Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Positionie¬ reinheit gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft ins¬ besondere eine Positioniereinheit als Trägheitsantrieb mit mindestens einem, vorzugsweise rohrförmigen, piezoelektrischen Aktuator mit beweglichem Läufer. Der Aktuator besitzt Elektro¬ den zum Anschluß an variable Spannungen mit deren Hilfe der Läufer elektrisch kontrollierbar zu bewegen ist. Gegebenen¬ falls soll sich der Läufer an oder in diesem Piezo-Aktuator in Richtung der Piezobewegungen entlang einer vorzugsweise rohr¬ förmigen Reibungsoberfläche bewegen.

Positioniereinheiten dieser Art mit Nano eter-Präzision, die aktiviert durch Piezo-Aktuatoren auf dem Prinzip des Träg¬ heitsantriebs beruhen, werden mit bis zu atomarer Auflösung als Positionierer, Analysegerät (z.B. Rastersondenmikroskop) und Werkzeug in der Mikro- und Nanotechnologie eingesetzt. Bei diesen Trägheitsantrieben wird die Verschiebung eines Läufers relativ zu der Reibungsoberfläche dadurch erreicht, daß bei starker Beschleunigung der Reibungsoberf äche die Trägheits¬ kraft des Läufers größer wird als die Haftreibungskraft, so daß der Läufer der Bewegung der Reibungsoberfläche nicht mehr folgt.

Eine besonders kompakte Form der Positioniereinheit bilden die einachsigen Trägheitsantriebe, wie sie in DE 38 22 504 AI, in PCT/EP 93/02414 und in Review Sei. Instr. 63 (1) (Jan. 1992, Seiten 263/264) beschrieben werden. Hiernach wird mit Hilfe eines oder mehrerer Piezo-Aktuatoren eine Reibungsoberfläche schnell und langsam bewegt. Diese Reibungsoberfläche um¬ schließt einigermaßen gleichmäßig, insbesondere rohrförmig, den Läufer.

In DE 38 22 504 AI wird ein Mikromanipulator mit mehreren Läu¬ fern, die das jeweilige Objekt zugleich stützen und bewegen sollen, beschrieben. Die Läufer mit den daran anschließenden, das Objekt unmittelbar aufnehmenden Auflageköpfen sollen pie¬ zoelektrisch in einer rohrförmigen Reibungsoberfläche ver¬ stellbar sein. Die Haftreibung dieser Läufer, die im Bekannten eine massive, zylinder-stempelartige Form besitzen und flexi¬ bel biegbare Elemente nicht aufweisen, läßt sich jedoch nicht justieren.

Der in der Positioniereinheit nach PCT/EP 93/02414 beschriebe¬ ne Läufer ("low-mass support means") hat eine draht-ähnliche Form und ist über diese flexibel biegbare Form in der Stärke seiner Reibungshaftung in geringen Grenzen justierbar, das heißt nur in einem engen Verbiegungsbereich läßt sich eine sinnvolle Reibungshaftung einstellen. Diese Läuferform erlaubt nur dann eine Trägheitsantriebs- Bewegung, wenn die Reibungs¬ haftung sehr klein ist. Daher lassen sich im Bekannten eine Meßspitze, z.B. die Spitze eines Rastertunnelmikroskops, nicht jedoch schwerere Objekte, bewegen. Auch können mit diesem Läu¬ fer nur extrem geringe Kräfte ausgeübt werden, da diese Kräfte limitiert werden durch die Stärke der Haftreibung.

Weiterhin sind die auf den Läufer nach PCT/EP93/02414 auszu¬ übenden Kräfte auch beschränkt durch die Leistungsgrenze des Piezo-Aktuators. Der Übergang von der Haftung zum Gleiten hängt - neben den durch die verwendeten Oberflächen festgeleg¬ ten unterschiedlichen Reibungskoeffizienten - wesentlich von der Stärke der über mindestens einen Piezo-Aktuator auf die Reibungs-Oberfläche übertragenen Pulsform und der Masse des Läufers ab. Da Piezo-Aktuatoren bei Anlegen von hohen Spannun¬ gen (ab ca. einigen 100 Volt) depolarisieren und dann keine Ausdehnungsbewegungen mehr vollziehen, ist der Einspeisung von Energie in den Trägheitsantrieb eine Obergrenze gesetzt.

In der Zeitschrift "Review Sei. Instr." 63 (1), Jan. 1992, Seiten 263/264, wird ein Läufer beschrieben, der aus den bei¬ den Hälften eines längsgeteilten Zylinderstabs besteht, wobei

die beiden Zylinderhälften in einem als Rohr ausgebildeten Piezo-Aktuator durch Reibungskräfte gehalten werden sollen. Zu diesem Zweck wird zwischen die beiden Zylinderhälften eine Fe¬ der eingesetzt, deren Federkraft gerade so groß ist, daß die den Läufer bildenden Zylinderteile nicht aus dem Rohr heraus¬ fallen und trotzdem durch Piezo-Kräfte in Längsrichtung des Rohrs zu bewegen sind. Im Bekannten ist es also außerordent¬ lich schwierig, die Feder mechanisch so zu justieren, daß die Läuferhälften gerade durch Piezo-Kräfte in Längsrichtung des Rohrs zu bewegen sind. Der mechanische Aufbau des Läufers mit zwei Zylinderhälften und dazwischen liegenden diffizil zu ju¬ stierenden mechanischen Federn ist so kompliziert, daß lichte Weiten für den Piezo-Aktuator von 19 bis 20 mm in der Praxis kaum zu unterschreiten sind. Durch die Größe der ganzen Vor¬ richtung wird diese gegenüber äußeren mechanischen Störungen, wie Trittschall, so empfindlich, daß ein Positionieren von Ob¬ jekten bis zu atomarer Präzision normalerweise, das heißt z.B. ohne besondere Schwingungsdämpfersysteme, ausgeschlossen ist.

Ein praktischer Einsatz als Positioniereinheit setzt aber vor¬ aus, daß der Antrieb fehlertolerant gegen Variationen der Rei¬ bungshaftung ist, welche z.B. durch Alterung, Staub, Korrosion des Läufers, Änderung der Federkonstante, usw. auftritt. Diese Fehlertoleranz ist bei der Einheit nach der Zeitschrift Review Sei. Instr. 63 (1) nicht gegeben. In dieser Veröffentlichung konnte eine Bewegung des Läufers gegen die Schwerkraft nur er¬ folgen, wenn die "Piezoelectric ceramics" mit hohen Spannungen größer 50 Volt betrieben wurden. Ein Einsatz gegen größere Kräfte als die Schwerkraft ist damit ausgeschlossen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile obiger Läuferformen zu beseitigen und dadurch einen einachsigen Träg¬ heitsantrieb zu ermöglichen, der in seinem Vorschub pro An¬ triebspuls mit bequem einzuhaltender Toleranz justierbar ist, größere Lasten bewegen kann und hohe Kräfte auf Objekte aus¬ üben bzw. übertragen kann sowie ohne Abschirmung gegenüber üb¬ lichen mechanischen Störungen, das heißt im normalen Labor, Zentimeter-(cm)-Bewegungen mit Nanometer-(nm)-Genauigkeit aus-

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führen kann. Schließlich soll für den Positionierer auch die Leistungsbegrenzung überwunden werden, die sich aus der Ober¬ grenze für die Einspeisung von Energie in den Trägheitsantrieb ergibt. Die erfindungsgemäße Lösung wird im Patentanspruch 1 angegeben. Verbesserungen und weitere Ausgestaltungen der Er¬ findung werden in den übrigen Ansprüchen beschrieben.

Der erfindungsgemäße Läufer ist einteilig, das bedeutet die ihn bildenden Masse- und Biegeeinheiten erscheinen im Ergeb¬ nis zu einem Körper zusammengefügt. Die einzelnen Massenein¬ heiten und die einzelnen Biegeeinheiten können jedoch getrennt und unabhängig voneinander hergestellt sein. Bevorzugt ist auch eine Herstellung von vornherein bereits aus einem einzi¬ gen Körper.

Mit Hilfe von mindestens einer der flexibel biegbaren Einhei¬ ten kann der Andruck des Läufers an die Reibungsoberfläche durch vorspannendes Verbiegen schnell justiert werden. Dadurch kann die Stärke der Haftreibung in einem großen Bereich vari¬ iert werden.

Der erfindungsgemäße einteilige Läufer umfaßt mindestens eine in erster Linie flexible verformbare Biegeeinheit und minde¬ stens eine in erster Linie schwere Masseeinheit. Theoretisch könnte die Biegeeinheit auch schwer sein, wenn sie trotzdem relativ zur Masseeinheit flexibel auszubilden wäre, oder theo¬ retisch könnte die Masseeinheit auch flexibel sein, wenn sie trotzdem relativ zur Biegeeinheit schwer wäre. Bei den bekann¬ ten festen Stoffen schließen sich jedoch Extremwerte von Masse und Flexibilität gegenseitig aus.

Wie gesagt, ist bei Piezo-Aktuatoren der Einspeisung von Ener¬ gie in den Trägheitsantrieb eine Obergrenze gesetzt. Auch die¬ sem Problem wird erfindungsgemäß durch die in den Läufer ein¬ teilig integrierte Masseeinheit begegnet, so daß trotz der Obergrenze der (sinnvollen) Energieaufnahme ein in der Wirkung leistungsstarker Piezo-Antrieb erhalten wird. Durch die Erfin¬ dung wird also der Wirkungsgrad des Piezo-Aktuators - im Prin-

zip - deutlich verbessert. So kann bei passend gewählter elek¬ trischer Pulsform eine hohe Läufermasse synchron zur Piezobe- wegung beschleunigt werden, die aufgrund ihrer hohen Trägheit bei schneller Änderung der Piezobewegung auch dann noch in das Gleiten übergeht, wenn die Haftreibung mit Hilfe der flexiblen Biegeeinheit sehr stark eingestellt wurde.

Die hohe Trägheitsmasse und die hoch einstellbare Haftreibung haben gemeinsam mehrere Vorteile zur Folge:

a. Mit dem erfindungsgemäßen Läufer lassen sich auch Objek¬ te höherer Masse transportieren. b. Die mit dem erfindungsgemäßen Positionierer ausübbaren Kräfte sind bei stark eingestellter Haftreibung sehr hoch. c. Durch diese Robustheit funktioniert der erfindungsgemäße Positionierer in einem weiten Verbiegungsbereich der flexiblen Biegeeinheit des Läufers, das heißt die Läu¬ ferjustage ist extrem fehlertolerant und unempfindlich gegen Änderungen im Betrieb (Verschmutzung, Feuchtig¬ keit, Korrosion, usw.), welche wie eine Änderung der Haftreibung des Läufers wirken. d. Für die Bewegung des erfindungsgemäßen Läufers genügt das Anlegen von kleinen Spannungen in der Größenordnung ± 10 Volt an den/die Piezo Aktuator(en), so daß im Ge¬ gensatz zu vielen herkömmlichen Trägheitsantrieben kei¬ ne Hochspannung zum Betrieb notwendig ist, was die Handhabung erheblich erleichtert. e. Weiterer Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit, durch die Justage des Andrucks über die flexible Bie¬ geeinheit des Läufers an die Reibungsoberfläche die Strecke der Relativbewegung zwischen Läufer und Piezo- Aktuator pro angelegter elektrischer Impulsform einzu¬ stellen. Damit kann insbesondere die Strecke der Rela¬ tivbewegung kleiner gehalten werden als der Stellbereich des Piezo-Aktuators, so daß auch bei großen Verstellbe¬ reichen im mm- bis cm-Bereich jede Position mit bis zu atomarer Genauigkeit erreicht werden kann.

f. Durch die Robustheit des erfindungsgemäßen Positionie¬ rers bewegt sich der Läufer gleichmäßig und reproduzier¬ bar mit Geschwindigkeiten bis in die Größenordnung Mil¬ limeter pro Sekunde.

Die Stärke der Reibung zwischen der Reibungsoberfläche und dem Läufer hängt neben den oben genannten Mechanismen auch von der Größe und Beschaffenheit der Läufer-Kontaktfläche ab. Die¬ ser Parameter ist bei der Fertigung wählbar und bleibt dann eine Konstante, die den Justagebereich für die flexible Bie¬ geeinheit des Läufers festlegt. Erreichbar ist dies, wenn min¬ destens eine der Masseeinheiten aus einem Körper mit derartig geformter Oberfläche besteht, daß die Größe der an der Rei¬ bungsoberfläche anliegenden Fläche durch diese Oberflächenform wählbar ist und/oder daß der oder die Masseeinheiten aus un¬ terschiedlichen Materialien bestehen und Löcher enthalten kön¬ nen.

Die Anforderungen, die an die flexible Biegeeinheit des Läu¬ fers gestellt werden, erfüllt ein elastisch dünner Draht, wie er für sich allein in PCT/EP 93/02414 vorgeschlagen wird. Ebenso kann eine flexibel biegbare Einheit auch dadurch ent¬ stehen, daß eine Masseeinheit an mindestens einer Stelle so weit ausgedünnt wird, daß an dieser Stelle eine Biegbarkeit entsteht, die einer gesonderten flexiblen Biegeeinheit ent¬ spricht. Diese Konstruktion hat den Vorteil, daß die Fertigung in einem Stück möglich ist und Nahtstellen zwischen unter¬ schiedlichen Materialien wegfallen können.

Gemäß noch weiterer Erfindung kann an oder in dem Läufer ein Objekt befestigt werden, welches mit dem Läufer mit transpor¬ tiert wird. Gegebenenfalls kann dieses Objekt mit der glei¬ chen Positioniergenauigkeit wie der Läufer bewegt werden.

Wird nicht der Piezo-Aktuator-Teil statisch im Raum befestigt, sondern nach einem weiteren Erfindungsgedanken der Läufer, in¬ dem man diesen an mindestens einem Ende an einem großen, schweren Objekt befestigt, dann führt die Relativbewegung da-

zu, daß sich in Bezug auf das große Objekt der Piezo-Aktuator bewegt. Dies läßt auch komplexere Konstruktionen zu, die in mehreren Raumrichtungen erfindungsgemäß positionieren können.

Aufgrund der oben beschriebenen großen Kraftreserven des er¬ findungsgemäßen Läufers können durch Kombination mehrerer dieser Positioniereinheiten und durch Befestigung von Objekten an ihren Läufern komplexe Positionierungen in mehreren Raum¬ richtungen erfolgen, insbesondere als xy-Tisch, xyz-Stand, Dreibein, Kipptisch oder Rotationselement.

Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Positionierein¬ heit als Trägheitsantrieb zum Positionieren von Objekten mit bis zu atomarer Positionierpräzision und mit Positionierstrek- ken bis in den cm-Bereich. Die Positioniereinheit enthält min¬ destens einen vorzugsweise rohrförmigen piezoelektrischen Ak¬ tuator mit Elektroden zum Anschluß an variable Spannungen zum Erzeugen von elektrisch kontrollierbaren Trägheitsbewegungen auf einen Läufer, welcher sich vorzugsweise an oder in die- sem(n) Piezo-Aktuator(en) in Richtung der Piezobewegungen ent¬ lang einer bevorzugt rohrförmigen Reibungsoberfläche bewegen kann. Die Relativbewegung zwischen Läufer und Piezo-Aktuator entsteht dadurch, daß der Läufer relativ schnellen Bewegungen der Reibungsoberfläche nicht folgt, wohl aber relativ langsa¬ men Bewegungen dieser Reibungsoberfläche. Gegenstand der Er¬ findung ist ein Läufer, welcher aus mindestens einer Einheit höherer Masse (Masseeinheit) und mindestens einer flexibel verformbaren Einheit (Biegeeinheit) besteht, so daß die Stärke der Reibungshaftung über die flexible Biegeeinheit des Läufers justierbar ist und die Masseeinheit des Läufers für eine hohe Belastbarkeit der Positioniereinheit sorgt. Durch diese Kom¬ bination können mit der Positioniereinheit auch schwerere Ob¬ jekte positioniert werden und für den Einsatz als Werkzeug nö¬ tige Kräfte ausgeübt werden.

Anhand der schematischen Darstellung von Ausführungsbeispielen werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zei¬ gen:

Fig. 1 einen Läufer und eine zugehörige Reibungsoberflä¬ che;

Fig. 2 einen gegenüber Fig. 1 abgewandelten Läufer;

Fig. 3 einen Läufer mit spezieller Oberfläche;

Fig. 4 und 5 verschiedene Formen drahtförmiger Biegeeinheiten;

Fig. 6 eine aus dem Körper einer Masseeinheit herausgear¬ beitete Biegeeinheit;

Fig. 7 eine Masseeinheit mit darin befindlichem Objekt;

Fig. 8 ein Verschiebetisch mit zum Positionieren;

Fig. 9 ein xy-Tisch als Kombination von Verschiebetischen nach Fig. 8 mit zugehörigem z-Positionierer;

Fig. 10 eine Kombination von drei flexibel biegbar und or¬ thogonal zueinander zusammenwirkenden Positionie¬ rern; und

Fig. 11 zum Ausführen von Dreh- bzw. Rotationsbewegungen kombinierte Positionierer.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Läufers zeigt Fig. 1. Die Reibungsoberfläche 1 umfaßt den insgesamt mit 5 bezeichne¬ ten Läufer, der in diesem besonderen Fall aus mehreren Massee¬ inheiten 2a, 2b, 2c, usw. und mehreren flexibel verformbaren Biegeeinheiten 3a, 3b, usw. besteht. Dabei ist die Anzahl der Einheiten nicht entscheidend für das Prinzip, es genügt, wie in Fig. 2 gezeigt, schon je eine Einheit 2, 3. Damit ergibt sich ein großer Gestaltungsfreiraum, der genutzt werden kann, um z.B. in den Läufer 5 Objekte, wie Stromleitungen, Sensoren, Glasfasern oder einen Schlauch, zu integrieren, die dann mit der erfindungsgemäßen Positioniergenauigkeit bewegt werden können.

Die Stärke der Reibung zwischen der Reibungsoberfläche 1 und dem Läufer 5 kann unter anderem auch durch die Größe und Be¬ schaffenheit der Läufer-Oberfläche 7 schon bei der Läufer-Fer-

tigung festgelegt werden. Hierzu wird, wie in Fig. 3 gezeigt, mindestens eine der Masseeinheiten 2 an der Oberfläche 7 so geformt, daß die Größe der an der Reibungsoberfläche 1 anlie¬ genden Fläche durch diese Oberflächenform wählbar ist.

Weitere besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Läu¬ fers zeigen Fig. 4 und 5. Dabei bestehen die flexiblen Biegee¬ inheiten 3a, 3b, usw. aus elastischen dünnen Drähten, die z.B. wie Geißeln (Fig. 4) an einem Ende oder wie Verbindungen zwi¬ schen zwei Masseeinheiten (Fig. 5) aussehen können. Auch hier ist die Anzahl der Drähte nicht entscheidend; ein Draht genügt bereits für das erfindungsgemäße Funktionsprinzip. Wie in Fig. 6 gezeigt kann die flexible Biegeeinheit 3 auch dadurch entstehen, daß eine Masseeinheit 2 an mindestens einer Stelle 6 so weit ausgedünnt wird, daß diese Stelle flexibel biegbar wird und die flexible Biegeeinheit darstellt. Auch dieses Prinzip ist mehrfach anwendbar.

Die Masseeinheit kann in allen vorgestellten Beispielen je nach Verwendungszweck aus verschiedenen Materialien bestehen und/oder axiale Löcher enthalten. So zeigt Fig. 7 ein Bei¬ spiel, bei dem in einem der Masseeinheiten 2a ein Objekt 4 be¬ festigt ist. Dies kann ein Stab sein und als Teil eines xy-Po- sitioniertisches dienen, oder ein Spieß, mit dem Material ge¬ kratzt werden kann, z.B. zum Durchtrennen von Leiterbahnen, usw.

Die Kombinationen mehrerer der erfindungsgemäßen Positionierer zu komplexeren Geräten zeigen die Fig. 8 bis 10. In Fig. 8 ist eine Ebene des oben erwähnten xy-Tischs dargestellt. Hier lie¬ gen zwei der erfindungsgemäßen Positionierer 10a, 10 b paral¬ lel in einer Ebene. Ihre Läufer enthalten je einen Stab als zu bewegendes Objekt 11a, 11b. Jeder Stab geht durch seinen Läu¬ fer hindurch, bis weit außerhalb des jeweiligen Positionierers 10. Auf den Enden dieser beiden Stäbe sind zwei Platten 12a, 12b befestigt, die bei synchroner Bewegung der beiden Positio¬ nierer sich gleichförmig entlang der Bewegungsrichtung der Läufer bewegen. So erhält man erfindungsgemäß einen Verschie-

betisch mit Nanometer-Präzision und Bewegungsstrecken im mm- bis cm-Bereich. Dabei können z.B. Lasten größer ca. 100 Gramm mit Geschwindigkeiten bis zu mehr als 1 mm pro Sekunde bewegt werden.

Als Rastersonden-Meßgerät und als Werkzeug einsetzbar ist die in Fig. 9 gezeigte Kombination der erfindungsgemäßen Positio¬ nierer. Der xy-Tisch 21 besteht aus zwei um etwa 90 Grad ge¬ dreht aufeinanderliegenden Verschiebetischen 20 (nach Fig. 8), also insgesamt aus vier der erfindungsgemäßen Positionierer. Die z-Komponente besteht aus einem fünften erfindungsgemäßen Positionierer 10. Sein Läufer trägt das Objekt 11, bei wel¬ chem es sich z.B. um eine Spitze zum Kratzen, Schweißen bzw. Bonden, oder um einen Sensor für elektrischen Strom, Magnet¬ felder, Licht, Chemikalien, Kräfte usw., oder um einen Schlauch oder eine Glasfaser handeln kann.

Kombiniert man, wie in Fig. 10 gezeigt, drei der erfindungsge¬ mäßen Positionierer 10a, 10b, 10c elastisch über Verbindungen, die nur Biegungen, aber keine Streckung, Stauchung oder Ab- knickung erlauben, miteinander, so kann ein Objekt 11 dreidi¬ mensional im Raum positioniert werden.

Drehbewegungen können durch die Kombination von mindestens zwei der erfindungsgemäßen Positionierer 10a und 10b, wie in Fig. 11 gezeigt, ausgeführt werden. Die beiden einachsigen Be¬ wegungen der Läufer-Arme 11a, 11b werden auf zwei um einen großen Winkel versetzte Stellen einer oder zweier Drehscheiben übertragen. Die Winkelversetzung verhindert Totpunkte, in de¬ nen keiner der beiden Positionierer eine Kraft in die Drehbe¬ wegung einkoppeln kann. Die mechanische Übersetzung der linea¬ ren Bewegung in eine Rotation kann über die bekannte Verwen¬ dung des Exzenter-Prinzips erfolgen. Beispiel hierfür ist der Achsenantrieb der Dampflokomotiven.

Keines der oben aufgeführten Anwendungsbeispiele läßt sich mit den herkömmlichen Läufern der einachsigen Trägheitsantrie¬ be, wie in PCT/EP 93/02414 und in DE 38 22 504 AI bzw. in der

Zeitschrift Review Sei. Instr. 63 (1) beschrieben, realisie¬ ren. Erst die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Positionie¬ rers sorgen für die hierzu nötige Robustheit.