机电定位装置

本发明涉及一种作为惯性传动装置的定位装置，它至少有一 个管状压电式的带有可运动的滑动件的致动器。致动器有用于与 可变电压接通的电极，借助于此电压可以电控此滑动件的运动。 此滑动件应在此压电致动器内按压电运动方向沿一个管状摩擦 表面运动。

这类具有纳米精度、以惯性传动原理为基础借助于压电式致动器工 作的定位装置，可具有至原子分辨能力地用作定位器、分析仪(例如电 子光栅探测显微镜)和在显微技术与纳米技术中的工具。在这种惯性传 动装置中，滑动件相对于摩擦表面的移动是通过使摩擦表面强烈加速实 现的，此时滑动件的惯性力大于摩擦力，所以滑动件不再能随摩擦表面 一起运动。

一种特别紧凑的定位装置的形式是单轴惯性传动装置，如在DE 3822504A1，在WO-A1-94/06160中和在Review Sci.Instr.63(1) (1992年1月，263/264页)中所介绍的那样。按照这些文件，借助于 一个或多个压电致动器，快速和缓慢地运动一个摩擦表面。此摩擦表面 一定程度上均匀地尤其是管状地围绕着滑动件。

DE3822504A1介绍了一种显微操作器，它有多个滑动件，它们应 同时支承和运动各自的物体。这些滑动件带着与之连接并直接装有物体 的支承头，应压电式地可在一管状摩擦表面内移动。但是按传统具有实 心圆柱杆状和没有任何可弹性弯曲的构件的滑动件，它的摩擦力不能调 整。

按WO-A1-94/06160介绍的在定位装置中的滑动件(“low- mass support means”)具有类似于金属丝的形状，通过这种可弹性弯 曲的形状可以在小的限度内调整其摩擦附着力的强度，也就是说，只能 在一个狭窄的弯曲范围内调整合用的摩擦力。这种滑动件的形式只有在 摩擦力很小的情况下才允许作惯性传动运动。因此，可以按传统运动一 个测量探针，例如电子光栅探测显微镜的探针，而不能运动一个重的物 体。此外，用这种滑动件只能施加一个极小的力，因为这个力受摩擦力 强度的限制。

还有，施加在按WO-A1-94/06160的滑动件上的力，还受压电 致动器功率极限的限制。从附着到滑动的过渡，除了与根据所使用的表 面确定的不同的摩擦系数有关以外，主要取决于通过至少一个压电致动 器传递给摩擦面上的脉冲波形的强度以及滑动件的质量。因为压电致动 器在加高压时(大约略超过100伏)去极，然后便不再进行任何伸缩运 动，因此，为能量供入惯性传动装置规定了一个上限。

在期刊“Review Sci.Instr.”63(1)，1992年1月，263/264 页中介绍了一种滑动件，它由一根沿纵向分开的圆柱杆的两个半部组 成，这两个半圆柱体在一个设计为管的压电致动器内应被摩擦力固持 住。为此目的，在两个半圆柱体之间装入弹簧，它的弹性力刚好大到能 防止构成滑动件的圆柱体分部从管内落出，但尽管如此在压电力作用下 却能沿管的纵向运动。滑动件的这种具有两个半圆柱体以及在半圆柱体 之间装入难以调整的机械弹簧的这种机械式结构是如此之复杂，以致于 实际上压电致动器的内径不能小于19至20毫米。由于整个装置粗大， 所以它对于外界的机械干扰(例如脚步声)很敏感，因此在正常情况下， 亦就是说例如没有特殊的减震系统，不可能定位物体至原子的精度。

作为定位装置可在实践中使用的先决条件是，传动装置能容摩擦力 的变化，摩擦附着力的这种变化例如是由于老化、灰尘、滑动件腐蚀、 弹簧常数改变等引起的。在按期刊Review Sci.Instr.63(1)的装置中 没有给出这种容忍性。在此公开文件中，只有在“Piezoelectric ceramics”在50伏以上的高压下工作时，滑动件才能克服重力实施运动。 因此，不可能用于克服比此重力更大的力，尤其是除了滑动件之外此装 置本身不能举起任何东西。

按上述期刊Review Sci.Instr.63(1)，滑动件质量由两个半圆柱 体组成，它们借助于弹簧压靠在摩擦管壁上。若在工作时这两个质量部 分相对于管壁有不同的摩擦力，而这种情况在“显微”技术中几乎是不 可避免的，从而导致这两个质量部分不同步地运动。因此它们可能歪斜 并被卡在摩擦管内。也就是说，这种已知装置的重大缺点在于，滑动件 总是必须由两个半圆柱体并因而总是由两个质量单元组成，而它们横向 于输送方向压靠在摩擦管的内壁上。

本发明的目的是，消除上述滑动件形式的缺点，并由此可以获得一 种单轴式惯性传动装置，它可以方便地调整在其每个传动脉冲时送进量 应当遵守的误差，可以运动大的荷载和可以在物体上施加或传递大的 力，以及在没有针对一般机械干扰的屏蔽装置(这意味着在普通的实验 室中)的情况下，可以实施具有纳米(nm)精度的厘米(cm)范围运 动。最后，对于此定位装置还应突破一种功率极限，这是由向惯性传动 装置中能量供应的上限造成的。在专利权利要求1中说明了按本发明的 方案。本发明的改进和进一步设计在其余的权利要求中说明。

按本发明的滑动件是整体式的，这指的是构成它的质量单元和弯曲 单元组合后看起来成为一体。然而，各个质量单元和各个弯曲单元可以 互相分开和独立加工。最好也制造从一开始便已由唯一的一体构成的滑 动件。

借助于至少其中一个可弹性弯曲的单元，滑动件在摩擦表面上的压 力，可通过产生预紧力的弯曲快速地得到调整。由此可以在大的范围改 变摩擦附着力的强度。

按本发明的整体滑动件包括，至少一个可弹性变形的弯曲单元，以 及至少一个重的质量单元。理论上弯曲单元也可以是重的，尽管相对于 质量单元它设计为弹性的；或理论上质量单元也可能是有弹性的，尽管 相对于弯曲单元它是重的。但在现有已知的固体材料中，不可能既是质 量最重的，又是弹性最好的。

如上所述，在压电致电器中，能量向惯性传动装置的供入有一个上 限。按本发明通过组合在滑动件内成一体的质量单元也可以解决这一问 题，因此尽管限制(合理的)能耗，也能获得一种大功率的压电致动器。 采用本发明还可以在原则上显著提高压电致动器的效率。在恰当选择脉 冲形式时，可以使一个大的滑动件质量与压电运动同步加速，如果借助 于弹性弯曲单元将摩擦附着力调整得很强，但在压电运动快速改变时， 由于此大的滑动件质量有大的惯性，故仍能进行滑动。

大的惯性质量再加上可调整的高摩擦附着力，带来了以下一系列优 点：

a．采用按本发明的滑动件也可以传送质量较大的物体。

b．在静摩擦力调整得较大时，通过按本发明的定位装置可施加的力 很大。

c．由于其坚固性，按本发明的定位装置可在滑动件弹性弯曲单元的 一个宽的弯曲变形范围起作用，这意味着滑动件的调整对于工作中的变 化(污染、水分、腐蚀等)有极好的容忍度和不敏感，工作中的这些变 化所起的作用相当于改变了滑动件的静摩擦力。

d．为了运动按本发明的滑动件，在一个/多个压电致动器上加上数 量级为±10伏的低电压便足够了，所以与许多传统的惯性传动装置相反， 无需使用高压进行工作，从而使操作大为方便。

e．本发明的另一个优点是，可以通过滑动件的弹性弯曲单元调整在 摩擦表面上的压力，调整在滑动件与压电致动器之间每加一次电脉冲时 的相对运动距离。因此，尤其可以将相对运动距离保持为小于压电致动 器的调整范围，所以，即使在大的调整范围为毫米至厘米区时，任何位 置仍可达到原子级的精度。

f．由于按本发明的定位装置的坚固性，滑动件在速度达到每秒毫米 的数量级的情况下均匀并具有重复性地运动。

在摩擦表面与滑动件之间摩擦力的强度，除了上述机理之外，还取 决于滑动件接触面的大小和性质。这一参数在加工时可以选择，然后保 持常数，这一常数确定了滑动件弹性弯曲单元的调整范围。当至少有一 个质量单元由一个具有这种形状的表面的机体构成时便可做到这一点， 即，贴靠在摩擦表面上的面积大小可通过此表面形状选择，和/或一个或 多个质量单元可用不同的材料制造并可以制有孔。

对滑动件弹性弯曲单元所提出的要求，可由一种弹性的细金属丝来 满足，如在PCT/EP 93/02414中所建议的那样。可弹性弯曲的单元同样 可以这样构成， 即，一个质量单元在至少一个部位减薄到在此处形成具 有可弯性的程度，这种可弯性与一个单独的弹性弯曲单元相当。这种结 构的优点在于，可以制成一个零件，并可取消不同材料之间的接缝。

按本发明的进一步设计，在滑动件上或在滑动件内固定一个物体， 它随滑动件一起输送。必要时，此物体可具有与滑动件相同定位精度地 运动。

若不是压电致动器部分静止地固定在空间，而是按本发明的另一个 思路，通过将滑动件至少在一端固定在一个大而重的物体上而在空间固 定了滑动件，则此相对运动导致压电致动器相对于此大的物体运动。对 于复杂的结构也允许这样做，按本发明可以沿多个空间方向使此复杂结 构定位。

鉴于按本发明的滑动件有上面所介绍的大的力量储备，故可通过组 合多个这样的定位装置并通过将物体固定在其滑动件上，可以实现沿多 个空间方向的复杂定位，尤其是作为xy工作台，xyz平台，三角架，倾 斜摇床或转动件。

本发明涉及一种设计为惯性传动装置的机电定位装置，用于物体的 定位，其定位精度小至原子级，定位距离大至厘米范围。此定位装置至 少包括一个管状的压电式致动器，致动器具有用于接通可变电压的电 极，使滑动件产生可电控的惯性运动，滑动件在一个/多个压电致动器内， 按压电运动方向，可沿着一个管状的摩擦表面运动。在滑动件与压电致 动器之间的相对运动这样形成，即，滑动件并不能跟随摩擦表面比较快 速的运动，但却能跟随摩擦表面比较缓慢的运动。本发明的对象是一种 滑动件，它由至少一个质量较大的单元(质量单元)和至少一个可弹性 变形的单元(弯曲单元)组成，所以可通过滑动件的弹性弯曲单元调整 摩擦附着力的强度，而滑动件的质量单元保证定位装置的高负荷能力。 采用将这两种单元组合起来的定位装置，也可以定位较重的物体，并在 用作工具时能施加必要的力。

下面借助于实施例的示意图说明本发明的其他细节。其中：

图1一个滑动件和一个属于它的摩擦表面；

图2一种与图1相比略有改变的滑动件；

图3具有特殊表面的滑动件；

图4和5金属丝状弯曲单元的不同形式；

图6由一个质量单元的机体加工出来的弯曲单元；

图7带有装在它里面的物体的质量单元；

图8要定位的位移工作台；

图9一个xy工作台，作为按图8的可移动工作台和配属于它的z 定位器的组合；

图10三个可弹性弯曲和彼此正交配合工作的定位装置的组合；以 及 及

图11用于实施旋转运动的组合式定位装置。

图1表示按本发明的滑动件的一种设计。摩擦表面1包围总体上用 5表示的滑动件，在这种特殊情况下滑动件由多个质量单元2a、2b、 2c等和多个可弹性变形的弯曲单元3a、3b等组成。单元的数量对于基 本原理没有决定意义，如图2所示各有一个单元2、3已经足够。因此 有各种各样设计可能性，它们可被利用来例如在滑动件5中组合物件， 诸如电流导线、传感器、玻璃纤维或一根软管，这些物体便可具有按本 发明的定位准确度地运动。

摩擦表面1与滑动件5之间摩擦力的强度，除其它方法外，还可以 通过滑动件表面7的大小和性质在加工时便加以确定。为此，如图3所 示，至少有一个质量单元2的表面7设计为，使贴靠在摩擦表面1上的 面积大小可通过表面7的形状选择。

图4和5表示了按本发明的滑动件另一种特殊的设计。其中，弹性 弯曲单元3a、3b等由弹性细金属丝构成，它们看起来例如是在质量单 元一端上的鞭子(图4)，或象两个质量单元之间的连接装置(图5)。 在这里的金属丝数量同样不是决定性的；对于按本发明的工作原理而言 有一根金属丝便已足够。如图6所示，弹性弯曲单元3也可以通过质量 单元2在至少一个地方减薄到这样的程度形成的，即，在这一部位可以 弹性弯曲并成为一个弹性弯曲单元。这一原则还可以在多处使用。

在介绍的所有例子中，根据使用目的，质量单元可用不同的材料制 造和/或可制有轴向孔。如图7举例所示，在一个质量单元2a中固定了一 个物体4。这个物体可以是一根杆并用作xy一定位工作台的一部分，或 是可用来刻划材料的刺针，例如用于切割印刷线路板等。

图8至10表示多个按本发明的定位器组合成复合设备。图8表示上 面已提及的xy工作台的一个平面。在这里的一个平面内平行地装有两个 按本发明的定位装置10a、10b。它们的滑动件各包含一根杆作为要运 动的物体11a、11b。每根杆穿过它的滑动件，一直延伸到该定位装置 10外部比较远的地方。在这两根杆的端部固定了两块板12a、12b，当 两个定位装置同步运动时，这两块板沿滑动件的运动方向均匀移动。因 此，按本发明人们得到一个具有纳米精度和毫米至厘米范围运动距离的 位移工作台。在这种情况下例如可以有高至每秒大于1毫米的速度移动 约100克以上的负荷。

图9所示的按本发明的定位装置组合可用于电子光栅探测测试仪和 用作工具。xy工作台21由两个旋转约90度重叠的位移工作台20(按 图8)组成，亦即由4个按本发明的定位装置组成。z方向由第5个按本 发明的定位装置10构成。它的滑动件带着物体11，这一物体11例如可 涉及用于刻划、焊接或粘结的针尖；或涉及用于电流、磁场、光、化学 材料、力等等的传感器；或涉及一根软管或一根玻璃纤维。

若如图10所示，将3个按本发明的定位装置10a、10b、10c，通 过弹性地连接互相组合在一起，但这种连接只允许弯曲不允许伸长、缩 短或折拐，那么可以在空间三维地使物体11定位。

通过组合至少两个按本发明的定位装置10a和10b，如图11所示， 可以实施旋转运动。滑动臂11a、11b的两个单轴运动，传递到一个或 两个转盘上两个彼此错开一个大角度的位置处。角度的错移应防止死 点，在死点位置两个定位装置中任一个都不能将力加在旋转运动中。直 线运动机械地转变为旋转运动，可通过传统的利用偏心原理来实现。例 如用于蒸汽机车的轴驱动装置中的那样。

上面所列举的应用举例中没有一个能通过传统的单轴惯性传动装置 的滑动件来实现，如在PCT/EP 93/02414和在DE 3822504A1或在期刊 Review Sci.Instr.63(1)中所介绍的那些。只有按本发明的定位装置 的特性才保证为此所需的坚固性。