DE102017201598B4

DE102017201598B4 - Reaktionskraftentgegenwirkungsvorrichtung für ein metrologisches Werkzeug

Info

Publication number: DE102017201598B4
Application number: DE102017201598.5A
Authority: DE
Inventors: Yun-Wei Lin
Original assignee: Hiwin Mikrosystem Corp
Current assignee: Hiwin Mikrosystem Corp
Priority date: 2017-02-01
Filing date: 2017-02-01
Publication date: 2019-02-14
Anticipated expiration: 2037-02-02
Also published as: DE102017201598A1

Abstract

Eine Reaktionskraftentgegenwirkungsvorrichtung umfasst eine Befestigungsauflage, die an einer Basisauflage gehalten wird, einen Träger, der bewegbar an der Befestigungsauflage befestigt ist und durch ein primäres Auslösebauglied ausgelöst wird, und einen Haltetisch, der mit dem Träger gekoppelt ist und relativ zu demselben bewegbar ist. Eine Reaktionskraftentgegenwirkungseinheit umfasst ein Entgegenwirkungsauslösebauglied, das mit dem primären Auslösebauglied gekoppelt ist, und ein Entgegenwirkungsbewegungsbauglied, das durch das Entgegenwirkungsauslösebauglied dahin gehend ausgelöst wird, sich in einer entgegengesetzten Richtung relativ zu einer beschleunigten Verschiebung des primären Auslösebauglieds zu bewegen, die durch eine aus der Bewegung des Trägers erzeugte Reaktionskraft ausgeführt wird. Eine Steuereinheit ist elektronisch mit dem primären und dem Entgegenwirkungsauslösebauglied verbunden, um die Bewegung des Entgegenwirkungsbewegungsbauglieds zu steuern.

Description

Die Offenbarung bezieht sich auf ein metrologisches Werkzeug, das in mechanischen, elektronischen und optoelektronischen Industriezweigen zum Messen eines darauf gehaltenen Objekts verwendet wird, und insbesondere auf eine Reaktionskraftentgegenwirkungsvorrichtung für ein metrologisches Werkzeug.
Ein herkömmliches Ausgleichsmassesystem wie die in den US-Patenten mit den Nummern 6,906,786 B2 und 7,502,103 B2 offenbarten umfasst im Allgemeinen einen Basisrahmen, eine Ausgleichsmasse, die elastisch mit dem Basisrahmen gekoppelt ist und an demselben gehalten wird, einen Substrattisch, der bewegbar an der Ausgleichsmasse angeordnet ist und durch eine Auslöseeinrichtung ausgelöst bzw. bewirkt wird, die zwischen der Ausgleichsmasse und dem Substrattisch angebracht ist, und eine Federdämpfungsanordnung, die zwischen dem Basisrahmen und der Ausgleichsmasse angebracht ist. Während der durch die Auslöseeinrichtung ausgelösten Bewegung des Substrattisches kann einer erzeugten und auf die Ausgleichsmasse ausgeübten Reaktionskraft aufgrund dessen entgegengewirkt werden, dass die Masse der Ausgleichsmasse erheblich größer ist als die des Substrattisches und die der Auslöseeinrichtung, und somit wird eine beschleunigte Verschiebung der Ausgleichsmasse, die auf die Reaktionskraft zurückzuführen ist, stark reduziert. Die Verschiebung der Ausgleichsmasse kann mittels der Federdämpfungsanordnung weiter reduziert werden. Um eine Stabilität sicherzustellen, muss die Ausgleichsmasse an sich notwendigerweise ein beträchtliches Gewicht aufweisen, um die gesamte durch die Bewegung des Substrattisches erzeugte Reaktionskraft auszuhalten und dieser entgegenzuwirken, wodurch das Ausgleichsmassesystem 9 sperrig und dessen Aufbau mühevoll ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Reaktionskraftentgegenwirkungsvorrichtung mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Reaktionskraftentgegenwirkungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Eine weitere Aufgabe der Offenbarung besteht darin, eine Reaktionskraftentgegenwirkungsvorrichtung zu schaffen, die zumindest einen der Nachteile des Standes der Technik mindern kann.
Gemäß der Offenbarung umfasst die Reaktionskraftentgegenwirkungsvorrichtung eine Basisauflageeinheit mit einer Basisauflage, eine Trägerbefestigungseinheit mit einer Befestigungsauflage, die in einer aufrechten Richtung über der Basisauflage angeordnet ist und von derselben beabstandet ist, und eine Schwingungsisolierungsanordnung, die die Befestigungsauflage und die Basisauflage verbindet, und eine bewegbare Trägereinheit, die an der Befestigungsauflage befestigt ist. Die bewegbare Trägereinheit umfasst einen Träger, der relativ zu der Befestigungsauflage bewegbar ist, ein primäres Auslösebauglied, das dazu angeordnet ist, eine Bewegung des Trägers auszulösen, um eine Reaktionskraft zu erzeugen, die auf das primäre Auslösebauglied ausgeübt wird, um eine beschleunigte Verschiebung in einer entgegengesetzten Richtung relativ zu der Bewegung des Trägers auszuführen, und einen Haltetisch, der derart mit dem Träger gekoppelt ist, dass der Haltetisch mit der Bewegung des Trägers bewegbar ist und relativ zu dem Träger bewegbar ist. Eine Reaktionskraftentgegenwirkungseinheit umfasst zumindest ein Entgegenwirkungsauslösebauglied, das mit dem primären Auslösebauglied gekoppelt ist, und zumindest ein Entgegenwirkungsbewegungsbauglied, das zwischen der Basisauflageeinheit und dem Entgegenwirkungsauslösebauglied angeordnet ist und das durch das Entgegenwirkungsauslösebauglied dahin gehend ausgelöst wird, sich in einer entgegengesetzten Richtung relativ zu der beschleunigten Verschiebung des primären Auslösebauglieds zu bewegen, um der Reaktionskraft entgegenzuwirken. Eine Steuereinheit ist mit dem primären Auslösebauglied und dem Entgegenwirkungsauslösebauglied elektronisch verbunden und ist dazu angeordnet, zeitvariable Positionsdaten des primären Auslösebauglieds in Bezug auf den Träger und des Entgegenwirkungsauslösebauglieds in Bezug auf das Entgegenwirkungsbewegungsbauglied zu lesen, die Positionsdaten in Beschleunigungsdaten zu verarbeiten, und eine Bewegung des Entgegenwirkungsauslösebauglieds gemäß den Beschleunigungsdaten zu steuern.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels einer Reaktionskraftentgegenwirkungsvorrichtung gemäß der Offenbarung;
2 eine schematische Draufsicht des Ausführungsbeispiels;
3 eine schematische Seitenansicht des Ausführungsbeispiels;
4 ein Blockdiagramm, das eine Steuereinheit des Ausführungsbeispiels und mit derselben elektronisch verbundene Auslösebauglieder veranschaulicht;
5 eine Perspektivansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Reaktionskraftentgegenwirkungsvorrichtung gemäß der Offenbarung;
6 eine schematische Draufsicht des Ausführungsbeispiels in 5; und
7 eine schematische Seitenansicht des Ausführungsbeispiels in 5.

Bevor die Offenbarung ausführlicher beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass Bezugszeichen oder Endabschnitte von Bezugszeichen an geeigneten Stellen in den Figuren wiederholt werden, um entsprechende oder analoge Elemente aufzuzeigen, die optional ähnliche Eigenschaften aufweisen können.
Unter Bezugnahme auf 1 bis 4 umfasst ein Ausführungsbeispiel einer Reaktionskraftentgegenwirkungsvorrichtung eine Basisauflageeinheit 1, eine Trägerbefestigungseinheit 2, eine bewegbare Trägereinheit 3, eine Reaktionskraftentgegenwirkungseinheit 4 und eine Steuereinheit 5.
Die Basisauflageeinheit 1 weist eine Basisauflage 11 und zwei aufrechte Ständer 12 auf, die in einer aufrechten Richtung an zwei Seiten der Basisauflage 11 angeordnet sind und sich von denselben erstrecken. Die Basisauflage 11 weist eine obere und eine untere Wand 112, 111 auf, die sich gegenüberliegen.
Die Trägerbefestigungseinheit 2 weist eine Befestigungsauflage 21, die in der aufrechten Richtung über der oberen Wand 112 der Basisauflage 11 angeordnet ist und von derselben beabstandet ist, und eine Schwingungsisolierungsanordnung 22 auf, die die Befestigungsauflage 21 und die Basisauflage 11 verbindet. Die Befestigungsauflage 21 weist eine untere Wand 211, die der oberen Wand 112 der Basisauflage 11 gegenübersteht, eine obere Wand 212, die der unteren Wand 211 gegenüberliegt, zwei Gleitausnehmungen 213, die sich von der oberen Wand 212 zu der unteren Wand 211 hin erstrecken, die in einer ersten Richtung (X) (bei diesem Ausführungsbeispiel eine Vor-Zurück-Richtung) langgestreckt sind und in einer zweiten Richtung (Y) (bei diesem Ausführungsbeispiel eine Links-Rechts-Richtung) einander gegenüberliegend angeordnet sind, die sowohl zu der aufrechten Richtung als auch der ersten Richtung (X) senkrecht ist, und zwei Gleitschienen 214 auf, die von der oberen Wand 212 nach oben vorstehen, in der ersten Richtung (X) langgestreckt sind und die jeweils bezüglich einer der Gleitausnehmungen 213 lateral angeordnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Schwingungsisolierungsanordnung 22 vier aktive Schwingungsisolierungslager 221.
Die bewegbare Trägereinheit 3 ist an der Befestigungsauflage 21 befestigt und umfasst eine Luftlageranordnung 31, einen Träger 32, zwei primäre Auslösebauglieder 33, einen Haltetisch 34 und zwei sekundäre Auslösebauglieder 35. Die Luftlageranordnung 31 ist derart an der oberen Wand 212 der Befestigungsauflage 21 angeordnet, dass der Träger 32 und der Haltetisch 34 durch die Luftlageranordnung 31 gehalten werden, um bewegbar über der oberen Wand 212 zu schweben. Der Träger 32 weist einen Trägerkörper 321, der einen zum Aufnehmen und Ermöglichen einer Bewegung des Haltetisches 34 in der zweiten Richtung (Y) ausgebildeten Gleitraum 320 definiert, und zwei Gleitblöcke 322 auf, die jeweils mit einer von zwei Seiten des Trägerkörpers 321 verbunden sind und jeweils in einer der Gleitausnehmungen 213 gleitfähig angeordnet sind. Die primären Auslösebauglieder 33 werden jeweils auf einer der Gleitschienen 214 gehalten und sind entlang derselben gleitfähig und sind jeweils mit einem der Gleitblöcke 322 des Trägers 32 gekoppelt, um eine Bewegung des Trägers 32 in der ersten Richtung (X) auszulösen. Der Haltetisch 34 wird schwebend über der oberen Wand 212 der Befestigungsauflage 21 gehalten und ist bewegbar in dem Gleitraum 320 aufgenommen und ist mit der Bewegung des Trägers 32 in der ersten Richtung (X) bewegbar. Die sekundären Auslösebauglieder 35 sind an dem Trägerkörper 321 angeordnet und sind jeweils mit einer von zwei Seiten des Haltetisches 34 gekoppelt, um auszulösen, dass sich der Haltetisch 34 relativ zu dem Träger 32 in der zweiten Richtung (Y) bewegt. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Luftlageranordnung 31 eine Mehrzahl von Luftlagern 311 auf, die an vier Ecken des Haltetisches 34, an vier Ecken des Trägerkörpers 321 und zwischen jedem der Gleitblöcke 322 und der Befestigungsauflage 21 angeordnet sind. Jedes der primären und sekundären Auslösebauglieder 33, 35 ist ein linearer Servomotor.
Die Reaktionskraftentgegenwirkungseinheit 4 ist zwischen der Basisauflageeinheit 1 und der bewegbaren Trägereinheit 3 angebracht und umfasst zwei Entgegenwirkungsauslösebauglieder 41, die jeweils mit einem der primären Auslösebauglieder 33 fest verbunden sind, und zwei Entgegenwirkungsbewegungsbauglieder 42, von denen jedes zwischen einem jeweiligen der Entgegenwirkungsauslösebauglieder 41 und einem jeweiligen der aufrechten Ständer 12 angebracht ist. Die Entgegenwirkungsbewegungsbauglieder 42 werden jeweils durch eines der Entgegenwirkungsauslösebauglieder 41 dahin gehend ausgelöst, sich in der ersten Richtung (X) zu bewegen, um eine Bewegung des primären Auslösebaugliedes 33 in einer entgegengesetzten Richtung relativ zu einer beschleunigten Verschiebung des primären Auslösebauglieds 33 anzutreiben, die durch eine Reaktionskraft bewirkt wird, die auf das primäre Auslösebauglied 33 ausgeübt wird, um der Reaktionskraft entgegenzuwirken. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist jedes der Entgegenwirkungsauslösebauglieder 41 ein linearer Servomotor.
Unter Bezugnahme auf 4 ist die Steuereinheit 5 elektronisch mit jedem der primären und der Entgegenwirkungsauslösebauglieder 33, 41 verbunden, um die Auslösung der Auslösebauglieder 33, 41 zu steuern. Die Steuereinheit 5 ist dazu angeordnet, zeitvariable Positionsdaten der primären Auslösebauglieder 33 in Bezug auf den Träger 32, der sekundären Auslösebauglieder 35 in Bezug auf den Haltetisch 34 und der Entgegenwirkungsauslösebauglieder 41 in Bezug auf die Entgegenwirkungsbewegungsbauglieder 42 zu lesen, die Positionsdaten in Beschleunigungsdaten zu verarbeiten und die Bewegungen der Entgegenwirkungsauslösebauglieder 41 gemäß den Beschleunigungsdaten zu steuern. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Steuereinheit 5 die Form eines Computers auf.
Unter Bezugnahme auf 1 und 4 steuert und betätigt die Steuereinheit 5 die Entgegenwirkungsauslösebauglieder 41 dahin gehend, die Bewegung der Entgegenwirkungsbewegungsbauglieder 42 auszulösen, um eine Entgegenwirkungskraft gegen die beschleunigte Verschiebung der primären Auslösebauglieder 33 zu erzeugen, um dadurch der Reaktionskraft entgegenzuwirken, wenn die primären Auslösebauglieder 33 dahin gehend betätigt werden, die Bewegung des Trägers 32 in der ersten Richtung (X) auszulösen, und eine Reaktionskraft erzeugt wird und sofort auf die primären Auslösebauglieder 33 ausgeübt wird, um eine beschleunigte Verschiebung in einer entgegengesetzten Richtung relativ zu der Bewegung des Trägers 32 auszuführen. Genauer gesagt kann die Steuereinheit 5 gemäß der Beschleunigungsdaten der primären Auslösebauglieder 33 sofort berechnen, die Bewegung der Entgegenwirkungsauslösebauglieder 41 zu steuern, um einen Reaktionskraftabsorptions- (ähnlich einer Vorspannfeder) und -dämpfungseffekt (schnelle Konvergenz) durchzuführen.
Der Reaktionskraft, die infolge der durch die sekundären Auslösebauglieder 35 ausgelösten Bewegung des Haltetisches 34 in der zweiten Richtung (Y) erzeugt wird und die auf den Träger 32 ausgeübt wird, kann durch die an den Gleitblöcken 322 angeordneten Luftlager 311 entgegengewirkt werden, um eine Wirkung der Reaktionskraft auf die Befestigungsauflage 21 zu reduzieren. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Reaktionskraftentgegenwirkungseinheit 4 somit dahin gehend gestaltet, der durch die Bewegung des Trägers 32 erzeugten Reaktionskraft entgegenzuwirken, ohne der durch die Bewegung des Haltetisches 34 erzeugten Reaktionskraft entgegenwirken zu müssen.
Es ist zu beachten, dass die Anzahl der Entgegenwirkungsauslöse- und -bewegungsbauglieder 41, 42 und die der primären und sekundären Auslösebauglieder 33, 35 der bewegbaren Trägereinheit 3 in Abhängigkeit von unterschiedlichen Anforderungen geändert werden kann, z. B. nur eins oder zumindest drei.
Wie veranschaulicht, tritt mit der Reaktionskraftentgegenwirkungseinheit 4, die der Reaktionskraft entgegenwirken kann, die während der durch die primären Auslösebauglieder 33 ausgelösten Bewegung des Trägers 32 erzeugt wird, keine beschleunigte Verschiebung der primären Auslösebauglieder 33 auf, um auf die Befestigungsauflage 21 zu wirken, wodurch die Stabilität der Befestigungsauflage 21 stark verbessert wird. Somit kann die Befestigungsauflage 21 kompakt gefertigt werden, um zahlreiche Anordnungsanforderungen der Komponenten der Reaktionskraftentgegenwirkungsvorrichtung aufzunehmen.
Unter Bezugnahme auf 5 bis 7 umfasst die Reaktionskraftentgegenwirkungseinheit 4 bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ferner zwei erste Dämpfungsanordnungen 43, die jeweils zwischen dem Entgegenwirkungsbewegungsbauglied 42 und dem aufrechten Ständer 12 der Basisauflageeinheit 1 angeordnet sind, und zwei zweite Dämpfungsanordnungen 44, von denen jede an dem jeweiligen der Entgegenwirkungsauslösebauglieder 41 angeordnet ist. Mittels der ersten und zweiten Dämpfungsanordnungen 43, 44 kann ein Teil der Reaktionskraft sofort absorbiert werden, während die Verbindung zwischen der Reaktionskraftentgegenwirkungseinheit 4 und der Basisauflageeinheit 1 verstärkt wird, um eine Stabilität der Vorrichtung sicherzustellen.

Claims

Reaktionskraftentgegenwirkungsvorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: eine Basisauflageeinheit (1) mit einer Basisauflage (11); eine Trägerbefestigungseinheit (2), die eine Befestigungsauflage (21), die in einer aufrechten Richtung über der Basisauflage (11) angeordnet ist und von derselben beabstandet ist, und eine Schwingungsisolierungsanordnung (22) aufweist, die die Befestigungsauflage (21) und die Basisauflage (11) verbindet; eine bewegbare Trägereinheit (3), die an der Befestigungsauflage (21) befestigt ist und die einen Träger (32), der relativ zu der Befestigungsauflage (21) bewegbar ist, ein primäres Auslösebauglied (33), das dazu angeordnet ist, eine Bewegung des Trägers (32) auszulösen, um eine Reaktionskraft zu erzeugen, die auf das primäre Auslösebauglied (33) ausgeübt wird, um eine beschleunigte Verschiebung in einer entgegengesetzten Richtung relativ zu der Bewegung des Trägers (32) auszuführen, und einen Haltetisch (34) umfasst, der derart mit dem Träger (32) gekoppelt ist, dass der Haltetisch (34) mit der Bewegung des Trägers (32) bewegbar ist und relativ zu dem Träger (32) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskraftentgegenwirkungsvorrichtung ferner folgende Merkmale aufweist: eine Reaktionskraftentgegenwirkungseinheit (4), die zumindest ein Entgegenwirkungsauslösebauglied (41), das mit dem primären Auslösebauglied (33) gekoppelt ist, und zumindest ein Entgegenwirkungsbewegungsbauglied (42) umfasst, das zwischen der Basisauflageeinheit (1) und dem Entgegenwirkungsauslösebauglied (41) angeordnet ist und das durch das Entgegenwirkungsauslösebauglied (41) dahin gehend ausgelöst wird, sich in einer entgegengesetzten Richtung relativ zu der beschleunigten Verschiebung des primären Auslösebauglieds (33) zu bewegen, um der Reaktionskraft entgegenzuwirken; und eine Steuereinheit (5), die elektronisch mit dem primären Auslösebauglied (33) und dem Entgegenwirkungsauslösebauglied (41) verbunden ist und dazu angeordnet ist, zeitvariable Positionsdaten des primären Auslösebauglieds (33) in Bezug auf den Träger (32) und des Entgegenwirkungsauslösebauglieds (41) in Bezug auf das Entgegenwirkungsbewegungsbauglied (42) zu lesen, die Positionsdaten in Beschleunigungsdaten zu verarbeiten, und eine Bewegung des Entgegenwirkungsauslösebauglieds (41) gemäß den Beschleunigungsdaten zu steuern, wobei das primäre Auslösebauglied (33) dazu angeordnet ist, die Bewegung des Trägers (32) in einer ersten Richtung (X) auszulösen, wobei das Entgegenwirkungsauslösebauglied (41) dazu angeordnet ist, die Bewegung des Entgegenwirkungsbewegungsbauglieds (42) in der ersten Richtung (X) auszulösen, wobei die bewegbare Trägereinheit (3) zumindest ein sekundäres Auslösebauglied (35) umfasst, das an dem Träger (32) angeordnet ist und das auslöst, dass der Haltetisch (34) eine Bewegung in einer zweiten Richtung (Y) ausführt, die senkrecht zu der ersten Richtung (X) ist, und wobei die Befestigungsauflage (21) eine untere Wand (211), die der Basisauflage (11) gegenübersteht, eine obere Wand (212), die der unteren Wand (211) gegenüberliegt, zwei Gleitausnehmungen (213), die sich von der oberen Wand (212) zu der unteren Wand (211) hin und in der ersten Richtung (X) erstrecken und in der zweiten Richtung (Y) einander gegenüberliegend angeordnet sind, und zwei Gleitschienen (214) aufweist, die von der oberen Wand (212) nach oben vorstehen und die jeweils bezüglich einer der Gleitausnehmungen (213) lateral angeordnet sind, wobei der Träger (32) einen Trägerkörper (321), der einen zum Aufnehmen und Ermöglichen einer Bewegung des Haltetisches (34) in der zweiten Richtung (Y) ausgebildeten Gleitraum (320) definiert, und zwei Gleitblöcke (322) aufweist, von denen jeder mit dem Trägerkörper (321) verbunden ist und in einer jeweiligen der Gleitausnehmungen (213) gleitfähig angeordnet ist, wobei die bewegbare Trägereinheit (3) zwei der primären Auslösebauglieder (33) umfasst, die jeweils auf einer der Gleitschienen (214) gehalten werden und entlang einer derselben gleitfähig sind, und die jeweils mit einem der Gleitblöcke (322) des Trägers (32) gekoppelt sind.
Reaktionskraftentgegenwirkungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die bewegbare Trägereinheit (3) eine Luftlageranordnung (31) umfasst, die derart an der oberen Wand (212) der Befestigungsauflage (21) angeordnet ist, dass der Träger (32) und der Haltetisch (34) durch die Luftlageranordnung (31) dahin gehend gehalten werden, bewegbar über der oberen Wand (212) zu schweben.
Reaktionskraftentgegenwirkungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das primäre Auslösebauglied (33) und das Entgegenwirkungsauslösebauglied (41) lineare Servomotoren sind.
Reaktionskraftentgegenwirkungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Reaktionskraftentgegenwirkungseinheit (4) ferner eine erste Dämpfungsanordnung (43) umfasst, die zwischen dem Entgegenwirkungsbewegungsbauglied (42) und der Basisauflageeinheit (1) angeordnet ist.
Reaktionskraftentgegenwirkungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Reaktionskraftentgegenwirkungseinheit (4) ferner eine zweite Dämpfungsanordnung (44) umfasst, die an dem Entgegenwirkungsauslösebauglied (41) angeordnet ist.