PIEZOELECTRIC-DRIVE SYSTEM, ESPECIALLY FOR FOCUSSING SYSTEMS

Abstract: 1. A piezoelectric drive arrangement comprising a control circuit for effecting controlled deflections, consisting of a plurality of piezocrystal elements, which are adapted to have electric control voltages separately applied to them and are arranged one behind the other and the individual deflections of which add up, characterized in that a digital control voltage (+- U1 , +- U2 , +- U3 ) is adapted to be applied to each piezocrystal element (2, 3, 4; 10) for a control of the piezoelectric drive arrangement, and said digital control voltage is derived from a continuously applied drive voltage (Uop ) and is applied to the piezocrystal element with a polarity which is determined by a decoder in dependence on a logical input signal (+- Ucontrol ) in order to control the respective piezocrystal element for a temporary deflection to a hysteresis end point.

Description: Piezoelektrische Antriebsanordnung, insbesondere für Fokus siefsysteme Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Antriebsanordnung der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art. Diese piezoelektrische Antriebsanordnung soll insbesondere in automatischen Fokussiersystemen oder allgemeinen Ablenkund Auslenksystemen verwendet werden. Aus der deutschen Offenlegungsschrift 25 24 854 ist eine piezoelektrische Antriebsanordnung für einen Mosaikdruckkopf bekannt, welche aus zwei flachen, lang gestreckten piezoelektrischen Wandlern besteht, die unlösbar miteinander verbunden und schichtförmig übereinander angeordnet sind. Beide Wandler haben eine gemeinsame mit einem Steuerpotential beaufschlagte Steuerelektrode. Die jeweils angeordneten Gegenelektroden liegen an konstantem Potential. Des weiteren ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 25 24 893 ein Mosaikdruckkopf mit piezoelektrischen Antriebselementen bekannt, welche sich nach Beaufschlagung der Elektroden mit einem sich sprunghaft ändernden elektrischen Feld von einer grossen ortsfesten Masse abstossen und infolge ihrer Massenträgheit auf einem Aufzeichnungsträger einen Abdruck bewirken. In der deutschen Offenlegungsschrift 24 26 331 ist ein piezoelektrisches Lichtstrahlablenkelement beschrieben, welches einen um eine Achse drehbaren Spiegel aufweist. Diese Achse ist zwischen den Enden zweier piezoelektrischer Platten gelagert. Bei einer gegenläufigen Längenänderung der beiden Platten infolge Anlegen elektrischer Spannungen rollt die Achse längs der Oberflächen der Platten ab. In der deutschen Offenlegungsschrift 27 10 935 ist ein Matrixdrucker mit piezoelektrisch getriebenen Drucknadeln beschrieben. Bei diesem Drucker ist eine Knickfeder vorgesehen, die bei einer elektrisch gesteuerten Ausdehnung einer Piezokristallanordnung auslenkbar ist. Diese Piezokristallanordnung besteht aus in Polarisationsrichtung hintereinandergeschalteten Piezokristallelementen mit jeweils zwei Polflächen. Die Piezokristallelemente sind so angeordnet, dass die Polfächen gleicher Polarisationspolarität aufeinander ausgerichtet sind. Alle Polfächen mit positiver Polarisationspolarität sind mit dem negativen Pol einer Steuerspannungsquelle verbunden, während die anderen Polflächen mit negativer Polarisationspolarität mit dem positiven Pol dieser Steuerspannungsquelle verbunden sind. An jedem Piezokristallelement liegt somit die gleiche Steuerspannung an. Die Teilausdehnungen der einzelnen Piezokristallelemente addieren einander zu einem gewünschten Hub bei einer entsprechenden Ansteuerung der Piezokristallelemente mit Steuerpulsen. Des weiteren sind eine Vielzahl von Fokussiersystemen bekannt, in denen eine Optik zur Aufrechterhaltung der Fokussierung z. B. eines Lichtstrahles auf einen bestimmten Punkt nachgeführt werden muss. Derartige Einrichtungen sind z. B. in den deutschen Offenlegungsschriften 27 53 436, 20 12 995 und 26 56 730 beschrieben. Des weiteren ist aus der Publikation "Disk" (Tentative B900) der Robert Bosch GmbH, Geschäftsbereich Fernsehanlagen, Darmstadt/Deutschland, ein Professional Optical Video Disk System" beschrieben. Dabei wird zur Herstellung von Video Bildplatten Information mit Hilfe eines Laserstrahles auf die Videoplatte geschrieben. Da sich geringfügige Verfäl schungen im Videobild nicht störend auswirken, sind auch keine extrem hohen Auflösungen an das Fokussiersystem zur FokUssierung des Laserstrahles erforderlich. Die Fokussieranordnung ist deshalb mit Hilfe leichter und somit auch billiger Linsen (keine Qualitätslinsen) und mit Hilfe eines für diese leichten Linsen geeigneten Tauchspulenantriebes realisierbar. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine piezoelektrische An triebsanordnung zur Erzeugung gesteuerter Auslenkungen mit hohem Auflösungsvermögen anzugeben. Diese Antriebsanordnung soll insbesondere zur Objektivnachführung eines Fokussiersystemes mit hoher Auflösung einsetzbar sein. Für extrem hohe Auflösung bei einer Datenaufzeichnung mit einem Laserstrahl auf einen rotierenden Informationsträger ist eine äusserst genaue Fokussierung des Laserstrahls erforderlich. Hierfür wären die Fokussieranordnungen mit leichten Linsen und dafür geeigneten Tauschspulenantrieben nicht mehr zu verwenden; zur Erreichung einer höheren Auflösung müssten bessere, d.h. schwerere Linsen verwendet werden, die sich jedoch nicht mehr probiemfrei durch Tauchspulenantriebe bewegen liessen. Die Fokussier-Tiefenschärfe bekannter Nachführsysteme liegt in der Grössenordnung von +1 Mm, während die Tiefenschärfe für eine- erwünschte Datenaufzeichnung mit höchster Auflösung bei einem bedeutend kleineren Wert liegt (wo,1 ium). Die Aufgabe zur Schaffung eines piezoelektrischen Antriebselementes für gesteuerte Hubbewegungen höchster Auflösung und höchster möglicher Geschwindigkeit (nur begrenzt durch die mechanische Leitkonstante des Stellgliedes) wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Massnahmen gelöst. Die geforderte hohe Auflösung wird unter anderem dadurch erreicht, dass die Steuerung der Ausdehnung der Piezokristallelemente hysteresefrei und in dualen Stufungen erfolgt. Die hohe Geschwindigkeit wird durch Wegfall der durch die Hsyteresis bedingten zusätzlichen Totzeit erreicht. Das Anlegen eines Feldes zur Erreichung einer gewünschten Ausdehnung und die Zurücknahme des Feldes auf den Wert 0, was bei bisher bekannten Anordnungen üblich war, ist von einem an sich bekannten Hystereseeffekt piezoelektrischer Materialien begleitet. Feinste Abstufungen in der Bewegung zunehmender und/oder abnehmender Auslenkungen wären nur mit einem analogen Ausregeln der elastischen Hysterese möglich. Da jedoch in einem analogen Regelsystem eine Hysterese eine Tot-Zeit verursacht, würde eine analoge Regelung um die aus der Hysterese folgende Totzeit langsamer werden. Übliche analoge Regelsysteme, die konventionelle Piezokristallelemente zur Nachführung benutzen, sind für die beschriebene Anwendung zu langsam (Zeitkonstante ca. 5 bis 10 ms, d.h. eine Nachführfrequenz von 100 bis 200 Hz). Ein Tauchspulenantrieb für eine bessere, d.h. schwerere Linse würde versagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen dargestellt und ist im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung dreier in Reihe angeordneter Piezokristallelemente, die elektrisch separat ansteuerbar sind und deren Einzelausdeh nungen sich zu einer Gesamtausdehnung addieren. Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Hysterese schleife für die Ausdehnung eines einzelnen Piezo kristallelements in Abhängigkeit von der Steuer feldstärke. Fig. 3 eine schematische Darstellung der Ansteuerung eines einzelnen Piezokristallelementes über Trei berschaltungen und einen Inverter. Fign. 4A eine schematische Darstellung eines einzelnen und 4B Piezokristallelementes zur Festlegung seiner Ar beitspunkte mit einem positiven elektrischen und einem negativen elektrischen Feld, Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Ausführungs beispieles einer piezoelektrischen Antriebsanord nung, welche aus einer Vielzahl von piezoelek trischen Ringen besteht, welche durch Glasringe voneinander getrennt sind. In Fig. 1 ist eine vereinfachte Darstellung einer piezoelektrischen Antriebsanordnung 1 gezeigt. Diese Anordnung besteht aus drei hintereinanderliegenden Piezokristallelementen 2, 3, 4, die voneinander durch isolierende Elemente 5, 6 getrennt sind. Jedes der Piezokristallelemente 2, 3, 4 ist mit metallisierten Polflächen versehen. Die isolierenden Elemente 5, 6 sind aus Glas, welches an den den Polanschlussflächen der Piezokristallelemente zugewandten Seiten ebenfalls metallisiert ist. Die metallisierten Polflächen der Piezokristallelemente, die metallisierten Seitenflächen der isolierenden Elemente und die Kontaktlamellen für die elektrischen Leitungen sind mit 2-2, 3-1, 3-2, 4--1 bezeichnet; die Polanschlussflächen und Kontaktlamellen an den Endseiten der piezoelektrischen Antriebsanordnung 1 mit 2-1 und 4-2. Sämtliche Teile 2, 5, 3, 6, 4 der Anordnung 1 sind miteinander verklebt. Als Kleber wird ein elektrisch leitender Kleber vorzugsweise verwendet. Beim Anlegen einer entsprechenden Steuerspannung erfährt das Piezokristallelement eine Längenänderung in Pfeilrichtung. So kann z. B. die Steuerspannung U1 über die Leitungen 2-1-1 und 2-2-1 an die Polanschlussflächen 2-1 und 2-2 des Piezokristallelementes 2 angelegt werden. Entsprechendes gilt für die Steuerspannung U2, die über die Leitungen 3-1-1 und 3-2-1 den Polanschlussflächen 3-1 und 3-2 des Piezokristallelementes 3 zugeführt wird bzw. für die Steuerspannung U3, die über die Leitungen 4-1-1 und 4-2-1 an die Polanschlussflächen 4-1 und 4-2 des Piezokristallelementes 4 gelegt wird. Beim Anlegen der einzelnen Steuerspannungen an die Piezokristallelemente werden im folgenden die Längenänderungen in Richtung des elektrischen Feldes betrachtet. Da die einzelnen Piezokristallelemente hintereinander angeordnet sind, addieren sich ihre Längenänderungen. Die durch Anlegen der Steuerspannungen U1, U2, U3 hervorgerufene Gesamtlängenänderung der Anordnung 1 soll jeweils ein bestimmtes Mass erreichen. Ausgehend von einer erzielten Auslenkung soll wiederum durch Änderung der Kombination der Steuerspannungen eine neue Auslenkung, welche eine Abnahme oder Zunahme der ursprünglichen Auslenkung darstellt, erreicht werden. In einer einfachen Ausführungsform können die durch die Steuerspannungen U1, U2 und U3 in den Piezokristallelementen 2, 3, 4 hervorgerufenen elektrischen Feldstärken gleich gross sein, wohingegen die Abmessungen dieser Piezokristallelemente in Auslenkrichtung unterschiedlich gross sein können. Auf diese Weise werden bei gleicher elektrischer Feldstärke die Teilauslenkungen der einzelnen Piezokristallelemente unterschiedlich gross sein. Durch entsprechende Kombination der anzusteuernden Piezokristallelemente lassen sich somit unterschiedliche Gesamtausdehnungen erreichen, die sich jeweils aus Addition der Auslenkung der einzelnen Piezo kristallelemente ergeben. Bei Annahme eines linearen Zusammenhanges zwischen der elektrischen Feldstärke und der Längenänderung eines Piezokristallelementes kann gemäss Fig. 1 eine Anordnung vorgegeben werden, bei der die Abmessungen der einzelnen Piezokristallelemente 2, 3, 4 in Auslenkrichtung einer dualen Staffelung unterliegen. Das heisst, das Element 3 ist doppelt (21-fach) so gross wie das Element 2, während das Element 4 viermal (22-fach) so gross wie das Element 2 ist. Die einzelnen Steuerspannungen U1, U2, U3 verhalten sich zur Erreichung gleicher Feldstärken in den Piezokristallelementen 2, 3, 4 wie 1 : 2 : 4. Durch-entsprechende Kombination der zu erregenden Piezokristallelemente lassen sich unterschiedliche Gesamtauslenkungen erreichen: die kleinste Längenänderung ergibt sich, wenn nur das Element 2; die grösste, wenn alle Elemente 2, 3, 4 erregt sind. Entsprechend der binären Vielfalt von 3 Elementen sind 3 insgesamt 23 verschiedene Gesamtauslenkungswerte möglich. An jedes Piezokristallelement, z. B. 2, kann entweder der positive Wert der Steuerspannung U1 - LOGISCH '1' oder der negative Wert -U1 2 LOGISCH 'O' angelegt werden. Dadurch ergibt sich im Piezokristallelement jeweils eine elektrische Feldstärke entgegengesetzter Richtung. Die Massnahme ist für digitalisierte Bewegungsabläufe mit hoher Auflösung bedeutsam. Sie verhindert ein hysteresebehaftetes Auslenken eines Piezokristallelementes. Die elastische Hysterese von Piezokristallelementen beim Anlegen einer Steuerspannung ist an sich bekannt. Diese Erscheinung ist darauf zurückzuführen, dass durch das Anlegen einer Steuerspannung an das Piezokristallelement in diesem eine Feldstärke bestimmter Richtung aufgebaut wird und dass nach dem Abschalten dieser Steuerspannung die Längenänderung des Elementes nicht etwa auf Null, sondern auf einen dem Punkt A' (siehe Fig. 2) entsprechenden Wert#zurückgeht. Mit anderen Worten, beim Fortfall der elektrischen Feldstärke nimmt das Piezokristallelement nicht mehr seine ursprüngliche Abmessung, sondern einen darüber- oder darunterliegenden Wert ein. Dieses Hystereseverhalten macht eine Anwendung entsprechender digitaler piezoelektrischer Antriebsanordnungen im hochauflösenden Auslenkungsbereich unmöglich. Aus diesem Grunde werden für hochauflösende Systeme die Auslenkungsarbeitspunkte eines Piezokristallelementes gemäss der Hysteresedarstellung in Fig. 2 zu A und B festgelegt. Für eine positive Steuerspannung (z. B. +U1) soll sich im Piezokristall eine positive Feldstärke EB und mit dieser eine Auslenkung 5B einstellen gemäss dem Endpunkt B der Hystereseschleife. Für eine negative Feldstärke EB ist eine Verkürzung der ursprünglichen Abmessung des Piezokristallelementes um den Wert 5A gemäss dem anderen Endpunkt A der Hystereseschleife gegeben. Die Arbeitspunkte A und B, (denen die Bedeutung einer logischen '1' bzw. 'O' gegeben werden) die den Hystereseendpunkten entsprechen, sind eindeutig; der Zustand eines feldfreien Piezokristallelements tritt nicht mehr auf und somit ist auch das nachteilige Hystereseverhalten überwunden. Dieses Prinzip des hysteresefreien Betreibens von piezoelektrischen Antriebsanordnungen gilt auch für andere, nicht dargestellte Anordnungen. So ist es z. B. denkbar, dass einzelne, hintereinander angeordnete Piezokristallelemente mit gleichen Abmessungen in Ausdehnungsrichtung von unterschiedlichen Steuerspannungen, die unterschiedliche elektrische Feldstärken ergeben, beaufschlagt werden. Auch bei einer solchen Anordnung muss gewährleistet sein, dass die Steuerspannung für ein Piezokristallelement einmal einen positiven und zum anderen einen negativen Wert gleich grossen Absolutbetrages hat, wobei die Steuerspannung gross genug zur Erreichung der Arbeitspunkte A, B der Hysterese sein muss. Darüber hinaus sind auch Anordnungen denkbar, bei denen sowohl# die Abmessungen der einzelnen Piezokristallelemente in Auslenkrichtung als auch die in den einzelnen Piezokristallelementen erzeugten elektrischen Feldstärken variieren können zur Erzeugung vorgegebener Gesamtauslenkungen. In Fig. 3 ist das Prinzipschaltbild einer Steuerschaltung gezeigt, welche zugleich der Erklärung eines weiteren Vorteiles der hysteresefrei angesteuerten Piezokristallelemente dient. In dieser Darstellung ist das Piezokristallelement 10 und seine beiden Polanschlussflächen mit 12 und 11 bezeichnet. Die Polanschlussfläche 12 ist über eine Leitung 14 mit einer Treiberschaltung 15; die Polanschlussfläche 11 über eine Leitung 13 mit einer zweiten Treiberschaltung 16 verbunden. Diese Treiberschaltungen 15 und 16 dienen dazu, aus beim Auftreten eines logischen Eingangssignales +# triol (mit der Andeutung einer logischen '1' oder '0'), eine Antriebsspannung U (z. B. +300 V) oder Masse (=O V) an die op Polanschlussflächen des Piezokristallelementes durchzuschalten. Im folgenden wird die Auslenkungsdifferenz des Piezokristallelementes 10 betrachtet, die es beim Anlegen einer logischen positiven und negativen Steuerspannung +UCOntr erfährt. Für den ersten Fall (gemäss Fig. 4A) wird diese positive Steuerspannung über die Leitung 21 und 19 dem Eingang der Treiberschaltung 15 zugeführt. Daraufhin wird die Spannung U (z. B. = 300 V) von der Treiberschaltung 16 op über die Leitung 13 auf die Polanschlussfläche 11 des Piezokristallelementes 10 geschaltet. Durch den Inverter 18 wird die positive Steuerspannung zu einer negativen Steuerspannung negiert, woraufhin die Treiberschaltung 15 über die Leitungen 14 die Polanschlussfläche 12 des Piezokristallele mentes 10 an Masse legt. Somit steht eine Spannung von +300 V über dem Piezokristallelement gemäss Darstellung in Fig. 4A. Im anderen Falle, nämlich beim Auftreten einer negativen Steuerspannung UCOntrOl wird mittels des dem Treiber 15 vorgeschalteten Inverters 18 die Polanschlussfläche 12 des Piezokristallelements 10 gemäss Fig. 4B mit 300 V beaufschlagt; während die Polanschlussfläche 11 über die Treiberschaltung 16 auf Masse gelegt wird. Damit ergeben sich die logischen Arbeitspunkte '1' für Fig. 4A und 'O' für Fig. 4B, welche denen (B und A) in der Hysteresedarstellung in Fig. 2 entsprechen. Die Differenz der Ausdehnungen des Piezokristallelementes lässt sich somit durch eine Steuerspannung von beispielsweise nur 300 V erreichen. Zur Erlangung der gleichen Ausdehnungsänderung wäre für eine hysteresebehaftete Ansteuerung die doppelte Steuerspannung, nämlich 600 V erforderlich mit entsprechend höheren Anforderungen an Halbleitersteuerschaltungen. In Fig. 5 ist ein praktisches Ausführungsbeispiel einer piezoelektrischen Antriebsanordnung gezeigt. Diese Anordnung ist mit der Bezugszahl 30 gekennzeichnet. Sie besteht aus einer Vielzahl von ringförmigen Piezokristallelementen 32, welche durch ringförmige Glaselemente 31 voneinander getrennt sind. Die Kontaktflächen der Piezokristallelemente und der isolierenden Glasringe sind jeweils metallisiert. Für eine einwandfreie Kontaktgabe sind Leitungen auf die Metallisierung der Glaselemente metallisch leitend aufgeklebt. Die Glaselemente stehen über die Piezokristallelemente hervor und gestatten somit einen Zugang zum Aufkleben der Zuführungsleitung. Der Aufbau der piezoelektrischen Anordnung 30 ist so gewählt, dass die Einzelausdehnung eines oder mehrerer zwischen zwei isolierenden Glas ringen liegen den Piezokristallelemente einer dualen Staffelung unterliegt. Die Teilausdehnungen können entweder durch Variation der Abmessung der Piezokristallelemente in Auslenkrichtung oder durch Variation der Grösse des elektrischen Feldes für die einzelnen Piezokristallelemente erreicht werden. Ausserdem ist es auch möglich, zwischen zwei isolierenden Glaselementen mehrere Piezokristallelemente; z. B. 32-2 und 323, hintereinander anzuordnen und diese elektrisch parallel zur Erreichung einer bestimmten Teilausdehnung anzusteuern. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die elektrischen Zuleitungen zur Ansteuerung der einzelnen Piezokristallelemente nur auszugsweise wiedergegeben. Sämtliche Piezokristallelemente und isolierenden Glaselemente sind miteinander fest verklebt. Als Kleber wird ein elektrisch leitender Zweikomponentenkleber verwendet. Die Endflächen der Anordnung 30 sind mit einem elektrisch nicht leitenden Zweikomponenten-Kleber mit den Gehäuseteilen 22 und 27 verbunden. Die Anordnung gemäss Fig. 5 dient der Nachführung eines Objektivs, welches im Raum 28 untergebracht ist, zur Verwendung in automatischen Fokussiersystemen. Die Piezoelektrische Antriebsanordnung 30 ist über einen Flansch 22 mittels zweier Schraubbefestigungen 25 und 26 an eine Ge häusewandung 21 angeflanscht. Die Gehäusewandung 21 sowie der Flansch 22 weisen eine gemeinsame Öffnung 23 auf, durch die ein Lichtstrahl in Pfeilrichtung 24 hindurchtreten kann. Aus Gründen der Sicherheit ist die mit dem einen Ende der Anordnung 30 fest verbundene Objektivhalterung 27 abgewinkelt und lose hängend mit dem Flansch 22 über Verbindungselemente 29 verbunden. Dadurch ist gewährleistet, dass beim unerwünschten Reissen der Klebverbindung innerhalb der Anordnung 30 dieselbe samt Objektivhalterung nicht herabfallen kann. Die zuvor beschriebene piezoelektrische Antriebsvorrichtung lässt' stich in besonders vorteilhafter Weise in Fokussiersystemen zur Datenaufzeichnung mittels eines Laserstrahles auf eine rotierende Platte benutzen. Bei entsprechend vorgegebener hoher Datendichte muss der Laserstrahl auf die Plattenoberfläche genauestens fokussiert werden. Für diese Fokussierung ist ein Qualitätsobjektiv mit relativ hohem Gewicht erforderlich. Da der Laserstrahl immer genau auf die Oberfläche der rotierenden Platte fokussiert sein muss, ist bedingt durch Unebenheiten der Platte ein Nachstellen des Objektivs erforderlich. Für hochauflösende Systeme versagen herkömmliche Tauchspulenantriebe. Photoelektrische Anordnungen zur Feststellung von Unebenheiten der Platte sind bekannt und werden deshalb nicht näher beschrieben. Derartige Anordnungen liefern ein dem Mass der Abweichung entsprechendes analoges Signal. Dieses Signal wird zum Nachstellen des Objektivs verwendet, um eine Fokussierung des Laserstrahls genau auf die Oberfläche des rotierenden Aufzeichnungssträgers zu bewirken. Zur Nachsteuerung des Objektivs wird erfindungsgemäss das zunächst noch analoge Steuersignal digitalisiert. Entsprechend dem Wert dieses digitalisierten Signales werden über einen Decoder (nicht dargestellt) die einzelnen anzusteuernden Piezokristallelemente in einer Weise ausgewählt, dass sich durch Addition ihrer Einzelausdehnungen die Nachstellung des Objektivs ergibt. Da für eine exakte und schnelle (digitale) Nachsteuerung des Objektivs dieses ständig in eine Richtung oder entgegengesetzt dazu auf bestimmte Positionswerte nachzu- führen ist, muss diese Nachführung für hochauflösende Systeme hysteresefrei sein. Die Nachsteuerung des Objektivs kann entweder in einer geschlossenen Regelschleife erfolgen; ebensogut ist aber auch eine Nachsteuerung des Objektivs aufgrund vorher gemessener und abgespeicherter Abweichungswerte für eine Plattenumdrehung möglich. Auch zum Datenlesen von einem mit dem Laserstrahl beschriebenen Aufzeichnungsträger wird ein auf diesen fokussierter Laserstrahl verwendet. Das Auslesen der Information erfolgt in herkömmlicher Weise durch Auswertung des unterschiedlichen Transmissionsverhaltens des Strahles bezüglich des Aufzeichnungsträgers. Ähnlich aufgebaute dual gestufte und digital angesteuerte Piezokristallelemente lassen sich auch für alle anderen Ablenk- und Auslenkverfahren verwenden, bei denen es auf hohe Auflösung, Hysteresefreiheit und maximale Ablenk- bzw. Auslenkgeschwindigkeit ankommt. Besonders vorteilhaft lässt sich die beschriebene Anordnung in prozessorgesteuerten Positioniersystemen einsetzen (z. B. Messtischfeinsteuerung mit einer Auflösung eines Bruchteiles der Interferometer-Wellenlänge). Dabei kann durch die digitale Art der Steuerung und Messwerterfassung eine weitere Analog/ Digitalumsetzung oder umgekehrt entfallen.

Claims: PATENTANSPRÜCHE 1. Piezoelektrische Antriebsanordnung zur Erzeugung ge steuerter Auslenkungen, bestehend aus einer Mehrzahl mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbaren Piezo kristallelementen, deren Einzelausdehnungen sich addieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezokristallelemente (2, 3, 4) zur Erzielung von zwei von der elastischen Hysterese des Piezokristall elementes unbeeinflussten Endlagen für eine temporär anhaltende Auslenkung mit einer positiven bzw. nega tiven Spannung zur Erreichung hysteresefreier Arbeits punkte beaufschlagbar sind. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezokristallelemente (2, 3, 4) hintereinander angeordnet und über ihre Polfächen (2-1, 2-2, 3-1, 3-2, 4-1, 4-2) elektrisch separat (+U1, +U2, tau3) beauf schlagbar sind, und dass die Ansteuerung der einzelnen Piezokristallelemente (2, 3, 4) zur Erzielung bestimmter zunehmender und/oder abnehmender Auslenkungen erfolgt. 3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezokristallelemente (2, 3, 4) unterschiedliche Abmessungen in Ausdehnungsrichtung aufweisen. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezokristallelemente (2, 3, 4) gleiche Abmessungen in Ausdehnungsrichtung aufweisen. 5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Steuerspannungen für jedes Piezo kristallelement (2, 3, 4) den gleich- grossen Absolutbe trag haben. 6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Steuerspannungen für die einzelnen Piezokristallelemente (2, 3, 4) unterschiedliche Abso lutbeträge haben. 7. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezokristallelemente (2, 3, 4) in Ausdehnungs richtung gleiche und/oder unterschiedliche Abmessungen aufweisen und ihre elektrischen Steuerspannungen die gleichen und/ oder unterschiedliche Absolutbeträge aufweisen. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkungsbeträge der Piezokristallelemente (2, 3, 4) dual gestaffelt sind. 9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung der piezoelektrischen Antriebsanordnung ein Digitalsignal verwendet wird, das durch einen Deco dierer in digitale Steuerspannungen (+U1, +U2, +U3) für die einzelnen Piezokristallelemente (2, 3, 4) aufgeteilt wird. 10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Piezokristallelemente (2, 3, 4) vonein ander durch Isolierelemente (5, 6) getrennt sind, dass die Polflächen der Piezokristallelemente und die ihnen zugewandten Flächen der Isolierelemente metalli siert sind zur Kontaktgabe mit den Leitungen (2-1-1, 2 2-1 bis 4-1-1, 4-2-1) für die Zuführung der Steuer spannungen (+U1, tau2, tau3). 11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierelemente (5, 6) aus Glas sind. 12. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezokristall- (2, 3, 4) und Isolierelemente (5, 6) miteinander mit einem leitenden Kleber verklebt sind. 13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Endflächen der gesamten piezoelektrischen Antriebs anordnung (30) mit Gehäusewandungen (27, 22) mit einem nichtleitenden Kleber verklebt sind. 14. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber ein Zweikomponenten-Kleber ist. 15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezokristall- (32) und die Isolierelemente (31) ringoder scheibenförmig ausgebildet sind. 16. ¯Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 in automatischen Fokussiersystemen zur digitalisier ten Steuerung einer Fokussieranordnung in geschlossenen Regelkreisen. 17. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 in automatischen Fokussiersystemen zur digitalisier ten Steuerung einer Fokussieranordnung in einem offenen Steuerkreis unter Benutzung eines Speichers zur Speiche rung der Steuerwerte. 18. Verwendung nach einem der Ansprüche 16 bis 17 in zur Steuerung eines Laserstrahls für die Datenaufzeichnung auf einen oder das Datenlesen von einem rotierenden Aufzeichnungsträger. 19. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zur digitalisierten Steuerung von allgemeinen Ablenk oder Auslenksystemen in geschlossenen Regelkreisen. 20. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zur digitalisierten Steuerung von allgemeinen Ablenk oder Auslenksystemen in offenen Steuerkreisen unter Be nutzung eines Speichers zur Speicherung der Steuerin formation. 21. Steuerschaltung zum Anlegen der Betriebsspannung an ein Piezokristallelement, dadurch gekennzeichnet, dass ein logisches Signal ucontro 1 einerseits einem In verter (18) mit nachgeschalteter erster Treiberstufe (15) und andererseits einer zweiten Treiberstufe (16) zuführbar ist und dass die Polflächen (12, 11) des Piezokrisallele ments (10) mit jeweils einer Treiberstufe (15, 16) verbunden sind, welche je nach Wert des logischen Signales Ucontrol U die die Polanschlussfläche des Piezo- control kristallelementes (10) mit Masse verbindet bzw. mit einer Steuerspannung beaufschlagt. 22. Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerspannung immer die gleiche Polarität hat.

Inventors: KALLMEYER, MICHAEL, ROSCH, HANS, DR., SCHEUING, CLAUS, SOLF, BERNHARD, Rösch, Hans, Dr.
Applicants: DISCOVISION ASSOCIATES
Application year: 1980
Main classification: G03B41
IPC codes: B23Q1, H02N2, H01L41, B41J2, G03F9