DD154146A1

DD154146A1 - Einrichtung zur piezoelektrischen positionierung

Info

Publication number: DD154146A1
Application number: DD22560280A
Authority: DD
Inventors: Peter Dittrich; Lothar Mueller; Werner Scheler; Udo Battig
Original assignee: Peter Dittrich; Lothar Mueller; Werner Scheler; Udo Battig
Priority date: 1980-12-01
Filing date: 1980-12-01
Publication date: 1982-02-24
Also published as: DD154146B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur piezoelektrischen Positionierung insbesondere fuer die Herstellung von Halbleiterbauelementen unter Verwendung von Piezoverstellelementen. Ziel der Erfindung ist es, eine schnelle und genau arbeitende piezoelektrische Positioniereinrichtung zu schaffen, die bei kleinen Abmessungen einen fuer Piezoverstellelemente grossen Verstellbereich im Mikrometer -oder Zehntelmillimeterbereich besitzt und moeglichst unempfindlich gegenueber von aussen einwirkenden Belastungen ist. Die Piezoverstellelemente bestehen jeweils aus einem Grundkoerper, welcher durch ein federndes Element und einem Piezokoerper mit einem Abtriebshebel verbunden ist. Zwei solcher Piezoverstellelemente bilden in Reihe geschaltet ein Elementenpaar, und in der Regel jeweils drei Elementenpaare werden in sternfoermiger oder polygoner Anordnung zwischen einer Grundplatte und einer Abtriebsplatte befestigt.

Description

Pitel der Erfindung; - ·

Liiirichtung zur piezoelektrischen Positionierung

[J) ' Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur piezoelektrischen Positionierung insbesondere für die Herstellung von Halbleiterbauelementen unter Verwendung von Piezovsrstell-,' elementen. Sie gestattet bei relativ kleiner Baugröße eine schnelle und genaue Positionierung im Mikrometer- oder Zehntelmillimeterbereich. Solche Einrichtungen können vorteilhaft überall dort eingesetzt werden, v/o hohe Forderungen an Genauigkeit und Produktivität von Geräten gestellt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Gegenwärtig sind verschiedene Lösungen bekannt, bei denen für Verstelleinrichtungen Piezoelemente eingesetzt werden, J welche beim Anlegen einer Steuerspannung ihre Dicke oder Länge ändern, oder sich durchbiegen. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften der Piezoelemente können dabei, bei konstruktiv sinnvoller Abmessung, nur Verstellbereiche 13 Mikrometerbereich realisiert werden.

Es ist auch'bekannt, zur Vergrößerung der Verstellwege, oder Verstellkräfte mehrere solcher Elemente in Reihe oder parallel zu schalten, oder auch mechanische Getriebe, insbesondere Hebelanordnungen einzusetzen. Bei deren Einsatz besteht der Nachteil, daß einzelne Versteüeleiaente-nicht die notwendige Stabilität aufweisen, um zu verstellende Teile, insbesondere wenn deren Masse viel größer als die der Verstellelemente . ist, präzise zu führen. Zudem erweist sich als Nachteil, daß beim Einsatz mehrerer solcher mechanischer Verstellelemente,

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die gleichzeitig εη dem zu bewegenden Teil angreifen und dessen Lage bestimmen, kein ausreichender Gleichlauf über längere Zeiten erzielt werden kann· Es werden deshalb zusätzlich Führungen eingesetzt, wobei der konstruktiv notwen- ' dige Platzbedarf insbesondere für die Bauhöhe der Verstelleinrichtung wesentlich steigt·

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine schnelle und genau arbeitende piezoelektrische Positioniereinrichtung zu schaffen, die bei kleinen Abmessungen einen für Piezoverstellelemente großen Verateilbereich im Mikrometer- oder Zehntelmillinisterbereich besitzt, möglichst stabil gegenüber von außen einwirkenden schwingenden oder stoßförmigen Belastungen ist, einen im wesentlichen linearen Zusammenhang zwischen der Verstellung und der SteuerSpannungsänderung besitzt und geringe Verschiebungen quer zur Bewegungsrichtung aufweist. Die Positioniereinrichtung soll insbesondere eine geringe Bauhöhe besitzen und es in spezieller Ausführungaform gestatten, die Abtriebsplatte gegenüber der Grundplatte zu kippen«, Sie soll außerdem als Bestandteil einer. Steuer- und Regeleinrichtung mit geringer Zeitkonstante arbeiten·

!Darlegung des Wesens der Erfindung·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur piezoelektrischen Positionierung, insbesondere für dis Herstellung von Halbleiterbauelementen, unter Verwendung von Piezoverstellelementen zu schaffen, von denen jedes aus einem Grundkörper besteht, welcher durch ein federrxdes Element und mindestens einen Piezokörper mit einem Abtriebhebel verbunden ist. Erfindungsgemäß wird die. Aufgabe dadurch gelöst, daß in der Regel jeweils drei solcher.Verstellelemente in sternförmiger oder polygoner Anordnung bezüglich einer Achse in Richtung der Positionierung mit ihren Grundkörpern auf einer Grundplatte befestigt sind· Auf die Abtriebshebel jedes dieser Piezoverstellelemente stützen sich die Abtriebshebel jeweils eines zweiten Piezoverstellelementes ab und bilden so

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ein Verstellelementenpaar. Die Grundkörper der zweiten Piezoverstellelemente sind mit einer Abtriebsplatte verbunden· Vorteilhaft ist, die Verstellelementenpaare so anzuordnen, daß ihre Abstutzpunkte gleiche Abstände von einander haben. Bei den Piezoverstellelementen ändert sich beim Anlegen einer Steuerspannung die Länge des Piezokörpers, und der Abtriebshebel führt angenähert eine Verstellbewegung um einen Dreh- · punkt aus· Dabei wird ein gegenüber der linearen Ausdehnung des Piezokörpers wesentlich vergrößerter Verstellwag erzielt· Durch Reihenschaltung jeweils zweier solcher Piezoverstellelemente wird eine Verdopplung des Verstellweges erzielt, und wenn sie deckungsgleich übereinander liegen, weitestgehend eine unerwünschte zusätzliche Bewegung quer zur Führungsrichtung kompensiert.

Werden die jeweiligen zwei Piezoverstellelemente eines Versteileletnentenpaares mit ihren Abtriebshebeln einander zugewandt angeordnet, ergibt sich der Vorteil, daß bei einer Bewegung der Abtriebsplatte von der Grundplatte weg eine Ausdehnung der einzelnen Piezokörper erfolgen muß. Damit werden die Einspannstellen der Piezokörper, welche beispielsy/eise in die Grundkörper und Abtriebshebel eingeklebt sind, günstigerweise auf Druck beansprucht·

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Piezoelemente eines VerstelLelementenpaares mit ihren Piezokörpern einander zugewandt anzuordnen.

Bei diesen beiden Möglichkeiten werden jeweils beide Piezoverstellelemente eines Verstellelementenpaares beim Einleiten einer Verstellbewegung mit einer Änderung der Ansteuerspan- _; nung in der gleichen Richtung beauflagt· In einer dritten Variante ist die Anordnung der zwei Piezoverstellelemente ί· eines Verstellelementenpaares in der Form, daß der Piezokörper des einen Piezoverstellelementes den Abtriebshebel des gegenüberliegenden Piezoverstellelementes zugewandt ist· Beim Einleiten einer "Verstellbewegung erfolgt hieYbei eine Änderung der Ansteuerspannung jeweils für beide Piezoverstellelemente in entgegengesetzter Richtung. Eine Versorgung aller

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Verstellelemente der Einrichtung mit jeweils der gleichen Ansteuerspannung hat eine Positionierung der Abtriebsplatte parallel zur Grundplatte zur Folge, was z.B. bei einer zusätzlichen Pührung der Abtriebsplatte· ausreichend ist. V/erden die einzelnen Verstellelementenpaare separat mit einer unterschiedlichen Ansteuerspannung versorgt, ist eine gezielte Verkippung der Abtriebsplatte möglich, um z.B. Keilfehler einer zu positionierenden Substratplatte oder Ablauffehler bei möglicher Verstellung der Einrichtung senkrecht zur Achse in Richtung der Positionierung auszugleichen.

Die Kopplung der beiden Piezoverstellelemente eines Verstellelementenpaares kann über Blattfedern erfolgen, welche in Richtung der Längsachse der Piezoverstellelemente elastisch wirken und in der Positionierrichtung und in der Richtung quer zur Längsachse eine hohe Steifigkeit besitzen» Damit hat die Einrichtung eine hohe Stabilität gegenüber äußeren Belastungen.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist, daß ein Piezoverstellelement eines Verstelleiernentenpaares jeweils eine . Kugel in einer kegeligen Vertiefung oder einen Stift mit einem Kugelkopf am Abtriebsglied trägt, welche sich im gegenüberliegenden Abtriebsglied in einer Nut abstützt. Die Nuten verlaufen zweckmäßigerweise so, daß ihre gedachten Verlängerungen in einem Punkt, in der Achse in Richtung der Positionierung, zusammentreffen.

Ebenso können bei drei Verstellelementenpaaren die der Kugel oder dem Stift gegenüberliegenden Abtriebsglieder je eine Fläche, eine kegpelige Vertiefung und eine Nut sein_? wobei die Nut in ihrer gedachten Verlängerung durch die kegelige Vertiefung verläuft.

Eine Anordnung von drei deckungsgleichen Verstellelementenpaaren kann vorteilhaft auch so erfolgen, daß die Verbindungslinien zwischen den Abstützpunkten des ersten und zweiten und dritten Veratellelement-enpaares eineny·Winkel von 90° einschließen und gleich lang sind.

Zur Erzielung einer Positionierung, welche eine minimale seitliche Ablage hat-werden drei Verstellelementenpaare mit . 3693

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einer DoppelmembranfUhrung kombiniert. Dabei kann die Baugröße, speziell die Bauhöhe gering gehalten werden dadurch, daß drei erste Piezoverstellelemente dreieckförmig um einen äußeren Führungszylinder angeordnet sind und drei zweite Piezoverstellelemente mit ihrer Längsachse konzentrisch zur Achse in Richtung der Positionierung durch Ausbrüche im äußeren und einem inneren Führungszylinder zwischen den beiden Membranen ragen. Die zweiten Piezoverstellelemente sind mit ihren Grundkörpern mit einer als Flansch ausgebildeten Abtriebsplatte verschraubt. Die Bewegung wird von dem Abtriebsflansch durch einen Taumel3tift auf den inneren Füh-. rungszylinder übertragen, auf welchem das zu positionierende Objekt befestigt ist.

Ausführungsbeispiel .

_ΛDie,Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: ein Ausführungsbeispiel eines Piezoverstellelementes Fig. 2: eine erfindungsgemäße Positioniereinrichtung Fig. 3: eine Ansicht im Schnitt A-A der in Fig. 2 dargestellten Positioniereinrichtung

Fig. 4: eine Möglichkeit der Anordnung der Elementenpaare Fig. 5: eine weitere Möglichkeit der Anordnung der Elementenpaare

Fig. 6: eine zweite erfindung3gemäße Positioniereinrichtung Fig. 7: eine Daraufsicht der in Fig. 6 gezeigten Positioniereinrichtung ohne obere Platte .Fig. 8: eine Schnittdarstellung der Positioniereinrichtung nach Fig. 6 ohne obere Platte

In Figur 1^st ein Grundkörper 1 durch ein Blattfedergelenk 2 mit einem Abtriebshebel 3 verbunden. Im Grundkröper 1 und im Abtriebshebel 3 ist ein Piezokörper 4, welcher aus mehreren Elementen bestehen kann, 3.B. dyrch«Kleben, befestigt. .Der Piezdkörpe*r 4 1st in elestisches Material 5, vorzugsweise •Siliconkautschuk, eingebettet» Beim Ändern einer Ansteuerspannung, mit welcher der Piezokörper 4 beauflagt ist, ändert der Piezokörper seine Länge. Dabei kann aufgrund der Hebelwir-

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kung in Richtung des Pfeiles 6 eine Verschiebung ebgenoinmen werden, die entsprechend dem Verhältnis der Abtriebshebellänge zum Abstand zwischen der Einspannstelle des Piezokörpers 4 und dem Drehpunkt größer ist als die Längenänderung des Piezokörpers 4.

In Pig. 2 sind ,jeweils drei erste Piezoverstellelemente 15 mit einer Grundplatte 17 und drei zweiten Piezoverstellelemente 16 mit einer Abtriebsplatte 22 verschraubt. Die sich jeweils gegenüber liegenden ersten und zweiten Piezoverstellelernente 15 und 16 bilden Elernentenpaare 14 und stützen sich mittels Blattfedern 21, welche durch KLemmstUcke 20 und Schrauben 19 an den Abtriebshebeln 3 der Piezoversteilelemen- te 15, 16 befestigt sind, in Abstützpunkten 10 aufeinander ab. Die Blattfedern besitzen parallel zu einer Achse in Richtung der Positionierung 25 eine hohe Steifigkeit und sind parallel zu den Längsachsen der Piezoverstellelemente 15, elastisch«

Gemäß Pig· 3 sind die Elementenpaare 14 dreissksförniig auf der Grundplatte 17 befestigt. Die ersten und zweiten Piezoverstellelemente 15, 16 sind so angeordnet, daß dia Piezckörper 4 einander zugewandt sind. Die Anschraubpunkte der Grundkörper 1 jedes Elementenpaares 14 liegen übereinander«. Die Stabilität der Einrichtung wird erhöht, wenn die Abstützpunkte 10 der Abtriebshebel 3 der Piezoverstellelesente 15, 16 gleiche und möglichst große Abstände voneinander und von der A.chse in Richtung der Positionierung 25 haben. Beim Ändern der Ansteuerspannung der PiezoverstelLslements 15, 16 bewegen sich je nach Polarität die Grundkörper 1 entweder aufeinander zu, oder voneinander weg, so daß sich die Verschiebungen addieren und sich der aufgrund der kreisförmigen Bewegung ergebende Versatz in Richtung der Längsachse der Piezoverstellelemente 15, 16 gegenseitig aufhebt. Wird für die einzelnen Elementenpaare 14 die Ansteuerspannung unterschiedlich geändert, kann eine gezielte Verkippung der Abtriebsplatte 22 erreicht werden.

Eine andere Möglichkeit der Anordnung der Elementenpaare ist in Fig. 4 dargestellt. Hier sind die Piezoverstellelemente 15, 16 sternförmig angeordnet und zur Kopplung zwi- .

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sehen den jeweils ersten und zweiten sich in den Abstützpunkten 10 aufeinander abstützenden Piezoverstellelementen 15» 16 werden Kugeln eingesetzt» Diese befinden sich nach den bekannten Prinzipien zwangsfreier Dreipunkteauflagen entweder wie dargestellt in drei V-förniigen Nuten 23 oder

* zwischen drei verschiedenen Auflagen, wie einer kegelförmigen Senkung 24» einer V-Nut 23 und einer Planplatte 27-Diese Variante ist in Fig· 5 dargestellt·

Die Kugeln werden entweder durch Käfige· gehalten oder fest mit jeweils einem der beiden Piezoverstellelemente 15, 16 verbunden, oder sind BestandtiBil von diesen·

_Λ In Pig· 5 ist eine Möglichkeit dargestellt, die Piezoverstell-

-^ elemente 15, 16 so anzuordnen* daß die Verbindungslinien zwischen den Abstützpunkten 10 einen Winkel von 90° einschließen· Damit wird eine Entkoppelung der Kippbewegung erreicht, womit die Ansteuerung und Regelung für eine gezielte Kippung : · -. der Abtriebsplatte 22 vereinfacht wird. In den Figuren 6 bis 8 befindet sich zwischen der Grundplatte 17 und der Abtriebsplatte 22 eine Membranführung, bei welcher eine obere und eine untere Membrane 32 und 33 fest zwischen einem inneren Führungszylinder 30 und einem äußeren Fuhrungszylinder 31 verspannt sind. Der äußere Führungszylinder 31 ist auf der . Grundplatte 17 befestigt, und auf der Deckplatte 35 des inneren Führungszylinders 30 ist die Abtriebsplatte 22 befestigt· Drei erste Piezoverstellelemente 15 sind dreieckförmig auf der Grundplatte 17 angeordnet und mit dieser über ihre Grundkörper 1 verschraubt. Auf ihren Abtriebshebeln 3 stützen sich drei zweite Piezoverstellelemente 16 über Kugeln 36 ab. Die zweiten Piezoverstellelemente 16 ragen radial durch Ausneh-

_w "mungen in den Füjirüngs zylinder 30, 31 und sind· mit ihren Grundkörpern 1 mit einem Zwischenflansch 37 verschraubt. Der Zwischenflansch 37 ist über einen Taumelstift 38, welcher in Kegelpfannen 40 zwangsfrei gelagert ist, mit der Deckplatte 35 gekoppelt.'Dear Taumalstift 38 ist vorteilhaft*so * dimensioniert, daß die Koppelung mit der Deckplatte 35 mit gleichem Abstand zu beiden Membranen 32, 33 erfolgt· Beim Ändern der Ansteuerspannung werden die Piezoverstellelemente 15, 16 je nach Polarität ausgelenkt und die Bewegung über die

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.Abtriebsplatte 22, den Taumelstift 38 und die Deckplatte 35 auf den inneren Führungszylinder 30 und damit auf die Abtriebsplatte 22 übertragen· Diese bewegt sich dabei um den doppelten Betrag der Bewegung eines Piezoverstellelementes 15, 16. Die dargestellte Ausführung der erfindungsgemaßen Positioniereinrichtung ermöglicht es, bei vorteilhaft großem Membranabstand eine geringe Bauhöhe zu realisieren. Die Piezoverstellelemente 15, 16 sind so ausgebildet, daß eich bei einer Bewegung gegen die Rückstellkraft der Membranführung die Poezokörper 4 ausdehnen und so die Einspennstellen der Piezokörper 4 in den Abtriebshebel 3 und Grunakörper 1 vorteilhaft mit Druck belastet werden.

Claims

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Erfindungsanspruoh . .

1. Einrichtung zur Piezoelektrischen Positionierung insbesondere für die Herstellung von Halbleiterbauelementen unter Verwendung von Piezoverstellelementen, von denen jedes aus einem Grundkörper besteht, welcher durch ein federndes Element und mindestens einen Piezokörper mit einem Abtriebshebel verbunden ist, gekennzeichnet dadurch:

daß mindestens drei erste Piezoverstellelemente mit ihren Grundkörpern in im wesentlichen regelmäßigen Abständen voneinander fest mit einer Grundplatte verbunden sind,·daß sich auf das freie Ende jedes Abtriebshebels der ersten Piezoverstellelemente das freie Ende eines Abtriebshebels je eines zweiten gleichartigen Piezoverstellelementes. abstützt und daß die Grundkörper der zweiten Piezcverstellelemente mit einer Abtriebsplatte verbunden sind.

2· Einrichtung nach Punkt 1,gekennzeichnet dadurch, daß die Piezokörper der jeweils aus einem ersten und zweiten Piezoverstellement gebildeten Elementenpaare einander zugewandt sind und eine Änderung einer Ansteuerspannung jeweils für beide Piezoverstellelemente in der gleichen Richtung erfolgt.

3· Einrichtung nach Punkt 1,gekennzeichnet dadurch, daß jeweils die Abtriebshebel der Elementenpaare einander zugewandt sind und eine Änderung der Ansteuersparnung jeweils für beide Piezoverstellelemente in der gleichen Richtung erfolgt·

4· Einrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei den Elemendjenpaaren* jeweils der Piezokörper des einen

:. Piezoverstellelementes dem Abtriebshebel des gegenüberliegenden Piezoverstellelementes zugewandt ist und eine Änderung der Ansteuerspannung jeweils für beide Piesover-,stellelemente in^en^tgfegengesetzter Richtung erfolgt,

5· Einrichtung nach Punkt 2 oder 3 oder 4,gekennzeichnet dadurch, daß alle Piezoverstellelemente^deren Änderung der Ansteuerspannung jeweils in der gleichen Rich-

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tung erfolgt,mit der gleichen Ansteuerspannung versorgt werden.
6. Einrichtung nach Punkt 2, oder 3 oder A-₉ gekennzeichnet dadurch, daß die Piezoverstellelemente, insbesondere jeweils die eines Elementenpaares,separat mit einer Ansteuerspannung versorgt werden.

7· Einrichtung nach Punkt 5 und 6^ gekennzeichnet dadurch, daß die jeweils ersten und zweiten Piezoverstellelemente an den Abstützpunkten durch elastische Mittel, vorzugsweise Blattfedern,miteinander gekoppelt sind, wobei die elastischen Mittel parallel zu den Längsachsen der Piezoverstellelemente elastisch wirken und in den anderen Richtungen, insbesondere in Positionierrichtung,eine hohe Steifigkeit besitzen·

8· Einrichtung nach Punkt 5 oder Spgekennzeichnet dadurch, daß an den Abstützpunkten die Abtriebsglieder der jeweils ersten oder zweiten Piezoverstellelemente kugelförmige Elemente tragen, welche sich in nutenförmigen Vertiefungen der Abtriebsglieder der jeweils gegenüberliegenden Piezoverstellelemente abstützen und die Verlängerungen der nutenförmigen Vertiefungen vorzugsweise in einem Punkt zusammentreffen.

9» Einrichtung nach Punkt 5 und 6,gekennzeichnet dadurch, daß bei Verwendung von vorzugsweise drei Piezoverstsllelementenpaaren an den Abstützpunkten die Abtriebsglieder der jeweils ersten und zweiten Piezoverstellelemente ku- gelfö'rmige Elemente tragen, welche sich in jeweils eine nutenförmige, eine kegelige Vertiefung und eine Fläche der jeweils gegenüberliegenden Piezoverstellelemente abstützen' und*die Verlängerung der nutenförmigen Vertiefung vorzugsweise durch den Abstützpunkt mit der kegeligen Vertiefung verläuft,
10. Einrichtung nach. Punkt 7 oder 8 oder ^gekennzeichnet dadurch, daß die ersten und zweiten 'Piezoverstellelemente deckungsgleich übereinander liegen und bezüglich einer Achse in Richtung der Positionierung regelmäßig und in gleicher Richtung und mit gleichen Abständen voneinander und von der Achse angeordnet sind.

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11· Einrichtung nach Punkt 7. oder 8 oder 9, gekennzeichnet dadurch, daß die ersten und zweiten Piezoverstellelemente deckungsgleich übereinander liegen und eine Verbindungslinie zwischen einen! Abstutzpunkt eines Verstellelementenpaares und dem Äbstützpunkt eines zweiten Verstellelementenpaares im wesentlichen rechtwinklig zu einer Verbindungslinie zwischen dem Abstützpunkt des zweiten . Verstellelementenpaares und dem Abstützpunkt eines dritten Verstellelementenpaares liegt, wobei die Abstände zwischen dem ersten und dem zweiten und dem zwsiten und dem dritten Abstützpunkt vorzugsweise gleich sind. 12.Einrichtung nach Punkt 7 oder 8 oder 9jgekennzeich-

J ·" net dadurch, daß zwischen der Grundplatte und der Abtriebsplatte zwei im wesentlichen koaxial zueinander angeordnete Zylinder vorgesehen sind, von denen einer mit der Grundplatte und der andere mit der Abtriebsplatte fest verbunden ist und die untereinander über Membranen in Verbindung stehen, daß in den Wandungen der Zylinder in regelmäßigen Abständen über dem Zylinderumfang Ausnehmungen vorgesehen sind, daß die ersten Piezoverstellelemente außerhalb der Zylinder auf der Grundplatte bezüg-.;. : lieh einer'Achse in Richtung der Verstellbewegung in Forin eines Polygons angeordnet sind und daß die zweiten Piszoverstellelemente durch die Ausnehmungen radial hindurch-

\ , ragen und mit ihren Grundkörpern an einem Zwischenflansch befestigt sind, der über einen Taumelstift an die Abtriebsplatte angelenkt ist.
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