DE102012104749A1

DE102012104749A1 - Mehrachsige Aktorvorrichtung

Info

Publication number: DE102012104749A1
Application number: DE102012104749A
Authority: DE
Inventors: En-Te Hwu; Ing-Shou Hwang
Original assignee: Academia Sinica
Current assignee: Academia Sinica
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2012-06-01
Publication date: 2012-12-06
Anticipated expiration: 2032-06-02
Also published as: TW201249735A; US8569932B2; DE102012104749B4; US20120306317A1; TWI472471B

Abstract

Eine mehrachsige Aktorvorrichtung für eine Nanopositionier-Vorrichtung umfasst ein bewegliches Element, das an einem Probentisch angebracht ist, eine Mehrzahl von Antriebselementen, und eine Mehrzahl von Aktoren. Die Antriebselemente stehen in einem reibschlüssigen Eingriff mit dem beweglichen Element und sind zum selektiven Bewegen des beweglichen Elements längs einer ersten Richtung ausgelegt. Die Mehrzahl von Aktoren bewegt die Mehrzahl von Antriebselementen, wenn Ansteuersignale an die Mehrzahl von Aktoren angelegt werden. Unterschiedliche Ansteuersignale können an die Mehrzahl von Aktoren angelegt werden, um eine unterschiedliche Bewegung der Antriebselemente zu bewirken, so dass das bewegliche Element unterschiedliche Verstellungen in verschiedenen Richtungen entlang der Mehrzahl von Antriebselementen ausführt. Das bewegliche Element wird aufgrund der unterschiedlichen Verstellungen gekippt.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Vorteile der Taiwanesischen Anmeldung Nr. 100119773 , angemeldet am 3. Juni 2011, deren Offenbarung hiermit im Wege der Bezugnahme mit beinhaltet sei.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Positioniervorrichtungen und betrifft insbesondere mehrachsige Aktorvorrichtungen für Nanopositioniervorrichtungen.
HINTERGRUND
Die Ausführungen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformationen bezüglich der vorliegenden Offenbarung bereit und tragen nicht zum Stand der Technik bei.
Nanopositioniervorrichtungen sind in einer Mehrzahl von Anwendungen genutzt worden, wie zum Beispiel in mikro- und nanoskaligen Bedienungs- bzw. Handhabungsgeräten, Rasterelektronenmikroskop (SEM), Rastersondenmikroskop (SPM), in der Nano-Optik-Technologie, Nano-Robotern und anderen mikro- und nanoskaligen Fertigungs- oder Montagegeräten.
Eine bekannte Nanopositioniervorrichtung umfasst einen Probentisch, auf dem eine Probe abgestützt ist, und eine Aktorvorrichtung, die mit dem Probentisch gekoppelt ist, um den Probentisch zu bewegen. Der Probentisch wird zunächst grob mittels eines Grobpositionier-Mechanismus positioniert und danach mit höherer Präzision auf der Nanoskala mittels der Aktorvorrichtung positioniert.
Bezugnehmend auf die 1A umfasst eine einachsige Aktorvorrichtung 1 gemäß dem Stand der Technik für eine Nanopositioniervorrichtung einen piezoelektrischen (PZT)-Aktor 11, eine Führungsstange 12 und ein bewegliches Element 13, die an einem Gehäuse 14 montiert sind. Die Führungsstange 12 dient als Antriebselement zum Antreiben des beweglichen Elements 13 und steht in einem verschiebbaren und reibschlüssigen Eingriff mit dem beweglichen Element 13. Die gegenüberliegenden Enden der Führungsstange 12 sind an der Membran F1 und F2 angebracht. Die Führungsstange 12 ist mit dem PZT-Aktor 11 über die Membran F1 verbunden. In Reaktion auf ein elektrisches Signal, beispielsweise eine Spannung, die an den PZT-Aktor angelegt wird, dehnt sich der PZT-Aktor 11 aus oder zieht sich dieser zusammen.
Wie in der 1B gezeigt, wird die Führungsstange 12 von dem PZT-Aktor 11 in die gleiche Richtung bewegt, um eine Verschiebung ΔX1 anzunehmen, wenn eine Spannung an den PZT-Aktor angelegt wird, sodass sich der PZT-Aktor 11 mit hoher Geschwindigkeit ausdehnt. Die lineare Bewegung der Führungsstange 12 bewirkt jedoch aufgrund der Trägheit des beweglichen Elements 13 nicht, dass sich das bewegliche Element 13 bewegt. Das bewegliche Element 13 verbleibt in der Anfangsposition P1. Wie in der 1C gezeigt, zieht sich der PZT-Aktor 11 langsam zu dem anfänglichen nicht-verformten Zustand zusammen und bewegt sich die Führungsstange 12 zurück in die Ausgangsposition, wenn die an den PZT-Aktor 11 angelegt Spannung allmählich auf Null verringert wird. Wenn sich die Führungsstange 12 bewegt, wird das bewegliche Element 13, das in einem verschiebbaren und reibschlüssigen Eingriff mit der Führungsstange 12 steht, aufgrund der Haftreibung zwischen der Führungsstange 12 und dem beweglichen Element 13 entlang der Führungsstange 12 bewegt. Als Ergebnis wird das bewegliche Element 13 hin zu dem PZT-Aktor 11 bewegt, um eine Verschiebung ΔX2 auszuführen. Daher nutzt die einachsige Aktorvorrichtung 1 nach dem der Stand der Technik einen ”Anhaften-Abrutschen-Effekt” aus, um die Bewegung des beweglichen Elements und damit die Bewegung des Probentisches zu steuern. Der ”Anhaften-Abrutschen-Effekt” wurde in den US-Patenten 7,196,454 und 5,912,527 beschrieben.
Die Aktorvorrichtung 1 nach dem Stand der Technik steuert die Bewegung des Tisches nur in einer Richtung. Um den Probentisch in drei Dimensionen zu bewegen, werden drei einachsige Aktorvorrichtungen 1 eine über der anderen gestapelt angeordnet, um eine mehrachsige Aktorvorrichtung auszubilden, die auch als serielle XYZ-Aktorvorrichtung bezeichnet wird. Bei der seriellen XYZ-Aktorvorrichtung ist die Z-Achsen-Aktoreinrichtung auf der X-Achsen Aktoreinrichtung angeordnet, die wiederum auf der Y-Achsen-Aktoreinrichtung angeordnet ist. Für eine Positionierung im Nanobereich ist die Steifigkeit der Aktorvorrichtung kritisch für die Fähigkeit Vibrationen zu widerstehen, um eine hohe Positionierstabilität und -genauigkeit zu gewährleisten. Die gestapelte Struktur der seriellen XYZ-Aktorvorrichtung erfordert eine höhere Steifigkeit als eine einachsige Aktorvorrichtung, wodurch die Herstellungskosten erhöht werden.
Darüber hinaus wird eine Aktorvorrichtung, die eine höhere Last trägt, im Allgemeinen bei einer niedrigeren Arbeitsbandbreite betrieben (d. h. bei einer niedrigen Bewegungsgeschwindigkeit). Daher wird die Arbeitsgeschwindigkeit der seriellen XYZ-Aktorvorrichtung beeinträchtigt.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung stellt eine mehrdimensionale Aktorvorrichtung mit einem langen Hub auf der Millimeter-Skala und einer hohen Auflösung im Sub-Nanobereich bereit. Die mehrachsige Aktorvorrichtung weist eine hohe Steifigkeit und Arbeitsbandbreitebandbreite für eine Verstellung über einen weiten Verstellweg auf der Millimeter-Skala, eine hohe Auflösung im Sub-Nanometerbereich zum Abtasten (Scannen) oder Positionieren sowie eine große Winkelverkippung auf.
Bei einer Ausführungsform umfasst eine mehrachsige Aktorvorrichtung für eine Positioniervorrichtung eine mehrachsige Aktorvorrichtung für eine Nanopositioniervorrichtung ein bewegliches Element, das an einem Probentisch angebracht ist, eine Mehrzahl von Antriebselementen und eine Mehrzahl von Aktoren. Die Antriebselemente stehen in einem reibschlüssigen Eingriff mit dem beweglichen Element und sind zum selektiven Bewegen des beweglichen Elements längs einer ersten Richtung ausgelegt. Die Mehrzahl von Aktoren bewegt die Mehrzahl von Antriebselementen, wenn Ansteuersignale an die Mehrzahl von Aktoren angelegt werden. Verschiedene Ansteuersignale können an die Mehrzahl von Aktoren angelegt werden, um eine unterschiedliche Bewegung bzw. Verstellung der Antriebselemente zu bewirken, so dass das bewegliche Element unterschiedliche Verschiebungen entlang der Mehrzahl von Antriebselementen ausführt. Das bewegliche Element wird aufgrund der unterschiedlichen Verschiebungen verkippt.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst die mehrachsige Aktorvorrichtung ein bewegliches Element, eine erste Führungsstange, eine zweite Führungsstange, einen ersten Aktor, einen zweiten Aktor und ein Vorspannelement, das ausgelegt ist, um eine Kraft senkrecht zu den Grenzflächen zwischen den Führungsstangen und dem beweglichen Element auszuüben, wobei die erste Führungsstange mit dem ersten Aktor gekoppelt ist, die zweite Führungsstange mit dem zweiten Aktor gekoppelt ist und die erste Führungsstange und die zweite Führungsstange reibschlüssig mit dem beweglichen Element in Eingriff stehen. Die Führungsstangen sind ausgelegt, um unterschiedliche Achsbewegungen der piezoelektrischen Elemente auf das bewegliche Element zu übertragen.
Bei einer Ausführungsform weisen die Führungsstangen eine hohe axiale Steifigkeit auf, wobei diese aus Kohlefaser oder Verbundmaterialien oder einer Metall-Legierung hergestellt sind. Die Führungsstangen sind aus Kohlefaserstäbchen hergestellt, die ein geringes Gewicht, eine hohe radiale Elastizität und eine hohe axiale Steifigkeit aufweisen.
Bei einer anderen Ausführungsform besteht das Vorspannelement aus einem elastischen Material, wie Gummi, einer Feder, einer dünnen Metallplatte, einem Magnet oder aus einem magnetischen Material; wenn das Vorspannelement ein Magnet ist, besteht das bewegliche Element aus einem magnetischen Material. Das Vorspannelement besteht aus einem Gummiring, der eine mechanische Kraft senkrecht zu Grenzflächen zwischen den Führungsstangen und dem beweglichen Element bereitstellt. Das Vorspannelement kann aus mehreren Stücken bestehen, welche die Führungsstangen berühren und Kräfte senkrecht zu Grenzflächen zwischen den Führungsstangen und dem beweglichen Element bereitstellen.
Gemäß weiteren Merkmalen weist das bewegliche Element mehrere parallele Nuten auf, wobei die Führungsstangen gleitend mit den Nuten in einem Eingriff stehen. Das bewegliche Element wird in einer Richtung verstellt, welche die gleiche Richtung ist wie die Aktor-Betätigungsrichtung.
Gemäß noch weiteren Merkmalen sind der erste Aktor und der zweite Aktor in der gleichen Richtung angeordnet, in der die Kopplung mit der ersten Führungsstange bzw. der zweiten Führungsstange besteht. Der erste Aktor und der zweite Aktor werden gleichzeitig angetrieben oder einzeln angesteuert. Die Ansteuersignale für den ersten Aktor und den zweiten Aktor sind gleich oder unterschiedlich.
Bei einigen Ausführungsformen sind die axialen Richtungen des ersten Aktors und des zweiten Aktors senkrecht oder parallel zueinander.
Bei einigen Ausführungsformen sind die Ansteuersignale für die Aktoren gleich oder verschieden, wenn der erste und der zweite Aktor parallel angeordnet sind.
Bei einigen Ausführungsformen ist der Verstellbereich des beweglichen Elements größer, wenn ein Abstand zwischen dem beweglichen Element und zwei parallel zueinander angeordneten Aktoren größer ist.
Bei einigen Ausführungsformen weist die mehrachsige Aktorvorrichtung ferner eine dritte Führungsstange und einen dritten Aktor auf. Die dritte Führungsstange ist mit dem dritten Aktor gekoppelt. Die dritte Führungsstange steht in einem reibschlüssigen Eingriff mit dem beweglichen Element. Der dritte Aktor ist parallel oder senkrecht zu dem ersten und zweiten Aktor angeordnet.
Bei gewissen Ausführungsformen weist die mehrachsige Aktorvorrichtung ferner eine vierte Führungsstange und einen vierten Aktor auf. Die vierte Führungsstange ist mit dem vierten Aktor gekoppelt. Die vierte Führungsstange steht in einem reibschlüssigen Eingriff mit dem beweglichen Element. Der vierte Aktor ist parallel oder senkrecht zu dem ersten und zweiten Aktor angeordnet.
Die hierin beschriebene mehrachsige Aktorvorrichtung weist einige Vorteile im Vergleich zu einer seriellen mehrachsigen Aktorvorrichtung auf. Das bewegliche Element ist zur Verstellung entlang von mehreren Achsen reibschlüssig mit mehreren Führungsstangen gekoppelt. Wenn mehrere Führungsstangen entlang der gleichen Richtung verlaufend angeordnet sind, hat die mehrachsige Aktorvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung eine verbesserte Steifigkeit, Biegesteifigkeit, Stabilität und ein verbessertes Widerstandsvermögen gegen Schwingungen. Außerdem ist kein Achsen-Aktor bzw. keine Führungsstange gestapelt auf einer anderen Gruppe von Achsen-Aktoren und Führungsstangen angeordnet. Deshalb ist die Betriebsbandbreite für jede Achse gleich und unterliegt keinen Kompromissen hinsichtlich einer Mehrachsenbewegung bzw. -verstellung.
Eine Mehrzahl von Signalen kann dazu verwendet werden, um eine Verstellung über eine lange Strecke im Millimeterbereich, ein Raster (Scannen) oder eine Positionierung mit hoher Auflösung im Sub-Nanometerbereich oder eine große Winkelverkippung, die jeweils durch die Vorrichtung verursacht wird, zu steuern. Zum Beispiel sind Ausführungsformen der Vorrichtung mit umfasst, bei denen der Aktor mittels eines Dreieckwellensignals gesteuert werden kann, bei denen der Aktor mittels eines elektrischen Sägezahn-Signals gesteuert werden kann oder bei denen der Aktor mit irgendeinem der vorgenannten Signale, sei es alleinig oder in Kombination mit anderen Signalen, gesteuert werden kann.
Zeichnungen
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung und sollen den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung in keinster Weise beschränken.
1A ist eine schematische Ansicht einer herkömmlichen einachsigen Aktorvorrichtung;
1B ist eine Ansicht ähnlich 1A, die eine erste Stufe des Betriebs der einachsigen Aktorvorrichtung und des angelegten Ansteuersignal zeigt;
1C ist eine Ansicht ähnlich der 1A, die eine zweite Stufe des Betriebs der einachsigen Aktorvorrichtung und des angelegten Ansteuersignal zeigt;
2 ist eine perspektivische Ansicht einer mehrachsigen Aktorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3(a) bis 3(e) sind schematische Ansichten einer mehrachsigen Aktorvorrichtung gemäß der 2, die einen ersten Betrieb davon und die angelegten Ansteuersignale zeigen;
4(a) bis 4(e) sind schematische Ansichten der mehrachsigen Aktorvorrichtung nach der 2, die einen zweiten Betrieb davon und die angelegten Ansteuersignale zeigen;
5(a) und 5(b) sind schematische Ansichten der mehrachsigen Aktorvorrichtung nach der 2, die einen dritten Betrieb davon und die angelegten Ansteuersignale zeigen;
6(a) bis 6(d) sind schematische Ansichten der mehrachsigen Aktorvorrichtung nach der 2, die einen vierten Betrieb davon und die angelegten Ansteuersignale zeigen;
7(a) bis 7(c) sind schematische Ansichten der mehrachsigen Aktorvorrichtung nach der 2, die einen ersten Betrieb davon und die angelegten Ansteuersignale zeigen;
8 ist eine perspektivische Ansicht einer mehrachsigen Aktorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 ist eine perspektivische Ansicht einer, mehrachsigen Aktorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 ist topographisches Bild einer hoch-geordneten pyrolytischen Graphit-Oberfläche (HOPG), das mit Hilfe eines Rastersondenmikroskops aufgenommen wurde, das ein Ausführungsbeispiel für eine mehrachsige Aktorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt; und
11 ist eine Abbildung, die eine hoch-geordnete pyrolytische Graphit(HOPG)-Oberfläche darstellt, die mit Hilfe eines Rastersondenmikroskops aufgenommen wurde, das ein Ausführungsbeispiel für eine mehrachsige Aktorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Ausführliche Beschreibung
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und soll die vorliegende Erfindung oder ihre Anwendung oder Verwendungen nicht in irgendeiner Weise beschränken.
Die mehrachsige Aktorvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung kann insbesondere für die folgenden Zwecke eingesetzt werden: Rastersondenmikroskope, Elektronenmikroskope, Mikrosonden oder mehrachsige Einstell- oder Verstelleinrichtungen für Mikroteströhrchen, ein mehrachsiger optischer Verstelltisch im Nanobereich, einen mehrachsigen Mikro-Roboter im Nanobereich oder einen mehrachsigen Verstelltisch von optischen Systemen, wenngleich die Erfindung nicht darauf beschränkt sei.
Erste Ausführungsform
Bezugnehmend auf die 2 umfasst eine mehrachsige Aktorvorrichtung 2 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein bewegliches Element 21, ein Vorspannelement 23, ein Gehäuse 25 und einen Probentisch 26. Das bewegliche Element 21 weist eine allgemein zylindrische Konfiguration auf, wobei ein Ende davon mit dem Probentisch 26 verbunden oder gekoppelt ist. Das bewegliche Element 21 definiert eine Mehrzahl von Führungsnuten S1, S2, S3 und S4 entlang einer Längsrichtung des beweglichen Elements 21 und auf einer Außenumfangsoberfläche des beweglichen Elements 21.
Die Aktorvorrichtung 2 weist ferner eine Mehrzahl von Aktoren 241, 242, 243, 244 und eine Mehrzahl von Antriebselementen 221, 222, 223, 224 entsprechend der Mehrzahl von Aktoren 241, 242, 243, 244 auf. Die ersten und zweiten Aktoren 241 und 242 sind entlang der X-Achse ausgerichtet. Die dritten Aktoren 243 und 244 sind entlang der Y-Achse ausgerichtet. Die Antriebselemente 221, 222, 223, 224 erstrecken sich entlang der Z-Achse, um die Bewegung der Mehrzahl von Aktoren 241, 242, 243, 244 entlang der Z-Achse auf das bewegliche Element 21 zu übertragen. Während vier Aktoren und vier Antriebselemente gezeigt sind, ist klar, dass eine beliebige Anzahl von Aktoren und Antriebselementen verwendet werden kann, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die Antriebselemente 221, 222, 223, 224 können ausgelegt sein, sodass diese Führungsstangen darstellen, die verschiebbar und reibschlüssig in den Führungsnuten S1, S2, S3 und S4 aufgenommen sind und mit diesen in einem entsprechenden Eingriff stehen.
Bei der Mehrzahl von Führungsstangen 221, 222, 223, 224 ist jeweils ein Ende mit einem entsprechenden der Aktoren 241, 242, 243, 244 verbunden bzw. gekoppelt und somit sind diese an dem Gehäuse 25 über die Aktoren 241, 242, 243 und 244 abgestützt. Die Führungsstangen 221, 222, 223, 224 können aus Karbonfaser, Verbundmaterialien oder Metall-Legierungen hergestellt sein. Bei dieser Ausführungsform sind die Führungsstangen 221, 222, 223, 224 aus Karbonfaserstäben hergestellt, die über ein geringes Gewicht, eine hohe radiale Elastizität und eine hohe axiale Steifigkeit verfügen.
Wenngleich dargestellt ist, dass die Antriebselemente Führungsstangen 221, 222, 223, 224 sind und parallel zueinander angeordnet sind, sei darauf hingewiesen, dass die Antriebselemente auch anders ausgestaltet sein können und dass diese relativ zueinander unter einem Winkel angeordnet sein können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Ein Ende der Mehrzahl von Aktoren 241, 242, 243 und 244 ist jeweils mit dem Gehäuse 25 verbunden und das andere Ende mit der Mehrzahl von Führungsstangen 221, 222, 223, 224. Die Mehrzahl von Aktoren 241, 242, 243, 244 sind im Wesentlichen in der gleichen Ebene auf dem Gehäuse 25 angeordnet und stellen eine Betätigungskraft entlang einer Längsrichtung (z. B. Z-Achse) der Führungsstangen 221, 222, 223, 224 und folglich in Längsrichtung des beweglichen Elements 21 bereit. Wenngleich dies in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, ist es selbstverständlich, dass die Mehrzahl der Aktoren 241, 242, 243, 244 so angeordnet sein können, um eine seitliche Bewegung senkrecht zu den Führungsstangen 221, 222, 223, 224 bereitzustellen.
Die Mehrzahl von Aktoren 241, 242, 243, 244 weist jeweils ein Paar von Antriebselektroden (nicht gezeigt) und dazwischen ein PZT-Material (nicht gezeigt) auf. Die Antriebselektroden können Kupfer-, Gold-, Silber- oder Legierungselektroden sein. Das piezoelektrische Material kann ein einkristallines Material, eine Dünnschicht, ein Polymer, eine Keramik oder ein Verbundmaterial sein. Der Einkristall kann Quarz, Turmalin, Rochelle-Salze, Selten-Erd-Tantalite (RETaO₄) oder Niobat beinhalten. Das Dünnschichtmaterial kann Zirkonoxid (ZrO₂) sein. Die keramischen Materialien können Bariumtitanat (BaTiO₃) oder Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) beinhalten. Das Verbundmaterial kann Polyvinylidenfluorid und Pb(ZrTiO)₃ beinhalten. Das piezoelektrische Material kann eine einstückig Konfiguration oder eine gestapelte Struktur haben, die mehrere piezoelektrische Materialstücke umfasst.
Alternativ kann die Mehrzahl der Aktoren 241, 242, 243, 244 magnetische Linearmotoren umfassen.
Wenn ein Ansteuersignal, beispielsweise in Form einer Spannung, an die Ansteuerungselektroden angelegt wird, dehnt sich das piezoelektrische Material aus und zieht sich dieses zusammen, so dass die Aktoren 241, 242, 243, 244 die Führungsstangen 221, 222, 223, 224 entlang der +Z- oder –Z-Richtung bewegen, welche an den Aktoren 241, 242, 243, 244 befestigt sind.
Das Vorspannelement 23 ist im Wesentlichen kreisförmig und umgibt die Mehrzahl von Führungsstangen 221, 222, 223, 224 in Kontakt mit diesen, um eine Kraft senkrecht zu den Grenzflächen zwischen den Führungsstangen 221, 222, 223, 224 und dem beweglichen Element 21 auszuüben. Das Vorspannelement 23 hält zwischen den Führungsstangen 221, 222, 223, 224 und mit dem beweglichen Element 21 einen reibschlüssigen Eingriff aufrecht. Die Föhrungsstangen 221, 222, 223, 224 sind so ausgelegt, um unterschiedliche Bewegungsgrößen der Aktoren 241, 242, 243, 244 auf das bewegliche Element 21 zu übertragen.
Das Vorspannelement 23 kann aus elastischen Materialien hergestellt sein, beispielsweise Gummi, einer Feder, einer dünnen Metallplatte oder einem magnetischen Material. Als Beispiel besteht das Vorspannelement 23 bei dieser Ausführungsform aus einem Gummiring, der eine mechanische Kraft senkrecht zu Grenzflächen zwischen den Führungsstangen 221, 222, 223, 224 und dem beweglichen Element 21 bereitstellt. Das Vorspannelement 23 kann ein einzelnes Element sein oder kann mehrteilig ausgebildet sein. Zum Beispiel können die Vorspannelemente 23 eine Mehrzahl von Magneten oder magnetisches Material benachbart zu der Mehrzahl von Führungsstangen 221, 222, 223, 224 umfassen. Das bewegliche Element 21 kann magnetische Materialien oder Magneten umfassen, um die Vorspannelemente 23 anzuziehen.
Wenn mindestens einer der Mehrzahl von Aktoren 241, 242, 243, 244 sich ausdehnt oder zusammenzieht, wird/werden die entsprechende(n) der Mehrzahl von Führungsstangen 221, 222, 223, 224 entsprechend verschoben bzw. verstellt. Das bewegliche Element 21 kann gemeinsam mit den Führungsstangen 221, 222, 223, 224 bewegt oder auch nicht bewegt werden, je nachdem, wie die Ansteuersignale an die Aktoren 241, 242, 243, 244 angelegt werden.
Bezugnehmend auf die 3 bis 7 wird der Betrieb der mehrachsigen Aktorvorrichtung 2 näher erläutert. Der Übersichtlichkeit halber sind nur zwei Aktoren 241, 242, zwei Führungsstangen 221, 222, das bewegliche Element 21 und das Gehäuse 25 dargestellt. Die ersten und zweiten Aktoren 241 und 242 sind entlang der X-Achse ausgerichtet bzw. fluchten entlang dieser Linie und können somit eine Winkelverstellung des beweglichen Elements 21 in der XZ-Ebene sowie eine lineare Bewegung des Probentisches 26 entlang der X-Achse hervorrufen. In ähnlicher Weise sind die dritten und vierten Aktoren 243 und 244 entlang der Y-Achse ausgerichtet bzw. fluchten diese entlang dieser Linie und können eine Winkelbewegung des beweglichen Elements 21 in der YZ-Ebene sowie eine lineare Bewegung des Probentisches 26 auf der Y-Achse verursachen. Jede Gruppe von Aktoren 241, 242, 243, 244 kann eine lineare Bewegung des beweglichen Elements 21 entlang der Z-Achse hervorrufen.
Bezugnehmend auf die 3 wird die mehrachsige Aktorvorrichtung 2 in einem ersten Modus betrieben, bei dem es sich um einen Trägheits-Schritt-Modus handelt. Der Trägheits-Schritt-Modus kann für eine Verstellung/Bewegung des beweglichen Elements 21 über eine große Länge (auf der Millimeter-Skala) verwendet werden. Wie in der 3(a) gezeigt, befindet sich das bewegliche Element 21 in einer ersten (anfänglichen) Position P1, wenn die Aktoren 241 und 242 in sich in dem ersten nicht verformten Zustand befinden. Ein Ansteuersignal in Form einer Spannung wird an die Aktoren 241, 242 angelegt. Wenn die Spannung allmählich zunimmt, wie in der 3(d) gezeigt, dehnen sich die Aktoren 241, 242 langsam in +Z-Richtung aus und bewegen die Führungsstangen 221, 222 entsprechend in +Z-Richtung. Die Führungsstangen 221, 222 ihrerseits bewegen das bewegliche Element 21 nach oben (in Richtung +Z) zu einer zweiten Position P2 (3(b)), und zwar aufgrund des Reibschlusses (durch die statische Reibungskraft) zwischen den Führungsstangen 221, 222 und dem beweglichen Element 21. Danach fällt die Spannung rasch auf Null ab, wie in der 3(e) gezeigt. Die Aktoren 241, 242 ziehen sich mit hoher Geschwindigkeit zusammen und bewegen sich in –Z-Richtung. Als Folge werden die Führungsstangen mit hoher Geschwindigkeit in Z-Richtung bewegt. Die schnelle Bewegung der Führungsstangen 221, 222 bewegt jedoch aufgrund der Trägheit des beweglichen Elements 21 nicht das bewegliche Element 21 nach unten. Das bewegliche Element 21 verbleibt bzw. verharrt in der zweiten Position P2, wie in der 3(c) gezeigt. Daher führen das bewegliche Element 21 und der dem beweglichen Element 21 angebrachte Probentisch 26 gemeinsam eine Verschiebung um ΔZ1 entlang der Z-Richtung aus, also um die Distanz zwischen der ersten Position P1 und der zweiten Position P2. Durch wiederholtes Anlegen der Sägezahn-Signalform oder einer invertierten Sägezahn-Signalform als Ansteuersignale an die Aktoren 241, 242 kann das bewegliche Element 21 eine Verschiebung über eine große Distanz auf der Millimeterskala entlang der +Z- oder –Z-Richtung ausführen.
Bezugnehmend auf die 4 wird die mehrachsige Aktorvorrichtung 2 in einer zweiten Betriebsart betrieben, nämlich in einem Scan- bzw. Raster-Modus. Die Spannung an die Aktoren 241, 242 wird allmählich erhöht, wodurch sich die Aktoren 241, 242 langsam ausdehnen bzw. verlängern. Die Führungsstangen 221, 222 werden durch die Aktoren 214 langsam in +Z-Richtung bewegt. Die langsame Bewegung der Führungsstangen 221, 222 bewirkt, dass sich das bewegliche Element 21 aufgrund der Haftreibung zwischen den Führungsstangen 221, 222 und dem beweglichen Element 21 langsam in +Z-Richtung von einer ersten Position P1 (4(a)) zu einer zweiten Position P2 (4(b)) bewegt. Kein Gleiten oder Durchrutschen tritt zwischen den Führungsstangen 221, 222 und dem beweglichen Element 21 auf.
Als nächstes wird die Spannung langsam auf Null verringert und dann eine negative Spannung angelegt, wie in der 4(e) gezeigt, wobei sich die Aktoren 241, 242 langsam in die erste bzw. anfängliche Position P1 zusammenziehen und sich weiter bis zu eine Größe zusammenziehen, die kleiner ist als die erste Dimension bzw. Position. Das bewegliche Element 21 wird so zu einer dritten Position P3 bewegt, die niedriger ist als die erste Position P1, wie in der 4(c) gezeigt. Daher führt das bewegliche Element 21 eine Verschiebung um ΔZ2 aus, also um die Distanz zwischen der ersten Position P1 und der dritten Position P3 ist. Durch Einstellen der Spannung, die an die Aktoren 241, 242 angelegt wird, kann das bewegliche Element 21 kontinuierlich und mit einer Auflösung im Sub-Nanometerbereich in der +Z- und –Z-Richtung gescannt oder positioniert werden.
Bezugnehmend auf die 5 wird die mehrachsige Aktorvorrichtung 2 in einem dritten Modus betrieben, d. h in einem Winkel-Trägheits-Schritt-Modus. In diesem Modus kann das bewegliche Element 21 durch das Anlegen verschiedener Ansteuersignale an die Aktoren 241, 242 verkippt werden, da diese sich unterschiedlich strecken oder zusammeniehen. Wie in der 5(b) gezeigt, wird die Spannung an den Aktor 241 langsam erhöht und abrupt auf Null verringert, während die Spannung an den Aktor 242 abrupt erhöht und langsam auf Null verringert wird.
Wenn die an den (ersten) Aktor 241 angelegte Spannung langsam erhöht wird, dehnt sich der erste Aktor 241 langsam aus und bewegt die (erste) Führungsstange 221, welche ihrerseits das bewegliche Element 21 aufgrund des statischen Reibeingriffs zwischen diesen bewegt. Wenn die Spannung abrupt auf Null herabgesetzt wird, zieht sich der Aktor 241 zusammen und kehrt zu der Ausgangsposition zurück und bewegt die (erste) Führungsstange 221 in der –Z-Richtung. Die Bewegung der ersten Führungsstange 221 bewegt jedoch aufgrund der Trägheit nicht das bewegliche Element 21. Daher führt die erste Seite des beweglichen Elements 21, die an die Führungsstange 221 angrenzt, eine erste positive Verschiebung in +Z-Richtung aus.
Wenn anderseits die an den (zweiten) Aktor 242 angelegte Spannung abrupt erhöht wird, dehnt sich der zweite Aktor 242 aus und bewegt die (zweite) Führungsstange 222. Die schnelle Bewegung der zweiten Führungsstange 222 bewegt jedoch aufgrund der Trägheit des beweglichen Elements 21 nicht das bewegliche Element 21. Wenn die Spannung an den zweiten Aktor 242 allmählich auf Null verringert wird, zieht sich der zweite Aktor 242 in die Ausgangsposition zusammen und bewegt die zweite Führungsstange 222 in –Z-Richtung. Die langsame Bewegung der zweiten Führungsstange 222 bewirkt, dass sich das bewegliche Element 21 wegen des statischen Reibungseingriffs zwischen dem beweglichen Element 21 und der zweiten Führungsstange 222 in –Z-Richtung bewegt. Das bewegliche Element 21 wird bis zu einer Position, die tiefer ist als die Anfangsposition, bewegt. Daher führt das bewegliche Element 21 eine zweite negative Verschiebung in –Z-Richtung aus.
Wenn die ersten und zweiten Führungsstange 221, 222 eine Bewegung des beweglichen Elements 21 überträgt, bewegen die ersten und zweite Führungsstange 221, 222 nur die Seiten des beweglichen Elements 21, die an die erste und zweite Führungsstange 221, 222 angrenzen, nicht aber den gesamten Körper des beweglichen Elements 21. Daher werden die unterschiedlichen Verschiebungen in den entgegengesetzten Richtungen bzw. entlang den Seiten des beweglichen Elements 21 zu einer Verkippung des beweglichen Elements 21 führen. In diesem Beispiel führt die Seite des beweglichen Elements 21, die an die erste Führungsstange 221 angrenzt, eine positive Verschiebung aus und führt die Seite des beweglichen Elements 21, die an die zweite Führungsstange 222 angrenzt, eine negative Verschiebung aus. Daher wird das bewegliche Element 21 in Richtung der Seite benachbart zu der zweiten Führungsstange 222 verkippt bzw. geneigt und bildet einen Winkel Θ relativ zur Z-Achse. Die verschiedenen Ansteuersignale an den ersten und zweiten Aktor 241 und 242 führen zu einer Winkelbewegung des beweglichen Elements 21 in der XZ-Ebene.
In ähnlicher Weise würden verschiedene Ansteuersignale, die an die dritten und vierten Aktoren 243 und 244 angelegt werden, zu einer Winkelbewegung des beweglichen Elements 21 in der YZ-Ebene führen.
Bezugnehmend auf die 6 kann die mehrachsige Aktorvorrichtung 2 in einem vierten Modus betrieben werden, d. h. in einem Winkel-Scan-Modus. Der Aktor 241 und der Aktor 242 werden durch das Anlegen von unterschiedlichen Ansteuersignalen an den ersten und zweiten Aktor 241, 242 unterschiedlich verformt. Der erste und zweite Aktor 241 und 242 sind entlang der X-Achse ausgerichtet. Wie in den 6(c) und 6(d) gezeigt, nimmt die Spannung, die an den ersten Aktor 241 angelegt wird, allmählich in der ersten Phase zu und wird in der zweiten Phase allmählich auf Null verringert und verringert sich weiter in der dritten Phase. Die Spannung an den zweiten Aktor 242 wird in der ersten Phase allmählich verringert, in der zweiten Phase allmählich auf Null verringert und weiterhin in der dritten Phase erhöht.
In der ersten Phase dehnt sich der erste Aktor 241 aus und bewegt die Führungsstange 221, welcher ihrerseits das bewegliche Element 21 bewegt, so dass das bewegliche Element eine erste positive Verschiebung ausführt. Der zweite Aktor 242 zieht sich zusammen und bewegt die Führungsstange 222 in der –Z-Richtung. Die Führungsstange 222 bewegt das bewegliche Element 21 in der –Z-Richtung, um eine zweite negative Verschiebung auszuführen. Die positive Verschiebung des beweglichen Elements 21, das an die erste Führungsstange 221 angrenzt, und die negative Verschiebung des beweglichen Elements 21, das an die zweite Führungsstange 222 angrenzt, bewirken, dass sich das bewegliche Element 21 in Richtung zu der zweiten Führungsstange 222 neigt bzw. verkippt und von einer ersten Position P1 zu einer zweiten Position P2 bewegt. Das bewegliche Element 21 bildet einen Winkel Θ relativ zur Z-Achse. Da die Winkelbewegung des beweglichen Elements 21 sehr klein ist, ist die radiale Bewegung der Oberseite des beweglichen Elements 21 annähernd eine lineare Bewegung ΔX. Der Probentisch 26 ist an der Oberseite des beweglichen Elements 21 angebracht bzw. befestigt.
In der zweiten Phase wird das bewegliche Element 21 durch Anlegen von inserven Angsteuersignalen an den ersten und zweiten Aktor 241, 242 zurück zu der anfänglichen ersten Position P1 verkippt. Deshalb zieht sich der erste Aktor 241 in die erste Position zusammen und dehnt sich der zweite Aktor 242 in die Ausgangsposition aus. Die erste und zweite Führungsstange 221, 222 und das bewegliche Element 21 bewegen sich in die anfängliche erste Position P2.
In der dritten Phase werden die inversen Ansteuersignale weiterhin an den ersten und zweiten Aktor 241, 242 angelegt. Als Folge zieht sich der erste Aktor 241 weiter zusammen und dehnt sich der zweite Aktor 242 weiter aus. In der dritten Phase sind der Betrieb der mehrachsigen Aktorvorrichtung 2 und die Bewegung des beweglichen Elements 21 ähnlich wie in der ersten Phase, abgesehen von der Richtung aufgrund der inversen Ansteuersignale. Dementsprechend wird das bewegliche Element 21 aus der ersten Position P1 in die dritte Position P3 geneigt bzw. verkippt und definiert einen Winkel In ähnlicher Weise führt die Oberseite des beweglichen Elements 21 eine negative lineare Bewegung –ΔX aus.
In diesem Modus führt das bewegliche Element 21 eine Winkelbewegung von Θ_x bis Θ_–x aus und führt die Oberseite des beweglichen Elements 21 eine lineare Bewegung um etwa 2ΔX aus. Daher führt der Probentisch 26 (gezeigt in der 3) eine lineare Bewegung von etwa 2Δx aus. Dieser Winkel-Scan-Modus ermöglicht ein Scannen oder Positionieren entlang der X-Achse mit einer Auflösung im Sub-Nanometer-Bereich. Der Betrieb, wie vorstehend für diese Ausführungsform beschrieben, kann in ähnlicher Weise für den dritten und vierten Aktor 243, 244 eingesetzt werden, die entlang der Y-Achse ausgerichtet sind, um ein ähnliches Winkel-Scannen entlang der Y-Achse zu erzielen.
Es versteht sich, dass sowohl der Winkel-Trägheits-Schritt-Modus als auch das hochauflösende Scannen auch durch Ansteuern von nur einem der ersten und zweiten Aktoren 241, 242 erzielt werden kann, um die unterschiedlichen Verschiebungen entlang der Seiten des beweglichen Elements 21, die an die erste und zweite Führungsstange 221, 222 angrenzen, zu erzielen.
Bezugnehmend auf die 7 kann die lineare Bewegung der Oberseite des beweglichen Elements 21 entlang der X-Achse für den gleichen Neigungs- bzw. Verkippungswinkel Θ_x verstärkt werden, wenn das bewegliche Element 21 von dem Gehäuse 25 in eine höhere Position bewegt wird. Der erste Aktor 241 und der Aktor 242 werden durch Anlegen der Ansteuersignale gemäß der 7(c) unterschiedlich verformt. Das bewegliche Element 21 wird um einen kleinen Winkel Θx von der ersten Position P1 in die zweite Position P2 gekippt. Nachdem das bewegliche Element 21 verkippt wurde, bewegt sich das bewegliche Element 21 nach oben und weg von dem Gehäuse 25, wie in der 7(b) gezeigt. Die lineare Bewegung der Oberseite des beweglichen Elements 21 wird auf die gleiche Größe der Winkelbewegung auf ΔX3 erhöht.
Dementsprechend kann die mehrachsige Aktorvorrichtung 2 gemäß der vorliegenden Offenbarung in verschiedenen Betriebsarten für unterschiedliche Funktionen betrieben werden. Der Trägheits-Schritt-Modus, wie in der 3 gezeigt, kann eine grobe lineare Bewegung entlang der Z-Achse bereitstellen. Der Scan-Modus, wie in der 4 gezeigt, kann ein feines Scannen oder Positionieren entlang der Z-Achse mit einer Auflösung im Sub-Nanometer-Bereich bereitstellen. Der Winkel-Trägheits-Schritt-Modus, wie in der 5 gezeigt, kann eine große Winkelverkippung bereitstellen. Der Winkel-Scan-Modus, wie in der
6 gezeigt, kann ein feines Scannen oder Positionieren entlang der X- und Y-Achse mit einer Auflösung im Sub-Nanometerbereich bereitstellen. Darüber hinaus kann der Winkel-Scanbereich für den gleiche Scan-Winkel eingestellt werden, wie in der 7 gezeigt. Daher kann die mehrachsige Aktorvorrichtung 2 gemäß der vorliegenden Offenbarung sowohl grobe Verstellmechanismen als auch einen fein rasternden piezoelektrischen XYZ-Scanner in einem Rastersondenmikroskop (SPM) ersetzen.
Das Ansteuerungssignal, das oben beschrieben wurde, ist nur beispielhaft zu verstehen. Verschiedene Ansteuersignale können für eine bestimmte Verstellung angelegt werden, um das bewegliche Element 21 und damit den Probentisch 26 an einer bestimmten Position zu bewegen.
Zweite Ausführungsform
Bezugnehmend auf die 8 umfasst eine mehrachsige Aktorvorrichtung 3 gemäß einer zweiten Ausführungsform einen ersten, zweiten und dritten Aktor 341, 342, 343, erste, zweite und dritte Gruppen von Führungsstangen 321, 322, 323, erste, zweite und dritte Gruppen von Führungsnuten (nicht dargestellt), Vorspannelemente 33a, 33b, 33c, Verbindungsteile C1, C2, C3, ein Gehäuse 35, ein bewegliches Element 31 und einen Probentisch 36, der an dem beweglichen Element 31 angebracht ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform treibt ein Aktor eine Gruppe von Führungsstangen. Zum Beispiel ist jeder der Aktoren 341, 342, nach der vorliegenden Ausführungsform mit vier Führungsstangen (nur drei sind für jeden Aktor gezeigt) verbunden oder gekoppelt und verstellen gleichzeitig die Gruppe von Führungsstangen. Der erste Aktor 341, der zweite Aktor 342 und der dritte Aktor 343 sind ausgelegt, um die Führungsstangen jeweils entlang der Z-, Y- und X-Richtungen zu betätigen und zu steuern. Die erste, zweite und dritte Gruppe von Führungsstangen sind senkrecht zueinander angeordnet.
Eine Ende des ersten, zweiten und dritten Aktors 341, 342, 343 ist jeweils mit dem Gehäuse 35 und deren anderes Ende jeweils mit den Verbindungsteilen C1, C2, C3 verbunden. Ein Ende der ersten, zweiten und dritten Gruppe von Führungsstangen 321, 322, 323 ist jeweils mit den Verbindungsteilen C1, C2 bzw. C3 verbunden und befindet sich jeweils in einem verschiebbaren und reibschlüssigen Eingriff mit dem beweglichen Element 31. Bei dem gezeigten Beispiel hat das bewegliche Element 31 die Form eines Parallelepipeds und weist sechs Kontaktflächen auf. Die erste, zweite und dritte Gruppe von Führungsstangen berührt unterschiedlichen Kontaktflächen des beweglichen Elements 31.
Es versteht sich, dass das bewegliche Element 31 eine andere Form als vorstehend gezeigt haben kann, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Wenn die ersten, zweiten und dritten Aktoren 341, 342, 343 betätigt werden, kann das bewegliche Element 31 entlang der Z-, Y- und X-Achsen bewegt werden.
In dieser Ausführungsform bewegen die Aktoren 341, 342, 343 Führungsstangen nicht direkt. Stattdessen bewegen die Aktoren 341, 342, 343 die Verbindungsplatten C1, C2, C3, die ihrerseits die Führungsstangen 321, 322, 323 bewegen.
Die Mehrzahl von Vorspannelementen 33a, 33b, 33c berühren die erste, zweite bzw. dritte Gruppe von Führungsstangen 321, 322, 323, um eine Kraft senkrecht zu Grenzflächen zwischen den Führungsstangen 321, 322, 323 und dem beweglichen Element 31 auszuüben. Ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform sind die Führungsstangen 321, 322, 323 so ausgelegt, um Bewegungen auf das bewegliche Element 31 zu übertragen. Wenngleich dargestellt ist, dass das Gehäuse 35 die Form eines Hexaeders aufweist, kann das Gehäuse 35 auch andere Formen haben, beispielsweise eines Polyeders, Zylinders oder einer Röhre, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Der erste Aktor 341 kann in dem Trägheits-Schritt-Modus und Scan-Modus betrieben werden (Antriebsmechanismen sind für die mehrachsige Aktorvorrichtung 2 erwähnt), um das bewegliche Element 31 grob auf der Millimeterskala zu bewegen oder mit hoher Auflösung im Sub-Nanometer-Bereich entlang der Z-Achse zu scannen oder zu positionieren. Der zweite Aktor 342 kann im Trägheits-Schritt-Modus und Scan-Modus betrieben werden, um das bewegliche Element 31 grob mit Auflösung im Millimeterbereich zu verstellen oder mit hoher Auflösung im Sub-Nanometer-Bereich entlang der Y-Achse zu scannen oder zu positionieren. Der dritte Aktor 343 kann im Trägheits-Schritt-Modus und Scan-Modus betrieben werden, um das bewegliche Element 31 grob mit einer Auflösung im Millimeterbereich zu bewegen oder mit hoher Auflösung im Sub-Nanometer-Bereich entlang der X-Achse zu scannen oder zu positionieren.
Dritte Ausführungsform
Bezugnehmend auf die 9 ist eine mehrachsige Aktorvorrichtung 3a gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ähnlich der dritten Ausführungsform, wobei abweichend ein vierter Aktor 341 in entsprechender Weise entlang der Z-Achse angeordnet bzw. positioniert ist. Der vierte Aktor 341 ist neben dem ersten Aktor 341 und parallel zu dem ersten Aktor 341 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform weist die erste Gruppe von Führungsstangen 321 nur zwei Führungsstangen 321 auf. Der vierte Aktor 344 ist mit einer Anschluss- bzw. Verbindungsplatte C1a verbunden, die mit einer vierten Gruppe von Führungsstangen 344 verbunden ist. In ähnlicher Weise weist die vierte Gruppe von Führungsstangen 344 nur zwei Führungsstangen 344 auf und steht diese in einem verschieblichen und reibschlüssigen im Eingriff mit dem beweglichen Element 21 (gezeigt in der 8).
Neben dem Trägheits-Schritt- und -Scan-Modus können der erste Aktor 341 und der vierte Aktor 344 auch in einem Winkel-Trägheits-Schritt-Modus und Winkel-Scan-Modus betrieben werden (Antriebsmechanismen sind für die mehrachsige Aktorvorrichtung 2 erwähnt), um das bewegliche Element 31 mit großen Winkelbewegung oder mit einer hohe Winkelauflösung entlang der Y-Achse zu scannen oder zu positionieren. Wenn unterschiedliche Ansteuersignale an den ersten Aktor 341 und den vierten Aktor 344 angelegt werden, kann das bewegliche Element 31 unterschiedliche Verschiebungen entlang den Seiten, die an den ersten Aktor 341 und den vierten Aktor 344 angrenzen, ausführen. Wenn das Gesamt-Trägheitsmoment, das auf das bewegliche Element 31 einwirkt bzw. angewendet wird, nicht Null ist, kann das bewegliche Element 31 verkippt werden. Daher stellt die mehrachsige Aktorvorrichtung 3a vier Freiheitsgrade zur Verfügung (X, Y, Z, Θ_Y).
Wenngleich in den Figuren nicht gezeigt, sei darauf hingewiesen, dass eine mehrachsige Aktorvorrichtung sechs Aktoren aufweisen kann, wobei zwei Aktoren entlang jeder Achse angeordnet sind, ähnlich wie in der 9 gezeigt. Daher kann die mehrachsige Aktorvorrichtung mindestens sechs Freiheitsgrade haben (X, Y, Z, Θ_X, Θ_Y, Θ_Z).
Wie bereits erwähnt, kann eine mehrachsige Aktorvorrichtung 3 auch einen groben Verstellmechanismus und einen mit hoher Auflösung scannenden piezoelektrischen XYZ-Scanner in einem SPM-System (Rastersondenmikroskop-System) ersetzen. Bezugnehmend auf die 10 wird ein topographisches Bild einer hochorientierten pyrolytischen Graphitoberfläche (HOPG) mit einem Rasterkraftmikroskop abgetastet (ein Teilgebiet der Rastersondenmikroskopie), worin die einzelne mehrachsige Aktorvorrichtung 3 als grober X, Y, Z-Einstellmechanismus (betrieben im Trägheits-Schritt-Modus) und feiner X, Y, Z-Scanner eingesetzt wird (betrieben im Scan-Modus). Die Schnitt-Analyse des Topographie-Bildes (in der 10 angezeigt durch eine weiße Linie) ist in der 11 gezeigt. Zwei Pfeile zeigen an, dass der vertikale Abstand 0,354 nm beträgt, was die Höhe einer einzelnen Kohlenstoff-Atomlage ist. Das Messergebnis für HOPG beweist, dass die mehrachsige Aktorvorrichtung 3 eine Auflösung im Sub-Nanometerbereich erzielen kann, wenn diese im Scan-Modus betrieben wird.
Es sei angemerkt, dass das Verhältnis des Eingangs-Ansteuersignals zur Verstelldistanz auf jeder Achse kalibriert werden sollte, wenn die mehrachsige Aktorvorrichtung 3 in einem Scan-Modus betrieben wird. Das bekannte Verhältnis kann dazu verwendet werden, um die Bewegung des beweglichen Elements 31 vorhersagen, wenn ein bestimmtes Ansteuersignal angelegt wird.
Die mehrachsige Aktorvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ermöglicht eine Reihe von Vorteilen. Das bewegliche Element ist reib- bzw. kraftschlüssig mit mehreren Führungsstangen für eine grobe oder feine Verstellung entlang von mehreren Achsen und/oder für eine grobe oder feine Winkelverstellung gekoppelt. Daher weist die parallele Anordnung der mehrachsigen Aktorvorrichtung eine höhere Steifigkeit, eine größere Stabilität und eine höhere Vibrationsfestigkeit als herkömmlich auf. Darüber hinaus trägt kein Aktor einen weiteren Aktor, was herkömmlich zu unnötige Belastungen geführt hat, wobei jede Achsen-Verstellung mit der gleichen Arbeits-Bandbreite und -Steifigkeit betrieben werden kann.
Die Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sollen Variationen, die nicht von dem allgemeinen Lösungsgedanken der Offenbarung abweichen, vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung mit umfasst sein. Solche Variationen sollen nicht als abweichend vom allgemeinen Lösungsgedanken und vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung angesehen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

TW 100119773 [0001]
US 7196454 [0007]
US 5912527 [0007]

Claims

Mehrachsige Aktorvorrichtung für eine Positionierungsvorrichtung, umfassend: ein bewegliches Element; einen Probentisch, der an dem beweglichen Element angebracht ist; eine Mehrzahl von Antriebselementen, die sich in einem reibschlüssigen Eingriff mit dem beweglichen Element befinden und ausgelegt sind, um das bewegliche Element wahlweise entlang einer ersten Richtung zu bewegen; und eine Mehrzahl von Aktoren, die die Mehrzahl von Antriebselementen bewegen, wenn an die Mehrzahl von Aktoren Ansteuersignale angelegt werden, wobei unterschiedliche Ansteuersignale an die Mehrzahl von Aktoren angelegt werden, um unterschiedliche Bewegungen der Antriebselemente zu bewirken, so dass das bewegliche Element unterschiedliche Verschiebungen entlang der Mehrzahl von Antriebselementen ausführt und aufgrund der unterschiedlichen Verschiebung verkippt werden.
Mehrachsige Aktorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Antriebselementen Führungsstangen sind, die sich entlang der ersten Richtung erstrecken.
Mehrachsige Aktorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Richtung eine Z-Achse ist.
Mehrachsige Aktorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von Antriebselementen eine erste, zweite, dritte und vierte Führungsstange umfasst, die sich entlang der Z-Achse erstreckt.
Mehrachsige Aktorvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die erste und zweite Führungsstange entlang der X-Achse ausgerichtet sind oder fluchten und die dritte und vierte Führungsstange entlang der Y-Achse ausgerichtet sind oder fluchten.
Mehrachsige Aktorvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das bewegliche Element eine Winkelbewegung in einer XZ-Ebene ausführt, wenn die ersten und zweiten Führungsstange unterschiedlich verstellt werden.
Mehrachsige Aktorvorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Probentisch eine lineare Bewegung entlang der X-Achse ausführt, wenn das bewegliche Element die Winkelbewegung in der XZ-Ebene ausführt.
Mehrachsige Aktorvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das bewegliche Element eine Winkelbewegung in einer YZ-Ebene ausführt, wenn die dritte und vierte Führungsstange unterschiedlich verstellt werden.
Mehrachsige Aktorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend ein Vorspannelement, welches die Mehrzahl von Antriebselementen umgibt, um einen reibschlüssigen Eingrifft zwischen der Mehrzahl von Antriebselementen und dem beweglichen Element aufrecht zu erhalten.
Mehrachsige Aktorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von Aktoren auf einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
Mehrachsige Aktorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von Aktoren einen ersten Aktor zum Bewegen einer ersten Gruppe von Antriebselementen entlang der X-Achse, einen zweiten Aktor zum Bewegen einer zweiten Gruppe von Antriebselementen entlang der Y-Achse und einer dritten Gruppe von Antriebselementen entlang der Z-Achse umfasst.
Mehrachsige Aktorvorrichtung nach Anspruch 11, weiterhin umfassend eine erste Verbindungsplatte, eine zweite Verbindungsplatte und eine dritte Verbindungsplatte, die die erste, zweite und dritte Gruppe von Antriebselementen jeweils mit den ersten, zweiten und dritten Aktoren verbindet.
Mehrachsige Aktorvorrichtung nach Anspruch 12, wobei das bewegliche Element eine erste Oberfläche, eine zweite Oberfläche und eine dritte Oberfläche aufweist, die senkrecht zueinander stehen, wobei die erste, zweite und dritte Gruppe von Antriebselementen jeweils in einem reibschlüssigen Eingriff mit der ersten, zweiten und dritten Oberfläche steht.
Mehrachsige Aktorvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die erste, zweite und dritte Gruppe von Antriebselemente jeweils vier Führungsstangen aufweist.
Mehrachsige Aktorvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, weiterhin umfassend einen vierten Aktor und eine vierte Gruppe von Antriebselementen.
Mehrachsige Aktorvorrichtung nach Anspruch 15, wobei der vierte Aktor neben den ersten, zweiten und dritten Aktoren angeordnet ist.
Mehrachsige Aktorvorrichtung nach Anspruch 16, wobei der vierte Aktor und der eine der ersten, zweiten und dritten Aktoren unterschiedlich betätigt oder verstellt werden, um eine Verkippung oder Drehung des beweglichen Elements zu verursachen.
Mehrachsige Aktorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von Aktoren piezoelektrischen Materialien oder magnetische Linearmotoren sind.
Mehrachsige Aktorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das bewegliche Element mehrere Führungsnuten zum Führen der Bewegung der Mehrzahl von Antriebselementen, aufweist.
Mehrachsige Aktorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und Anspruch 2, wobei die Führungsstangen weisen eine hohe axiale Steifigkeit aufweisen und aus Kohlenstoff-Fasern oder Verbundmaterialien oder einer Metalllegierung hergestellt sind.
Mehrachsige Aktorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von Aktoren erste und zweite Aktoren zum Bewegen von ersten und zweiten Gruppen von Antriebselemente entlang der X-Achse, dritte lind vierte Aktoren zum Bewegen der dritten und vierten Gruppen von Antriebselemente entlang der Y Achse und fünfte und sechste Aktoren zum Bewegen von fünften und sechsten Gruppen von Antriebselementen entlang der Z-Achse aufweist.
Mehrachsige Aktorvorrichtung nach Anspruch 21, wobei das bewegliche Element lineare X-, Y- und Z-Bewegungen entlang der X-, Y- und Z-Achsen und Θ_x, Θ_Y, Θ_Z-Winkelbewegungen ausführt, wenn die ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten Gruppen von Antriebselementen unterschiedlich betätigt oder verstellt werden.
Mehrachsige Aktorvorrichtung, umfassend: ein bewegliches Element, das eine erste Führungsnut und eine zweite Führungsnut festlegt; einen Probentisch, der an dem Probentisch angebracht ist; eine erste Führungsstange, die sich in einem reibschlüssigen Reibeingriff mit der ersten Führungsnut befindet; eine zweite Führungsstange, die sich in einem reibschlüssigen Eingriff mit der zweiten Führungsnut befindet; einen ersten Aktor, der mit der ersten Führungsstange verbunden ist, um die erste Führungsstange zu bewegen, wenn der erste Aktor betätigt oder verstellt wird; einen zweiten Aktor, der mit der zweiten Führungsstange verbunden ist, um die zweite Führungsstange zu bewegen, wenn der zweite Aktor betätigt oder verstellt wird; und ein Gehäuse, das den ersten und zweiten Aktor trägt, wobei der erste und zweite Aktoren unterschiedlich betätigt oder angesteuert werden, um eine unterschiedliche Verschiebung oder Verstellung der ersten und zweiten Führungsnuten zu bewirken, so dass das bewegliche Element verkippt wird.