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Dokumentenidentifikation DE602005001844T2 13.12.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001693906
Titel Piezoelektrisches Antriebselement
Anmelder AGIE S.A., Losone, Locarno, CH
Erfinder Fracheboud, Maurice, 1895 Vionnaz, CH;
Breguet, Jean-Marc, 1027 Lonay, CH
Vertreter Samson & Partner, Patentanwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 602005001844
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LI, LT, LU, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 17.02.2005
EP-Aktenzeichen 050033950
EP-Offenlegungsdatum 23.08.2006
EP date of grant 01.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.12.2007
IPC-Hauptklasse H01L 41/09(2006.01)A, F, I, 20060725, B, H, EP

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein hochgenaues Antriebselement zum Bewegen einer Last und im besonderen ein hochgenaues Antriebselement, welches piezoelektrische Aktoren umfaßt.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die moderne Wissenschaft und Technologie ermöglicht es Unternehmen heutzutage, Objekte mit sich ständig verbessernder Präzision herzustellen. Es wird möglich, Muster und Formen sogar im Nanometerbereich zu realisieren. Solche Mikrotechniken werden zum Herstellen einer großen Anzahl von Waren von medizinischen (zum Beispiel arthroskopischen oder optischen) Geräten über Mikrochips und eine Vielzahl von Sensoren bis hin zu individuellen Teilen für Maschinen, die solche Waren in Mikrogröße herstellen, angewendet. Ein Beispiel für hochgenaue Mikrotechniken anwendende Maschinen sind Funkenerosionsmaschinen (ED-Maschinen). Diese können beispielsweise Spinndüsen zum Herstellen synthetischer Fasern oder Werkstücke mit einer langen Reihe kleiner Kühlungslöcher oder kompliziertere 3D-Formen, beispielsweise Mikroformen und Mikrostrukturen, herstellen.

ED-Maschinen verwenden elektrische Entladungen zwischen einer Elektrode und dem Werkstück, um Material von dem Werkstück abzutragen. Um präzise Materialabtragungen zu erreichen, sind die ED-Maschinen auf Antriebsinstrumente angewiesen, welche die Elektrode genau in einem definierten Abstand vom Werkstück platzieren können. Wegen des Elektrodenverschleißes während des ED-Vorgangs muß das Antriebsinstrument die Elektrode zum Ausgleich des Verschleißes konstant bewegen. Daraus wird ersichtlich, daß ein solches Antriebsinstrument hohen Anforderungen genügen muß: Es muß die Elektrode in Schritten einer genau definierten Größe präzise bewegen können. Die Anforderungen erhöhen sich, wenn Werkstücke in Mikrogröße hergestellt werden sollen: Der Elektrodendurchmesser verringert sich auf einen Bereich von wenigen 10 Mikrometern, und die erforderlichen Bewegungen sind in Nanometern angegeben; nur hochgenaue Antriebselemente können diese Aufgaben lösen.

Aber hochgenaue Antriebselemente sind nicht auf den Einsatz bei solchen Anwendungen beschränkt. Sie können für alle Arten von Anwendungen verwendet werden, bei denen kleine Objekte manipuliert werden sollen, beispielsweise in der Mikroskopie oder in der Telepräsenz.

Konventionelle Antriebselemente, die Mikrobewegungen auslösen können, umfassen häufig piezoelektrische Aktoren, weil diese keine Verschleißerscheinungen zeigen, wenig Energie verbrauchen, große Belastungen aushalten, eine hohe Auflösung und schnelle Reaktionen haben und platzsparend und leichtgewichtig sind.

Die WO 2004/077584 schlägt einen piezoelektrischen Aktor zum Positionieren von Geräten vor, welcher aktive Abschnitte, passive Abschnitte und ein Kontaktelement umfaßt. Die aktiven Abschnitte arbeiten nach dem Quereffekt, um eine Druck-Zug-Bewegung auszuführen, welche auf das Kontaktelement übertragen wird. Ein Gleitelement ist lose auf dem Kontaktelement platziert und kann entsprechend den Bewegungen der aktiven Abschnitte verschoben werden. Diese Bewegungen können dem Gehprinzip (walking principle) folgen, d.h. alle aktiven Abschnitte bewegen sich gleichzeitig in eine Richtung, um das Gleitelement mitzunehmen, in die entgegengesetzte Richtung bewegen sie sich nacheinander, während die anderen Abschnitte das Gleitelement in Position halten. Als Ergebnis bewegt sich das Gleitelement in eine Richtung. Die Bewegungen können auch das Ruck-Gleit-Prinzip (stick-slip principle) anwenden, d.h. alle aktiven Abschnitte bewegen sich langsam in eine Richtung und tragen das Gleitelement mit sich, in die andere Richtung bewegen sie sich sehr schnell, mit dem Ergebnis, daß das Gleitelement aufgrund der Massenträgheit seine Position nicht verändert.

Die DE 40 233 11 C2 (US 5,237,238) beschreibt ein Einstellgerät für mikroskopische Bewegungen. Ein bewegliches Element wird durch eine druckausübende Einheit, beispielsweise einen Magnet oder eine Feder, auf piezoelektrisch aktive Abschnitte gedrückt. Die Feder kann einen aktiven Abschnitt auf das bewegliche Element drücken. Alle aktiven Elemente führen immer dieselben Scherbewegungen durch. Eine Bewegung des beweglichen Elements ergibt sich aus dem Anregen der aktiven Abschnitte gemäß dem Ruck-Gleit-Prinzip.

Außerdem wird in der WO 93/19494 ein piezoelektrischer Motor vorgeschlagen, welcher ein Objekt Schritt für Schritt bewegt. Dafür wird das Objekt zwischen zwei Reihen piezoelektrischer Aktoren gehalten, welche sich entsprechend dem Gehprinzip bewegen.

Ein Antriebselement entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist in der DE 198 53 324 A1 offenbart.

Es ist ein Ziel der Erfindung, ein piezoelektrisches Antriebselement bereitzustellen, welches ein Objekt mit hoher Genauigkeit in definierten Schritten bewegen kann.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist das Bereitstellen eines Verfahrens zum Bewegen eines Objekts mit hoher Genauigkeit in definierten Schritten.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein piezoelektrisches Antriebselement von einfacher, billiger, kompakter, leichter und zuverlässiger Struktur bereitzustellen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung erreicht diese Ziele mit einem piezoelektrischen Antriebselement gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 13.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein piezoelektrisches Antriebselement bereitgestellt, umfassend einen auf einer Seite von und in Kontakt mit der Last angeordneten piezoelektrischen Aktor, der eine Vielzahl individuell aktivierbarer aktiver Abschnitte und eine Vielzahl passiver Abschnitte umfasst, die für eine mit den aktiven Abschnitten synchrone Bewegung mit diesen verbunden sind. Das Antriebselement umfaßt außerdem eine Vielzahl von Halteabschnitten, die jeweils mit einem der passiven Abschnitte verbunden sind, um eine synchrone Bewegung mit diesen zu erreichen, und die so angeordnet sind, daß sie die Last unabhängig voneinander halten und sich getrennt voneinander entlang der Längsachse bewegen können. Diese Halteabschnitte sind gegenüber einem Kontaktelement des entsprechenden passiven Abschnitts angeordnet, so daß die Last zwischen ihnen verläuft.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Ausführungsformen der Erfindung werden nun in Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben werden.

1 veranschaulicht das Prinzip der Bewegung der Last;

2 zeigt die Bewegung der Last als eine Funktion der Zeit;

3 zeigt einen Längsschnitt einer Ausführungsform der Erfindung;

4 stellt eine Draufsicht auf dieselbe Ausführungsform dar;

5 stellt einen Querschnitt derselben Ausführungsform dar;

6 zeigt eine Draufsicht auf dieselbe Ausführungsform unter Weglassung der Haltemittel; und

7 veranschaulicht eine Anwendung der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bevor die Zeichnung detailliert beschrieben wird, werden einige Erklärungen vorausgeschickt.

Ein piezoelektrisches Antriebselement gemäß der Erfindung ist zum Bewegen einer Last, die in einigen Ausführungsformen ein Draht, beispielsweise ein Elektrodendraht, und in anderen Ausführungsformen ein länglicher Stab ist, entlang einer Längsachse konstruiert. Im Allgemeinen ist die Erfindung auf Lasten von willkürlicher Form mit zwei parallelen, ebenen Oberflächen gerichtet. Der Ausdruck "Längsachse" bezeichnet lediglich die Achse, entlang der sich die Last bewegt, und soll die Bewegungsrichtung nicht auf eine bestimmte Achse der Last begrenzen, beispielsweise die Längsachse einer länglichen Last.

Eine Bewegung der Last ergibt sich aus den Bewegungen der piezoelektrisch aktiven Abschnitte, welche Teil des piezoelektrischen Aktors sind. In einer bevorzugten Ausführungsform arbeiten diese aktiven Abschnitte nach einem Längseffekt, wobei sie sich parallel zur Längsachse ausdehnen und zusammenziehen. In anderen Ausführungsformen arbeiten die aktiven Elemente nach einem Quereffekt oder jedem anderen im Stand der Technik bekannten Effekt. Der Kontakt zwischen dem piezoelektrischen Aktor und der Last wird durch ein Kontaktelement bereitgestellt. Die Kontaktelemente können als flache, robuste Beinchen oder als dünne Stäbe ausgebildet sein, die starr mit den passiven Abschnitten verbunden sind. Die Oberfläche der Kontaktelemente ist derart, daß sie für ein Gleiten der Last auf den Kontaktelementen sorgt. Jeder aktive Abschnitt umfaßt ein passives Element, welches vorzugsweise zwischen dem aktiven Abschnitt, zu dem es gehört, und dem dazu benachbarten aktiven Abschnitt positioniert ist. Als Ergebnis sind aktive und passive Abschnitte abwechselnd in einer Reihe angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform sind die Kontaktelemente auf den aktiven Elementen angeordnet.

In den meisten Ausführungsformen wird der piezoelektrische Aktor an seinen beiden Enden festgehalten. Die antreibenden Abschnitte sind in diesen Ausführungsformen auf eine Weise verbunden, die ein Verschieben der Grenzen zwischen zwei nebeneinanderliegenden aktiven Abschnitten erlaubt. In einer Ausführungsform, welche nach dem Längseffekt arbeitende aktive Abschnitte umfaßt, werden ihre Grenzen in Längsrichtung in Abhängigkeit vom Zustand dieser Abschnitte verschoben. Wenn die zwei äußeren Enden des piezoelektrischen Aktors unbeweglich sind, muß zu jeder Zeit dieselbe Anzahl aktiver Abschnitte ausgedehnt und zusammengezogen sein.

Die Haltemittel werden verwendet, um die Last an den aktiven Abschnitten zu fixieren. In einigen Ausführungsformen drücken die Haltemittel die Last auf den passiven Abschnitt, rechtwinkelig zur Lastoberfläche oder schief dazu; in anderen Ausführungsformen halten sie die Last von zwei Seiten wie eine Wäscheklammer und verhindern so ihre unbeabsichtigte Verschiebung. Die Haltemittel können in einigen Ausführungsformen Permanent- oder elektrische Magnete sein, welche eine (magnetische) Last fixieren; oder sie können Federn umfassen, welche ihre Kraft auf die Last ausüben.

Die Halteabschnitte sind mit den passiven Abschnitten, zu denen sie gehören, verbunden, um synchrone Bewegungen zwischen ihnen sicherzustellen. Als Folge dieser Verbindung bewegt sich jeder Halteabschnitt getrennt von den anderen Halteabschnitten, wenn sich die aktiven Abschnitte entsprechend bewegen. Daher verändern sich die Abstände zwischen den Halteabschnitten. Dies schließt feste Verbindungen zwischen den Halteabschnitten aus: In einigen Ausführungsformen sind sie flexibel miteinander verbunden, in anderen Ausführungsformen besteht keine Verbindung zwischen ihnen.

In einer weiteren Ausführungsform drückt jeder Halteabschnitt die Last auf das Kontaktelement des passiven Abschnitts, zu dem er gehört, und der Halteabschnitt ist starr an dem passiven Element befestigt. Das Kontaktelement-/Halteabschnitt-Paar wird entlang der Last gleiten, wenn eine größere Kraft als die Haltekraft (die sich aus dem Anpressen der Last auf das Kontaktelement mittels des Halteabschnitts ergibt) auf die Last ausgeübt wird. Daher wendet das Antriebselement das schrittartige Bewegungen umfassende Gehprinzip an und macht eine zweite Reihe aktiver Abschnitte, wobei die Last zwischen den beiden Reihen aktiver Abschnitte gehalten wird, unnötig, und ist daher einfacher und billiger im Vergleich zu Antriebselementen des Stands der Technik.

Nun zurück zu 1, in der ein Diagramm gezeigt ist, welches das Antriebsprinzip für das Bewegen einer Last 1 veranschaulicht. Der in 1 gezeigte, längliche piezoelektrische Aktor 5 umfaßt vier aktive Abschnitte 2, welche nach dem Längseffekt arbeiten. Vier passive Abschnitte 3, welche die Last 1 tragen, sind zwischen den aktiven Abschnitten 2 eingefügt und an das rechte Ende des ganz rechts liegenden aktiven Abschnitts 2d angefügt. Beide Enden des piezoelektrischen Aktors 5 sind an einem Träger befestigt, welcher lediglich schematisch dargestellt ist. Ebenfalls schematisch dargestellt als mit den passiven Abschnitten 3 verbundene Linien 4 sind die Halteabschnitte 4a–d, welche die Last 1 auf den passiven Abschnitten 3 festhalten. Alle Halteabschnitte 4a–d üben dieselbe Andrückkraft auf die Last 1 aus.

1 stellt fünf Stadien einer Bewegung der Last 1 um einen Schritt nach links dar.

In einem ersten Stadium sind die zwei linken aktiven Abschnitte 2a, 2b ausgedehnt, und die anderen beiden rechtsliegenden aktiven Abschnitte 2c, 2d sind zusammengezogen.

In einem zweiten Stadium ist der aktive Abschnitt 2a zusammengezogen, während der aktive Abschnitt 2d ausgedehnt ist. Wie durch die Linien an der linken Seite von 1 angedeutet, wurde die Last 1 als ein Ergebnis der von den Halteabschnitten 4a–d ausgeübten Nettoreibkraft um einen großen Schritt nach links bewegt. Die drei linken Halteabschnitte 4a–c zusammen üben eine (dreimal) höhere Gesamtreibkraft auf die Last 1 aus als der rechts außen liegende Halteabschnitt 4d. Beim Ausdehnen des zwischen den nebeneinanderliegenden Halteabschnitten 4c, d liegenden aktiven Abschnitts 2d vergrößert sich der Abstand zwischen diesen, indem der Halteabschnitt 4d entlang der Last 1 nach rechts gleitet (der graue Bereich der Last 1 zeigt den Gleitbereich an, seine Länge entspricht der Vergrößerung des Abstands). Da die Halteabschnitte 4a–d Längsrichtung nicht völlig starr in sind, baut sich eine kleine Rückstellkraft im Halteabschnitt 4d auf, die nach rechts auf die Last 1 wirkt. Diese Rückstellkraft wird durch die nach links wirkende Gesamtrückstellkraft der drei Halteabschnitte 4a–c ausgeglichen, wie durch die gekrümmten Linien unproportional dargestellt.

In einem dritten Stadium ist der aktive Abschnitt 2a ausgedehnt, während der aktive Abschnitt 2b zusammengezogen ist. Die Last 1 wurde einen kleinen Schritt nach rechts bewegt, da nun die Halteabschnitte 4b–d die höhere Gesamtreibkraft auf die Last 1 ausüben, die diese in Position zu halten versucht. Daher gleitet der Halteabschnitt 4a entlang der Last 1 nach rechts, wobei er zur selben Zeit versucht, die Last 1 einen ersten kleinen Schritt nach rechts zu ziehen. Da nur die Rückstellkraft der Halteabschnitte 4b, c für einen Ausgleich von der von Halteabschnitt 4d bleibt, wird die Last 1 außerdem einen zweiten kleinen Schritt nach rechts bewegt. Diese beiden Effekte addieren sich zusammen zu dem oben erwähnten kleinen Schritt der Last 1 nach rechts, wie auf der linken Seite von 1 dargestellt.

In einem vierten Stadium ist der aktive Abschnitt 2c ausgedehnt, während der aktive Abschnitt 2d zusammengezogen ist. Daher versuchen die Halteabschnitte 4a, b, d die Last 1 in Position zu halten, während die Rückstellkraft von Halteabschnitt 4c, nun nur durch die von Halteabschnitt 4b ausgeglichen, zusammen mit der Gleitkraft von Abschnitt 4c die Last 1 um einen kleinen Schritt nach rechts bewegt.

In einem fünften Stadium wird der aktive Abschnitt 2b ausgedehnt und der aktive Abschnitt 2c zusammengezogen, wobei versucht wird, die Last 1 aufgrund der Reibkräfte der Halteabschnitte 4a und 4d in Position zu halten bzw. die Last 1 aufgrund der Rückstell- und Gleitkräfte der Halteabschnitte 4c und b einen kleinen Schritt nach rechts bewegt wird. Das fünfte Stadium entspricht dem ersten Stadium, wobei die Last 1 um einen großen Schritt nach links bewegt ist, der der Summe des ersten großen Linksschritts (zwischen erstem und zweitem Stadium) und der drei kleinen Rechtsschritte (zwischen zweitem und fünftem Stadium) entspricht.

Somit kann der Betrag der Gesamt-Linksbewegung durch Einstellen der Andrückkräfte der Halteabschnitte 4a–d variiert werden. Höhere Andrückkräfte führen zu einer kleineren Linksbewegung, befähigen den piezoelektrischen Aktor 5 aber zum Halten der Last 1 gegen eine stärkere, extern in Längsrichtung auf sie ausgeübte Kraft. In jedem Stadium wird die Gesamtlänge des piezoelektrischen Aktors 5 konstant gehalten, indem nur ein aktiver Abschnitt 2 ausgedehnt und ein anderer zusammengezogen wird, während die anderen beiden unverändert gehalten werden.

2 zeigt die Bewegung der Last 1 als eine Funktion der Zeit für eine spezifische Andrückkraft, die für alle Halteabschnitte 4a–d gleich ist. Funktion a stellt die Bewegung der Last 1 dar, während Funktion b die an Aktor 2a angelegte Spannung zum Anregen seines Zusammenziehens darstellt (eine positive Maximalspannung hält den aktiven Abschnitt 4a voll zusammengezogen, während eine negative Spannung desselben Betrags ihn voll ausgedehnt hält). Ähnliche Spannungsänderungen werden an die anderen aktiven Abschnitte 2b–d während verschiedener Zeitintervalle angelegt, wie durch die dünneren Linien in 2 gezeigt.

Während in 2 das Anlegen rechteckiger Spannungspulse an die Aktoren gezeigt ist, können andere Ausführungsformen der Erfindung andere Pulsformen verwenden, beispielsweise trapezförmige Pulse. Für den speziellen Fall, daß ein an seinen beiden Enden fixiertes piezoelektrisches Element vorliegt, ist es notwendig, daß die Summe der an die einzelnen Aktoren angelegten Spannungen konstant bleibt.

Die ansteigende Flanke eines an den aktiven Abschnitt 2a angelegten positiven Spannungspulses signalisiert den Anfang eines Schrittzyklus, den Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Stadium wie oben beschrieben. Die angelegte Spannung verursacht eine Vorwärtsbewegung der Last 1 um ungefähr 550 nm. Die abfallende Flanke dieses positiven Pulses, die mit der ansteigenden Flanke des an den aktiven Abschnitt 2b angelegten Spannungspulses zusammenfällt, entspricht dem Übergang zwischen dem zweiten und dem dritten Stadium, wodurch die Last 1 um ungefähr 60 nm rückwärts gezogen wird.

In den darauffolgenden zwei Übergängen vom dritten zum vierten und vom vierten zum fünften Stadium wiederholen sich die Rückwärtsbewegungen, was eine Gesamtrückwärtsbewegung von ungefähr 180 nm ergibt. Als Ergebnis beträgt die Nettobewegung in Vorwärtsrichtung ungefähr 370 nm. Wie dadurch gezeigt, kann eine hohe Auflösung erreicht werden, indem ein erfindungsgemäßes Antriebselement eingesetzt wird. Durch Ändern von Parametern des Antriebselements (Ausdehnungs- und Zusammenziehungslänge der aktiven Abschnitte 2a–d durch Variieren der an sie angelegten Spannungen oder der Länge der aktiven Abschnitte, Andrückkräfte der Halteabschnitte 4a–d etc.) können die Vorwärts- und Rückswärtsbewegungen der Last 1 sowohl verringert als auch vergrößert werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung werden die Parameter so gewählt, daß die Rückwärtsbewegungen der Last 1 auf ein Minimum reduziert werden.

3 ist ein Längsschnitt des piezoelektrischen Aktors 5. Wie durch die Pfeile unter den passiven Elementen 3 angedeutet, können diese in Reaktion auf eine Ausdehnung oder Zusammenziehung der aktiven Abschnitte 4 in beide Richtungen verschoben werden. Das linke und rechte Ende des piezoelektrischen Aktors 5 ist an einem Träger (nicht gezeigt) befestigt. Die Bewegungsrichtung kann zu jeder Zeit einfach durch Invertieren der Ausdehnungs- und Zusammenziehungsfolge der aktiven Abschnitte 2a–d umgekehrt werden. Die Last kann in beide Richtungen bewegt werden, beispielsweise kann sie über eine vorgegebene Entfernung zugeführt und zurückgezogen werden.

An den passiven Abschnitten 3 sind Kontaktelemente 6 angebracht, die eine Kontaktfläche mit einem spezifischen Reibungskoeffizienten umfassen, der zusammen mit der Andrückkraft des entsprechenden Halteabschnitts 4 die Haltekraft definiert. Die Last 1 wird durch die Andrückkraft der Halteabschnitte 4 (diese Kraft wird durch die vertikalen Pfeile gezeigt) auf die Kontaktfläche der Kontaktelemente 6gedrückt. Die Kontaktelemente 6 sind so angeordnet, daß der Bereich des Kontakts mit der Last 1 sich entlang der gesamten Länge jedes Kontaktelements 6 entlang der Längsrichtung erstreckt. Außerdem überlappt der Kontaktbereich der Halteabschnitte 4 die aktiven Abschnitte 2 auf beiden Seiten des entsprechenden dazwischenliegenden passiven Abschnitts 3. Der Abstand zwischen nebeneinanderliegenden Halteabschnitten 4 reicht gerade aus, um ihre Bewegung relativ zueinander zu ermöglichen.

4 ist eine Draufsicht auf die Struktur der Halteabschnitte 4. Die distalen Teile 7 der vier Halteabschnitte 4 können durch flexible Brücken (nicht gezeigt) miteinander verbunden sein, welche einerseits immer noch eine getrennte Bewegung der proximalen Teile 8 der Halteabschnitte 4 relativ zueinander entlang der Längsachse ermöglichen und andererseits das Anbringen der Halteabschnitte 4 am piezoelektrischen Aktor 5 während der Herstellung erleichtern. Der proximale Teil 8 jedes Halteabschnittes 4 weist eine Kreuzform auf, wobei das obere Ende 10 über den piezoelektrischen Aktor 5 hinaussteht. Das obere Ende 10 ermöglicht das Einführen der Last 1 in das Antriebselement. Dafür greift ein Anhebemechanismus (nicht gezeigt) unter das obere Ende 10 und hebt es hoch, um ein Einführen der Last 1 zwischen die Kontaktelemente 6 und die Halteabschnitte 4 zu ermöglichen. Die Querelemente 11 der proximalen Teile 8 dienen als Leitflügel, welche verhindern, dass die Last 1 aufgrund der Andrückkräfte, die in einer Schrägrichtung auf die Last 1 wirken (vgl. 5), in Querrichtung vom piezoelektrischen Aktor 5 heruntergeschoben wird. Dafür sind die Flügel des Querelements 11 leicht zum piezoelektrischen Aktor 5 hin geneigt, wobei ihre der Last 1 gegenüberstehenden Kanten an diese anliegen.

In dieser Ausführungsform ist jeder Halteabschnitt 4 in der Form einer Blattfeder mit einem in ihr Körpermaterial eingestanzten V-förmigen Ausschnitt 9 aufgebaut. Der Ausschnitt 9 vergrößert die Elastizität der Blattfeder in Aufwärtsrichtung. Die Elastizität wird durch Variieren des Verhältnisses des Abstands zwischen den zwei Schenkeln der V-Form in der Nähe ihrer Enden relativ zur Breite der Halteabschnitte 4 eingestellt. Die Steifigkeit in Längsrichtung wird durch Minimieren der Weite des Ausschnitts 9 maximiert. Eine solche maximale Steifigkeit ist erwünscht, um ein Gleiten des einen Halteabschnitts 4 über die Last 1 zu ermöglichen, anstatt eine Beugung in Längsrichtung zu erhalten und seine Rückstellkraft zu vergrößern. Das Gleiten ist für das Bewegen der Last 1 in Längsrichtung wesentlich. Alle Halteabschnitte 4 können aus einer einheitlichen Platte eines elektrisch isolierenden oder nicht-isolierenden Materials, beispielsweise Metall, geschnitten werden.

5 ist eine Schnittansicht der in 4 gezeigten Ausführungsform. Sie veranschaulicht die Andrückkraft des Halteabschnitts 4, welche die Last 1 auf das entsprechende Kontaktelement 6 preßt. Der distale Teil 7 des Halteabschnitts 4 ist an einem Teil der Oberfläche des Kontaktelements 6 befestigt, welches wiederum mit seiner gesamten unteren Fläche an der gesamten oberen Fläche des passiven Abschnitts 3 des piezoelektrischen Aktors 5 angebracht ist. Der distale Teil 7 des Halteabschnitts 4 erstreckt sich vom distalen Ende des Halteabschnitts 4 bis zu den Enden seines V-förmigen Ausschnitts 9. Wie aus 5 ersichtlich, ist die auf die Last 1 ausgeübte Andrückkraft nicht senkrecht auf den piezoelektrischen Aktor 5, weil der Durchmesser d der Last 1 größer als Null ist und dadurch die Blattfeder in eine nicht-ebene Form gebeugt wird. Daher sind die Leitflügel 11, wie in 4 gezeigt, notwendig, um ein Verschieben der Last 1 nach rechts zu vermeiden. Die Blattfeder ist über eine Länge 1 gebeugt, welche sich von den Enden des V-förmigen Ausschnitts 9 bis zur Position der Last 1 erstreckt.

Aufgrund der Rückstellkraft der Blattfeder, die proportional zur Durchbiegung der Blattfeder ist, erhöht sich die auf die Last 1 wirkende Normalkraft N, wenn sich der Durchmesser d der Last 1 erhöht. Dies ist vorteilhaft, weil die auf die Last ausgeübte Normalkraft umso höher sein muß, um die Last in ihrer Position zu halten, je größer der Lastdurchmesser ist.

6 ist eine Draufsicht auf den piezoelektrischen Aktor 5, in der die Haltemittel 4 für eine bessere Darstellung der Struktur des Aktors 5 weggelassen wurden. Die Kontaktelemente 6 sind T-förmige Plättchen, deren obere Teile 12 in der Größe so ausgelegt sind, daß sie stabil mit dem distalen Teil 7 eines Halteabschnitts 4 verbunden werden können. Die unteren Flächen der T-förmigen Kontaktelemente 6 sind an nicht durch Elektroden bedeckten Teilen der oberen Fläche des piezoelektrischen Aktors 5 befestigt. Elektroden sind an Teilen der oberen Fläche ausgebildet, die zwischen den zuvor erwähnten unbedeckten Teilen liegen. Der piezoelektrische Aktor 5 ist aus einer einzelnen piezoelektrischen Platte hergestellt, an deren beiden Oberflächen die Elektroden in einer weise bereitgestellt sind, daß sie die passiven und aktiven Abschnitte 3 und 2 ausbilden. Die Platte ist in regelmäßigen Intervallen parallel zur Längsachse durchgeschnitten, um den piezoelektrischen Aktor 5 in vier Unteraktoren 5a–d zu teilen. Diese Einschnitte 13 verringern die Beugung des piezoelektrischen Aktors 5 aus der Ebene heraus aufgrund seiner unerwünschten, aber unvermeidbaren Ausdehnung und Zusammenziehung in Querrichtung, die seine Bewegungen in Längsrichtung begleitet. In anderen Ausführungsformen der Erfindung ist die Platte in unregelmäßigen Abständen durchgeschnitten, wodurch der piezoelektrische Aktor 5 in Unteraktoren 5a–d variierender Breite geteilt wird.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist der piezoelektrische Aktor 5 aus mehreren piezoelektrischen Platten anstatt aus einer einzelnen hergestellt.

7 zeigt ein Feinpositionierungsgerät, wie es in der EP 1 113 191 beschrieben ist, das in einer Funkenerosionsmaschine (EDM) verwendet werden könnte, um eine längliche Elektrode in X-/Y- und Z-Richtung über einem zu bearbeitenden Werkstück zu positionieren. Die Elektrode wird durch ein erfindungsgemäßes Antriebselement vorwärts geführt. Die Transmissionseinheit ist zum präzisen Bearbeiten kleiner Werkstücke ausgelegt. Ein erfindungsgemäßes Antriebselement ist zum Beispiel in der Lage, eine Elektrode mit einem Durchmesser von 50 bis 2000 Mikrometern mit einer typischen Zuführgeschwindigkeit von 1 mm/s zu befördern und eine Haltekraft von ungefähr 0,5 N aufzubauen, wobei es eine Gesamtgröße von 40 × 10 × 10 mm aufweist.


Anspruch[de]
Piezoelektrisches Antriebselement zum Bewegen einer Last (1) entlang einer Längsachse, umfassend:

einen auf einer Seite von und in Kontakt mit der Last (1) angeordneten piezoelektrischen Aktor (5), umfassend eine Vielzahl individuell aktivierbarer aktiver Abschnitte (2) und eine Vielzahl passiver Abschnitte (3), die für eine mit den aktiven Abschnitten (2) synchrone Bewegung mit diesen verbunden sind;

wobei das System außerdem umfaßt:

eine Vielzahl von Halteabschnitten (4), die jeweils mit einem der passiven Abschnitte (3) verbunden sind, um eine synchrone Bewegung mit diesen zu erreichen, und die so angeordnet sind, daß sie die Last (1) unabhängig voneinander halten und sich getrennt voneinander entlang der Längsachse bewegen können, wobei jeder passive Abschnitt (3) ein Kontaktelement (6) zum Kontaktieren der Last (1) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Halteabschnitt (4) gegenüber dem Kontaktelement (6) angeordnet ist, so daß die Last (1) zwischen ihnen verläuft.
Antriebselement nach Anspruch 1, bei dem die Halteabschnitte (4) ausschließlich aus passiven Elementen zum Ausüben einer Haltekraft auf die Last (1) bestehen. Antriebselement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Halteabschnitte (4) Federn umfassen. Antriebselement nach Anspruch 3, bei dem die Federn Blattfedern sind. Antriebselement nach Anspruch 4, bei dem die Blattfedern einen V-förmigen Ausschnitt (9) umfassen. Antriebselement nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, bei dem die Feder so ausgebildet ist, daß die von der Feder auf die Last (1) ausgeübte Normalkraft sich erhöht, wenn sich der Durchmesser der Last (1) erhöht. Antriebselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Halteabschnitte (4) Anhebemittel (10) zum Anheben der Halteabschnitte (4) von der Last (1) umfassen. Antriebselement nach einem vorangehenden Ansprüche, bei dem die Halteabschnitte (4) Führungsflügel (6) zum Verhindern einer zur Längsachse senkrechten Verschiebung der Last (1) umfassen. Antriebselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der piezoelektrische Aktor (5) aus einem piezoelektrischen Material hergestellt ist, das derartig mit Elektroden versehen ist, daß sich die aktiven und passiven Abschnitte (2, 3) aufeinanderfolgend entlang der Längsachse bilden. Antriebselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die aktiven Abschnitte (2) nach dem Längseffekt arbeiten, wobei sich der Längseffekt parallel zur Längsachse ausdehnt. Antriebselement nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der piezoelektrische Aktor (5) parallel zur Längsachse in mehrere Unteraktoren aufgeteilt ist. Antriebselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, das einen Träger umfaßt, wobei der piezoelektrische Aktor (5) ein erstes und ein zweites Ende in Längsrichtung der Last (1) umfaßt, die jeweils am Träger befestigt sind. Antriebsverfahren zum Bewegen einer Last (1) entlang einer Längsachse, umfassend die folgenden Schritte:

unabhängiges Aktivieren einer Vielzahl von aktiven Abschnitten (2) eines piezoelektrischen Aktors (5), der auf einer Seite von und in Kontakt mit der Last (1) angeordnet ist und außerdem eine Vielzahl von passiven Abschnitten (3) umfaßt, die für eine mit den aktiven Abschnitten (2) synchrone Bewegung mit diesen verbunden sind;

Kontaktieren der Last (1) mit Kontaktelementen (6), wobei jeder passive Abschnitt ein Kontaktelement (6) umfaßt;

und das außerdem die folgenden Schritte umfaßt:

unabhängiges Halten der Last (1) mit einer Vielzahl von Halteabschnitten (4), die jeweils mit einem der passiven Abschnitte (3) verbunden sind, um eine mit diesen synchrone Bewegung zu erreichen, und die so angeordnet sind, daß sie sich getrennt voneinander entlang der Längsachse bewegen können, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteabschnitte (4) gegenüber den Kontaktelementen (6) derart angeordnet sind, daß die Last (1) zwischen ihnen verläuft.
Antriebsverfahren nach Anspruch 13, bei dem die aktiven Abschnitte (2) derart angetrieben werden, daß sich die Last (1) schrittweise bewegt, wobei ein Schritt einen Vorwärtsschritt und mehrere Rückwärtsschritte umfaßt, wobei der Vorwärtsschritt größer als die mehrere Rückwärtsschritte zusammen ist. Antriebsverfahren nach Anspruch 14, wobei die Anzahl der in einem Schritt ausgeführten Rückwärtsschritte der Anzahl der aktiven Abschnitte (2) minus Eins entspricht.






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