DE4408618B4 - Adjustment drive made of bimorph elements - Google Patents

Adjustment drive made of bimorph elements Download PDF

Info

Publication number
DE4408618B4
DE4408618B4 DE4408618A DE4408618A DE4408618B4 DE 4408618 B4 DE4408618 B4 DE 4408618B4 DE 4408618 A DE4408618 A DE 4408618A DE 4408618 A DE4408618 A DE 4408618A DE 4408618 B4 DE4408618 B4 DE 4408618B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
bimorph
actuators
adjusting device
bimorph elements
output element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE4408618A
Other languages
German (de)
Other versions
DE4408618A1 (en
Inventor
Harry Dr. Marth
Rainer Dr. Glöss
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Original Assignee
Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Physik Instrumente PI GmbH and Co KG filed Critical Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Priority to DE4408618A priority Critical patent/DE4408618B4/en
Publication of DE4408618A1 publication Critical patent/DE4408618A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE4408618B4 publication Critical patent/DE4408618B4/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/021Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors using intermittent driving, e.g. step motors, piezoleg motors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/028Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors along multiple or arbitrary translation directions, e.g. XYZ stages
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/202Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using longitudinal or thickness displacement combined with bending, shear or torsion displacement
    • H10N30/2023Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using longitudinal or thickness displacement combined with bending, shear or torsion displacement having polygonal or rectangular shape

Abstract

Verstelleinrichtung mit Piezoantrieb, insbesondere für feinmechanischoptische Geräte, bestehend aus zumindest einem Piezoschwinger, der durch Anlegen unterschiedlich gesteuerter elektrischer Spannungen eine Längenänderung erfährt und abwechselnd über sein freies Ende mit einem Abtriebselement (10, 100) in Wirkverbindung gelangt derart, daß bei bestehender Wirkverbindung eine Bewegungsübertragung auf das Abtriebselement erfolgt, wogegen bei aufgehobener Wirkverbindung der Piezoschwinger im Bereich seines freien Endes eine Rückstellung zur Vorbereitung der nächsten Bewegungsübertragung erfährt, so daß das Abtriebselement die Verstellbewegung in der gewünschten Richtung durchführt, wobei der Piezoschwinger zwei Aktoren aufweist, die parallel unmittelbar nebeneinander und in Antriebsrichtung hintereinander angeordnet ein Bimorphelement (1, 6 – 9, 16 - 19, 21 – 28, 41 – 46, 51 – 56) bilden, die zwei Aktoren sich etwa senkrecht zur gewünschten Bewegungsrichtung erstrecken und elektrisch voneinander entkoppelt und getrennt ansteuerbar sind, derart daß unter Ausnutzung einer unterschiedlichen Dehnung der zwei Aktoren des Piezoschwingers deren Verbiegung und somit eine Bahnkurve in Längs- und...Adjustment device with piezo drive, in particular for precision mechanical optical devices, consisting of at least one piezo oscillator, which undergoes a change in length due to the application of differently controlled electrical voltages and alternately comes into operative connection via its free end with an output element (10, 100) in such a way that, when there is an active connection, motion is transmitted takes place on the output element, whereas, when the operative connection is broken, the piezo oscillator in the area of its free end is reset to prepare for the next movement transmission, so that the output element carries out the adjustment movement in the desired direction, the piezo oscillator having two actuators, which are in parallel directly next to one another and in Drive direction arranged one behind the other form a bimorph element (1, 6 - 9, 16 - 19, 21 - 28, 41 - 46, 51 - 56), the two actuators extend approximately perpendicular to the desired direction of movement and electrically decoupled from one another and can be controlled separately, such that, using a different expansion of the two actuators of the piezo oscillator, their bending and thus a path curve in longitudinal and ...

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung mit einem Piezoantrieb, insbesondere für feinmechanisch-optische Geräte und dergleichen, bestehend aus zumindest einem Piezo-Schwinger, der durch Anlegen unterschiedlich gesteuerter elektrischer Spannungen eine Längenänderung erfährt und abwechselnd über sein freies Ende mit einem Abtriebselement in Wirkverbindung gelangt derart, daß bei bestehender Wirkverbindung eine Bewegungsübertragung auf das Abtriebselement erfolgt, wogegen bei aufgehabener Wirkverbindung der Piezoschwinger im Bereich seines freien Endes eine Rückstellung zur Vorbereitung der nächsten Bewegungsübertragung erfahrt, so daß das Abtriebselement die Verstellbewegung in der gewünschten Richtung durchführt, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an adjusting device a piezo drive, in particular for precision mechanical optical devices and the like, consisting of at least one piezo transducer, which by applying differently controlled electrical voltages a change in length learns and take turns its free end comes into operative connection with an output element such that with existing Active connection a transmission of movement takes place on the output element, whereas when the operative connection is removed the piezo oscillator in the area of its free end a provision for Preparing the next motion transmission experience, so that Output element performs the adjustment movement in the desired direction, according to the generic term of claim 1.

Bekannte Verstelleinrichtungen aus Piezoschwingern sind beispielsweise die sogenannten Mikrostoßantriebe: Hierbei ist ein Piezoschwinger einseitig befestigt, während er mit seinem freien Ende schräg gegen einen Rotor gedrückt wird. Wird nun der Piezoschwinger mit einer hochfrequenten Wechselspannung erregt, die im Bereich der Resonanzfrequenz des Schwingers liegt, so führt der Schwinger stehende Längs- und Biegeschwingungen aus. Dies hat die Erzeugung einer ellipsenähnlichen Schwingbewegung des freien Schwingerendes gegenüber dem Rotor zur Folge, die über Gleitreibungskräfte die Drehung des Rotors hervorruft. Durch den Verkeilungseffekt bewegt sich der Rotor vorwärts, wogegen das Schwingerende bei seiner Rückwärtsbewegung am Rotor entlanggleitet oder abhebt.Known adjustment devices Piezo oscillators are, for example, the so-called micro-impact drives: Here, a piezo oscillator is attached on one side while it with its free end at an angle pressed against a rotor becomes. Now the piezo oscillator with a high-frequency AC voltage excited, which is in the range of the resonance frequency of the vibrator, so leads the transducer standing longitudinal and bending vibrations. This has the creation of an ellipse-like one Swinging movement of the free end of the oscillator relative to the rotor results in the sliding friction forces Rotation of the rotor causes. Moved by the wedging effect the rotor moves forward whereas the oscillating end slides along the rotor during its backward movement or takes off.

Diese Art von Mikrostoßantrieben ist jedoch nur dazu in der Lage, den' Rotor in einer Bewegungsrichtung anzutreiben. Um einen reversierbaren Antrieb zu erhalten, muß man einen weiteren Piezoschwinger vorsehen, der in umgekehrter Richtung am Rotor angreift, wobei sich jeweils der eine Piezoschwinger außer Wirkverbindung mit dem Rotor befinden muß, wenn eine Bewegung entsprechend der Antriebsrichtung des anderen Piezoschwingers erzeugt werden soll.This type of micro-impulse drive However, it is only able to drive the rotor in one direction. To get a reversible drive, you need another piezo oscillator provide that engages in the opposite direction on the rotor, whereby each one piezo oscillator out of active connection with the Rotor must be located if one move according to the driving direction of the other Piezo vibrator should be generated.

Die genannten Mikrostoßantriebe haben allerdings einen großen Nachteil, da die verwendeten Piezoschwinger mit einer hochfrequenten Wechselspannung im Ultraschallbereich angeregt werden müssen, um stehende Längs- und Biegeschwingungen zu erzeugen, die erst das Arbeiten mit den Mikrostoßantrieben ermöglichen. Eine einfache Längsschwingung, wie sie bei quasistatischer Spannurtgsbeaufschlagung erzeugt würde, könnte nicht zu einem Antreiben, sondern nur zu einem Hin- und Herbewegen des Rotors in der Größenordnung der Längenänderung des Piezoschwingers führen. Aufgrund der angelegten hochfrequenten Wechselspannung sind derartige Antriebe auch nur als Dauerläufer oder bei Burststeuerung zum Zurücklegen von Schnittweiten von einigen 10 bis 100 nm zu benutzen. Ein genaues Positionieren, wie es insbesondere bei feinmechanisch-optischen Geräten erforderlich wäre, ist hiermit jedenfalls nicht möglich, da mit einem in Resonanz befindlichen Schwinger weder eine genau definierte Verstellung durchführbar ist, noch der genaue Angriffspunkt zwischen Rotor und Schwinger festgelegt werden kann und im übrigen unklar ist, ob und wie sich der Rotor während der Rückstellbewegung des Schwingers weiterbewegt.The micro-impulse drives mentioned have a big one though Disadvantage because the piezo oscillators used have a high frequency AC voltage in the ultrasonic range must be excited in order standing longitudinal and to generate bending vibrations that only work with the Microburst drives enable. A simple longitudinal vibration, how it would be generated with quasi-static voltage application, could not to drive, but only to move the Rotors in the order of magnitude the change in length of the piezo oscillator. Because of the high-frequency AC voltage applied, such are Drives only as endurance runners or with burst control for replacement of focal lengths from a few 10 to 100 nm to use. Exactly Positioning, as is particularly the case with precision mechanical and optical devices would be required is in any case not possible with this, since with a resonating oscillator neither a precisely defined one Adjustment feasible the exact point of attack between the rotor and vibrator is still defined can be and for the rest It is unclear whether and how the rotor rotates during the return movement of the vibrator advanced.

Aus der US-PS 4,742,260 ist ein piezoelektrischer Antrieb vorbekannt, wobei dort jeder Piezoschwinger mindestens zwei Aktoren aufweist, die zur Bildung eines Bimorphelements fest miteinander verbunden sind und die sich etwa senkrecht zur gewünschten Bewegungsrichtung erstrecken, elektrisch voneinander entkoppelt und getrennt ansteuerbar sind. Die Rückstellung der dortigen Elemente erfolgt aktiv unter Abheben vom Antriebselement.From the U.S. Patent 4,742,260 A piezoelectric drive is previously known, where each piezo oscillator has at least two actuators which are firmly connected to form a bimorph element and which extend approximately perpendicular to the desired direction of movement, are electrically decoupled from one another and can be controlled separately. The elements there are reset by actively lifting them off the drive element.

Die JP 03-261379 A (Patnet Abstacts of Japan) Anbetrifft eine Gruppee von Piezoschwingern, wobei dort nach und nach jeder Schwinger der Gruppe eine bestimmte Bewegung ausführt.The JP 03-261379 A (Patnet Abstacts of Japan) Affects a group of piezo oscillators, with each oscillator in the group gradually making a certain movement there.

Piezoschwinger-Antriebsvorrichtungen, auch mit Richtungswechsel in der Bewegung, sind darüber hinaus noch aus der DE 35 18 055 C2 , der DE 14 88 698 A1 und der US-PS 4,613,782 zu entnehmen.Piezo oscillator drive devices, also with a change of direction in motion, are also out of the question DE 35 18 055 C2 , the DE 14 88 698 A1 and the U.S. Patent 4,613,782 refer to.

Bei der gattungsbildenden Lehre nach DE 41 33 108 A1 wird von einem elektrischen Rotations- oder Linearmotor ausgegangen, dessen Läufer mit piezoelektrischen, Ultraschallschwingungen erzeugenden Mitteln angetrieben wird. Als Aktuator ist dort ein Bimorphelement vorgesehen. Der vorbekannte piezoelektrische Motor ermöglicht einen Zweirichtungsantrieb, indem mit einem Kontaktpunkt eines Bimorphelements allein eine elliptische Bewegung ausgeführt wird, die es möglich macht, während der Kontaktzeit zu einem Läufer in einer Bewegungsrichtung diesen in der gewünschten Richtung vorzuschieben und dann ohne Kontakt mit dem Läufer wieder zu dem Ausgangspunkt zurückzukehren. Das Bimorphelement gemäß DE 41 33 103 A1 wird aus zwei piezoelektrischen Streifen gebildet, die entsprechende Elektroden aufweisen. Der Läufer des vorbekannten Motors wird immer dann kontaktiert und durch Reibung mitgenommen, wenn die Länge des Biegers groß wird, da dann der gewünschte Kontakt zum Läufer entsteht, um den angestrebten Vorschub in eine bestimmte Richtung zu erreichen.With the generic teaching after DE 41 33 108 A1 is assumed to be an electric rotary or linear motor, the rotor of which is driven by piezoelectric means generating ultrasonic vibrations. A bimorph element is provided there as an actuator. The known piezoelectric motor enables a bidirectional drive by executing an elliptical movement alone with a contact point of a bimorph element, which makes it possible during the contact time to advance a runner in one direction of movement in the desired direction and then again without contact with the runner to return to the starting point. The bimorph element according to DE 41 33 103 A1 is formed from two piezoelectric strips that have corresponding electrodes. The rotor of the known motor is always contacted and dragged by friction when the length of the bender becomes large, since the desired contact with the rotor then arises in order to achieve the desired feed in a certain direction.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Verstelleinrichtung mit Piezoantrieb, insbesondere unter Nutzung von Bimorphelementen anzugeben, welche in besonders kostengünstiger Weise herstellbar ist und wobei eine einfache elektrische Ansteuerung möglich wird.From the above, it is therefore an object of the invention to provide a further developed adjustment device with a piezo drive, in particular using bimorph elements, which in particular ders is inexpensive to manufacture and a simple electrical control is possible.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit der Merkmalskombination des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.The solution to the problem of the invention takes place with the combination of features of claim 1, wherein the subclaims expedient configurations and represent further training.

Insgesamt ergibt sich der Vorteil, daß das Bimorphelement auch deutlich unterhalb der Resonanzfrequenz, also im quasi-statischen Frequenzbereich nicht nur Bewegungen in Längsrichtung, sondern auch in Querrichtung durchführen kann, da beispielsweise die Kürzung eines Aktors bei gleichzeitiger Verlängerung des benachbarten Aktors aufgrund der festen Verbindung der Aktoren zu einer seitlichen Auslenkung des freien Bimorphelement-Endes auf die Seite führt, auf der sich der verkürzte Aktor befindet. Daraus folgt, daß bei entsprechend gesteuerter Spannungsbeaufschlagung der Aktoren dem freien Ende des Bimorphelementes eine Bewegung in zwei Koordinatenrichtungen, beispielsweise eine Ellipsenbewegung aufzwingbar ist. Hierbei wird der obere Bereich einer solchen Ellipsenbahnkurve dazu verwendet, die Bewegungsübertragung in der gewünschten Richtung durchzuführen, wahrend der untere Bereich, bei dem die Wirkverbindung zwischen Bimorphelement und Abtriebselement aufgehoben ist, für die Rückstellung zur Vorbereitung der nächsten Bewegungsübertragung genutzt wird.Overall, there is the advantage that this Bimorph element also well below the resonance frequency, so in the quasi-static frequency range not only movements in the longitudinal direction, but can also perform in the transverse direction, for example the cut one actuator with simultaneous extension of the neighboring actuator due to the fixed connection of the actuators to a lateral deflection of the free end of the bimorph element leads to the side on which the shortened actuator is located located. It follows that at accordingly controlled voltage application of the actuators free end of the bimorph element a movement in two coordinate directions, for example, an elliptical movement can be forced. Here will the upper area of such an elliptical curve curve is used to the transmission of motion in the desired one Direction to perform during the lower area, where the active connection between the bimorph element and output element is lifted for the provision in preparation the next motion transmission is being used.

Ein effektives Antriebsverhalten ergibt sich, wenn die Spannungsverläufe der beiden Aktoren eines Bimorphelementes urn etwa 90° phasenverschoben sind und die beiden Aktoren mit einer etwa sägezahnförmigen Wechselspannung beaufschlagt werden, so daß sich eine möglichst gleichmäßige Vortriebsbewegung ergibt.An effective drive behavior results when the voltage profiles of the two actuators are one Bimorph element out of phase by about 90 ° are and the two actuators are subjected to an approximately sawtooth-shaped alternating voltage be so that one if possible smooth propulsion movement results.

Zweckmaßig sind zumindest zwei Bimorphelemente vorgesehen, so daß beide abwechselnd für die Bewegungsübertragung sorgen, während jeweils das Bimorphelement, das sich mit seinem freien Ende im unteren Bereich der jeweiligen Bahnkurve befindet, rückgestellt wird. Damit ist sichergestellt, daß das Abtriebselement wahrend der Rückstellung des Bimorphelementes keine undefinierte Bewegung durchführt, sondern weiter in der gewünschten Richtung bewegt wird, also den doppelten Weg pro Zeit zurücklegt.At least two bimorph elements are expedient provided so that both alternately for the motion transmission worry while each the bimorph element, which is located in the lower end with its free end Area of the respective curve is located, is reset. So that is ensured that the Output element during the reset of the Bimorph element does not perform an undefined movement, but continue in the desired Direction is moved, i.e. twice the distance covered per time.

Werden zwei Gruppen von Bimorphelementen eingesetzt, laßt sich die Anpressung des Piezoantriebes am Abtriebselement und auch die Genauigkeit beim Positionieren weiter verbessern. Hierbei sind die beiden Gruppen zweckmaßigerweise jeweils parallel geschaltet, das heißt die neben- oder hintereinander angeordneten Bimorphelemente werden moglichst gleichmaßig in Gruppen mit gleichen Spannungsverlaufen aufgeteilt.Become two groups of bimorph elements used, let the pressure of the piezo drive on the output element and also further improve positioning accuracy. Here are the two groups expediently each connected in parallel, i.e. side by side or one behind the other arranged bimorph elements are as uniform as possible in groups divided with the same voltage curves.

Hierbei ist es zweckmaßig, daß die Bimorphelemente an eine Steuerung angeschlossen sind, die die Wirkverbindung eines jeden Bimorphelementes mit dem Abtriebselement erst dann aufhebt, nachdem die Wirkverbindung des Abtriebselementes mit dem anderen Bimorphelement hergestellt ist. Dadurch ist sichergestellt, daß im kritischen Moment des Antriebswechsels dennoch eine sichere Klemmung des Abtriebselementes vorliegt, wodurch die Zustellgenauigkeit verbessert wird.It is useful that the bimorph elements are connected to a controller that connects the active connection of a only then lifts each bimorph element with the output element, after the operative connection of the output element with the other Bimorph element is made. This ensures that the critical When the drive is changed, the output element is still securely clamped is present, whereby the delivery accuracy is improved.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die Verstellbewegungen der Bimorphelemente überlappen, was durch geeignete Spannungsverläufe, beispielsweise durch Beaufschlagung mit einer sägezahnförmigen Wechselspannung erreicht werden kann. Hierdurch erhält man einen kontinuierlichen Antrieb ohne Kraftflußunterbrechnung unter Vermeidung des Nachteils, daß die gewünschte Verstellbewegung des Abtriebselementes zur Rückstellung eines Bimorphelementes unterbrochen werden muß.It is particularly advantageous if the adjustment movements of the bimorph elements overlap, which is indicated by suitable Voltage curves, achieved, for example, by applying a sawtooth AC voltage can be. This gives to avoid a continuous drive without interrupting the flow of power of the disadvantage that the desired Adjustment movement of the output element to reset a bimorph element must be interrupted.

Auch das Hinzufügen weiterer Bimorphelement-Gruppen wirkt sich positiv auf das Antriebsverhalten aus. Als beste Konstellation hat sich die Anordnung von zwei oder mehr Bimorphelement-Paaren herausgestellt, wobei entsprechend zusammengehörige Aktoren der Paare parallelgeschaltet, aber alle vier Aktoren eines Paares mit versetzten Spannungsverläufen beaufschlagt sind.Also adding more bimorph element groups has a positive effect on the drive behavior. As the best constellation has the arrangement of two or more pairs of bimorph elements emphasized, the corresponding actuators of the pairs connected in parallel, but all four actuators of a pair are subjected to offset voltage profiles are.

In jedem, also nicht nur im idealen Fall ist es vorteilhaft, wenn die Bimorphelemente mit gleichen, zeitlich versetzten Spannungsverläufen beaufschlagt werden.In everyone, not just in the ideal It is advantageous if the bimorph elements have the same, temporally offset voltage profiles be charged.

Fur die oben erwähnten Anwendungsbereiche weist die auf die Bimorphelemente einwirkende Spannung eine Frequenz auf, die insbesondere unterhalb des Ultraschallfrequenzbereiches liegt. Aufgrund der Vermeidung von Resonanzschwingungen der Bimorphelemente ist eine Auflösung der Zustellbewegungen bis in den unteren Nanometerbereich möglich. Jedoch soll sich der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung nun nicht ausschließlich auf den genannten Frequenzbereich beschränken, da eine Erregung im Ultraschallbereich für Zustellbewegungen mit hohen Geschwindigkeiten sinnvoll ist und hierbei die Spannungsamplitude beispielsweise zehnmal höher bzw. eine um den Faktor 10 kleinere Spannung erforderlich ist. Weil darüber hinaus die Phasenverschiebung im Resonanzbereich 90° beträgt, reicht es hierbei aus, die eine Elektrode des Bimorphelementes entsprechend anzusteuern, wobei die andere Elektrode jeweils automatisch. um 90° nacheilt.For the above mentioned areas of application the voltage acting on the bimorph elements has a frequency, which is in particular below the ultrasound frequency range. Due to the avoidance of resonance vibrations of the bimorph elements is a resolution of the feed movements possible down to the lower nanometer range. however the scope of the present invention should not now exclusively on limit the frequency range mentioned, since excitation in the ultrasound range for delivery movements makes sense at high speeds and here the voltage amplitude for example ten times higher or a voltage lower by a factor of 10 is required. Because about that in addition, the phase shift in the resonance range is 90 ° is sufficient it here, the one electrode of the bimorph element accordingly to control, the other electrode each automatically. around Lags 90 °.

Grundsätzlich kann das Bimorphelement entweder über seine Stirnfläche, über eine Seitenfläche oder aber über ein mit dem Bimorphelement in Verbindung stehendes Zwischenglied in Wirkverbindung mit dem Abtriebselement gelangen. Das Angreifen an der Stirnfläche des Bimorphelementes empfiehlt sich insbesondere dann, wenn dieses – wie oben beschrieben – als Antrieb verwendet wird. Andererseits kann jedoch das Bimorphelement statt als Antriebselement auch als Selbstläufer eingesetzt werden. Dabei kann sich das Bimorphelement entsprechend den Verstellbewegungen auf einer ortsfesten Unterlage fortbewegen, was einer kinematischen Umkehr zum oben beschriebenen Antrieb entspricht.In principle, the bimorph element can come into operative connection with the output element either via its end face, via a side surface or via an intermediate member connected to the bimorph element. Gripping the end face of the bimorph element is particularly advisable if it is used as a drive, as described above. On the other hand, however, the bimorph element can also be used as a self-running device instead of as a drive element. The bimorph element can move according to the adjustment movements on a stationary base, which is a kinemati reverse to the drive described above.

Befand sich beim Einsatz als Antrieb die Bahnkurve noch parallel zur Längserstreckung der Bimorphelemente, so ist es bei einer Verwendung als Selbstläufer zweckmäßig, über eine Seitenfläche der Bimorphelemente in Wirkverbindung mit dem Abtriebselement, das heißt mit der Unterlage zu gelangen. Hierdurch wird vor allem eine stabilere Auflage des aus mehreren Bimorphelementen bestehenden Läufers auf der Unterlage und ebenso eine geringere Bauhöhe des Läufers erreicht. Das Anliegen an den Seitenflächen erfolgt natürlich vor allem im Bereich des freien Endes der Bimorphelemente, da dort die Verstellbewegung am größten ist.Was when used as a drive the trajectory is still parallel to the longitudinal extent of the bimorph elements, so it is useful when used as a self-running, over a side surface of the bimorph elements in operative connection with the output element, that is, with the Document. As a result, a more stable edition of the Runner consisting of several bimorph elements on the base and also a lower overall height of the runner reached. Of course, the side surfaces are covered especially in the area of the free end of the bimorph elements, because there the adjustment movement is greatest.

Fur die Verwendung als Selbstläufer ist es insbesondere von Vorteil, wenn mit den beiden ein Bimorphelement bildenden Aktoren ein weiteres Aktorenpaar fest verbunden ist, wobei sich die beiden Aktorenpaare nebeneinander befinden und im Querschnitt gesehen eine Viereck-anordnung bilden sollten. Hierdurch wird sowohl das Abheben von der ortsfesten Unterlage, das zur Vorbereitung der Rlickstellung des jeweiligen Bimorphelementes erforderlich ist, als auch eine hierzu senkrechte Verstellbewegung erreicht, da die vier zu einem Doppelbimorphelement zusammengefaßten Aktoren durch entsprechende Spannungsbeaufschlagung beliebig aufeinander abgestimmt werden können.For use as a no-brainer it is particularly advantageous if a bimorph element is used with the two forming actuators, a further pair of actuators is firmly connected, wherein the two actuator pairs are next to each other and in cross-section seen should form a square arrangement. This will both lifting off the stationary base, which is used to prepare the Provision of the respective bimorph element is necessary as well as a perpendicular adjustment movement achieved because the four actuators combined to form a double bimorph element by corresponding ones Voltage application can be coordinated with one another as desired.

Werden jedoch solche Doppelbimorphelemente nicht als Selbstläufer, sondern als Antriebe verwendet, so ermöglichen sie eine Verstellbewegung in die zweite Dimension der Abtriebselementebene. Hierbei erfolgt das Aufheben der Wirkverbindung wie bei den oben geschilderten Antrieben durch Verkürzen der Doppelbimorphelemente.However, such double bimorph elements not as a sure-fire success, but used as drives, they allow an adjustment movement in the second dimension of the output element level. This is done removing the active connection as with the drives described above by shortening the double bimorph elements.

In jedem Fall ist es aber bei der Verwendung sowohl als Antrieb als auch als Selbstläufer sinnvoll, wenn die freien Enden der Bimorphelemente, die mit dem Abtriebselement bzw. mit der Unterlage in Wirkverbindung gelangen, gleichmäßig über diese verteilt sind, um eine stabile Auflage zu schaffen. Bei den Selbstläufern wird dies insbesondere durch eine Doppelkammanordnung von zueinander parallelen Doppelbimorphelementen erreicht, wie es in 4 dargestellt ist.In any case, it is useful when used both as a drive and as a self-runner if the free ends of the bimorph elements, which come into operative connection with the output element or with the base, are evenly distributed over the latter in order to create a stable support , In the self-running, this is achieved in particular by a double comb arrangement of double bimorph elements parallel to one another, as described in 4 is shown.

Diese Doppelanordnung kann noch derart erweitert werden, wenn zusatzlich zumindest zwei weitere Bimorphelemente vorgesehen werden, die sich in der gleichen Ebene, aber senkrecht zu den ersten Bimorphelementen erstrecken und ebenfalls zueinander parallel sind. Daßei ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß eine Bewegung in der zweiten Dimension und somit sogar beliebige ebene Kreis- und Kurvenbewegungen möglich sind.This double arrangement can be expanded in this way if at least two additional bimorph elements are provided be in the same plane but perpendicular to the first Bimorph elements extend and are also parallel to each other. Daßei there is the additional Advantage that a Movement in the second dimension and thus even any level Circular and curve movements possible are.

Während bei den oben genannten, als Läufer verwendeten Bimorphelementen, deren Gewichtskraft fur ein ständiges Andrücken der Bimorphelemente auf dem Boden sorgt, ist es bei den Piezoantrieben besonders zweckmäßig, daß sie durch zumindest ein Federelement in Wirkverbindung mit dem Abtriebselement bringbar sind und die Wirkverbindung jedes Bimorphelementes durch Spannungsbeaufschlagung aufhebbar ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß aufgrund des permanenten Andrückens durch das Federelement ein sicheres Klemmen des Abtriebselementes zu jedem Zeitpunkt gewährleistet ist, sich also immer mindestens ein Bimorphelement in Wirkverbindung mit dem Abtriebselement befindet. Das Aufheben der Wirkverbindung erfolgt durch das jeweilige Bimorphelement selbst, wodurch unvermeidliche Wegdifferenzen sich nicht mehr negativ auf die Qualität der Klemmung auswirken konnen. Da lediglich die Relativwege und nicht die Absolutlängendifferenzen der Bimorphelemente fur das Klemmen bzw. Abheben relevant sind, haben somit Längenschwankungen der Bimorphelemente durch Temperatur-, Alterungs- und Umwelteinflüsse keinen Einfluß auf ein zuverlässiges Betriebsverhalten des Piezoantriebes. Die Bimorphelemente können daher mit geringen Präzisionsanforderungen und somit kostengünstiger hergestellt werden.While in the above, used as runners Bimorph elements, their weight for a constant pressing of the bimorph elements the bottom, it is particularly useful with the piezo drives that they by at least one spring element in operative connection with the output element are feasible and the operative connection of each bimorph element Stress can be canceled. This gives the advantage that due of permanent pressure the spring element securely clamps the output element guaranteed at all times is, so always at least one bimorph element in operative connection with the output element. The active connection is removed through the respective bimorph element itself, making inevitable Path differences no longer adversely affect the quality of the clamping can impact. Because only the relative paths and not the absolute length differences the bimorph elements are relevant for clamping or lifting, thus have length fluctuations none of the bimorph elements due to temperature, aging and environmental influences Influence on a reliable Operating behavior of the piezo drive. The bimorph elements can therefore with low precision requirements and therefore cheaper getting produced.

Zur Herbeiführung der Wirkverbindung zwischen Bimorphelement und Abtriebselement besteht zum einen die Möglichkeit, daß das Federelement: auf das Abtriebselement einwirkt; zum anderen kann aber das Federelement stattdessen auf die Bimorphelemente einwirken, wobei es hierbei besonders vorteilhaft ist, diese an einer gemeinsamen Basis zu montieren. Dadurch ist sichergestellt, daß immer das momentan längere Bimorphelement die Wirkverbindung garantiert, während das kürzere Bimorphelement seine Rückstellung durchführen kann.To bring about the active connection between On the one hand there is the possibility of bimorph element and output element that this Spring element: acts on the output element; on the other hand can the spring element instead act on the bimorph elements, it being particularly advantageous to have them on a common one Mount base. This ensures that always the longer one at the moment Bimorph element guarantees the active connection, while the shorter bimorph element its provision carry out can.

Erfindungsgemäß wird die gemeinsame Basis dadurch gebildet, daß bei aus Piezokeramik bestehenden Bimorphelementen diese durch kammartiges Heraussägen einzelner Kammzinken aus einer Piezokeramikplatte hergestellt sind, wobei der sich senkrecht zu den Zinken erstreckenden Kammsteg als gemeinsame Basis die Verbindung zwischen den Bimorphelementen aufrechthält. Hierbei werden die einzelnen Aktoren in der Art hergestellt, daß die elektrisch voneinander entkoppelten und getrennt ansteuerbaren Elektroden auf die Piezokeramik aufgedampft werden, wobei zweckmäßigerweise – wie bereits erwähnt – jeweils gleichwirkende Bimorphelemente parallel geschaltet werden.According to the common basis formed in that at Bimorph elements made of piezoceramic by comb-like sawing out individual ones Comb teeth are made from a piezoceramic plate, whereby the comb web extending perpendicular to the tines as a common Basis maintains the connection between the bimorph elements. in this connection the individual actuators are manufactured in such a way that the electrical decoupled from each other and separately controllable electrodes the piezoceramic are evaporated, expediently - as already mentioned - each equivalent bimorph elements are connected in parallel.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Piezokeramik der Bimorphelemente aus vielen dünnen Schichten gebildet ist. Durch solche Multilayer-Bimorphelemente, die in Dickenrichtung geschichtet aufgebaut sind, reduziert sich die benötigte Erregerspannung von beispielsweise 500 V bis 1000 V um den Faktor 10 auf 50 V bis 100 V, was die Einsatzgebiete solcher Antriebe erheblich vergrößert.Another advantage is if the piezoceramic of the bimorph elements from many thin layers is formed. Through such multilayer bimorph elements that are in the thickness direction are layered, the required excitation voltage is reduced from, for example, 500 V to 1000 V by a factor of 10 to 50 V to 100 V, which considerably increases the areas of application for such drives.

Darüber hinaus ist es aber auch moglich, daß die Bimorphelemente anstatt aus Piezokeramik aus elektro- oder magnetostriktivem Material bestehen.But it is also beyond that possible that the Bimorph elements made of electro- or magnetostrictive instead of piezoceramic Material.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen; hierbei zeigenOther advantages and features of present invention result from the following description of embodiments based on the drawings; show here

1a den Bewegungsablauf eines Bimorphelementes in Vorderansicht; 1a the movement of a bimorph element in front view;

1b den Verlauf der Erregerspannung, mit der das Bimorphelement als 1a beaufschlagt wird; 1b the course of the excitation voltage with which the bimorph element as 1a is acted upon;

2a einen Verstellantrieb bestehend aus vier Bimorphelementen in Vorderansicht; 2a an adjustment drive consisting of four bimorph elements in front view;

2b den Verstellantrieb aus 2a in Seitenansicht; 2 B the actuator 2a in side view;

2c den Verstellantrieb aus 2a in Draufsicht; 2c the actuator 2a in top view;

2d das Abtriebselement und die daran angreifenden Bahnkurven der Verstelleinrichtung aus 2a in geschnittener Vorderansicht; 2d the output element and the path curves of the adjusting device acting on it 2a in a sectional front view;

3a einen Verstellantrieb ähnlich dem Verstellantrieb aus 2a, wobei jedoch die Bimorphelemente jeweils vier Aktoren aufweisen; 3a an adjustment drive similar to the adjustment drive 2a , however, the bimorph elements each have four actuators;

3b den Verstellantrieb aus 3a in Seitenansicht; 3b the actuator 3a in side view;

3c den Verstellantrieb aus 3a in Draufsicht; 3c the actuator 3a in top view;

3d eine Skizze der Wirkungsweise und der Bahnkurven des Verstellantriebes aus 3a; 3d a sketch of the mode of operation and the trajectory of the adjustment drive 3a ;

4 eine alternative Bauform des Verstellantriebes aus 3a in Doppelkammanordnung und 4 an alternative design of the adjustment drive 3a in double comb arrangement and

5 eine weitere Bauform des Verstellantriebes aus 3a in Vierfachkammanordnung. 5 another design of the adjustment drive 3a in a four-way arrangement.

1a zeigt ein Bimorphelement 1 in vier Bewegungssituationen Nr. 1 bis Nr. 4. Auf das aus einer einstöckigen Piezokeramik bestehende Bimorphelement 1 sind zwei Elektroden 2 und 3 zur Bildung von Piezoaktoren aufgedampft, die elektrisch voneinander entkoppelt und getrennt durch Spannungsquellen A und B ansteuerbar sind. Piezoaktoren haben die Eigenschaft, bei Anlegen einer Spannung ihre Länge zu andern, das heißt hält man das eine Ende eines Aktors fest, so bewirkt eine Spannungsänderung eine Bewegung des freien Aktorendes in Längsrichtung. 1a shows a bimorph element 1 in four movement situations No. 1 to No. 4. On the bimorph element consisting of a one-piece piezoceramic 1 are two electrodes 2 and 3 evaporated to form piezo actuators which are electrically decoupled from one another and can be controlled separately by voltage sources A and B. Piezo actuators have the property of changing their length when a voltage is applied, i.e. if one end of an actuator is held firmly, a change in voltage causes the free end of the actuator to move in the longitudinal direction.

Da nun aber beide Aktoren bzw. Elektroden 2 und 3 fest miteinander verbunden sind, führt eine einseitige Spannungsänderung an einer Elektrode zu einer Verbiegung des freien Endes in Querrichtung, und zwar in Richtung des momentan kürzeren Aktors. Auf diese Weise ist es durch entsprechende Spannungsbeaufschlagung der beiden Elektroden 2 und 3 möglich, dem freien Ende des Bimorphelementes 1 Bewegungen in Längs- und Querrichtung aufzuzwingen, beispielsweise in Form der in 1a dargestellten Ellipsenbahnkurve, die vom Mittelpunkt des freien Endes beschrieben wird und durch die in 1b dargestellten Spannungsverläufe A(t) und B(t) erzeugt wurde.But since both actuators or electrodes 2 and 3 are firmly connected, a one-sided voltage change on an electrode leads to a bending of the free end in the transverse direction, namely in the direction of the currently shorter actuator. In this way it is due to the corresponding application of voltage to the two electrodes 2 and 3 possible, the free end of the bimorph element 1 Forcing movements in the longitudinal and transverse directions, for example in the form of in 1a shown elliptical orbit curve, which is described by the center of the free end and by the in 1b shown voltage curves A (t) and B (t) was generated.

Hierbei ist die Elektrode 2 mit der Spannungsquelle A und die Elektrode 3 mit der Spannungsquelle B verbunden. Aus 1b sind außerdem die beiden Spannungswerte zum Zeitpunkt der vier Bewegungsabschnitte Nr. 1 bis Nr. 4 abzulesen.Here is the electrode 2 with the voltage source A and the electrode 3 connected to the voltage source B. Out 1b the two voltage values at the time of the four movement sections No. 1 to No. 4 can also be read.

Es ist nun leicht ersichtlich, daß bei zumindest zwei nebeneinander angeordneten und genau gegenläufig angesteuerten Bimorphelementen der obere Bereich der ellipsenförmigen Bahnkurve zum Übertragen der Verstellbewegung verwendet werden kann, während der untere Ellipsenbereich bei durch das benachbarte höhere Bimorphelement aufgehobener Wirkverbindung zwischen Bimorphelement und Abtriebselement für ein Rückstellen des freien Endes benutzt werden kann.It is now easy to see that at least two bimorph elements arranged side by side and driven in opposite directions the upper area of the elliptical Path curve for transmission the adjustment movement can be used while the lower ellipse area at by the neighboring higher Bimorph element active link between bimorph element and Output element for a reset of the free end can be used.

Die in den 2a bis 2c in verschiedenen Ansichten dargestellte Verstelleinrichtung 5 besteht aus Bimorphelementen 6, 7, 8 und 9, die jeweils zwei Aktoren aufweisen. Die Bimorphelemente 6 bis 9 werden durch kammartiges Heraussägen einzelner Kammzinken aus einer Piezokeramikplatte unter Belassung einer gemeinsamen Basis 11 in Form eines Kammsteges gebildet, woraufhin die einzelnen Elektroden auf der einen Seite der Keramikplatte und auf der Rückseite jedes Bimorphelementes jeweils einen Nulleiter 63, 73, 83 und 93 aufgedampft erhalten.The in the 2a to 2c adjusting device shown in different views 5 consists of bimorph elements 6 . 7 . 8th and 9 , which each have two actuators. The bimorph elements 6 to 9 are made by comb-like sawing out individual comb teeth from a piezoceramic plate, leaving a common base 11 formed in the form of a ridge, whereupon the individual electrodes on one side of the ceramic plate and on the back of each bimorph element each have a neutral conductor 63 . 73 . 83 and 93 get evaporated.

Die vier Bimorphelemente 6 bis 9 sind so elektrisch gekoppelt, daß jede vierte Elektrode, also die Elektroden jedes zweiten Bimorphelementes miteinander verbunden werden. So ist die an die Spannungszufuhr C angeschlossene Elektrode 61 mit der Elektrode 81 verbunden, die an die Spannungszufuhr D angeschlossene Elektrode 62 an die Elektrode 82 usw. Hierdurch wird erreicht, daß sich die Bimorphelemente 6 und 8 einerseits und die Bimorphelemente 7 und 9 andererseits jeweils gleichartig und im Gleichtakt bewegen. Demgemäß beschreiben die jeweiligen Mittelpunkte der freien Enden der Bimorphelemente die in 2d dargestellten Ellipsenbahnkurven (Bewegung im Uhrzeigersinn) und bewirken somit das Übertragen der gewünschten Verstellbewegung auf ein Abtriebselement 10 (Bewegung in 2d nach rechts).The four bimorph elements 6 to 9 are electrically coupled so that every fourth electrode, that is, the electrodes of every second bimorph element, are connected to one another. So is the electrode connected to the power supply C. 61 with the electrode 81 connected, the electrode connected to the voltage supply D. 62 to the electrode 82 etc. This ensures that the bimorph elements 6 and 8th on the one hand and the bimorph elements 7 and 9 on the other hand, move in the same way and in synchronism. Accordingly, the respective centers of the free ends of the bimorph elements describe the in 2d shown elliptical trajectory (clockwise movement) and thus transfer the desired adjustment movement to an output element 10 (Movement in 2d to the right).

Wie aus den Bahnkurvenverläufen ersichtlich, ist es für ein wirkungsvolles Angreifen der Bimorphelemente 6 bis 9 am Abtriebselement 10 besonders zweckmäßig, wenn durch eine nicht dargestellte Feder entweder das Abtriebselement in Richtung der Verstelleinrichtung 5 oder diese in Richtung des Abtriebselementes 10 gedrückt werden, wodurch eine ständige Wirkverbindung mit dem Abtriebselement sichergestellt wird.As can be seen from the trajectory, it is for an effective attack on the bimorph elements 6 to 9 on the output element 10 Particularly useful if either the output element in the direction of the adjusting device by a spring, not shown 5 or this in the direction of the output element 10 are pressed, thereby ensuring a permanent operative connection with the output element.

In 2c ist in Draufsicht noch einmal verdeutlicht, wie die jeweiligen Elektroden der Bimorphelemente 6 bis 9 mit der jeweiligen Spannungszufuhr C, D, E und F verbunden sind, wahrend die Rückseiten der Bimorphelemente, auf die die Nulleiterschichten 63, 73, 83 und 91 aufgedampft sind, miteinander verbunden sind.In 2c is again shown in plan view, like the respective electrodes of the bimorph elements 6 to 9 are connected to the respective voltage supply C, D, E and F, while the rear sides of the bimorph elements on which the neutral layers are 63 . 73 . 83 and 91 are evaporated, connected.

In den 3a bis 3c ist eine weitere Verstelleinrichtung 15 in verschiedenen Ansichten dargestellt, die aus an einer gemeinsamen Basis 12 angeordneten Bimorphelementen 16, 17, 18 und 19 besteht, auf die jeweils vier Elektroden 161 bis 164, 171 bis 174, 181 bis 184 und 191 bis 194 aufgedampft sind. Durch die zusätzlichen Elektrodenpaare, die an von Spannungsquellen G, N, I und J der ersten Elektrodenpaaren getrennten Spannungsquellen K, L, M und N angeschlossen sind, ist es nun möglich, beispielsweise die Elektroden 161 und 162 gleichsinnig zu beaufschlagen, während die Elektroden 163 und 164 mit einer phasenverschobenen Spannung angeregt werden, wodurch eine Verbiegung des Bimorphelementes 16 in Dickenrichtung (das heißt in 3c nach oben/unten) erzeugt werden kann. Diese Bewegung ist insbesondere bei den in 3d dargestellten Angriffsverhältnissen erforderlich, wobei sich die Verstelleinrichtung 15 zu einer Unterlage 100 parallel erstreckt und auf dieser entlangläuft, also die Verstellbewegung nicht eine Bewegungsübertragung auf das Abtriebselement erzeugt, sondern die Verstelleinrichtung 15 sich in die gewünschte Richtung bewegt, wobei allerdings die elektrischen Anschlüsse bei der Bewegung der Verstelleinrichtung mitgeführt werden müssen, jedoch auch eine – allerdings technisch aufwendige – Fernsteuerung denkbar wäre.In the 3a to 3c is another adjustment device 15 Darge in different views puts out on a common basis 12 arranged bimorph elements 16 . 17 . 18 and 19 consists of four electrodes each 161 to 164 . 171 to 174 . 181 to 184 and 191 to 194 are evaporated. The additional electrode pairs which are connected to voltage sources K, L, M and N separated from voltage sources G, N, I and J of the first electrode pairs now make it possible, for example the electrodes 161 and 162 to act in the same direction while the electrodes 163 and 164 are excited with a phase-shifted voltage, causing a bending of the bimorph element 16 in the thickness direction (i.e. in 3c up / down) can be generated. This movement is particularly in the in 3d shown attack conditions required, the adjusting device 15 to a document 100 extends in parallel and runs along it, that is to say the adjustment movement does not produce a transmission of motion to the output element, but rather the adjustment device 15 moves in the desired direction, although the electrical connections must be carried when the adjustment device is moved, but a remote control, albeit a technically complex one, would also be conceivable.

Der in den 3a bis 3c dargestellte Verstellantrieb 15 wird insbesondere dadurch noch verbessert, daß die Anzahl der Bimorphelemente verdoppelt wird und sich zusätzliche Bimorphelemente 25, 26, 27 und 28 symmetrisch zu einem Kammsteg 29 entgegengesetzt zu Bimorphelementen 21 bis 24 erstrecken, die den Bimorphelementen 16 bis 19 aus 3 entsprechen. Eine solche Verstelleinrichtung 30, die ebenfalls als Läufer arbeitet, ist in 4 dargestellt. Dort ist auch die seitliche Auslenkung der gleichmäßig in zwei Gruppen aufgeteilten Bimorphelemente 21 bis 28 erkennbar. Wie schon bei der Verstelleinrichtung 15 aus 3 ist auch hier die Spannungsbeaufschlagung der jeweiligen Bimorphelemente so aufeinander abzustimmen, daß sowohl eine Bewegung der freien Enden der Bimorphelemente in Querrichtung – wodurch die Verstellbewegung erzeugt wird – als auch eine Bewegung der Enden in Dickenrichtung – die zum Herstellen und Aufheben der Wirkverbindung dient – durchgeführt werden kann.The one in the 3a to 3c shown actuator 15 is particularly improved in that the number of bimorph elements is doubled and additional bimorph elements 25 . 26 . 27 and 28 symmetrical to a ridge 29 extend opposite to bimorph elements 21 to 24, which are the bimorph elements 16 to 19 out 3 correspond. Such an adjustment device 30 , who also works as a runner, is in 4 shown. There is also the lateral deflection of the bimorph elements, which are evenly divided into two groups 21 to 28 recognizable. As with the adjustment device 15 out 3 Here too, the voltage applied to the respective bimorph elements must be coordinated so that both a movement of the free ends of the bimorph elements in the transverse direction - which produces the adjustment movement - and a movement of the ends in the thickness direction - which serves to establish and remove the operative connection - are carried out can.

In 5 schließlich ist eine Verstelleinrichtung 50 dargestellt, die zwei Gruppen von Bimorphelementen 41 bis 46 und 51 bis 56 aufweist, wobei die Bimorphelemente 41 bis 46 jeweils zueinander parallel verlaufen, ihre Erstreckungsrichtung aber senkrecht zu den ebenfalls zueinander parallel verlaufenden Bimorphelementen 51 bis 56 ist. Eine solche Anordnung hat den großen Vorteil, daß nicht nur das Bewegen in eine Richtung – wie dies beim Läufer 30 aus 4 der Fall ist – sondern vielmehr auch eine Bewegung in eine zweite Koordinatenrichtung und somit alle Arten von Bewegungen in einer zur jeweiligen Auflagefläche parallelen Ebene möglich sind. Demgemäß können mit einem solchen Läufer 50 nicht nur zueinander senkrechte gerade Bewegungen, sondern auch alle beliebigen Kurvenbewegungen durchgefuhrt werden.In 5 after all is an adjuster 50 shown the two groups of bimorph elements 41 to 46 and 51 to 56 has, wherein the bimorph elements 41 to 46 each run parallel to one another, but their direction of extension is perpendicular to the bimorph elements, which also run parallel to one another 51 to 56 is. Such an arrangement has the great advantage that not only moving in one direction - as is the case with the runner 30 out 4 the case is - but rather a movement in a second coordinate direction and thus all types of movements in a plane parallel to the respective contact surface are possible. Accordingly, with such a runner 50 not only straight movements perpendicular to each other, but also any curve movements can be carried out.

Für alle Verstelleinrichtungen bzw. Läufer ist es sinnvoll, anstatt einer massiven Piezokeramikplatte einen Multilayer-Aufbau aus vielen dünnen Keramikschichten zu verwenden: Während bei der Plattenform mit üblicherweise 1 mm Dicke bei einem Ausführungsbeispiel 500 bis 1000 Volt benötigt werden, so verringert sich bei einem Aufbau aus einer Vielzahl entsprechend dünnerer Schichten die benötigte Spannung etwa um den Faktor 10. Beispielhaft sei für die ellipsenförmigen Bahnkurven, die aus einer solchen Spannungsbeaufschlagung resultieren und vom freien Ende eines Bimorphelementes beschrieben werden, eine Hubdifferenz von etwa 1,5 μm und eine seitliche Auslenkungsdifferenz – die für die Zustellbewegung benutzt wird – von 10 μm aufgeführt.For it makes sense to use all adjustment devices or runners instead a solid piezoceramic plate a multilayer structure made up of many thin Ceramic layers to use: While with the plate shape with usually 1 mm thickness in one embodiment 500 to 1000 volts required are reduced accordingly in the case of a structure composed of a large number thinner Layers the needed Tension about a factor of 10. For example, for the elliptical trajectories, that result from such stress and from free end of a bimorph element are described, a stroke difference of about 1.5 μm and a lateral deflection difference - used for the infeed movement will - from 10 μm listed.

Claims (12)

Verstelleinrichtung mit Piezoantrieb, insbesondere für feinmechanischoptische Geräte, bestehend aus zumindest einem Piezoschwinger, der durch Anlegen unterschiedlich gesteuerter elektrischer Spannungen eine Längenänderung erfährt und abwechselnd über sein freies Ende mit einem Abtriebselement (10, 100) in Wirkverbindung gelangt derart, daß bei bestehender Wirkverbindung eine Bewegungsübertragung auf das Abtriebselement erfolgt, wogegen bei aufgehobener Wirkverbindung der Piezoschwinger im Bereich seines freien Endes eine Rückstellung zur Vorbereitung der nächsten Bewegungsübertragung erfährt, so daß das Abtriebselement die Verstellbewegung in der gewünschten Richtung durchführt, wobei der Piezoschwinger zwei Aktoren aufweist, die parallel unmittelbar nebeneinander und in Antriebsrichtung hintereinander angeordnet ein Bimorphelement (1, 69, 16 - 19, 2128, 4146, 5156) bilden, die zwei Aktoren sich etwa senkrecht zur gewünschten Bewegungsrichtung erstrecken und elektrisch voneinander entkoppelt und getrennt ansteuerbar sind, derart daß unter Ausnutzung einer unterschiedlichen Dehnung der zwei Aktoren des Piezoschwingers deren Verbiegung und somit eine Bahnkurve in Längs- und Querrichtung des Bimorphelements erzeugt wird, wobei die Rückstellung aktiv unter Abheben vom Abtriebselement erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Bimorphelement aus einer einstöckigen Piezokeramik oder einer Multilayer-Piezokeramik besteht, wobei zur Bildung der zwei Aktoren auf eine Seite der den zwei Aktoren gemeinsamen Keramik zwei parallel verlaufende, elektrisch entkoppelte Elektroden (2, 3; 61, 62;...; 91, 92; 161, 162;...; 191, 192) und auf der gegenüberliegenden Seite der Keramik entweder eine Nullleiterelektrode (63, 73, 83, 93) oder ein weiteres Elektrodenpaar (163, 164;...; 193, 194) aufgedampft sind.Adjustment device with piezo drive, in particular for fine mechanical optical devices, consisting of at least one piezo oscillator, which experiences a change in length due to the application of differently controlled electrical voltages and alternately via its free end with an output element ( 10 . 100 ) comes into operative connection in such a way that when there is an active connection there is a movement transmission to the output element, whereas when the active connection is released, the piezo oscillator in the area of its free end is reset to prepare for the next movement transmission, so that the output element carries out the adjustment movement in the desired direction, whereby the piezo oscillator has two actuators, which are arranged in parallel next to each other and one behind the other in the drive direction a bimorph element ( 1 . 6 - 9 . 16 - 19 . 21 - 28 . 41 - 46 . 51 - 56 ) form, the two actuators extend approximately perpendicular to the desired direction of movement and are electrically decoupled from one another and can be controlled separately, such that, using a different expansion of the two actuators of the piezo oscillator, their bending and thus a trajectory in the longitudinal and transverse directions of the bimorph element are generated, the resetting takes place actively while lifting off the driven element, characterized in that the bimorph element consists of a one-tier piezoceramic or a multilayer piezoceramic, two electrically running electrodes (running parallel) running on one side of the ceramic common to the two actuators ( 2 . 3 ; 61 . 62 ; ...; 91 . 92 ; 161 . 162 ; ...; 191 . 192 ) and on the opposite side of the ceramic either a neutral electrode ( 63 . 73 . 83 . 93 ) or another pair of electrodes ( 163 . 164 ; ...; 193 . 194 ) have evaporated. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsverläufe an den jeweiligen Elektroden der beiden Aktoren eines Bimorphelements (1, 69, 1619, 2128, 4146, 5156) um etwa 90° phasenverschoben sind.Adjusting device according to claim 1, characterized in that the voltage profiles at the respective electrodes of the two actuators of a bimorph element ( 1 . 6 - 9 . 16 - 19 . 21 - 28 . 41 - 46 . 51 - 56 ) are out of phase by about 90 °. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Bimorphelemente (69, 1619, 2128, 4146, 5156) vorgesehen sind, von denen jeweils im Wechsel ein Teil die Bewegungsübertragung auf das Abtriebselement (10, 100) und der andere Teil die Rückstellung durchführt.Adjusting device according to claim 1, characterized in that several bimorph elements ( 6 - 9 . 16 - 19 . 21 - 28 . 41 - 46 . 51 - 56 ) are provided, some of which alternately transfer the movement to the output element ( 10 . 100 ) and the other part carries out the reset. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimorphelemente (69, 1619, 2128, 4146, 5156) an eine Steuerung angeschlossen sind, die die Wirkverbindung eines jeden Bimorphelements mit dem Abtriebselement (10, 100) erst dann aufhebt, nachdem die Wirkverbindung des Abtriebselements mit dem anderen Bimorphelement hergestellt ist.Adjusting device according to claim 1, characterized in that the bimorph elements ( 6 - 9 . 16 - 19 . 21 - 28 . 41 - 46 . 51 - 56 ) are connected to a controller that connects the active connection of each bimorph element with the output element ( 10 . 100 ) is only canceled after the operative connection of the output element to the other bimorph element has been established. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimorphelemente mit gleichen, zeitlich versetzten Spannungsverläufen (A – B, C – F, G – J, K – N) beaufschlagt sind.Adjusting device according to claim 1, characterized in that that the Bimorph elements are subjected to the same, temporally staggered voltage profiles (A - B, C - F, G - J, K - N) are. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Bimorphelemente einwirkenden Spannungen eine Frequenz aufweisen, die quasistatischen Betrieb ermöglichen und unterhalb des Ultraschallfrequenzbereichs liegen können.Adjusting device according to claim 1, characterized in that that the voltages acting on the bimorph elements have a frequency, enable quasi-static operation and can be below the ultrasonic frequency range. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimorphelemente über ihre Stirnflächen in Wirkverbindung mit dem Abtriebselement (10, 100) gelangen.Adjusting device according to claim 1, characterized in that the bimorph elements are operatively connected via their end faces to the driven element ( 10 . 100 ) reach. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimorphelemente über ihre im Bereich des freien Endes liegenden Seitenflächen in Wirkverbindung mit dem Abtriebselement (10, 100) gelangen.Adjusting device according to claim 1, characterized in that the bimorph elements are operatively connected to the output element (1) via their side surfaces lying in the region of the free end. 10 . 100 ) reach. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den beiden ein Bimorphelement bildenden Aktoren ein weiteres Aktorenpaar vorgesehen ist, das in Antriebsrichtung des ersten Aktorenpaars parallel daneben angeordnet und mit diesem unter Bildung eines Doppelbimorphelements (1619, 2128, 4146, 5156) fest verbunden ist.Adjusting device according to claim 1, characterized in that in addition to the two actuators forming a bimorph element, a further pair of actuators is provided, which is arranged parallel to it in the drive direction of the first actuator pair and with this to form a double bimorph element ( 16 - 19 . 21 - 28 . 41 - 46 . 51 - 56 ) is firmly connected. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den zumindest zwei zueinander parallelen Bimorphelementen (41 - 46) zumindest zwei weitere Bimorphelemente (5156) vorgesehen sind, die sich in der gleichen Ebene und senkrecht zu den ersten Bimorphelementen erstrecken und ebenfalls zueinander parallel sind.Adjusting device according to claim 1, characterized in that in addition to the at least two mutually parallel bimorph elements (41 - 46 ) at least two other bimorph elements ( 51 - 56 ) are provided which extend in the same plane and perpendicular to the first bimorph elements and are also parallel to one another. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimorphelemente (69, 1619, 2128, 4146, 5156) durch zumindest ein Federelement in Wirkverbindung mit dem Abtriebselement (10), 100) bringbar und die Wirkverbindung jedes Bimorphelements durch Spannungsbeaufschlagung aufhebbar ist.Adjusting device according to claim 1, characterized in that the bimorph elements ( 6 - 9 . 16 - 19 . 21 - 28 . 41 - 46 . 51 - 56 ) by at least one spring element in operative connection with the output element ( 10 ) 100 ) can be brought and the operative connection of each bimorph element can be canceled by applying voltage. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimorphelemente mit einer gemeinsamen Basis (11, 12, 29 und 49) verbunden sind.Adjusting device according to claim 1, characterized in that the bimorph elements have a common base ( 11 . 12 . 29 and 49 ) are connected.
DE4408618A 1994-03-15 1994-03-15 Adjustment drive made of bimorph elements Expired - Lifetime DE4408618B4 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4408618A DE4408618B4 (en) 1994-03-15 1994-03-15 Adjustment drive made of bimorph elements

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4408618A DE4408618B4 (en) 1994-03-15 1994-03-15 Adjustment drive made of bimorph elements

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE4408618A1 DE4408618A1 (en) 1995-09-21
DE4408618B4 true DE4408618B4 (en) 2004-04-22

Family

ID=6512750

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE4408618A Expired - Lifetime DE4408618B4 (en) 1994-03-15 1994-03-15 Adjustment drive made of bimorph elements

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE4408618B4 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014225584A1 (en) 2014-02-20 2015-08-20 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Piezoelectric linear motor

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6586859B2 (en) 2000-04-05 2003-07-01 Sri International Electroactive polymer animated devices
SE0002885D0 (en) 2000-08-11 2000-08-11 Piezomotor Uppsala Ab Fine walking actuator
SE0002884D0 (en) 2000-08-11 2000-08-11 Piezomotor Uppsala Ab Switched actuator control
US7067958B2 (en) 2004-02-17 2006-06-27 Piezomotor Uppsala Ab Wide frequency range electromechanical actuator
US7952261B2 (en) 2007-06-29 2011-05-31 Bayer Materialscience Ag Electroactive polymer transducers for sensory feedback applications
EP2239793A1 (en) 2009-04-11 2010-10-13 Bayer MaterialScience AG Electrically switchable polymer film structure and use thereof
KR20140008416A (en) 2011-03-01 2014-01-21 바이엘 인텔렉쳐 프로퍼티 게엠베하 Automated manufacturing processes for producing deformable polymer devices and films
WO2012129357A2 (en) 2011-03-22 2012-09-27 Bayer Materialscience Ag Electroactive polymer actuator lenticular system
EP2828901B1 (en) 2012-03-21 2017-01-04 Parker Hannifin Corporation Roll-to-roll manufacturing processes for producing self-healing electroactive polymer devices
KR20150031285A (en) 2012-06-18 2015-03-23 바이엘 인텔렉쳐 프로퍼티 게엠베하 Stretch frame for stretching process
US9590193B2 (en) 2012-10-24 2017-03-07 Parker-Hannifin Corporation Polymer diode
DE102012221891B3 (en) * 2012-11-29 2014-02-13 Picofine GmbH Non-resonant driving method for e.g. linear positioning of object using piezoelectric actuator, involves accelerating or canceling friction force at contact unit by varying distance between friction surface and mass of contact unit
DE102014221001A1 (en) 2014-10-16 2016-04-21 Picofine GmbH Drive device and method for linear and / or rotational positioning

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1488698B2 (en) * 1965-08-05 1973-04-12 Siemens AG, 1000 Berlin u. 8000 München ELECTRICAL DRIVE DEVICE, IN PARTICULAR DRIVE DEVICE FOR A SMALL MECHANICAL PAYLOAD
SU858151A1 (en) * 1979-12-03 1981-08-23 Каунасский Политехнический Институт Им.Антанаса Снечкуса Vibromotor
SU1030045A2 (en) * 1979-11-11 1983-07-23 Челябинский Политехнический Институт Им.Ленинского Комсомола Piezoelectric transducer
DE3309239A1 (en) * 1983-03-15 1984-09-20 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München Piezo-electric motor
US4523120A (en) * 1984-06-04 1985-06-11 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Precise bearing support ditherer with piezoelectric drive means
US4613782A (en) * 1984-03-23 1986-09-23 Hitachi, Ltd. Actuator
US4742260A (en) * 1986-02-06 1988-05-03 Hiroshi Shimizu Piezoelectrically driving device
DE3518055C2 (en) * 1984-05-21 1993-02-04 Murata Mfg. Co., Ltd., Nagaokakyo, Kyoto, Jp
DE4133108A1 (en) * 1991-10-05 1993-04-08 Philips Patentverwaltung ELECTRIC ROTATIONAL OR LINEAR MOTOR WHOSE RUNNER IS DRIVEN BY MEANS OF ULTRASONIC VIBRATIONS
DE4303424A1 (en) * 1992-02-06 1993-08-12 Murata Manufacturing Co Piezoelectric bimorph actuator e.g. for camera shutter - has piezoceramic plates secured to both sides of alloy electrode plate with thicknesses chosen in relation to elastic moduli

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1488698B2 (en) * 1965-08-05 1973-04-12 Siemens AG, 1000 Berlin u. 8000 München ELECTRICAL DRIVE DEVICE, IN PARTICULAR DRIVE DEVICE FOR A SMALL MECHANICAL PAYLOAD
SU1030045A2 (en) * 1979-11-11 1983-07-23 Челябинский Политехнический Институт Им.Ленинского Комсомола Piezoelectric transducer
SU858151A1 (en) * 1979-12-03 1981-08-23 Каунасский Политехнический Институт Им.Антанаса Снечкуса Vibromotor
DE3309239A1 (en) * 1983-03-15 1984-09-20 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München Piezo-electric motor
US4613782A (en) * 1984-03-23 1986-09-23 Hitachi, Ltd. Actuator
DE3518055C2 (en) * 1984-05-21 1993-02-04 Murata Mfg. Co., Ltd., Nagaokakyo, Kyoto, Jp
US4523120A (en) * 1984-06-04 1985-06-11 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Precise bearing support ditherer with piezoelectric drive means
US4742260A (en) * 1986-02-06 1988-05-03 Hiroshi Shimizu Piezoelectrically driving device
DE4133108A1 (en) * 1991-10-05 1993-04-08 Philips Patentverwaltung ELECTRIC ROTATIONAL OR LINEAR MOTOR WHOSE RUNNER IS DRIVEN BY MEANS OF ULTRASONIC VIBRATIONS
DE4303424A1 (en) * 1992-02-06 1993-08-12 Murata Manufacturing Co Piezoelectric bimorph actuator e.g. for camera shutter - has piezoceramic plates secured to both sides of alloy electrode plate with thicknesses chosen in relation to elastic moduli

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
3-112373 A., E-1098,Aug. 8,1991,Vol.15,No.311
3-112373 A., E-1098,Aug. 8,1991,Vol.15,No.311 *
JP Patents Abstracts of Japan: 3-261379 A., E-1168,Febr.19,1992,Vol.16,No. 67 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014225584A1 (en) 2014-02-20 2015-08-20 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Piezoelectric linear motor

Also Published As

Publication number Publication date
DE4408618A1 (en) 1995-09-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0811252B1 (en) Ultrasonic driving element
DE69932359T2 (en) MULTILAYER PIEZOELECTRIC ENGINE
EP0799502B1 (en) Piezoelectrically actuated driving or adjusting element
DE4408618B4 (en) Adjustment drive made of bimorph elements
EP2209202B1 (en) Method for operating a piezo linear drive with a group of piezo stack actuators
DE102016104803B4 (en) Piezoelectric stepping drive
CH696993A5 (en) Piezoelectric drive unit positioning optical component, has resonator connecting pair of arms which oscillate to and from each other, causing movement along shaft
EP3172826B1 (en) Ultrasonic motor
DE3710874A1 (en) ULTRASONIC VIBRATION GENERATOR AND METHOD FOR ITS DRIVE CONTROL
EP2013965A1 (en) Piezoelectric motor to be used as a vehicle drive system, actuator, and similar
DE102018104928B3 (en) ultrasonic motor
DE102006020553A1 (en) Piezoelectric vibrator and ultrasonic motor with piezoelectric vibrator
DE3309239A1 (en) Piezo-electric motor
DE3423884A1 (en) VIBRATION SHAFT MOTOR
DE102013110356B4 (en) ultrasonic actuator
EP2084758A1 (en) Inertia drive device
DE2441588C2 (en) Magnetic positioning device with two linear stepper motors
EP2824824A1 (en) Drive device
DE3833342A1 (en) Piezoelectric motor
EP3301730B1 (en) Energy converter device
DE112010005916B4 (en) Electromechanical actuator
DE19710601C2 (en) Motion generator
DE102013203836B4 (en) Piezoelectric ultrasonic vibration element and its use
DE102013101020A1 (en) Ultrasonic actuator installed in ultrasonic motor for generating asymmetric acoustic bending-shear standing wave, has generators that are arranged asymmetrically with respect to plane of symmetry for generating asymmetric standing wave
DE60021659T2 (en) Movement mechanism with piezoelectric drive

Legal Events

Date Code Title Description
OM8 Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law
8110 Request for examination paragraph 44
8364 No opposition during term of opposition
8327 Change in the person/name/address of the patent owner

Owner name: PHYSIK INSTRUMENTE (PI) GMBH & CO. KG, 76228 K, DE

R071 Expiry of right
R071 Expiry of right