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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Luftlager mit einem zwischen
einer Lagerfläche
und einem Lagerkörper
ausgebildeten Lagerspalt, der über
eine Zufuhrleitung mit einer Druckluftquelle verbunden ist. Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Einstellung des Lagerspalts
eines derartigen Luftlagers.
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Luftlager
sind hinreichend bekannt, bei denen sich in einem Lagerspalt zwischen
zwei Lagerkörpern
ein Luftkissen ausbildet, auf dem die Lagerkräfte von einem Lagerkörper auf
den anderen Lagerkörper
berührungsfrei übertragen
werden. Für eine
zuverlässige
Lagerung ist sowohl eine Einstellung der Ausrichtung der Lagerkörper als
auch der Höhe
des die beiden Lagerkörper
trennenden Lagerspalts erforderlich. Die Höhe des Lagerspalts eines Luftlagers
ist hierbei vom eingestellten Luftdruck am Luftlagereingang abhängig. Auftretende
Schwankungen in der Luftversorgung verursachen eine entsprechende Änderung
des Luftdrucks und wirken sich proportional auf die Lagerspalthöhe des Luftlagers aus.
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Um
den Lagerspalt einzustellen, wird in der
DE 197 45 216 A1 ein Luftlager
der eingangs beschriebene Art offenbart, bei dem die Zuleitung mit
einer Druckluftquelle für
die zugeführte
Luft verbunden und dieser Zuleitung ein Mittel zum Messen des Durchsatzes
der Druckluft zugeordnet ist. Der dort beschriebene ortsfeste Lagerkörper ist
ein so ge nanntes Vieldüsenlager,
bei dem die Auslassöffnungen
für die
Druckluft in den Lagerspalt flächig über den
Lagerbereich verteilt sind, beispielsweise durch Ausbilden des Lagerkörpers zumindest
teilweise aus einem porösen
Sintermaterial. Der Durchsatz wird mittels thermischer Durchflussmessgeräte oder
mittels Schwebekörper-Durchflussmesser
ermittelt. Der Durchsatz ist einstellbar, um über die Steuerung des Durchsatzes
den Lagerspalt einzustellen. Die dem Lagerspalt zugeführte Druckluft
entweicht am Rand des Luftlagers in die Umgebung. Durch die Verwendung
des porösen
Sinterlagers sind dort allerdings große Volumen- bzw. Zuleitungsströme für die Luft erforderlich.
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Es
ist ferner aus der
DE
197 11 710 A1 eine Funktionsüberwachung für ein Luftlager
mit an einem Lagerkörper
angeschlossenen Drucküberwachungseinrichtungen
bekannt, bei der die Drucküberwachungseinrichtungen
durch eine Messleitung und eine Bohrung in dem Lagerkörper, die
in einer Öffnung
in der Lagerfläche
endet, mit dem Lagerspalt verbunden sind und auf den tatsächlich dort
vorhandenen Druck reagieren. Der Druck in dem Lagerspalt nimmt von
dem Zentrum der Lagerfläche
zum Rand hin um etwa 40% ab, weshalb die Druckmessung bevorzugt
im inneren Drittel der Lagerfläche
durchgeführt
wird. An dem Rand der Lagerfläche
strömt
die Luft aus dem Lagerspalt in die Umgebung.
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Für eine Einstellung
des Vordruckes von den Luftlagern, also von dem Luftdruck in der
Zufuhrleitung, werden oftmals großvolumige Ausgleichsbehälter und
Regelventile mit einer Federregelung und analogem Anzeigergerät eingesetzt.
Diese Gasdruckregler haben eine dem anliegenden Vordruck proportionale
Charakteristik und erlauben die Einstellung eines konstanten Vordruckes
mit einer Unsicherheit von etwa ±2% vom Maximum des Einstellbereiches.
Somit ist ein Vordruck von etwa 700 kPa (7 bar) mit einer Genauigkeit
von etwa 14 kPa (0,14 bar) einstellbar. Geringere Schwankungen des
Vordruckes machen sich daher als störende Lagerspaltsschwankungen
bemerkbar.
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Vor
diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
bei einer Luftlagerung die Schwankungen und somit das Rauschen der
Lagerspalthöhe
zu vermeiden.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Luftlager mit den Merkmalen des Anspruchs
1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
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Bei
einem Luftlager der eingangs beschriebenen Art ist erfindungsgemäß eine Einrichtung
zum Erfassen des Luftdruckes in der Zuführleitung und ein an der der
Lagerfläche
zugewandeten Seiten des Lagerkörpers
von dem Lagerspalt umgebener Hohlraum vorgesehen sind, der mit einer
Unterdruckquelle verbunden ist. Bei dem erfindungsgemäßen Luftlager
sind nur geringe Volumenströme
der Luft erforderlich. Dies führt
in dem Lagerspalt zu einer laminaren Luftströmung, die für einen konstanten Luftspalt sorgt.
Aufgrund der laminaren Strömung
ist das Luftlager rauscharm. Durch den proportionalen Zusammenhang
zwischen dem Vordruck in der Zufuhrleitung und der Höhe des Lagerspaltes
kann durch die Erfassung des Vordruckes die Höhe des Lagerspaltes ermittelt
werden bzw. durch Vorgabe eines bestimmten Vordruckes ist die Lagerspalthöhe reproduzierbar
einstellbar.
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Zur
weiteren Optimierung der Lagerrauscheigenschaften ist bei einem
erfindungsgemäßen Luftlager
eine Einrichtung zum Regeln des Luftdruckes in der Zufuhrleitung
vorgesehen. Auf diese Weise können
Variationen und Schwankungen des Luftdruckes der Druckluftquelle
ausgeglichen werden.
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Durch
einen bevorzugten Einsatz einer elektronischen Proportional-Integral-Regelung
(PI-Regelung) ist eine Auflösung
der Vordruckregelung im Promillebereich des eingestellten Vordruckes
möglich.
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In
vorteilhafter Weise ist bei einem erfindungsgemäßen Luftlager die Einrichtung
zur Erfassung des Luftdruckes eine Druckmessdose. Dies ermöglicht eine
hohe und präzise
Messgenauigkeit.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Luftlagers sieht vor, dass
die mit dem Hohlraum verbundene Unterdruckquelle eine Drehschieber-Vakuumpumpe
ist. Dies eröffnet
die Möglichkeit,
den Unterdruck unabhängig
von dem Vordruck und dessen Schwankungen weitestgehend konstant
aufrecht zu erhalten.
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Das
erfindungsgemäße Luftlager
eignet sich besonders zur Verwendung als Luftlager zum Lagern eines
Probekörpers
auf dem Lagerkörper,
um eine Oberflächentopografie
des Probekörpers
zu erfassen. Bei der Oberflächenmessung,
beispielsweise mit einem Tastschnittverfahren, sorgt das weitgehend
rauscharme bzw. rauschfreie Luftlager für eine präzisere Topografievermessung.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beispielhaft näher
erläutert,
in denen:
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1 – skizziert
eine Seitenansicht eines Tastschnittgerätes mit einem erfindungsgemäßen Luftlager
zeigt, und
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2 – schematisch
den Aufbau eines erfindungsgemäß luftgelagerten
Probetisches für
das Tastschnittgerät
aus 1 zeigt.
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In 1 ist
der Aufbau eines Tastschnittgerätes 1 mit
einer Tastnadel 2 in einer Skizze dargestellt. Bei dieser
Anwendung kommt es zu einer Überlagerung
von Schwankungen in der Höhe
der Lagerung mit dem Rauheitsprofil einer zu messenden Oberfläche. Das
verwendete Lager muss daher extrem rauscharm in der Z-Richtung sein,
damit die Schwankungen der Lagerhöhe nicht die Messergebnisse
der zu messenden Topografie verfälschen.
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Die
Tastnadel 2 berührt
mit ihrer Spitze 3 eine Oberseite 4 eines Probekörpers 5.
Bei einer Relativbewegung zwischen dem Probekörper 5 und der Tastnadel 2 wird
in Abhängigkeit
der Topografie der Oberseite 4 die Spitze 3 der
Tastnadel 2 in die Richtung senkrecht zu der Oberfläche 4 ausgelenkt.
Zur Erfassung dieser Auslenkung ist ein optischer Sensor 6 in
der Auslenkungsrichtung der Tastnadel 2 von dieser beabstandet
angeordnet.
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Der
Probekörper 5 ist
auf einem Lagerkörper 7 liegend
angeordnet. Der Lagerkörper 7 ist
auf einer Lagerfläche 8 gelagert.
Zwischen dem Lagerkörper 7 und
der Lagerfläche 8 befindet
sich ein Luftspalt 9, so dass der Lagerkörper 7 zusammen
mit der Lagerfläche 8 das
erfindungsgemäße Luftlager
bildet. Der Lagerkörper 7 ist
parallel zu der von der Lagerfläche 8 aufgespannten
Ebene beweglich. Die Bewegung in X-Richtung wird in der Figur durch
den entsprechend bezeichneten Doppelpfeil angedeutet.
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Für eine seitliche
Führung
des Lagerkörpers 7,
beispielsweise in Y-Richtung, die sowohl zu der X-Richtung als auch
der Z-Richtung senkrecht ist, kann dieser an einer Sei tenfläche mit
einer zu der Lagerfläche 8 senkrechten
zweiten Lagerfläche
(nicht dargestellt) ein weiteres erfindungsgemäßes Luftlager ausbilden. Der
Lagerkörper 7 ist
dann in der Y-Richtung und in der Z-Richtung rauscharm gelagert und
lediglich in der X-Richtung
beweglich. Das mit dem Tastschnittgerät erfasste Topografieprofil
verläuft
dann gradlinig in X-Richtung und durch die rauscharme Lagerung in
Y- und Z-Richtung werden Messungenauigkeiten weitgehend reduziert.
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Alternativ
zu der dargestellten rauscharmen Lagerung des Probekörpers 5 kann
auch die Tastnadel 2 rauscharm gelagert und entlang des
dann unbeweglichen Probekörpers 5 bewegt
werden, um die Oberflächentopografie
des Probekörpers 5 abzutasten.
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2 zeigt
schematisch an einer Schnittansicht das erfindungsgemäße Luftlager 10 mit
dem zwischen der Lagerfläche 8 und
dem Lagerkörper 7 ausgebildeten
Lagerspalt 9. Über
eine Zufuhrleitung 11 wird dem Lagerspalt 9 Druckluft
von einer Druckluftquelle (nicht dargestellt) zugeführt. Der
Lagerkörper 7 weist
auf der der Lagerfläche 8 zugewandten Seite,
in der Darstellung der 2 die Unterseite, einen von
dem Lagerspalt 9 umgebenen Hohlraum 12 auf, in
dem die Druckluft von der Zufuhrleitung 11 über den
Lagerspalt 9 einströmt.
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Der
Hohlraum 12 ist über
eine Unterdruckleitung 13 mit einer Unterdruckquelle (nicht
dargestellt) verbunden. Der Unterdruck kann beispielsweise durch
an der Druckluftleitung angeschlossenen Venturidüsen oder alternativ mittels
einer Drehschieber-Vakuumpumpe
erzeugt werden. Durch den Einsatz der Drehschieber-Vakuumpumpe wird
der Unterdruck unabhängig
von der Druckluftversorgung bereitgestellt und unterliegt nicht
den auftretenden Schwankungen der Druckluftversorgung. Dadurch wird
ferner der Druckluftverbrauch reduziert.
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An
der Zufuhrleitung 11 ist eine Druckmessdose 14 mit
einer leitfähigen
oder zumindest leitfähig beschichteten
Membranfeder 15 angeordnet. Die Membranfeder 15 bildet
mit einer dieser gegenüberliegend
angeordneten leitfähigen
Platte 16 einen Kondensator, dessen Kapazität sich in
Abhängigkeit der
Auslenkung bzw. der Wölbung
der Membranfeder 15 verändert.
Somit kann die Kapazität
als ein Maß für den in
der Druckmessdose 14 sowie in der Zufuhrleitung 11 vorhandenen
Luftdruck interpretiert werden. Die Druckmessdose 14 besitzt
hierbei keine sich reibende oder mechanisch verschleißende Teile.
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Das
Signal der Kapazitätserfassung
wird als Regelsignal einem hochpräzise arbeitenden Gasflussregler 17 zugeführt, der üblicherweise
für die
Dosierung von Prozessgasen in Sputteranlagen ausgelegt ist. Durch
die hoch aufgelöste
Erfassung des Vordruckes in der Zufuhrleitung 11 und dessen
anschließende
Auswertung und Regelung durch den Gasflussregler 17 wird
eine Auflösung
der Vordruckregelung im Promillebereich des eingestellten Vordruckes
ermöglicht.
Durch die geringe Luftmenge bzw. den geringen Luftdurchsatz ist
ferner die resultierende Strömung
in dem Luftspalt 9 laminar.
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An
dem in der 1 skizzierten Messaufbau wurde
durch Messungen mit dem Tastschnittgerät, das eine Auflösung von
1 nm besitzt, nachgewiesen, dass die Höhe des Lagerspaltes 9 mit
einer Auflösung
von etwa 2 nm reproduzierbar eingestellt werden kann. Hierbei wird
der in der Zufuhrleitung 11 anliegende Vordruck von 700
kPa in einem Druckbereich von 700 kPa ±7 hPa geregelt. Dadurch kann
die Höhe
des Lagerspaltes 9 besser konstant gehalten bzw. hinsichtlich
des Lagerrauschens optimiert werden.