• 专利附录
  • 专利说明
  • 权利要求
  • 类似技术
  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    DieErfindung betrifft eine miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtungmit mindestens zwei Piezoaktuatoren sowie kraftübertragenden Hebelelementenund Festkörper-Biegegelenkenals insgesamt flache, tischförmigeBaugruppe zur Mikropositionierung und Bewegungsssteuerung von optischen,mechanischen oder sonstigen Einheiten.Erfindungsgemäß ist innerhalbeines Trägerrahmenseine im wesentlichen rechteckige oder quadratische Platte zur Aufnahmeoder Befestigung der zu positionierenden oder zu bewegenden Einheitenvorgesehen, wobei die Platte gegenüber dem Trägerrahmen mittels der Festkörper-Biegegelenkegeführtist und die Festkörper-Biegegelenkesich jeweils im Platteneckbereich zum Trägerrahmen erstrecken. Weiterhinist in zwei orthogonal zueinander liegenden Achsen im Bereich zwischenTrägerrahmenund Platte jeweils mindestens ein Piezoaktor angeordnet, wobei diese Piezoaktuatorenbewegungsseitig an den jeweils benachbarten, hebelartig ausgebildetenFestkörper-Biegegelenkenangreifen. Das im Schnittpunkt der orthogonal zueinander liegendenAchsen befindliche Gelenk ist als Doppelgelenk zur Entkopplung derPiezoaktoren ausgebildet und das dem Doppelgelenk diagonal gegenüberliegendeGelenk wird als ein Kompensationsgelenk zur Reduzierung der Verkippungder Platte ausgeführt.
    公开号:DE102004011724A1
    申请号:DE200410011724
    申请日:2004-03-10
    公开日:2005-09-08
    发明作者:Stephan Günter；Klaus Pollak
    申请人:Physik Instrumente (PI) GmbH and Co KG；
    IPC主号:H01L41-09
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft eine miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtungmit mindestens zwei Piezoaktuatoren sowie kraftübertragenden Hebelelementenund Festkörper-Biegegelenken alsinsgesamt flache, tischförmigeBaugruppe zur Mikropositionierung und Bewegungssteuerung von optischen,mechanischen oder sonstigen Einheiten, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs1.
    [0002] PiezoaktiveBetätigungseinrichtungenmit hoher Steifigkeit, die eine erste Baugruppe beinhalten, dieaus einem mechanischen Bewegungsverstärker besteht, und welche einezweite Baugruppe aufweisen, die lineare piezoaktive Elemente enthält, sindbeispielsweise aus der DE196 43 180 A1 vorbekannt.
    [0003] Beieiner derartigen Vorrichtung zur Bewegungsverstärkung ist ein System von Gelenkenund Hebelarmen vorgesehen, wobei sich die gewünschte Verstärkung derBewegung dadurch ergibt, dass ein piezoelektrisches Teil auf dieHebelarme einwirkt. Die Gelenke bilden elastische Drehpunkte, diemittels lokaler verdünnterStellen in einer Struktur hergestellt werden, so dass sich eineBiegeelastizitäteinstellt. Probleme derartiger Vorrichtungen liegen in der geringenmechanischen Steifigkeit infolge des auf die Gelenke zurückzuführendenElastizitätseffekts.Die von einem solchen System erzeugten Kräfte sind gering und schränken dieEffektivitätund Wirksamkeit der Betätigungseinrichtungein.
    [0004] Einweiteres Problem bei bekannten Betätigungseinrichtungen ist dienotwendige Beseitigung des Spiels. Eine bekannte Lösung zurBeseitigung des Spiels besteht in Justierteilen aus metallischen Materialien,die nach Einstellung eine starre mechanische Verbindung mit denpiezoaktiven Elementen bilden, und zwar in Form einer Druckausübung entlangder Querachse. Gemäß DE 196 43 180 A1 besitztdas dortige Justierteil zur Beseitigung des longitudinalen Spielseine Schräge,die entlang einer gegenüberder Längsachsedes mechanischen Verstärkersschiefen Ebene gleitend beweglich ist.
    [0005] Beidem piezoaktiven Motor mit unabhängigenStatormodulen nach EP0 910 871 B1 ist eine Feinpositionierung möglich, wobeihierfürjedes Statormodul ein Paar von piezoaktiven Betätigungsvorrichtungen umfasst,die kolinear angeordnet und elektrisch erregt sind, um eine Verformungzu erzeugen, die zu kleinen Längsbewegungenführt.Außerdemist ein mechanisches Kupplungselement vorhanden, an das die Bewegungender vorgesehenen zwei Betätigungsvorrichtungen übertragbarist, wobei das genannte Kupplungselement aus einem elastisch verformbarenMaterial hergestellt ist und aus einem als eine Schale ausgestaltetenRing besteht, der jedes Paar von Betätigungsvorrichtungen durchBefestigung an zwei gegenüberliegendenStellen umgibt.
    [0006] Eshat sich jedoch gezeigt, dass bei den vorstehend erläutertenLösungendes Standes der Technik eine Miniaturisierung nicht ohne weiteresmöglich istund eine gewünschtehohe Bewegungsdynamik nicht erreicht werden kann.
    [0007] Esist daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte miniaturisierteZweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtungmit mindestens zwei Piezoaktuatoren sowie kraftübertragenden Hebelelementen undFestkörper-Biegegelenkenanzugeben, welche mit geringem Fertigungsaufwand realisierbar istund die die gewünschtenSteifigkeiten bei ausreichender Bewegungsdynamik gewährleistet.Die zu schaffende Piezo-Betätigungseinrichtungsoll so ausgeführt werden,dass die eigentlichen Piezoaktuatoren in die Einrichtung integrierbarsind und wobei mit einer minimalen Anzahl von Aktuatoren in reproduzierbarer WeiseBewegungen in unterschiedlichen Achsenrichtungen erzeugt werdenkönnen.
    [0008] DieLösungder Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtungmit mindestens zwei Piezoaktuatoren sowie kraftübertragenden Hebelelementenund Festkörper-Biegegelenkenals insgesamt flache, tischförmigeBaugruppe gemäß den Merkmalendes Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungenund Weiterbildungen beinhalten.
    [0009] Demnachwird erfindungsgemäß zunächst davonausgegangen, einen Trägerrahmenzu bilden, innerhalb dessen eine im wesentlichen rechteckige oderquadratische Platte zur Aufnahme oder Befestigung der zu positionierendenoder zu bewegenden Einheiten vorgesehen ist.
    [0010] DiePlatte wird gegenüberdem Trägerrahmenmittels spezieller Festkörper-Biegegelenke geführt bzw.gelagert. Die Festkörper-Biegegelenkeerstrecken sich bevorzugt jeweils vom Platteneckbereich zum jeweiligenEckbereich im Inneren des Trägerrahmens.
    [0011] Inzwei orthogonal zueinander liegenden Achsen im Bereich zwischenTrägerrahmenund Platte oder aber auch im Rahmen eingebettet ist jeweils mindestesein Piezoaktor angeordnet, wobei diese Piezoaktuatoren bewegungsseitigan den jeweils benachbarten, hebelartig ausgebildeten Festkörper-Biegegelenkenangreifen.
    [0012] ImSchnittpunkt der orthogonal zueinander liegenden Achsen ist einspezielles Doppelgelenk zur Entkopplung der Piezoaktoren bzw. derBewegung ausgebildet. Das dem Doppelgelenk diagonal gegenüberliegendeGelenk ist wiederum als Kompensationsgelenk zur Reduzierung derVerkippung der Platte bei deren Bewegung ausgeführt.
    [0013] Durchdie spezielle Integration von Führungenund Hebeln ergibt sich insgesamt eine kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen Einrichtung.Dadurch, dass keine definierten, statischen Gelenkpunkte, sondernFestkörper-Biegegelenkevorgesehen sind, ergeben sich die mit der Aufgaben stellung angestrebtenVorteile. Eine Kinematik mit idealen Gelenken wäre zu unbestimmt und erfordertenachteiligerweise zusätzlichediskrete Führungselemente. DieHebelübersetzungist durch verschiedene, leicht zu variierende Ausführungsformender Festkörper-Biegegelenkeveränderbar.
    [0014] Dieeine Hebelfunktion aufweisenden Festkörper-Biegegelenke weisen eineim wesentlichen V-Form auf, wobei ein Schenkel des jeweiligen Gelenksmit der Platte und der weitere Schenkel des jeweiligen Gelenks mitdem Trägerrahmenverbunden ist. Im Schenkelschnittpunkt greift dann der jeweilige Piezoaktor,z.B. ein Stapelaktor an.
    [0015] DasvorerwähnteDoppelgelenk zur Entkopplung ist als ein am Schenkel gespiegeltes,symmetrisches V-förmigesGelenk ausgeführtund weist genügendBewegungsspielraum beim Aktivieren der jeweiligen Piezoaktoren auf.
    [0016] DasKompensationsgelenk besteht aus einem offenen kreuzförmigen Gelenk,dessen sich kreuzende Achsen im wesentlichen parallel bzw. entlangder rechteckigen oder quadratischen Platte verlaufen. Im Kreuzungsschnittpunktdes Kompensationsgelenks ist einerseits eine Verbindung mit dem Trägerrahmenund andererseits eine Verbindung mit der Platte vorgesehen. Beieiner Bewegung der Platte erzeugt das Kreuzungsgelenk eine Rückstellkraft, diezu einer Stabilisierung der Bewegung der Platte führt, undzwar auch dann, wenn z.B. ein einzelner Aktor eine Dehnungsbewegungausführt,mit der Folge der sich dann ergebenden Längsverschiebung der Platteinnerhalb des offenen Bereichs des Trägerrahmens.
    [0017] DieSchenkel der V-förmigenGelenke erstrecken sich mindestens teilweise in eine jeweilige Aussparungvon Trägerrahmenund Platte, so dass sich durch diese Maßnahme eine weitere Verkleinerung derGesamtanordnung erreichen lässt.
    [0018] ZwischenTrägerrahmenund Platte ist je nach gewünschtemBewegungsmaß einBewegungsspalt vorgesehen.
    [0019] BeiAuslenkung einer der Piezoaktoren führt die im Trägerrahmenbefindliche Platte eine Bewegung jeweils in x- oder y-Richtung;bei Auslenkung beider Aktoren führtdie Platte eine Bewegung in x-y- oder y-x-Richtung bzw. in resultierenderdiagonaler Richtung aus.
    [0020] Erfindungsgemäß kann dieGesamtanordnung aus Trägerrahmen,Platte und Gelenken einstückigausgeführtund beispielsweise mittels Erodiertechnik oder Lasertrennen hergestelltwerden.
    [0021] DieExaktheit bei der Herstellung der Gelenke bestimmt das rotatorische Übersprechenum die Z-Achse bei Auslenkung in X- oder Y-Richtung. Es wurde nachgewiesen,dass in überraschenderWeise unter Nutzung eines aktiven Abgleichsprozesses das Übersprechendeutlich reduzierbar ist. Der Abgleichsprozess selbst stellt sichals definiertes Abtragen der Gelenkdicken mittels z.B. Fräsen dar.Bei einem nicht abgeglichenen Gelenk stellt sich eine unerwünschte Rotationum Z bei Ansteuerung in X- und/oder Y-Richtung von ca. 60 μrad ein.Im abgeglichenen Zustand beträgtdie Rotation um Z bei Ansteuerung in X- und/oder Y-Richtung < 10 μrad.
    [0022] DieErfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unterZuhilfenahme von Figuren nähererläutertwerden.
    [0023] Hierbeizeigen:
    [0024] 1 eineDraufsicht-Prinzipdarstellung der miniaturisierten Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtungund
    [0025] 2 verschiedeneDarstellungen der Wirkung der Festkörper-Biegegelenke bzw. desKompensationsgelenks beim Ausführenvon Bewegungen unter Rückgriffauf die jeweiligen Piezoaktuatoren.
    [0026] Dieerfindungsgemäße miniaturisierteZweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtungbesteht aus einem Trägerrahmen 1,z.B. aus einem metallischen Material.
    [0027] Innerhalbdes Trägerrahmens 1 isteine Platte 2 befindlich, welche geeignet ist, z.B. einenSpiegel, Linsen, Fasern im Bereich der Optik, einen Positionierkopfals CD-ROM-Leseeinrichtung oder dergleichen aufzunehmen.
    [0028] Wieersichtlich, ist die Platte 2 gegenüber dem Trägerrahmen 1 mittelsspezieller Festkörper-Biegegelenkegeführtund gelagert.
    [0029] DieseFestkörper-Biegegelenke 3 bis 6 erstreckensich jeweils vom Platteneckbereich zum Trägerrahmen 1, und zwarhier zum jeweils gegenüberliegendeninneren Eckbereich des vorerwähnten Trägerrahmens 1.
    [0030] Inzwei orthogonal zueinander liegenden Achsen ist im Bereich des Trägerrahmens 1 bzw.im Bereich zwischen Trägerrahmen 1 undPlatte 2 jeweils mindestens ein Piezoaktor 8 integriert.Diese Piezoaktuatoren 8 greifen bewegungsseitig an den jeweilsbenachbarten, hebelartig ausgebildeten Festkörper-Biegegelenken 3 und 4 bzw. 5 und 6 an.
    [0031] Dasim Schnittpunkt der orthogonal zueinander liegenden Achsen befindlicheGelenk 4/5 ist als Doppelgelenk zur Entkopplungder Piezoaktoren 8 ausgebildet.
    [0032] Dasdem Doppelgelenk 4/5 diagonal gegenüberliegendeFestkörpergelenkist ein Kompensationsgelenk 7 zur Reduzierung der Verkippungder Platte 2.
    [0033] Dieeine Hebelfunktion aufweisenden Festkörper-Biegegelenke 3, 4, 5, 6 besitzenbevorzugt eine V-Form, wobei ein erster Schenkel 9 mitder Platte 2 und ein zweiter Schenkel 10 mit demTrägerrahmen 1 verbundenist.
    [0034] ImSchenkelschnittpunkt 11 greift der jeweilige Piezoaktor 8 an.
    [0035] DasDoppelgelenk 4/5 ist als ein an den jeweiligenSchenkeln 9 und 10 gespiegeltes, symmetrisches,V-förmigesweiteres Gelenk ausgeführt.
    [0036] DasKompensationsgelenk 7 stellt ein offenes Kreuzgelenk dar,welches im Kreuzungsschnittpunkt einerseits (Bezugszeichen 12)mit dem Trägerrahmen 1 undandererseits (Bezugszeichen 13) mit der Platte 2 verbundenist.
    [0037] DieSchenkel 9 bzw. 10 der V-förmigen Gelenke 3, 4, 5 und 6 erstreckensich mindestens teilweise in Aussparungen 14 entweder innerhalbder Platte 2 bzw. des Trägerrahmens 1.
    [0038] ZwischenTrägerrahmen 1 undPlatte 2 ist ein Bewegungsspalt 15 entsprechendder gewünschen Verstellbarkeitder Platte, die, wie bereits erwähnt,als Aufnahmetisch fürz.B. optische Elemente dient, vorgesehen.
    [0039] 2 zeigtnunmehr einerseits im oberen Bildteil eine Darstellung, wie sichdie Bewegung der Platte 2 beim Aktivieren beider Piezoaktoren 8 ergibt, undzwar in diesem Fall als Bewegung in x-y-Richtung. Hier ist im einzelnenerkennbar, wie sich die Wirkung und Bewegung der Festkörper-Biegegelenke 3, 4, 5 und 6 darstelltund welchen Verformungen das Kompensationsgelenk 7 unterliegt.
    [0040] Beider Darstellung im unteren Teil gemäß 2 erfolgtein Aktivieren des unteren, im Bild horizontal verlaufenden Piezoaktors 8 mitder Folge einer y-Verschiebung der Platte 2. Auch hierist die stabilisierende Wirkung des Kompensationsgelenks und dieDoppelfunktion der Festkörper-Biegegelenkehinsichtlich Führungund Hebelübersetzungerkennbar.
    1 Trägerrahmen 2 Platte 3bis 6 Festkörper-Biegegelenke 7 Kompensationsgelenk 8 Piezoaktuator 9 ersterSchenkel 10 zweiterSchenkel 11 Schenkelschnittpunkt 12;13 Verbindungspunktedes Kompensationsgelenks 14 Aussparung 15 Bewegungsspalt
    权利要求:
    Claims (9)
    [1] Miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtungmit mindestens zwei Piezoaktuatoren sowie kraftübertragenden Hebelelementenund Festkörper-Biegegelenkenals insgesamt flache, tischförmigeBaugruppe zur Mikropositionierung und Bewegungssteuerung von optischen,mechanischen oder sonstigen Einheiten, dadurch gekennzeichnet,dass innerhalb eines Trägerrahmenseine im wesentlichen rechteckige oder quadratische Platte zur Aufnahme oderBefestigung der zu positionierenden oder zu bewegenden Einheitenvorgesehen ist, wobei die Platte gegenüber dem Trägerrahmen mittels der Festkörper-Biegegelenkegeführtist und die FestkörperBiegegelenke sich jeweils vom Platteneckbereich zum Trägerrahmenerstrecken, weiterhin in zwei orthogonal zueinander liegenden Achsenim Bereich zwischen Trägerrahmenund Platte jeweils mindestens ein Piezoaktor angeordnet ist, wobeidiese bewegungsseitig an den jeweils benachbarten, hebelartig ausgebildetenFestkörper-Biegegelenkenangreifen, das im Schnittpunkt der orthogonal zueinander liegendenAchsen befindliche Gelenk als Doppelgelenk zur Entkopplung der Piezoaktoren ausgebildetund das dem Doppelgelenk diagonal gegenüberliegende Gelenk als einKompensationsgelenk zur Reduzierung der Verkippung der Platte ausgeführt ist.
    [2] Miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtungnach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Hebelfunktionaufweisenden Festkörper-Biegegelenkeeine V-Form besitzen, wobei ein Schenkel mit der Platte und derweitere Schenkel mit dem Trägerrahmenverbunden ist sowie im Schenkelschnittpunkt der jeweilige Piezoaktorangreift.
    [3] Miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtungnach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Doppelgelenkals ein im Schenkel gespiegeltes, symmetrisches V-förmiges Gelenkausgeführtist.
    [4] Miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtungnach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass das Kompensationsgelenk ein offenes Kreuzgelenk ist, welchesim Kreuzungsschnittpunkt einerseits mit dem Trägerrahmen und andererseitsmit der Platte verbunden ist.
    [5] Miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtungnach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel der V-förmigen Gelenke sichmindestens teilweise in eine jeweiligen Aussparung von Trägerrahmenund Platte erstrecken.
    [6] Miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtungnach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass zwischen Trägerrahmenund Platte ein Bewegungsspalt vorgesehen ist.
    [7] Miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtungnach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass bei Auslenkung einer der Piezoaktuatoren die Platte eine Bewegungjeweils in x- oder y-Richtung und bei Auslenkung beider Aktuatorendie Platte eine Bewegung in x-y- oder y-x-Richtung ausführt.
    [8] Miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtungnach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass die Festkörper-Biegelenkeeine hohe Biegesteifigkeit aufweisen.
    [9] Miniaturisierte Zweiachsen-Piezo-Betätigungseinrichtungnach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass die Gesamtanordnung aus Trägerrahmen,Platte und Gelenken einstückigdurch beispielsweise Erodiertechnik oder Lasertrennen ausgebildetist.
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    法律状态:
    2005-09-08| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2007-02-08| 8364| No opposition during term of opposition|
    2019-10-01| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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