DE102004059844A1

DE102004059844A1 - Linearführungsanordnung

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Publication number: DE102004059844A1
Application number: DE200410059844
Authority: DE
Original assignee: RAITH GmbH
Current assignee: RAITH GmbH
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2024-12-11
Also published as: DE102004059844B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Linearführungsanordnung (100) DOLLAR A - mit einem Schlittenelement (40), das auf wenigstens einem Führungselement (31, 32) längsverschieblich geführt ist, DOLLAR A - mit einem parallel zu dem Führungselement (31, 32) ausgerichteten Gewindetrieb, jeweils bestehend aus einer Gewindespindel (10) und einer darauf umlaufenden Gewindemutter (11), welche mit dem beweglichen Schlittenelement (40) verbunden ist, und DOLLAR A - mit einem Festkörperantriebselement (21, 23) zur Feinpositionierung des Schlittenelementes (40). DOLLAR A Zwischen der Gewindemutter (11) des Gewindetriebs und dem beweglichen Schlittenelement (40) ist eine symmetrische Anordnung mit mindestens zwei punktsymmetrisch zu jeder Gewindetriebachse (12) angeordneten Festkörperantriebselementen (21, 23) und/oder ein rohrförmiges Festkörperantriebselement (20) vorgesehen, welches symmetrisch um den Gewindetrieb herum angeordnet ist. DOLLAR A Zusätzlich oder alternativ können zwei Gewindetriebe vorgesehen sein, deren Gewindemuttern jeweils mit wenigstens einem gemeinsamen Festkörperantriebselement verbunden sind, wobei die Gewindetriebachsen punktsymmetrisch zur Mittelachse des Festkörperantriebselementes angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Linearführungsanordnung

– mit einem Schlittenelement, das auf wenigstens einem Führungselement längsverschieblich geführt ist,
– mit wenigstens einem parallel zu dem Führungselement ausgerichteten Gewindetrieb, jeweils bestehend aus einer Gewindespindel und wenigstens einer darauf umlaufenden Gewindemutter, welche mit dem beweglichen Schlittenelement verbunden ist, und
– mit wenigstens einem Festkörperantriebselement zur Feinpositionierung des Schlittenelementes,

Piezoelektrische Verstelleinrichtungen für Positioniersysteme wie z.B. Lineartische sind bekannt und werden für hochgenaue Zustellbewegungen in vielfältigen Anwendungen genutzt. Dabei ist der Stellweg auf den Ausdehnungsbereich der Piezoaktoren begrenzt.
Ein vom Ausdehnungsbereich des Piezoaktors unabhängiger Stellweg kann durch das aus der US-PS 3 902 084 bekannte Inch-Worm-Prinzip realisiert werden. Dabei werden drei tubusförmige Piezoelemente in aneinander stoßender Anordnung um eine Welle angeordnet und bewegen die Welle durch geeignete Spannungsabfolge. Durch die gewählte Ansteuerung ist ein Step- als auch ein Linearbetrieb möglich.
Weitere Verstelleinrichtungen, bestehend aus mehreren Piezoelementen zur Klemmung und Verstellung, die zu einer Baugruppe zusammengefasst sind, sind z. B. aus DE 297 09 878 U1 bekannt.
Weitere Möglichkeiten bieten Ultraschall-Piezoantriebe, wobei Piezoelemente mit hoher Frequenz schwingen und dadurch stoßweise angekoppelte Bauteile bewegen.
Eine Stellwegserweiterung bei Aufrechterhaltung hoher Positioniergenauigkeit ist nach der DE-Z „Application Note: XY-Positioning and stiching improvements for conventional SEM based lithography solutions by piezoelectric sub stage assemblys Raith GmbH 2004" durch eine Kombination aus Linearantrieb und Piezoelement oder Gewindetrieb und Piezoelement innerhalb eines Führungssystems möglich. Auch eine Kombination von linearmotor- oder gewindegetriebenem Lineartisch und daran befestigtem Piezopositioniersystem ist möglich.
In Verbindung mit dem Piezoelement können zusätzlich weg- oder kraftübersetzende Getriebe verwendet werden, wie aus der DE 92 09 515 U1 bekannt.
Die bekannten Verstelleinrichtungen haben folgende Nachteile:

– Verstelleinrichtungen, angetrieben durch ein oder mehrere Piezoelemente, weisen einen zu kleinen Verstellbereich auf. Durch Verwendung von wegübersetzenden Getrieben kann der Stellbereich nicht ausreichend vergrößert werden.
– Piezoantriebe nach dem Inch-Worm-Prinzip und Ultraschallpiezomotoren benötigen eine aufwändige Ansteuerungselektronik und erschweren, durch prinzipbedingt in die Anschlusskonstruktion eingebrachte hochfrequente Schwingungen, die Einbindung von üblichen Wegmeßsystemen.
– Inch-Worm- und Ultraschallpiezomotoren erzeugen keramischen Abrieb, welcher zu erhöhtem Verschleiß in der Anschlusskonstruktion führen kann.
– Die Anforderungen an die Fertigungs- und Justagegenauigkeit der Anschlusskonstruktion sind sehr hoch.
– Bei mehrstufigen Linearachsen aus linearmotor- oder gewindegetriebenem Lineartisch zur Grobpositionierung und daran befestigtem piezogetriebenem Lineartisch oder Positioniersystem treten montage- und fertigungsbedingte Winkelfehler zwischen den Stellrichtungen der Einzelachsen auf.
– Aufbauten aus Gewindetrieb und einem Piezoelement innerhalb eines Führungssystems verursachen bei der Zustellbewegung eine Momentbelastung der Mutter des Gewindetriebes. Diese weisen aber für Momentbelastungen sehr geringe Steifigkeiten auf, so dass bei Ansteuerung des Piezoelementes nicht nur eine Relativbewegung des Lineartisches sondern auch eine Verkippung der Mutter des Gewindetriebes stattfindet. Dadurch sind der Dynamik der Ansteuerung Grenzen gesetzt und die Systemsteifigkeit in Stellrichtung wird verringert.
– Zusammengesetzte Antriebe aus Gewindetrieb und fluchtend auf der Spindelachse angeordnetem Piezoelement sind auch nur für begrenzte Stellwege realisierbar und vergrößern den Bauraum der Antriebsvorrichtung in axialer Richtung.

Aufgabe der Erfindung ist es, Zustellbewegungen mit hoher Präzision und in einem großen Dynamikbereich innerhalb eines Führungssystems zu ermöglichen.
Die vorgenannten Aufgaben werden durch eine Linearführungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
Erfindungswesentlich ist die auf die Gewindetriebachse symmetrisch ausgerichtete Anordnung von Festkörperstellelementen, durch die sich eine rein axiale Belastung der Antriebsvorrichtung, insbesondere der Gewindemutter eines Gewindetriebs, ohne zusätzliche Biegemomente und daraus resultierende Verkippungen des Schlittens ergibt, vorausgesetzt, dass innerhalb einer symmetrischen Anordnung nur gleichartige Festkörperstellelemente eingesetzt werden
Die erfindungsgemäße Lösung beinhaltet mehrere Anordnungen, die alternativ aber auch gleichzeitig verwirklicht sein können, nämlich:

– ein ringförmiges Festkörperstellelementen, dessen Wirkungslinie des axialen Verstellbereichs mit der Mittelachse des Gewindetriebs fluchtet;
– mehrere Festkörperstellelemente, die in einer punktsymmetrischen Anordnung um die Mittelachse eines Gewindetriebs herum angeordnet sind;
– ein oder mehrere Festkörperstellelemente, die zwischen mehreren Gewindetrieben angeordnet sind, wobei die Gewindetriebe in einer punktsymmetrischen Anordnung in Bezug auf das wenigstens eine zwischen ihnen liegende Festkörperstellelement positioniert sind.

Der Erfindungsgedanke lässt sich durch Kombinationen symmetrischer Anordnungen fortsetzen, beispielsweise könnte bei der zuletzt dargestellten Variante auch ein in sich symmetrisches Ensemble von mehreren Festkörperantriebselementen inmitten zweier Gewindespindeln liegen, sofern nur die Gesamtanordnung so ausgelegt ist, dass Biegemomente auf einen Gewindetrieb gar nicht erst auftreten bzw. sich gegenseitig kompensieren.
Die Gesamtsteifigkeit des Lineartisches in axialer Richtung wird nur durch die axialen Komponenten der Einzelsteifigkeiten gebildet. Bei hoher Stellgenauigkeit von < 100 nm können große Verstellbereiche von mehreren 100mm realisiert werden. Die Erfindung kann in einem geschlossenen Regelkreis betrieben werden. Weiterhin kann die Erfindung zur Schwingungsgegenkopplung aktiv, innerhalb eines Regelkreises, oder ungeregelt, innerhalb des Lineartisches, verwendbar sein. Die erfindungsgemäße Linearführungsanordnung kann also die eigentliche Positionierbewegung und eine überlagerte Schwingungsbewegung zugleich ausführen. Der mechanische Aufbau verfügt über eine hohe Steifigkeit, um sich bei den dabei auftretenden Beschleunigungen nicht zu verformen und die Bandbreite der Gegenkopplung nicht zu begrenzen.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die symmetrische Anordnung aus zwei Festkörperantriebselementen, welche in einer Ebene mit dem Gewindetrieb liegen und symmetrisch um die Gewindetriebachse angeordnet sind. Hierdurch ist eine flache Bauweise möglich, die sich einfach in den bei vielen Lineartischen gegebenen Luftraum integrieren lässt, der seitlich durch die Linearführungselemente und nach oben und unten durch Basis- und Tischelement begrenzt ist.
Bei einer symmetrischen Anordnung aus drei oder mehr Festkörperantriebselementen, welche punktsymmetrisch zur Gewindetriebachse angeordnet sind, ergibt sich der Vorteil, dass neben einer evtl. Gierbewegung auch eine Nickbewegung des Schlittenelements ausgeregelt werden kann.
Unter Festkörperstellelementen werden erfindungsgemäß solche Elemente verstanden, die sich bei Veränderung einer elektrischen Größe, wie insbesondere einer angelegten elektrischen Spannung, in ihrer Geometrie in wenigstens einer Dimension ändern. Besonders bevorzugt sind Piezoverstellelemente, auch Piezo-Aktoren genannt, als Festkörperantriebselemente. Die bekannten günstigen Eigenschaften des Piezo-Effekts wie Erzeugung hoher Kräfte, Ansteuerungsmöglichkeit auch mit hohen Frequenzen, und einfache und präzise Regelung sind bei einer erfindungsgemäßen Linearführungsanordnung vorteilhaft zur Mikropositionierung nutzbar.
Die Piezoelemente können mit unterschiedlichen Spannungen, zum Ausgleich von Toleranzen zwischen den beiden Elementen, oder mit gleicher Spannung angesteuert werden. Der Ausgleich der Toleranzen der beiden Piezoelemente findet dann über die Materialelastizitäten der Ankopplungsteile statt.
Geeignet als Festkörperantriebselement ist aber auch ein Formgedächtnislegierungselement.
Der Gewindetrieb ist vorzugsweise als Kugelgewindespindel mit wenigstens einer Kugelumlaufmutter ausgebildet. Hierüber kann zunächst eine schnelle Vorpositionierung des Schlittenelements über einen großen Verstellbereich, auch im Eilgang, bewirkt werden, der dann eine Mikropositionierung über die Festkörperantriebselemente folgt.
Sind zwei Festkörperantriebselemente vorgesehen, so weisen diese vorzugsweise wenigstens eine Ausdehnungskomponente auf, die parallel zu der Verschieberichtung des Schlittenelements liegt. Hierdurch kann die Mikropositionierung des Schlittens direkt vom Festkörperantriebselement ohne Zwischenelemente erfolgen.
Alternativ kann diese Ebene senkrecht zu der Ebene der Führungseinrichtungen liegen, wenn es die baulichen Gegebenheiten erfordern. Es muss dann eine Kraftumlenkung in die Bewegungsrichtung über Zwischenelemente wie Kipphebel vorgenommen werden.
Bei einem unterschiedlichen Dehnungsverhalten zweier paralleler Piezo-Aktoren in der symmetrischen Anordnung wird das bewegliche Schlittenelement um seine Hochachse rotiert, es tritt eine so genannte Verkippung ein. Der Verkippungswinkel kann dadurch verkleinert werden, dass die Festkörperantriebselemente in einem neben dem Gewindetrieb liegenden und durch die Führungseinrichtungen begrenzten Bauraum außen angeordnet sind, also einen möglichst großen seitlichen Abstand zum Gewindetrieb aufweisen. Damit wirken die Piezo-Aktoren über einen vergleichsweise langen Hebelarm in Bezug auf die Hochachse des Schlittenelements, die die Gewindetriebachse schneidet, und rufen dadurch kleinere Verkippungen hervor, als bei einer Anordnung nahe der Gewindetriebachse.
Vorzugsweise ist die symmetrische Anordnung von Festkörperantriebselementen derart zum beweglichen Teil der Linearführungsanordnung angeordnet, dass die mechanische Verbindung von Mutter und Festkörperantriebselement in ihrer axialen Lage mittig zum beweglichen Schlittenelement angeordnet ist. Damit liegt der Drehpunkt in der Mitte unter dem Tisch und Verkippungen durch ungleichmäßige Ausdehnung der Piezoverstellelemente wirken sich nicht so stark aus, als wenn der Drehpunkt in einer Ecke des Tisches liegen würde.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
1 eine erste Ausführungsform einer Linearführungsanordnung in perspektivischer Ansicht;
2 die Linearführungsanordnung in seitlicher Ansicht;
3 eine Anordnung von drei Festkörperantriebselement in seitlicher Ansicht;
4 eine zweite Ausführungsform einer Linearführungsanordnung in perspektivischer Ansicht; und
5 eine dritte Ausführungsform einer Linearführungsanordnung in perspektivischer Ansicht.
1 zeigt eine Linearführungsanordnung 100, die im wesentlichen aus einem Basisteil 50 und einem dazu längsverschieblich gelagerten Schlittenelement 40 besteht. Das Basiselement 50 ist ortsfest angeordnet, ist seinerseits auf einem nicht dargestellten Schlittenelement einer weiteren Linearführungsanordnung befestigt oder ist sogar integraler Bestandteil des Schlittenelements einer weiteren Linearführungsanordnung.
Das Schlittenelement 40 ist über zwei Linearführungselemente 31, 32 geführt. Seine Lage gegenüber dem Basiselement 50 kann über einen Gewindetrieb verändert werden, welcher in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als eine Kugelgewindespindel 10 mit einer Kugelumlaufmutter 11 ausgeführt ist.
Die Kugelgewindespindel 10 ist durch nicht dargestellte Lager drehbar auf dem Basiselement 50 gelagert und über einen ebenfalls nicht abgebildeten Elektromotor angetrieben.
Seitlich neben der Gewindemutter 11 angeordnet und mit dieser an ihrer einen Seite verbunden sind Piezo-Aktoren 21, 23 als Festkörperantriebselemente. Diese stützen sich an ihrer anderen Seite über eine Strebe 26 und Schrauben 27 an dem Schlittenelement 40 ab. Längenänderungen der Piezo-Aktoren 21, 23 führen somit zu einer Relativbewegung des Schlittenelements 40 gegenüber der Kugelumlaufmutter 11 und damit zu einer Feinpositionierung des Schlittenelements 40 gegenüber dem Basiselement 50. Die Bewegungsrichtung der Piezo-Aktoren 21, 23 ist parallel zu einer Gewindetriebachse 12 ausgerichtet.
Wie die seitliche Ansicht dieser Ausführungsform in 2 zeigt, sind die beiden Piezo-Aktoren 21, 23 seitlich in gleichem Abstand neben der Gewindetriebachse 12 angeordnet. Die Verbindungslinie ihrer Mittelachse läuft durch die Gewindetriebachse 12, so dass sich alle evtl. Kipp- oder Biegemomente innerhalb der symmetrischen An ordnung in Bezug auf den Gewindetrieb selbst kompensieren.
Dies gilt auch bei einer in 3 dargestellten punktsymmetrischen Anordnung von drei Piezo-Aktoren 21', 23', 25', die punktsymmetrisch in Bezug auf den Mittelpunkt der Kugelumlaufmutter 11' bzw. die Gewindetriebachse 12 angeordnet sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform einer Linearführungsanordnung 200 in 4 ist nur ein zentrisch angeordneter Piezo-Aktor 20 vorgesehen, der ringförmig ausgebildet ist und die Gewindespindel 10 umschließt, so dass die Wirkungslinie der durch den Piezo-Aktor 20 bewirkten translatorischen Bewegung mit der Mittelachse 12 des Gewindetriebs zusammen fällt.
5 zeigt eine Linearführungsanordnung 300, bei der ein Piezo-Aktor 20 zwischen zwei Gewindespindeln 10, 10' mit Kugelumlaufmuttern 11, 11' angeordnet ist. Beide Muttern 11, 11' sind mit dem gemeinsamen Festkörperantriebselement 20 verbunden sind, wobei hier die Gewindetriebachsen 12, 12' punktsymmetrisch zur Mittelachse des Festkörperantriebselements 20 angeordnet sind.

Claims

Linearführungsanordnung (100, 200, 300) – mit einem Schlittenelement (40), das auf wenigstens einem Führungselement (31, 32) längsverschieblich geführt ist, – mit wenigstens einem parallel zu dem Führungselement (31, 32) ausgerichteten Gewindetrieb, jeweils bestehend aus einer Gewindespindel (10) und wenigstens einer darauf umlaufenden Gewindemutter (11), welche mit dem beweglichen Schlittenelement (40) verbunden ist, und – mit wenigstens einem Festkörperantriebselement (20, 21, 23, 21', 23', 25') zur Feinpositionierung des Schlittenelementes (40), dadurch gekennzeichnet, – dass zwischen der Gewindemutter (11) des Gewindetriebs und dem beweglichen Schlittenelement (40) eine symmetrische Anordnung mit mindestens zwei punktsymmetrisch zu jeder Gewindetriebachse (12) angeordneten Festkörperantriebselementen (21, 23, 21', 23', 25') und/oder mindestens ein rohrförmiges Festkörperantriebselement (20) vorgesehen ist, welches symmetrisch um den Gewindetrieb herum angeordnet ist; und/oder – dass wenigstens zwei Gewindetriebe vorgesehen sind, deren Gewindemuttern (11, 11') jeweils mit wenigstens einem gemeinsamen Festkörperantriebselement (21) verbunden sind, wobei die Gewindetriebachsen (12, 12') punktsymmetrisch zur Mittelachse des Festkörperantriebselements (21) angeordnet sind.
Linearführungsanordnung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die symmetrische Anordnung aus zwei Festkörperantriebselementen (21, 23) besteht, welche in einer Ebene mit dem Gewindetrieb liegen und symmetrisch um die Gewindetriebachse (12) angeordnet sind.
Linearführungsanordnung (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die symmetrische Anordnung aus drei oder mehr Festkörperantriebselementen (21', 23', 25') besteht, welche punktsymmetrisch zur Gewindetriebachse (12) angeordnet sind.
Linearführungsanordnung (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Festkörperantriebselement (20, 21, 23, 21', 23', 25') ein Piezoverstellelement ist.
Linearführungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Festkörperantriebselement ein Formgedächtnislegierungselement ist.
Linearführungsanordnung (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewindetrieb als Kugelgewindespindel (10, 10') mit wenigstens einer Kugelumlaufmutter (11, 11') ausgebildet ist.
Linearführungsanordnung (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperantriebselemente (20, 21, 23, 21', 23', 25') wenigstens eine Ausdehnungskomponente aufweisen, die parallel zu der Verschieberichtung des Schlittenelements (40) liegt.
Linearführungsanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperantriebselemente (21, 23, 21', 23', 25') in einem neben dem Gewindetrieb liegenden und durch die Führungselemente (31, 32) begrenzten Bauraum außen angeordnet sind.
Linearführungsanordnung (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die symmetrische Anordnung von Festkörperantriebselementen (21, 23) derart zum beweglichen Teil der Linearführungsanordnung (100; 200; 300) angeordnet ist, dass die mechanische Verbindung von Gewindemutter (11) und Festkörperantriebselement (21, 23) in ihrer axialen Lage mittig zum beweglichen Schlittenelement (40) angeordnet ist.
Linearführungsanordnung (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch wenigstens einen mit einem Basiselement (50) verbundenen Positionssensor zur Messung der Position des beweglichen Schlittenelementes (40).
Linearführungsanordnung (100, 200, 300) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor ein Laserinterferometer ist.
Linearführungsanordnung (100, 200, 300) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor ein inkrementeller Längenmaßstab ist.
Kreuztisch, bestehend aus zwei mit ihren Gewindetriebachsen senkrecht zueinander ausgerichteten Linearführungsanordnungen (100, 200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kreuztisch nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement einer zweiten Linearführungsanordnung durch das Schlittenelement einer ersten Linearführungsanordnung gebildet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Linearführungsanordnung (1; 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit: – einer Grobpositionierung des Schlittenelements (40) durch Rotation der Gewindespindel (10), und – einer Feinpositionierung durch Änderung einer elektrischen Spannung an dem wenigstens einen Festkörperantriebselement (20, 21, 23, 21', 23', 25') wobei eine auftretende Verkippung des Schlittenelements (40) mit Hilfe von Sensoren registriert wird und dieses Signal zur Regelung der Festkörperantriebselemente verwendet wird, um die Verkippung auszuregeln.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die bei einer Verkippung registrierten Sensorsignale an einen nachgeschalteten Rechner weitergelei tet werden und die Verkippung mit Hilfe eines mathematischen Algorithmus rechnerisch kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor die Position des Schlittenelements (40) misst und bei Erreichen einer Sollposition das durch Vibrationen der Linearführungsanordnung hervorgerufene, verbleibende Fehlersignal (Abweichung der Istposition von der Sollposition) mit Hilfe einer elektronischen Regelung in Form einer aktiven Gegenkopplung auf das Festkörperantriebselement zurückkoppelt, so dass Positionsänderungen des beweglichen Schlittenelementes (40) minimiert werden.