CS239019B1

CS239019B1 - Micrometer feed with stepping motor

Info

Publication number: CS239019B1
Application number: CS835992A
Authority: CS
Inventors: Miroslav Bulka
Original assignee: Miroslav Bulka
Priority date: 1983-08-15
Filing date: 1983-08-15
Publication date: 1985-12-16
Also published as: CS599283A1

Abstract

Podstatou vynálezu je, že na hřídeli je upevněn rotor krokového motoru, jehož stator je spojený s nosnou konstrukcí stavitelně ve směru kolmém vůči ose hřídele. Hřídel je opatřena snímačem okamžité polohy hridele. Uspořádání je určeno zejména pro manipulační stolek elektronového litografu.The essence of the invention is that on the shaft the rotor of the stepper motor is mounted the stator is connected to the supporting structure adjustable in a direction perpendicular to the shaft axis. The shaft is equipped with an instantaneous sensor shaft position. The layout is intended especially for the electron handling table lithograph.

Description

(54)(54)

Mikrometrický posuv s krokovým motoremMicrometer feed with stepper motor

Podstatou vynálezu je, že na hřídeli je upevněn rotor krokového motoru, jehož stator je spojený s nosnou konstrukcí stavitelně ve směru kolmém vůči ose hřídele. Hřídel je opatřena snímačem okamžité polohy hridele. Uspořádání je určeno zejména pro manipulační stolek elektronového litografu.The essence of the invention is that a stepper motor rotor is mounted on the shaft, the stator of which is connected to the supporting structure in a direction perpendicular to the axis of the shaft. The shaft is equipped with a shaft position sensor. The arrangement is intended especially for the manipulation table of the electron lithograph.

259 019259 019

239 019239 019

Vynález se týká konstrukčního uspořádání mikrometrického posuvu s krokovým motorem.The invention relates to a micrometric displacement design with a stepping motor.

Současný stav řešení nejpřesnějších mikrometrických posuvů využívá metody vodícího šroubu, precizně uloženého v konstrukci vlastního mikroposuvu. Šroub nese matku mechanicky vázanou s posouvaným objektem, stolkem, nástrojem a pod. šroub, nebo někdy matka, je otáčen bu3 ručně, nebo prostřednictvím elektromotoru řízeného elektronikou. Šroub bývá buS velmi přesný, broušený, lepovaný a kalibrovaný s minimální vůlí, nebo nověji vytvořený hladkou hřídelí, po které se po šroubovici odvalují rotační elementy uspořádané v tak zvané frikční matce, šroub musí být tak uložen a musí jím být tak otáčeno, aby se na něj nepřenášela žádná vnější síla, která by jej mohla deformovat a tím porušit přesnost posuvu.The current state of solution of the most accurate micrometric feeds uses the method of a lead screw, precisely placed in the construction of the actual micro-feed. The bolt carries the nut mechanically bound to the object being moved, table, tool, etc. the screw, or sometimes the mother, is rotated either manually or through an electric motor controlled by the electronics. The screw is either very precise, ground, glued and calibrated with minimal clearance, or a newly formed smooth shaft, after which the rotary elements arranged in the so-called friction nut roll along the helix, so that the screw must be positioned and rotated so that no external force was applied to it, which could distort it and thus impair the accuracy of the feed.

Elektromotory, k tomuto účelu používané, jsou bu3 klasické servomotory s tachosystémy, nebo krokové s elektronickým digitálním řízením. Servomotory jsou rozměrné a v některých případech, jako například při použití v elektronové litografii, ruší funkci přístroje svým silným permanentním magnetickým polem. Krokové motory vnášejí do systému značné vibrace. Proto zde vystupuje další problém, a to je problém vhodné, přesné a přitom pevné a zároveň velmi poddajné spojky, která by přenášela jen rotační pohyb, ale v žádném případě nepřenášela síly ovlivňující přesnost mikroposuvu. V případě elektronové litografie vystupuje navíc problém přenosu rotační síly do vysokého vakua a v případě ovládání stolku v osách XT i obtížný přenos rotačního pohybu do toho posuvu,The electric motors used for this purpose are either classic servo motors with tachosystems or stepper with electronic digital control. The actuators are bulky and in some cases, such as when used in electron lithography, interfere with the operation of the device by its strong permanent magnetic field. Stepper motors bring considerable vibration to the system. Therefore, there is another problem, and this is the problem of a suitable, accurate yet strong and at the same time very flexible coupling which would transmit only rotational movement but in no way transmit forces affecting the accuracy of the micro-feed. In the case of electron lithography, the problem of transferring the rotational force to the high vacuum also arises and, in the case of operating the table in the XT axes, the difficulty of transferring the rotational movement to that feed,

239 019 který je v kolmém směru unášen posuvem druhým. V případě užití krokového motoru, který je jinak velice výhodný možností digitálního řízení přímo z počítače, musí být spojka vysoce tuhá torzně, nebol jakákoliv pružnost v tomto směru se projeví jako silné porušení dynamické stability krokového motoru. Motory musí mít vlastní rotory uloženy v samostatných ložiskách, tím se podstatně zvětšuje rozměr motoru a v závislosti i rozměry nosné konstrukce, vakuové nádoby a ostatní s tím spojené problémy a náklady neúměrně vzrostou. Nutno upozornit na další obecnou vlastnost elektrických motorů. I když se motor vyrobí co nejpřesněji, nelze zvyšováním přesnosti dosáhnout naprosto klidného chodu bez vibrací. Příčinou jsou nehomogenity magnetických materiálů, různé magnetické toky, které způsobí, že osa rotačního pole magnetického nesouhlasí s osou mechanickou. Nutné použití spojek ve stávajících konstrukcích ztěžuje regulační charakteristiky servosmyček řídící elektroniky tím, že vnáší do systému další přídavné hmoty, které se uplatňují v rozběhových a brzdicích charakteristikách a v případě krokového motoru zhoršují dokonce dynamické vlastnosti samotného motoru.239 019 which is carried perpendicularly by the other. In the case of using a stepper motor, which is otherwise a very advantageous possibility of digital control directly from the computer, the clutch must be highly rigid torsion, since any flexibility in this direction will prove to be a severe failure of the dynamic stability of the stepper motor. The motors must have their own rotors mounted in separate bearings, which significantly increases the size of the motor and, depending on the dimensions of the supporting structure, vacuum vessel and other related problems and costs increase disproportionately. Attention is drawn to another general characteristic of electric motors. Even if the engine is made as accurately as possible, it is not possible to achieve perfectly smooth, vibration-free operation by increasing accuracy. This is due to inhomogeneities of magnetic materials, various magnetic fluxes, which cause the axis of the magnetic field to rotate with the mechanical axis. The necessary use of couplings in existing designs complicates the control characteristics of the servo-loops of the control electronics by introducing into the system additional auxiliaries which are used in the starting and braking characteristics and, in the case of a stepper motor, even deteriorate the dynamic characteristics of the motor itself.

Dosavadní nedostatky odstraňuje mikrometrický posuv, sestávající z otočné hřídele s frikční matkou, uložené v nosné konstrukci, jehož podstatou je, že na hřídeli je upevněn rotor krokového motoru, jehož stator je spojený s nosnou konstrukcí stavitelně ve směru kolmém vůči ose hřídele.The previous drawbacks are eliminated by a micrometric feed consisting of a rotary shaft with a friction nut mounted in a support structure, the principle being that a stepper motor rotor is mounted on the shaft, the stator of which is connected to the support structure in a direction perpendicular to the shaft axis.

del je opatřena snímačem okamžité polohy hřídele.The shaft is equipped with a sensor of the current position of the shaft.

Hlavní předností tohoto uspořádání je vysoká jednoduchost systému, malé rozměry, malé aktivní hmoty, rychlá regulační odezva, nepatrné vibrace, úplné odstranění spojek, tuhá mechanická vazba pohonného systému na mikrometrický posuv, nepatrné ovlivňování přesnosti mikroposuvu, možnost přímé konstrukce pohonu na příčný pohybující se druhý posuv, možnost vyřešéní statoru pro provoz ye vysokém vakuu a tím také i možnost zabudování motorů do vakuových prostorů a současně odstranění potřebných průchodů do vakua. Podstatné zmenšení rozměrů nevyžaduje zvětšování vakuových nádob, malá hmotnostThe main advantages of this arrangement are high simplicity of the system, small dimensions, small active masses, fast regulation response, low vibration, complete clutch removal, rigid mechanical coupling of the drive system to micrometric feed, slight influence on micro-feed accuracy displacement, the possibility of solving the stator for operation under high vacuum and thus also the possibility of incorporating the motors into the vacuum space and at the same time eliminating the necessary passages into the vacuum. Significant reduction of dimensions does not require enlargement of vacuum vessels, low weight

239 019 při zachování stejných elektrických a mechanických parametrů jako v případě předchozí rozměrné soustavy neovlivňuje konstrukci ostatních částí mikrometrického posuvu.239 019, while maintaining the same electrical and mechanical parameters as in the previous dimensional system, does not affect the design of the other parts of the micrometric displacement.

Uspořádání mikrometrického posuvu je patrno na přiloženém obrázku· Otočná hřídel £ je uložena v radiálních ložiskách £, 5. a její osová vůle je vymezena axiálními ložisky £ a 6. Radiální ložiska 4 a 5 jsou upevněna v nosné konstrukci 2· Po povrchu otočné hřídele £ se odvaluje frikční matka j2, unášející stůl, například elektronového litografu· Otočná hřídel £ nese reaktivní rotor £ krokového motoru. Jeho stator 8 je upevněn na nosné konstrukci tak, že je možno jemně nastavit jeho polohu ve směrech kolmých vůči ose hřídele £, jak naznačují šipky 10 a tím nastavit minimální vibrace otočné hřídele £ za chodu motoru. Nastavení polohy rotoru £ vůči statoru 8 se provádí například mikrometrickými šrouby, nebo pomocí měřicího přípravku za současného chodu motoru a současného měření vibrací soustavy. Na otočné hřídeli £ je současně upevněn reflexivní optoelektrický snímač 11 okamžité polohy hřídele· Snímač 11 je takto bezvůlově spojen s otočnou hřídelí £ i. pohonným systémem a dodává řídicímu počítači zpětnovazební signál, který počítač informuje o absolutní poloze hřídele i rotoru.The arrangement of the micrometric displacement can be seen in the attached figure. The rotary shaft 4 is mounted in radial bearings 5, 5 and its axial clearance is defined by axial bearings 5 and 6. Radial bearings 4 and 5 are fixed in the supporting structure 2. The rotary shaft 6 carries the reactive rotor 6 of the stepper motor. Its stator 8 is mounted on the support structure so that its position can be finely adjusted in directions perpendicular to the axis of the shaft 6, as indicated by the arrows 10, thereby adjusting the minimum vibration of the rotating shaft 6 while the engine is running. The position of the rotor 8 relative to the stator 8 is adjusted, for example, by means of micrometric screws, or by means of a measuring device while the motor is running and the system vibrations are measured simultaneously. At the same time, a reflective optoelectric sensor 11 of the current shaft position is mounted on the rotary shaft. The sensor 11 is thus connected to the rotary shaft 6 by means of a drive system and provides a control signal to the control computer.

• Toto uspořádání dosahuje extrémně malých rozměrů manipulačního stolku elektronového litografu při zachování vysokých momentových charakteristik (max. 70 mNm) a tím možnosti dosažení i vysokých přesuvných rychlostí (až 80 mm/sec) při submikronové přesnosti polohy stolku při zastavení posuvu.• This arrangement achieves extremely small dimensions of the electron beam lithography table while maintaining high torque characteristics (max. 70 mNm) and thus the ability to achieve high traverse speeds (up to 80 mm / sec) with submicron accuracy of the table position when stopping feed.

Claims

OBJECT OF THE INVENTION _23goig

4 «Micrometric displacement consisting of a rotary shaft with a friction nut, mounted in a support structure, characterized in that a rotor (7) of a stepping motor is mounted on the shaft (1), the stator (8) of which is adjustablely connected to the support structure (9). in a direction perpendicular to the shaft axis (1) ·

2 »Micrometric displacement according to claim 1, characterized in that the shaft (1) is provided with a shaft position sensor (11).