DE19715226A1

DE19715226A1 - Precision micro=positioning method using piezoelectric setting elements

Info

Publication number: DE19715226A1
Application number: DE1997115226
Authority: DE
Inventors: Volker Dr Herold; Steffen Dipl Ing Eckner
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 1997-04-11
Filing date: 1997-04-11
Publication date: 1998-10-15

Abstract

The method involves providing translatory or rotational movement of the object being positioned using piezoelectric setting elements (6). During a first stage, the piezoelectric setting elements are used to raise the object (4) from a rest position, in which the object is guided during a rest phase of the movement, to a movement positions. In a second stage, the object is freely moved in the required direction using the setting elements. In a third stage the object is returned to its rest position. In a fourth stage, the positioning elements are retracted, during the guiding of the object into the rest position.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur hochgenauen Mikropositionierung, mit welcher Objekte translatorisch und/oder rotatorisch bewegt sowie hochaufgelöst positioniert werden sollen. Eine Anwendung ist insbesondere auch in den Fällen gegeben, bei denen die Objekte über größere Distanzen bewegt und dennoch hochgenau und reproduzierbar im Nanometer-Bereich positioniert werden müssen.The invention relates to a method and a device for high-precision Micropositioning with which objects are translational and / or rotational moved and positioned in high resolution. One application is especially given in cases where the objects are larger Distances moved and yet highly precise and reproducible in Nanometer range must be positioned.

Spezielle Anwendungsgebiete der Erfindung ergeben sich in der Mikroprofilometrie, bei der Positionierung von Mikroskopieproben, bei der Justierung von optischen Komponenten, in der Mikrobearbeitung/ Strukturierung, in der Mikrofügetechnik, bei der Mikropositionierung von Sonden sowie bei der Manipulation in der Biologie bzw. Medizin.Special areas of application of the invention arise in the Microprofilometry, in the positioning of microscopy samples, in the Adjustment of optical components, in micromachining / Structuring, in micro joining technology, in the micro positioning of Probes as well as manipulation in biology or medicine.

Es ist allgemein bekannt, daß sich reproduzierbare translatorische Stellbewegungen im Nanometerbereich mit piezoelektrischen und magnetostriktiven Stellern bewirken lassen. Deren Verhalten ist allerdings von Hysterese, Drift, Temperaturabhängigkeit und Alterung geprägt. Ihr Stellbereich ist bauformbedingt meist nicht größer als 200 µm. Durch Hebel- oder hydraulische Wegübersetzungen sind Stellwege bis zu ca. 1 mm möglich. Allerdings werden auch die genannten unerwünschten Eigenschaften entsprechend übersetzt. Ebenso sinkt in gleichem Verhältnis die erzielbare Wegauflösung und in zumeist quadratischer Abhängigkeit die Resonanzfrequenz (S. Brand, T. Laux: "Einsatzmöglichkeiten und -bereiche von piezokeramischen Aktoren", VDI/VDE-Technologiestudie). It is well known that reproducible translational Adjustment movements in the nanometer range with piezoelectric and let magnetostrictive actuators. However, their behavior is characterized by hysteresis, drift, temperature dependence and aging. your Due to the design, the setting range is usually not larger than 200 µm. By lever or hydraulic travel ratios are travel ranges up to approx. 1 mm possible. However, those mentioned are also undesirable Properties translated accordingly. Likewise decreases in the same ratio the achievable path resolution and, depending on the square, the Resonance frequency (S. Brand, T. Laux: "Possible uses and areas of piezoceramic actuators ", VDI / VDE technology study).

Eine Alternative stellen Piezomotoren nach dem sogenannten Inch-worm-Prinzip dar. (Jendritza, D.J.: Technischer Einsatz neuer Aktoren; Expert- Verlag, Renningen-Malmsheim, 1995, S. 235). Hier wird durch Aneinander reihung mehrerer kleiner Stellbewegungen (Schritte) ein nahezu beliebig großer Stellweg erreicht, bei einer für Piezosteller typischen Auflösung im Nanometerbereich. Der Bewegungsablauf ist unstetig. Nachteilig wirkt sich das funktionsbedingte Führungsspiel auf die erreichbare Genauigkeit aus, so daß die Ablaufgenauigkeit der Bewegung nicht kleiner als einige Mikrometer wird.Piezo motors based on the so-called inch-worm principle represent an alternative (Jendritza, D.J .: Technical use of new actuators; expert Verlag, Renningen-Malmsheim, 1995, p. 235). Here is through each other Sequence of several small positioning movements (steps) almost any long travel range achieved with a resolution typical for piezo actuators in the Nanometer range. The sequence of movements is inconsistent. It has a disadvantageous effect the function-related leadership game on the achievable accuracy, so that the running accuracy of the movement is not less than a few micrometers becomes.

Im EP 0 518 262 A2 wird ein Linearaktuator beschrieben, bei dem ein Bolzen durch zwei sich gegenüberliegende Stapel von Piezoaktuatoren geklemmt und in Längsrichtung des Bolzens verschoben wird. Die Piezoaktuatorenstapel bestehen jeweils aus Elementen, die sich in Querrichtung des Bolzens ausdehnen können und aus Elementen, die eine Scherbewegung und somit Längsverschiebung des Bolzens bewirken. Jeder Aktuatorstapel besteht aus mindestens zwei Teilen, die sich unabhängig voneinander ansteuern lassen. Während die eine Stapelhälfte den Bolzen klemmt, ist die zweite Hälfte nicht in Kontakt mit dem Bolzen und dehnt sich in die entgegengesetzte Richtung längs zum Bolzen, um dann den Bolzen zu klemmen und somit seine Lage zu fixieren. Dieser Vorgang wiederholt sich mit jeweils entgegengesetzten Aktivitäten der Stapelhälften und bewirkt somit eine Bewegung des Bolzens um ein Vielfaches des Stellbereichs der Aktuatorstapel. Nach diesem Prinzip arbeiten auch die genannten Inch-worm-Antriebe. Im EP 0 518 262 A2 wird jedoch die Bewegung des Bolzens dazu genutzt, um mit einer oder mehren derartigen Vorrichtungen ein zu positionierendes Element in gleicher Art und Weise zu klemmen und zu bewegen. Die Vorteile dieser Anordnung liegen in den großen möglichen Klemm- und Haltekräften, dem reibungsfreien Bewegungsablauf und der geringen erforderlichen Maßtoleranz des zu positionierenden Objektes. Jedoch ist der Aufwand, mittels eines oder mehrerer Inch-worm-Antriebe das zu positionierende Objekt schrittweise zu bewegen, nur gerechtfertigt, wenn, wie bereits erwähnt, große Klemm- und Haltekräfte erforderlich sind oder das zu positionierende Objekt große Maßtoleranzen aufweist. Ebenfalls ist die stets eindimensionale Bewegung des Objektes nachteilig.EP 0 518 262 A2 describes a linear actuator in which a Bolts through two opposing stacks of piezo actuators clamped and moved in the longitudinal direction of the bolt. The Piezo actuator stacks each consist of elements that are in Can extend transverse direction of the bolt and from elements that a Shear movement and thus longitudinal displacement of the pin. Everyone Actuator stack consists of at least two parts that are independent control each other. During the one half of the stack the bolt is stuck, the second half is not in contact with the bolt and expands in the opposite direction longitudinally to the bolt and then to the bolt clamp and thus fix its position. This process is repeated with opposite activities of the stack halves and effects thus a movement of the bolt by a multiple of the adjustment range Actuator stack. The aforementioned also work according to this principle Inch worm drives. In EP 0 518 262 A2, however, the movement of the bolt used to with one or more such devices to position and clamp the positioning element in the same way move. The advantages of this arrangement are the large possible ones Clamping and holding forces, the smooth movement and the low required dimensional tolerance of the object to be positioned. However, the effort with one or more inch worm drives is that to move the object to be positioned gradually, justified only if, as already mentioned, large clamping and holding forces are required or that object to be positioned has large dimensional tolerances. Is also the one-dimensional movement of the object always disadvantageous.

Darüber hinaus sind Positionierverfahren bekannt, bei denen unter Ausnutzung der Massenträgheit und der Reibung kleinste Bewegungs inkremente zu großen Stellwegen aneinandergereiht werden. Da aber die Größe des Inkrements von den Reibungsverhältnissen an der momentanen Position der Positionierelemente abhängt, sind die Stellschritte nicht definiert und nicht reproduzierbar. Außerdem verschleißen die Führungsbahnen, so daß sich eine begrenzte Lebensdauer ergibt (JP 4-221792).In addition, positioning methods are known in which under Utilization of the inertia and the friction of the smallest movement increments to be arranged in large travel ranges. But there Size of the increment from the frictional relationships at the current Position of the positioning elements depends, the setting steps are not defined and not reproducible. In addition, the guideways wear out that there is a limited life (JP 4-221792).

Im Patent DE 43 15 628 C2 wird ein Flächenpositioniersystem beschrieben, bei dem zwei atomar ebene Kristallflächen mit gleicher Orientierung und Ausrichtung aufeinander liegen und mittels Massenträgheits-Prinzip um jeweils eine Kristall-Gitterperiode je Schritt gegeneinander verschoben werden. In einer Variante sind die beiden Kristallflächen durch eine Monolage Dipol-Moleküle getrennt. Durch ein von außen angelegtes elektrisches Wechselfeld regt man die Dipole zu einer Drehung an, wodurch sich die Kristallflächen um eine Gitterperiode je Drehung gegeneinander verschieben. Die Vorteile dieses Prinzips liegen in der direkten Kopplung der Bewegung mit einem inkrementellen Meßsystem, wobei das Kristallgitter den Maßstab darstellt. Es ist möglich, die Bewegung in zwei Achsen und über beliebige Distanzen zu vollführen, wobei sich eine hohe Ablaufgenauigkeit der Bewegung ergibt, da die Führung durch die zwei atomar ebenen Flächen gegeben ist. Nachteilig ist die bislang sehr schwierige Realisierung, da atomar ebene und fehlerfreie Kristallflächen in Dimensionen von einigen mm² weder natürlich vorkommen, noch synthetisch erzeugt werden können. Auch stellt das Verschweißen der Flächen miteinander aufgrund ihrer hohen Ebenheit und des geringen Abstandes zueinander ein großes Problem dar.Patent DE 43 15 628 C2 describes a surface positioning system in which two atomically flat crystal surfaces with the same orientation and orientation lie on one another and are shifted against each other by one crystal lattice period per step using the principle of inertia. In a variant, the two crystal surfaces are separated by a monolayer of dipole molecules. An external alternating electric field stimulates the dipoles to rotate, causing the crystal surfaces to shift by one grating period per rotation. The advantages of this principle are the direct coupling of the movement with an incremental measuring system, the crystal lattice being the benchmark. It is possible to carry out the movement in two axes and over any distances, the movement being highly accurate since the two atomically flat surfaces guide the movement. The previously very difficult implementation is disadvantageous, since atomically flat and defect-free crystal surfaces in dimensions of a few mm ² neither occur naturally nor can they be produced synthetically. Welding the surfaces together is also a major problem due to their high flatness and the small distance from one another.

In der Schrift DE 44 17 158 ist eine Vorrichtung beschrieben, mit der hochaufgelöste rotatorische Bewegungen mittels einer piezoelektrischen Verstellvorrichtung ausgeführt werden können. Dabei ist das zu drehende Objekt - ein Drehteller - auf drei Auflagepunkte gelegt. Der Drehteller besitzt ein koaxial zur Drehachse angeordnetes und kegelstumpfförmiges Bodenteil. Ein konusförmiges Aufnahmeteil ist durch ein Antriebselement heb- und absenkbar. Das Aufnahmeteil ist mittels eines Drehgelenks, dessen Drehpunkt auf der Drehachse des Drehtellers liegt mit einer Bodenplatte verbunden. Durch Anheben des Aufnahmeteils wird eine kraftschlüssige Verbindung zum Bodenteil hergestellt und der Drehteller von den Auflagepunkten abgehoben. Ein Piezotranslator greift außerhalb des Drehpunktes tangential am Aufnahmeteil an und dreht somit den Drehteller bei Expansion um ein entsprechendes Winkelinkrement. Die erreichte Lage des Objektes wird durch Ablegen des Drehtellers auf den Auflagepunkten fixiert; der Piezotranslator kontrahiert und kann dann bei kraftschlüssiger Verbindung zwischen Bodenteil und Aufnahmeteil und aufgehobener Fixierung zum wiederholten Mal das Objekt um ein Winkelinkrement drehen. Nachteilig ist, daß mit dieser Vorrichtung alleinig Drehbewegungen um eine Achse möglich sind.In the document DE 44 17 158 a device is described with which high-resolution rotary movements by means of a piezoelectric Adjustment device can be performed. Here is the one to be rotated Object - a turntable - placed on three support points. The turntable has a truncated cone-shaped base part arranged coaxially to the axis of rotation. A cone-shaped receiving part is lifted by a drive element lowerable. The receiving part is by means of a swivel, the The pivot point on the axis of rotation of the turntable lies with a base plate connected. By lifting the receptacle part is a non-positive Connection to the bottom part made and the turntable of the Support points lifted off. A piezo translator engages outside of the Pivot point tangentially on the receiving part and thus rotates the turntable when expanding by a corresponding angular increment. The situation reached of the object is achieved by placing the turntable on the support points fixed; the piezotranslator contracts and can then be non-positive Connection between the bottom part and the receiving part and the lifted part Fixation of the object again by an angular increment rotate. The disadvantage is that with this device only rotary movements around an axis are possible.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, auf möglichst einfache und technologisch gut handhabbare Weise eine verschleißarme Bewegung zu schaffen, die translatorische und/oder rotatorische Lageveränderungen im Millimeter- bzw. Gradbereich und größer mit definierten und reproduzierbaren Bewegungsinkrementen im Nanometer- bzw. µrad-Bereich gestattet.The object of the invention is therefore to be as simple as possible technologically manageable way to a low-wear movement create the translational and / or rotational changes in position in Millimeter or degree range and larger with defined and reproducible movement increments in the nanometer or µrad range allowed.

Erfindungsgemäß wird das zu bewegende Objekt in einer Ruhephase der Bewegung durch Führungselemente geführt und zum Zweck seiner Bewegung durch Piezostellelemente von diesen Führungselementen abgehoben, in frei wählbarer Richtung bewegt und nach der Bewegung des Objektes sowie zum Rücksetzen der Piezostellelemente wieder auf die Führungselemente abgesenkt.According to the invention, the object to be moved is in a resting phase Movement guided by guide elements and for the purpose of it Movement by piezo actuators from these guide elements lifted off, moved in a freely selectable direction and after the movement of the Object as well as to reset the piezo setting elements back to the Guide elements lowered.

Mit der Erfindung ist es möglich, die hohe Wegauflösung von an sich bekannten Piezostellern mit der Genauigkeit von geometrisch einfachen Führungen zu verbinden. Dabei findet eine Trennung von Positionierbewegung und Führung statt, um einerseits die hohe Wegauflösung der Piezosteller zu nutzen und andererseits die bekannten nachteiligen Eigenschaften der Piezosteller (Drift, Hysterese, Temperaturgang) von der Lagepräzision des zu positionierenden Objektes zu entkoppeln. Die Bewegung kann somit reproduzierbar in definierten Bewegungsinkrementen im Nanometerbereich erfolgen, zwischen denen das Objekt jeweils unabhängig von den Stellelementen fest geführt wird.With the invention it is possible to use the high path resolution per se known piezo actuators with the accuracy of geometrically simple Connecting guides. There is a separation from Positioning movement and guidance take place on the one hand the high To use path resolution of the piezo actuator and on the other hand the known disadvantageous properties of the piezo actuator (drift, hysteresis, Temperature response) from the positional precision of the object to be positioned decouple. The movement can thus be reproducibly defined Movement increments occur in the nanometer range, between which the Object is guided independently of the control elements.

Auf diese Weise sind nahezu beliebig große Stellwege mit der besagten hohen Präzision in beliebiger translatorischer und/oder rotatorischer Richtung realisierbar. Die Positioniervorrichtung ist durch die Einsatzmöglichkeit handelsüblicher Piezosteller und insbesondere durch geometrisch einfache Führungen, beispielsweise in Form einer Dreipunktauflage, technologisch aufwandgering herzustellen. Während des Positioniervorganges wird das Objekt von den Führungselementen entkoppelt bewegt, so daß kein mechanischer Verschleiß bei dieser Bewegung entsteht. In this way, almost any travel with the said high precision in any translational and / or rotary Direction feasible. The positioning device is through the Possible use of commercially available piezo actuators and in particular through geometrically simple guides, for example in the form of a Three-point support, technologically inexpensive to manufacture. During the Positioning process is the object of the guide elements decoupled moves, so that no mechanical wear on this Movement arises.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten sechs-achsigen Mikropositioniersystems mit Piezostellern als Ausführungs beispiel näher erläutert werden.The invention will now be described with reference to one in the drawing six-axis micro positioning system with piezo actuators as execution example will be explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 Prinzipaufbau des Mikropositioniersystems mit jeweils einer Dreipunktauflage der Führungs- und piezoelektrischen Stell elemente Fig. 1 basic structure of the micropositioning system, each with a three-point support of the guide and piezoelectric actuating elements

Fig. 2 Prinzipdarstellung des Bewegungsablaufes eines Positionier schrittes Fig. 2 schematic representation of the movement of a positioning step

Fig. 3 Prinzipdarstellung einer linearen Bewegung Fig. 3 schematic diagram of a linear movement

Fig. 4 Prinzipdarstellung einer rotatorischen Bewegung. Fig. 4 schematic diagram of a rotary movement.

Das Ausführungsbeispiel beschreibt ein Mikropositioniersystem für zwei translatorische Achsen und eine rotatorische Achse mit jeweils vom Grundsatz unbegrenztem Bewegungsbereich und hoher Ablaufgenauigkeit sowie für drei weitere Achsen mit kleinem Bewegungsbereich und verminderter Genauigkeit.The exemplary embodiment describes a micropositioning system for two translational axes and a rotary axis, each with a Principle of unlimited range of motion and high running accuracy as well as for three other axes with a small range of motion and reduced accuracy.

Auf einer waagerechten kreisförmigen Grundplatte 1 befinden sich drei senkrecht angeordnete starre Trägersäulen 2 mit jeweils einem halbkugelförmigen Säulenkopf 3 als Dreipunktauflage für eine Platte 4 als zu positionierendes Objekt (Fig. 1). Die Platte 4 liegt mit ihrer planen Rückfläche 5 in (Bewegungs-)Ruhelage auf den Säulenköpfen 3 auf; die aus hochverschleißfester Keramik bestehen, poliert sind und eine Rauhigkeit im Nanometerbereich aufweisen. Die Säulenköpfe 3 können vorzugsweise aus je einer polierten Kugel bestehen, die jeweils in eine Vertiefung an der Stirnseite der Trägersäulen 2 eingelassen sind (nicht explizit in der Zeichnung dargestellt). Die Rückfläche 5 der Platte 4 besteht ebenfalls aus einer polierten Keramikfläche großer Härte, deren Ebenheitsabweichung kleiner 10 nm/10 mm ist.On a horizontal circular base plate 1 there are three vertically arranged rigid support columns 2 , each with a hemispherical column head 3 as a three-point support for a plate 4 as an object to be positioned ( FIG. 1). The plate 4 lies with its flat rear surface 5 in the (movement) rest position on the column heads 3 ; which are made of highly wear-resistant ceramic, are polished and have a roughness in the nanometer range. The column heads 3 can preferably each consist of a polished ball, each of which is embedded in a recess on the end face of the support columns 2 (not explicitly shown in the drawing). The back surface 5 of the plate 4 also consists of a polished ceramic surface of great hardness, the flatness deviation of which is less than 10 nm / 10 mm.

Zur Minimierung des Temperatureinflusses auf die Genauigkeit werden alle funktionsrelevanten Bauteile aus einem Werkstoff mit extrem kleinem thermischen Ausdehnungskoeffizient (z. B. Zerodur) gefertigt.To minimize the influence of temperature on accuracy, all functionally relevant components made of a material with an extremely small size thermal expansion coefficient (e.g. Zerodur).

Die Auflagepunkte dieser Dreipunktauflage der Trägersäulen 2 liegen in einer waagerechten Ebene, beschreiben vorzugsweise in dieser Ebene ein gleichseitiges Dreieck und sollten sich in möglichst großer Entfernung zueinander befinden. Somit ist die Lage der Platte 4 eindeutig und mit hoher Präzision bestimmt. Es wäre auch denkbar, die Grundplatte 1 aus drei starr gekoppelten Einzelsegmenten zu bilden (nicht in der Zeichnung dargestellt), wobei jedem Auflagepunkt der Trägersäulen 2 ein Einzelsegment zugeordnet wäre.The support points of this three-point support of the support columns 2 lie in a horizontal plane, preferably describe an equilateral triangle in this plane and should be as far apart as possible. The position of the plate 4 is thus clearly and precisely determined. It would also be conceivable to form the base plate 1 from three rigidly coupled individual segments (not shown in the drawing), a single segment being assigned to each support point of the support columns 2 .

Bezogen auf eine geometrische Mitte M (vgl. Fig. 3 und 4) des durch die Auflagepunkte beschriebenen Dreiecks werden die Ebenheits-Abweichungen der planen Rückfläche 5 durch Hebelwirkung auf etwa 1/3 untersetzt und somit in ihrem Einfluß auf die Ablaufgenauigkeit gemindert. Die erreichbare Ablaufgenauigkeit hängt direkt von der Formgenauigkeit (Parallelität und Ebenheit) der Rückfläche 5 ab. Deren Bearbeitung stellt technologisch allerdings kein Problem dar.Based on a geometric center M (cf. FIGS. 3 and 4) of the triangle described by the support points, the flatness deviations of the flat rear surface 5 are reduced to about 1/3 by leverage and thus their influence on the running accuracy is reduced. The achievable running accuracy depends directly on the shape accuracy (parallelism and flatness) of the rear surface 5 . Technologically, however, processing them is not a problem.

Versetzt zu den Trägersäulen 2 sind drei Piezostellelemente 6 auf der Grundplatte i fest angeordnet, die aus Gründen hoher Steifigkeit und kompakter Bauform jeweils als Stapel, bestehend aus einem x-Piezotranslator 7, aus einem y-Piezotranslator 8 sowie aus einem z-Piezotranslator 9 (an sich bekannte Stapel mit je zwei Scherelementen und je einem Translator) ausgeführt sind. Die freien Enden sind mit Halbkugeln 10 aus Keramik versehen, um äquivalent zu den Trägersäulen 2 eine eindeutige Lage der Platte 4 zu gewährleisten. Jede Halbkugel 10 kann beispielsweise ebenfalls durch eine polierte Kugel realisiert werden, die in einer entsprechenden Vertiefung am Ende des jeweiligen Piezostapels ruht. Der Abstand zwischen den Halbkugeln 10 und der Platte 4 ist so bemessen, daß bei kontrahierten z-Piezotranslatoren 9 kein Kontakt zwischen den Halbkugeln 10 und der Platte 4 besteht (vgl. Fig. 2a) und bei expandierten z-Piezotranslatoren 9 die Platte 4 von den Säulenköpfen 3 aller drei Trägersäulen 2 abgehoben wird (vgl. Fig. 2b).Offset to the support columns 2 , three piezo positioning elements 6 are fixedly arranged on the base plate i, which for reasons of high rigidity and compact design each have a stack consisting of an x piezotranslator 7 , a y piezotranslator 8 and a z piezotranslator 9 ( known stacks are executed with two shear elements and one translator). The free ends are provided with hemispheres 10 made of ceramic, in order to ensure a clear position of the plate 4 equivalent to the support columns 2 . Each hemisphere 10 can also be realized, for example, by a polished ball, which rests in a corresponding recess at the end of the respective piezo stack. The distance between the hemispheres 10 and the plate 4 is dimensioned such that in the case of contracted z-piezotranslators 9 there is no contact between the hemispheres 10 and the plate 4 (see FIG. 2a) and in the case of expanded z-piezotranslators 9 the plate 4 of the column heads 3 of all three support columns 2 is lifted off (cf. FIG. 2b).

In ihrer Ruhelage (Ausgangsposition) ist die Gesamthöhe der Piezostellelemente 6 somit geringer als die Höhe der Trägersäulen 2, so daß die Platte 4 auf den halbkugelförmigen Säulenköpfen 3 als stabile Dreipunktauflage aufliegt (Fig. 2a). Um die Piezostellelemente 6 exakt in eine solche Höhenlage relativ zu den Trägersäulen 2 mit den Säulenköpfen 3 zujustieren, wäre eine Höhenverstellung zwischen der Grundplatte 1 und den Piezostellelementen 6 mittels eines an sich bekannten und nicht in der Zeichnung dargestellten Mikrometergewindes zweckmäßig.In its rest position (starting position), the total height of the piezo setting elements 6 is thus less than the height of the support columns 2 , so that the plate 4 rests on the hemispherical column heads 3 as a stable three-point support ( FIG. 2a). In order to adjust the piezo setting elements 6 exactly in such a height position relative to the support columns 2 with the column heads 3 , a height adjustment between the base plate 1 and the piezo setting elements 6 by means of a micrometer thread known per se and not shown in the drawing would be expedient.

Durch die besagte Expansion der z-Piezotranslatoren 9 (Fig. 2b) vergrößern sich deren Höhen und damit die Höhen der gesamten Piezostellelemente 6 bis deren Halbkugeln 10 an die Platte 4 antasten und deren Führung in einer ebenfalls definierten Dreipunktauflage auf den Halbkugeln 10 übernehmen. Damit wird die Platte 4 aus ihrer Ruhelage (Dreipunktauflage auf den Säulenköpfen 3) ausgehoben. Nun kann eine reibungs- und spielfreie laterale Bewegung der Platte 4 erfolgen, indem der x-Piezotranslator 7 und/oder der y-Piezotranslator 8 angesteuert und so in ihrer Lage verändert werden (vgl. Fig. 2c). Diese Bewegung erfolgt mit der für Piezosteller typischen Wegauflösung. Gleichermaßen kann auch durch unterschiedliche Ansteuerung der z-Piezotranslatoren 9 eine hochpräzise Verkippung/Drehung der Platte 4 bewirkt werden. Nach dem Positioniervorgang kehrt der z- Piezotranslator 9 in seine kontrahierte Ausgangsstellung zurück, so daß die Platte 4 wieder auf die Säulenköpfe 3 der Trägersäulen 2 abgesenkt wird und auf diesen wiederum mit definierter Führung lagert (vgl. Fig. 2d). Anschließend werden die übrigen Translatoren der Piezostellelemente 6 in ihre Ausgangslage zurückgestellt (vgl. Fig. 2e); und es stellt sich eine neue Ausgangslage (vgl. Fig. 2a) für einen weiteren Positionierschrift der Platte 4 ein.The aforementioned expansion of the z-piezo translators 9 ( FIG. 2 b) increases their heights and thus the heights of the entire piezo actuating elements 6 up to their hemispheres 10 touch the plate 4 and assumes their guidance in a likewise defined three-point support on the hemispheres 10 . So that the plate 4 is lifted out of its rest position (three-point support on the column heads 3 ). A lateral movement of the plate 4 which is free of friction and play can now take place, in that the x-piezotranslator 7 and / or the y-piezotranslator 8 are actuated and their position is thus changed (cf. FIG. 2c). This movement takes place with the path resolution typical for piezo actuators. Likewise, a highly precise tilting / rotation of the plate 4 can also be brought about by differently controlling the z-piezo translators 9 . After the positioning process, the z-piezotranslator 9 returns to its contracted starting position, so that the plate 4 is lowered again onto the column heads 3 of the support columns 2 and in turn is supported thereon with a defined guide (cf. FIG. 2d). The remaining translators of the piezo setting elements 6 are then returned to their starting position (cf. FIG. 2e); and there is a new starting position (cf. FIG. 2a) for a further positioning script of the plate 4 .

Die gesamte Positionierung erfolgt in einem periodisch wiederholbaren Bewegungsvorgang (Zyklus), bestehend aus vier aufeinanderfolgenden Einzelschritten (siehe auch Fig. 2):
The entire positioning takes place in a periodically repeatable movement process (cycle), consisting of four successive individual steps (see also Fig. 2):

Step 1: Increase the distance between the back surface 5 of the plate 4 and the column heads 3 as support points until contact is lost (see FIG. 2b)
Step 2: Friction-free translation of the plate 4 relative to the support columns 2 in any freely selectable direction perpendicular to the surface normal of the plate 4 (cf. FIG. 2c)
3rd step: Reduction of the distance between the rear surface 5 of the plate 4 and the column heads 3 as support points until contact is established
Step 4: Reset the remaining control elements.

Nach Abschluß einer Bewegungsperiode ist die Lage der Platte 4 durch die Auflage auf den drei Säulenköpfen 3 wieder eindeutig bestimmt. Eine Klemmung zur Sicherung der erreichten Position ist nicht erforderlich, da die Platte 4 durch ihr Eigengewicht gehalten wird. Darüberhinaus ist eine Klemmung kraftschlüssig (beispielsweise magnetisch oder mechanisch) möglich, wenn beispielsweise die Vorrichtung zur Mikrobearbeitung eingesetzt wird und infolgedessen Kräfte auf die Platte 4 ausgeübt werden. Gegenüber der Ausgangsposition fand eine Verschiebung um den Betrag der Translation aus Schritt 2 statt. Die Auflageflächen wurden dabei nicht durch Reibungskräfte belastet. Hierdurch tritt kein Verschleiß an den Führungsflächen der Säulenköpfe 3 auf; wodurch die Bewegungsgenauigkeit stets unverändert bleibt. Desweiteren ist die Größe des Stellschrittes unabhängig von Reibungsverhältnissen an der jeweiligen Stelle der Führungsfläche und somit stets konstant und reproduzierbar. Dieser Zyklus kann beliebig oft durchlaufen werden und ist nur durch die Größe der Platte 4 begrenzt.After completion of a movement period, the position of the plate 4 is clearly determined again by the support on the three column heads 3 . Clamping to secure the position reached is not necessary since the plate 4 is held by its own weight. In addition, a non-positive (for example magnetic or mechanical) clamping is possible if, for example, the device is used for micromachining and, as a result, forces are exerted on the plate 4 . Compared to the starting position, there was a shift by the amount of translation from step 2 . The contact surfaces were not burdened by frictional forces. As a result, no wear occurs on the guide surfaces of the column heads 3 ; whereby the accuracy of movement always remains unchanged. Furthermore, the size of the actuating step is independent of frictional conditions at the respective point on the guide surface and is therefore always constant and reproducible. This cycle can be run as often as desired and is only limited by the size of the plate 4 .

Stimmen Richtung und Betrag der Bewegung eines jeden der drei Piezostellelemente 6 in Schritt 2 überein, wird die Platte 4 lateral verschoben (Fig. 3). Sind die Richtung jedes Piezostellelementes 6 bei der Bewegung in Schritt 2 tangential zum Umkreis der Auflagepunkte sowie der Betrag der Bewegung aller drei Piezostellelemente 6 gleich, vollführt die Platte 4 eine definierte Drehung um ihre Flächennormale und die geometrische Mitte M des durch die Kontaktpunkte der Halbkugeln 10 beschriebenen Dreiecks (Fig. 4). Der durch Aneinanderreihung mehrerer gleichartiger Zyklen erreichbare Drehwinkel ist größer als 360°.If the direction and the amount of movement of each of the three piezo setting elements 6 in step 2 match, the plate 4 is laterally displaced ( FIG. 3). If the direction of each piezo setting element 6 during the movement in step 2 tangential to the circumference of the support points and the amount of movement of all three piezo setting elements 6 are the same, the plate 4 performs a defined rotation about its surface normal and the geometric center M of the contact points of the hemispheres 10 described triangle ( Fig. 4). The rotation angle that can be achieved by lining up several cycles of the same type is greater than 360 °.

Es ist möglich, mittels geeigneter Sensoren oder Wegmeßsysteme die Bewegung der einzelnen Piezosteller zu erfassen und somit die Platte 4 in gesteuertem oder geregeltem Betrieb zu bewegen. Gleichermaßen kann die Platte 4 durch deren Positionserfassung in einer oder mehreren Achsen mit geeigneten Wegmeßsystemen (z. B. mit Laserinterferometern, mit inkrementellen oder absoluten Flächen- und/oder Winkel- bzw. Neigungs meßsystemen) in geregeltem Betrieb positioniert werden. It is possible to detect the movement of the individual piezo actuators by means of suitable sensors or position measuring systems and thus to move the plate 4 in controlled or regulated operation. Likewise, the plate 4 can be positioned in controlled operation by its position detection in one or more axes with suitable position measuring systems (e.g. with laser interferometers, with incremental or absolute area and / or angle or inclination measuring systems).

Im angehobenen Zustand kann die Platte 4 mittels aller neun Piezosteller insgesamt in sechs Freiheitsgraden mit hoher Orts- und Winkelauflösung bewegt werden. Das schließt mit ein, daß durch Variation der Auslenkung der drei anhebenden Piezosteller (z-Piezotranslatoren 9) die Neigung der Platte 4 in zwei Achsen und die Höhe der Platte 4 mit hoher Auflösung verstellt wird. Das würde auch erreicht, wenn alternativ oder zusätzlich die Trägersäulen 2 durch vorzugsweise an einen Regelkreis angeschlossene Piezosteller in ihrer Höhe verstellbar sind (nicht in der Zeichnung dargestellt). Damit wird zwar die Neigung in zwei Achsen und die Höhenlage der Platte 4 auch in ihrer Endlage einstellbar, allerdings muß in diesem Fall der bekannte nachteilige Einfluß der Piezotranslatoren (thermische Drift, Kriechen) auf die Lagegenauigkeit in Kauf genommen oder durch eine entsprechende Regelung kompensiert werden. In the raised state, the plate 4 can be moved in a total of six degrees of freedom with high spatial and angular resolution by means of all nine piezo actuators. This includes that by varying the deflection of the three lifting piezo actuators (z-piezotranslators 9 ) the inclination of the plate 4 in two axes and the height of the plate 4 is adjusted with high resolution. This would also be achieved if, as an alternative or in addition, the height of the support columns 2 can be adjusted by piezo actuators preferably connected to a control circuit (not shown in the drawing). This means that the inclination in two axes and the height of the plate 4 can also be adjusted in their end position, but in this case the known disadvantageous influence of the piezotranslators (thermal drift, creep) on the positional accuracy must be accepted or compensated for by an appropriate control .

Reference list

11

Grundplatte
Base plate

22nd

Trägersäule
Support column

33rd

Säulenkopf
Column head

44th

Platte
plate

55

Rückfläche
Back surface

66

Piezostellelement
Piezo actuator

77

x-Piezotranslator
x piezotranslator

88th

y-Piezotranslator
y piezotranslator

99

z-Piezotranslator
z-piezotranslator

1010th

Halbkugel
M geometrische Mitte
Hemisphere
M geometric center

Claims

1. A method for high-precision micropositioning, in which an object is moved translationally and / or rotationally, preferably via piezoelectric actuating elements, and is positioned in high resolution, characterized in that the object for the purpose of its movement in a first step by the actuating elements from a support position in which the Object is guided during a rest phase of the movement, is lifted into a movement position in which the object is moved in a second step by the actuating elements with a freely selectable direction, that after its movement the object is lowered back into the support position in a third step and that in a fourth step the actuating elements are reset in the support position while the object is being guided.

2. Device for high-precision micropositioning, in which an object is moved translationally and / or rotationally, preferably via piezoelectric actuating elements, and is positioned in high resolution, characterized in that rigid guide elements ( 2 , 3 ) are provided, on or on which the object ( 4 ) is located a rest phase of the movement is performed, and that the preferably piezoelectric actuating elements ( 6 ) are designed such that they lift the object ( 4 ) for its movement and positioning from the guide elements ( 2 , 3 ) and after object positioning and for the purpose of an actuating element Lower the reset back to this.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the guide elements ( 2 , 3 ) consist of a three-point support for the object ( 4 ).

4. The device according to claim 2, characterized in that the preferably piezoelectric actuating elements ( 6 ) are arranged in a three-point support for the object ( 4 ).

5. Apparatus according to claim 2, characterized in that support columns ( 2 ) with an attached hemispherical column head ( 3 ) are used as guide elements.

6. The device according to claim 2, characterized in that as the actuating elements ( 6 ) compact piezo stack, each with a translator ( 9 ) and two shear elements ( 7 , 8 ) are provided, which have a hemisphere ( 10 ) for probing at their free end Have object ( 4 ).

7. The device according to claim 2, characterized in that the guide elements ( 2 , 3 ) are variable in their position by additional and preferably controlled piezo actuators.

8. The device according to claim 2, characterized in that the preferably piezoelectric actuating elements ( 6 ) by a micrometer thread in their relative height to the guide elements ( 2 , 3 ) are adjustable.