß die Dehnungsmesser (181, 182) auf der Basis (17) jeweils Dehnungen der Bereiche (2, 32) erfaßt.

5. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite Mittel kombiniert sind, um zumindest einen Dehnungsmesser (88) zu schaffen, der aneinandergrenzenden der aktiven Bereiche (2) und der Anzahl der weiteren Bereiche (32) zugeordnet ist, zur Erfassung von Dehnungen der aneinandergrenzenden Bereiche des aktiven Bereichs (2) und des einen der weiteren Bereiche (32), wobei der zumindest eine Dehnungsmesser (88) feststehend in einem Bereich angebracht ist, der eine Grenze zwischen den aneinandergrenzenden Bereichen (2, 32) aufweist, wobei das Verhältnis der Länge (L1) eines Bereichs des Meßbereichs des zumindest einen Dehnungsmessers (88), der einen der aktiven Bereiche (2) abdeckt, zur Länge (L2) eines weiteren Bereichs des Meßbereichs des zumindest einen Dehnungsmessers (88), der den anderen (32) der aneinandergrenzenden Bereiche (32) in der Richtung abdeckt, gleich dem Verhältnis der Länge des einen (2) der aneinandergrenzenden Bereiche (2, 32) zur Länge des anderen (32) der aneinandergrenzenden Bereiche (2, 32) in dieser Richtung ist.

6. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 2, wobei der piezoelektrische Antrieb weiterhin ein Temperaturkompensationselement (19) aufweist, das an einem der weiteren Bereiche (32) angebracht ist, sowie ein drittes Mittel (84), das feststehend mit dem Temperaturkompensationselement (19) derart befestigt ist, daß das dritte Mittel (84) mit den Dehnungsmessern (81, 82, 83) verbunden ist.







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