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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schalten einer lonenstrahlquelle nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Niederenergetische lonenstrahlen mit Ionenenergien zwischen 0 V und 2.000 eV werden standardmäßig zur ultrapräzisen Formbearbeitung von Oberflächen (z.B. Ionenstrahlätzen, lonenstrahlgestützte Abscheidung) eingesetzt. In den meisten Fällen kommen dabei vorzugsweise langzeitstabile lonenstrahlen mit konstantem Strahlstrom und gaußförmiger Stromdichteverteilung zum Einsatz, die von einem computergesteuerten Bewegungssystem verweilzeitgesteuert über die zu bearbeitende Oberfläche geführt werden und lokal Material abtragen oder auftragen.
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In der
DE 10 2005 017 632 B4 wird dagegen ein Verfahren beschrieben, bei dem eine elektrisch gepulste Strahlquelle zur lonenstrahlbearbeitung eingesetzt wird. Das Konzept der Pulsweitenmodulation ist seit langem bekannt und wird hier konkret zur Intensitätssteuerung des lonenstrahlstroms genutzt.
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Die Erzeugung eines lonenstrahls erfolgt in einer üblichen Ausführung einer lonenstrahlquelle (z.B. als HF-Ionenstrahlquelle mit 13,56 MHz Plasmaanregung oder ECRlonenstrahlquelle mit 2.45 GHz Plasmaanregung oder als Kaufman-Ionenstrahlquelle mit DC-Spannung) durch Anlegen von Spannung an mindestens zwei gitterförmige Elektroden. Eine Elektrode, die vorzugsweise auf einem Niveau von +1.000 V vorgespannt wird, dient der Beschleunigung der durch die Hochfrequenz in einem Plasma erzeugten positiv geladenen Ionen und eine weitere Elektrode, die vorzugsweise auf einem Niveau von -200 V vorgespannt ist, dient der Strahlformung.
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Um gepulste lonenstrahlen zu erzeugen, müssen auch diese Spannungen entsprechend gepulst werden. Dazu werden konstante Spannungen in einem Generator erzeugt und mit einem Schalter gemäß einer festen Pulsfrequenz und einer vorgegebenen Pulsweite geschaltet.
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Um den Anforderungen an eine Präzisionsbearbeitung gemäß dem in
DE 10 2005 017 632 B4 beschriebenen Verfahren gerecht zu werden, ist eine mit einem aus dem Bewegungssystem generierten Positionssignal synchronisierte Pulsweiteneinstellung notwendig. Außerdem müssen die mindestens zwei Spannungen, beispielsweise zwischen 0 V und +1,5 kV bzw. 0 V und -1,0 kV synchron geschaltet werden. Hierbei müssen aufgrund der Bewegungsdynamik kurze Schaltzeiten im Bereich von µs erreicht werden.
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Ein bekanntes Gerätemodell zur Ansteuerung von zwei verschiedenen Spannungen für Extraktionsgittersysteme von Ionenquellen (Beamswitch Fa. AKT GmbH) weist umfangreiche funktionelle Nachteile auf. Hauptnachteil des Gerätes ist der limitierte Bereich des nutzbaren Tastverhältnisses von 4%-97%. Weiterhin ist ein zu einem Steuersignal synchrones Umschalten auf 0% (Strahl aus) oder 100% (Strahl im Dauerstrich) nur verzögert möglich.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Schalten von zumindest zwei Spannungen, die an Elektroden einer lonenstrahlquelle anliegen, zu verbessern. Insbesondere soll zumindest eines der oben geschilderten Probleme gelöst werden. Vorzugsweise soll das Schalten einfach und kostengünstig möglich sein, wobei die Spannungen, bevorzugt im Bereich von -1,5 kV bis +1,5 kV synchron ein- und ausgeschaltet werden können, wobei Schaltfrequenzen von bis zu 10 kHz und Rechteck-Pulsformen realisiert werden können. Die Schaltung soll vorzugsweise weiterhin resistent gegen Umladeströme bis >20 A sein. Weiterhin sollen die Spannungen bevorzugt signalsynchron von 0 nach 100% umschaltbar sein.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schalten einer lonenstrahlquelle nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung zusammen mit den Figuren angegeben.
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Erfinderseits wurde erkannt, dass diese Aufgabe in überraschender Art und Weise dadurch gelöst werden kann, wenn jeder Elektrode der lonenstrahlquelle, die mit einer der Spannungen gespeist werden soll, ein erster Schalter zum Verbinden der Elektrode mit der zugeordneten Spannungsquelle und ein zweiter Schalter zum Verbinden der Elektrode mit Erde zugeordnet sind, weil dadurch sehr schnell und synchron eine Beaufschlagung der Elektrode mit der jeweiligen Spannung und auch wieder eine Entladung der Elektrode erfolgen können, wodurch sehr schnelle synchrone Schalttakte möglich sind.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Schaltung einer lonenstrahlquelle, wobei die lonenstrahlquelle zumindest zwei Elektroden aufweist, wobei jeder der zwei Elektroden jeweils eine Spannungsquelle zugeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder Elektrode ein erster Schalter zum Verbinden der Elektrode mit der zugeordneten Spannungsquelle und ein zweiter Schalter zum Verbinden derselben Elektrode mit Erde zugeordnet sind.
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„Elektroden“ sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung alle Elemente einer lonenstrahlquelle, an denen eine bestimmte Spannung anliegt, die insbesondere zur Ionenerzeugung, Ionenextraktion und lonenbeschleunigung, aber auch zur Strahlform und dgl. Manipulation mit den erzeugten Ionen verwendet werden.
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Die lonenstrahlquelle bzw. die Spannungsquellen sind üblicherweise nicht Teil der Vorrichtung. Üblicherweise bestehen die Spannungsquellen und die lonenstrahlquelle allein, wobei dann die erfindungsgemäße Vorrichtung zwischen die Spannungsquellen und die lonenstrahlquelle geschaltet wird. Allerdings könnten die lonenstrahlquelle und/oder die Spannungsquellen auch Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung sein.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass durch die zwei Spannungsquellen für die jeweiligen Elektroden bereitgestellte zwei Eingangsspannungen unterschiedliche Polarität aufweisen, weil dadurch die lonenbeschleunigung und eine Strahlformung sehr einfach geschaltet werden können.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Spannungsquelle der zwei Spannungsquellen eine positive Spannung, vorzugsweise im Bereich 0 V bis +10.000 V, bevorzugt im Bereich 0 V bis +5.000 V, insbesondere im Bereich 0 V bis + 1.000 V bereitstellt und die zweite Spannungsquelle der zwei Spannungsquellen eine negative Spannung, vorzugsweise im Bereich 0 V bis -10.000 V, bevorzugt im Bereich 0 V bis -5.000 V, insbesondere im Bereich 0 V bis -1.000 V bereitstellt. Dadurch können die lonenbeschleunigung und eine Strahlformung sehr einfach geschaltet werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass für die Schaltfolge der beiden Schalter eine Totzeit besteht. Dadurch werden Kurzschlüsse beim Umschalten zwischen Spannungsquelle und Erde wirksam verhindert. Diese Totzeit liegt vorzugsweise im Bereich 1 ns bis 1µs, bevorzugt im Bereich 10 ns bis 500 ns, insbesondere im Bereich 20 ns bis 250 ns.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Totzeiten für die erste Elektrode und die zweite Elektrode identisch sind. Dadurch wird eine sehr gute Synchronität der Schaltung sichergestellt, wodurch die Ergebnisse der Ionenstrahlbehandlung äußerst präzise sind. Hierzu können für jede Elektrode getrennte Totzeitgeber verwendet werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein einheitlicher Totzeitgeber besteht, der die Totzeiten für die Schaltfolge der beiden Schalter identisch festlegt. Dadurch besteht eine besonders hohe Sicherheit beim Umschalten und außerdem wird die Qualität der mit der lonenstrahlquelle erfolgenden Bearbeitung verbessert, weil die Totzeiten absolut identisch geregelt werden und dadurch die Elektroden exakt zeitparallel betrieben werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erste Schalter und der zweite Schalter jeder Elektrode im Rahmen eines Schaltmoduls in Push-Pull-Konfiguration zum Verbinden der Elektrode mit der zugeordneten Spannungsquelle bzw. mit Erde ausgebildet sind. Dadurch werden kurze Schaltzeiten ermöglicht.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung so ausgebildet ist, dass beim Verbinden der Elektrode mit der Spannungsquelle zuerst den zweiten Schalter zu öffnen und dann den ersten Schalter zu schließen und beim Verbinden der Elektrode mit Erde zuerst den ersten Schalter zu öffnen und dann den zweiten Schalter zu schließen. Dadurch werden Kurzschlüsse wirksam verhindert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen zuordenbarer Spannungsquelle und Elektrode zumindest ein Kondensator zum Abfangen von Umladungsströmen geschaltet ist. Dadurch ist die Vorrichtung unanfällig gegenüber Umladungsströmen, die durch vorhandene Kapazitäten in der lonenquelle sowie Kabelkapazitäten von Koaxialkabeln bedingt sind, die zur Vermeidung von EMV-Problemen bei der Speisung der lonenstrahlquelle mit den entsprechenden Spannungen verwendet werden müssen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung mit einer Positionssteuerung, vorzugsweise einer CNC-Steuerung verbunden ist, die die Position der lonenstrahlquelle relativ zu einer Oberfläche eines Werkstücks, das mit dem lonenstrahl behandelt werden soll, verändert, wobei jedem Punkt der Oberfläche des Werkstücks Achsenwerte der Positionssteuerung zugewiesen sind, wobei insbesondere eine virtuelle Achse besteht, der Steuerungswerte für die lonenstrahlquelle an dem jeweiligen Punkt der Oberfläche zugewiesen sind. Dadurch können Steuerungssignale für die Schaltung, insbesondere für eine pulsweitenmodulierte Schaltung der lonenstrahlquelle sehr einfach einer Positionssteuerung entnommen werden. Diese Steuerungswerte können analoge Steuerungswerte oder digitale Steuerungswerte sein.
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Bei analogen Steuerungswerten würde zur Steuerung der lonenstrahlquelle vorzugsweise ein Wandler bestehen, der die analogen Steuerungswerte in eine positionsabhängige Pulskette umwandelt. Digitale Steuerungswerte können beispielsweise in Form positionsabhängiger Frequenzen bestehen, die auf der virtuellen Achse der Positionssteuerung gespeichert sind. Bei digitalen Steuerungswerten würde zur Steuerung der lonenstrahlquelle vorzugsweise ein Wandler bestehen, der die digitalen Steuerungswerte in eine positionsabhängige Pulskette umwandelt.
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Dieser Wandler würde bevorzugt Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung sein. Allerdings könnte der Wandler auch extern bestehen, also unabhängig von der Vorrichtung.
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Anstelle der Verwendung einer virtuellen Achse für die Positionssteuerung kann auch vorgesehen sein, dass die positionsabhängige Pulskette direkt in der Positionssteuerung erzeugt und an die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragen wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung ausgebildet ist, Steuerungswerte für die lonenstrahlquelle zu empfangen, die als analoge Spannungswerte ausgebildet sind, vorzugsweise im Bereich 0 V bis 24V, insbesondere im Bereich 0 V bis 10 V. Dadurch kann die Schaltung besonders einfach an eine Positionssteuerung angebunden werden. Solche analogen Steuerungswerte können beispielsweise von der Positionssteuerung ausgegeben werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass Mittel zur Umwandlung der Steuerungswerte in gepulste Steuerungswerte bestehen, wobei die Mittel bevorzugt angepasst sind, ein Tastverhältnis zwischen einer ersten Spannung und einer zweiten Spannung zu steuern, wobei das ausschließliche Vorliegen der ersten Spannung einer ersten Bereichsgrenze des Steuerungswertes und das ausschließliche Vorliegen der zweiten Spannung einer zweiten Bereichsgrenze des Steuerungswertes zugeordnet sind und der Bereich des Steuerungswertes zwischen den Bereichsgrenzen als Prozentangabe interpretiert wird für das Verhältnis zwischen dem Vorliegen der ersten Spannung und der zweiten Spannung innerhalb eines Taktes. Dadurch kann die Schaltung als pulsweitenmodulierte Schaltung besonders gut umgesetzt werden. Dabei kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass außerhalb der Bereichsgrenzen ebenfalls die der jeweiligen Bereichsgrenze zugeordnete Spannung erzeugt wird.
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Beispielsweise könnte ein Bereich von 0 V bis 10 V bestehen, wobei Bereichsgrenzen von 1V und 9V festgelegt sind. Dann liegt die erste Spannung im Bereich 0 V bis 1 V an, die zweite Spannung liegt im Bereich 9 V bis 10 V an und für 1 V und 9 V bestehen beide Spannungen mit einem entsprechenden Tastverhältnis.
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Dieses Tastverhältnis wird vorzugsweise als Prozentangabe interpretiert, die linear zwischen den Bereichsgrenzen entwickelt wird.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Schaltung einer lonenstrahlquelle, wobei die lonenstrahlquelle zumindest zwei Elektroden aufweist, wobei jeder der zwei Elektroden jeweils eine Spannungsquelle zugeordnet ist, würde sich dadurch auszeichnen, dass jede Elektrode wahlweise mit der der Elektrode zugeordneten Spannungsquelle oder mit Erde verbunden wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung wäre vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet wird.
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Die Merkmale und weiteren Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Figuren deutlich werden. Dabei zeigen rein schematisch:
- 1 die erfindungsgemäß verwendete HF-Ionenstrahlquelle in einer Schnittansicht,
- 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Blockdarstellung,
- 3 eine Detailblockdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 2,
- 4 erfindungsgemäß erzeugte Pulsweitenmodulationssignale,
- 5a, b die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 2 eingesetzten Schalter und
- 6 die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 2 eingesetzten Kondensatormodule.
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In 1 ist die erfindungsgemäß verwendete HF-Ionenstrahlquelle 10 in einer Schnittansicht gezeigt.
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Es ist zu erkennen, dass die lonenstrahlquelle 10 ein Gehäuse 12 aufweist, das aus elektrisch isolierendem Material besteht. In das Innere 14 des Gehäuse 12 mündet ein Zuleitung 16 für ein Arbeitsgas, dessen Bestandteile mit Hilfe einer Spulenanordnung 18 und einer Hochfrequenzquelle 20 (13,56 MHz) ionisiert werden und ein Plasma 22 bilden. Aus diesem Plasma 22 werden mit Hilfe einer ersten Elektrode 24 Ionen beschleunigt und ein lonenstrahl 26 gebildet. Genauer gesagt liegt diese erste Elektrode 24 auf einem Potential UB von +1.000 V, so dass die entstandenen Ionen im Plasma 22, die positiv geladen sind, in Richtung Erdpotential beschleunigt werden. Mit Hilfe einer zweiten Elektrode, die als Gitter 28 vorliegt, das auf einem Potential von -200 V liegt, erfolgt eine Strahlformung des lonenstrahls 26
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In den 2 und 3 ist nun die erfindungsgemäße Vorrichtung 30 zur Schaltung der lonenstrahlquelle 10 näher gezeigt.
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Es ist zu erkennen, dass die lonenstrahlquelle 10 gegenüber einem zu bearbeitenden Werkstück 32 in zumindest zwei Achsen (x, y) (es können aber auch mehr räumliche Achsen und Drehwinkel verwendet werden) relativbeweglich angeordnet ist. Dabei sind entsprechende Teile eines geeigneten Positionierungssystems 34, wie Motoren, Achsen und dgl. nicht gezeigt. Relativbeweglich beinhaltet alle möglichen Bewegungen von Werkstück 32 und lonenstrahlquelle 10 zueinander, nämlich das Bewegen des Werkstücks 32 gegenüber einer feststehenden lonenstrahlquelle 10, das Bewegen der lonenstrahlquelle 10 gegenüber einem feststehenden Werkstück 32 und das Bewegen sowohl der lonenstrahlquelle 10 als auch des Werkstücks 32.
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Die Bewegung von lonenstrahlquelle 10 und Werkstück 32 mithilfe des Positionierungssystems 34 relativ zueinander wird durch eine Positionssteuerung 36 vorgegeben, die als CNC-Steuerung ausgebildet ist.
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Beispielsweise wird das Werkstück 32 mäanderförmig von der lonenstrahlquelle 10 abgefahren, wobei zuerst ein sukzessiver Vorschub in +x-Richtung um einen festgelegten Wert erfolgt, anschließend ein Versatz in y-Richtung um einen festgelegten Wert stattfindet und dann ein sukzessiver Vorschub in -x-Richtung erfolgt, usw. Für jede angefahrene Position auf dem Werkstück 32 besteht eine fest vorgegebene Verweildauer der lonenstrahlquelle 10.
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Um trotz bestehender Vorschubgeschwindigkeit für die lonenstrahlquelle
10 beliebige erzeugte Oberflächengeometrien auf dem Werkstück
32 zu erreichen, wird eine Pulsweitenmodulation entsprechend der Lehre der
DE 10 2005 017 632 B4 verwendet, deren diesbezüglicher Offenbarungsgehalt vollumfänglich einbezogen wird. Hierzu wird der lonenstrahl 26 mittels eines Strahlschalters
38 der Vorrichtung
30 geeignet an- und ausgeschaltet.
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Der Strahlschalter 38 besitzt Eingänge 40, 42 für zwei Spannungsversorgungen 44 (nur eine gezeigt) der Elektroden 24, 28 der lonenstrahlquelle 10, wobei der Eingang 40 mit der positiven Spannung und der Eingang 42 mit der negativen Spannung verbunden ist. Außerdem besitzt der Strahlschalter 38 zwei Ausgänge 46, 48, die mit den Elektroden 24, 28 der lonenstrahlquelle 10 verbunden sind, um einen lonenstrahl 26 zu erzeugen, wenn dies gewünscht ist.
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Die Positionssteuerung 36 weist ein programmiertes Parameterfeld auf, das diskrete Werte zur Ansteuerung von Bewegungsachsen des Positioniersystems 34 besitzt. Dabei bestehen jeweils Koordinatenwerte für die Position der lonenstrahlquelle 10 relativ zum Werkstück 32, ein weiterer, den Koordinatenwerten zugeordneter Wert, der die Geschwindigkeit der lonenstrahlquelle 10 zwischen je zwei programmierten Positionen vorgibt und es besteht ein weiterer, den Koordinatenwerten zugeordneten Steuerungswert 50 zur Steuerung des Strahlschalters 38 zwischen je zwei programmierten Positionen.
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Die Steuerungswerte 50 werden von dem Positioniersystem 34 als analoge Spannungswerte im Bereich 0 V bis 10 V an den Strahlschalter 38 ausgegeben.
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Dieser Steuerungswert 50 legt für eine vorgegebene Taktfrequenz von beispielsweise f = 10 kHz das Tastverhältnis innerhalb eines Taktes T zwischen zwei binären Zuständen (Der Zustand A entspricht dabei einer ersten Spannung und der Zustand B entspricht einer zweiten Spannung, beispielsweise könnte über diese Spannungen folgende Schaltung verwirklicht werden: Zustand A - lonenstrahl 26 eingeschaltet, Zustand B - lonenstrahl 26 ausgeschaltet) der lonenstrahlquelle 10 fest.
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Dabei wird das Tastverhältnis zwischen diesen beiden Zuständen A, B über den Steuerungswert 50 proportional verschlüsselt, nämlich dahingehend, dass der Wertebereich des Steuerungswertes 50 eine Proportionalität von 0% bis 100% aufspannt, so dass 0 V bis 1 V einem Tastverhältnis von 0% (vgl. 4b) und 9 V bis 10 V einem Tastverhältnis von 100% (vgl. 4c) entspricht und Zwischenwerte über den Bereich 1 V bis 9 V entsprechend linear dargestellt werden, beispielsweise 5 V für 50% (vgl. 4a) und 1,8 V für 10% (vgl. 4d) stehen. Anstelle eines linearen Zusammenhangs könnten aber auch andere Zusammenhänge je nach Bedarf gewählt werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung 30 auch dazu ausgebildet sein, dass Steuerungswerte von der Positionssteuerung 36 empfangen werden, die digital, beispielsweise als Frequenzen vorliegen, und die dann in positionsabhängige Pulsketten umgewandelt werden, oder die selbst schon als positionsabhängige Pulsketten vorliegen.
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Der Strahlschalter 38 ist in 3 noch einmal detaillierter gezeigt. Es ist zu erkennen, dass der Strahlschalter 38 einen Wandler 52 umfasst, der den Steuerungswert 50 aus der Positionssteuerung 36 empfängt und in ein pulsweitenmoduliertes Steuerungssignal 54 umwandelt, das dem Schaltmodul 56 für die erste Elektrode 24 und dem Schaltmodul 58 für die zweite Elektrode 28 zugespeist wird.
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Die Eingänge 40, 42 empfangen die Ausgangsspannungen der entsprechenden Netzteile 44 für die jeweiligen Elektroden 24, 28, wobei diese Ausgangsspannungen jeweils durch Kondensatormodule 60, 62 (vgl. 6) gepuffert werden, um eine Stromvergleichmäßigung zu bewirken, und den Schaltmodulen 56, 58 über die Leitungen 64, 66 zugeführt werden. Die Schaltmodule 56, 58 wiederum weisen Ausgänge 46, 48 für die jeweilige Elektrode 24, 28 auf, über die die pulsweitenmodulierten Spannungen der jeweiligen Elektrode 24, 28 zugeführt bzw. die entsprechende Elektrode 24, 28 über Erde (in 3 nicht gezeigt) entladen wird.
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In 5a und 5b sind die Schaltmodule 56, 58 detailliert gezeigt. Es ist zu erkennen, dass diese Schaltmodule 56, 58 als Push-Pull-Schalter aufgebaut sind.
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Genauer gesagt besteht ein einheitlicher Totzeitmanager 68, der Bestandteil beider Schaltmodule 56, 58 ist und dem das pulsweitenmodulierte Steuerungssignal 54 zugeführt wird.
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Bei dem Schaltmodul 56 bestehen zwei Gate-Treiber 70, 72, die jeweils von dem Totzeitmanager 68 über die Leitungen 74, 76 gesteuert werden. Die beiden Gate-Treiber 70, 72 sind wiederum mit den Gateanschlüssen G1, G2 der entsprechenden Transistoren 78, 80 über die Leitungen 82, 84 verbunden. Dabei ist der Drainanschluss D1 des Transistors 78, der der erste Schalter für die erste Elektrode 24 ist, mit der positiven Eingangsspannung über Leitung 64 verbunden, und der Sourceanschluss S1 des Transistors 78 ist über Leitung 46 mit Elektrode 24 verbunden. Der Drainanschluss D2 des Transistors 80, der der zweite Schalter für die erste Elektrode 24 ist, ist über Leitung 46 mit der Elektrode 24 und auch mit dem Sourceanschluss S1 des Transistors 78 verbunden, während der Sourceanschluss S2 des Transistors 80 über Leitung 86 mit Erde verbunden ist.
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Bei dem Schaltmodul 58 bestehen zwei Gate-Treiber 70a, 72a, die jeweils von dem Totzeitmanager 68 über die Leitungen 74a, 76a gesteuert werden. Hier ist nun der Gate-Treiber 70a über die Leitung 90 mit dem Gateanschluss G3 von Transistor 94, der der erste Schalter für die zweite Elektrode 28 ist, verbunden und der Gate-Treiber 72a ist über die Leitung 92 mit dem Gateanschluss G4 des Transistors 96, der der zweite Schalter für die zweite Elektrode 28 ist, verbunden. Weiterhin ist der Sourceanschluss S3 des Transistors 94 mit der negativen Eingangsspannung über Leitung 66 verbunden, und der Drainanschluss D3 des Transistors 94 ist über Leitung 48 mit Elektrode 28 verbunden. Der Drainanschluss D3 des Transistors 94 ist über Leitung 48 mit der Elektrode 28 und auch mit dem Sourceanschluss S4 des Transistors 96 verbunden, während der Drainanschluss D4 des Transistors 96 über Leitung 98 mit Erde verbunden ist.
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Die Transistoren 78, 80, 94, 96 können beispielsweise als MOSFET ausgebildet sein, es können allerdings auch bipolare Transistoren (hier wären dann Gate die Basis, Source der Emitter und Drain der Kollektor) oder IGBT (hier wären Source der Emitter und Drain der Kollektor) sein.
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Damit ist eine zeitsynchrone Push-Pull-Schaltung für beide Elektroden 24, 28 dahingehend verwirklicht, dass beim Einschaltvorgang (Push) die Spannung 64 bzw. 66 mit Hilfe der Transistoren 78, 94 auf den jeweiligen Ausgang 46 bzw. 48 gelegt wird. In diesem Zustand ist der zweite Transistor 80, 96 jeweils so geschaltet, dass der entsprechende Ausgang 46, 48 nicht mit Erde verbunden ist.
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Beim Ausschaltvorgang (Pull) trennt dann zunächst der Transistor 78, 94 die Verbindung je zwischen den Eingängen 64 und 66 und den Ausgängen 46 bzw. 48. Diese Trennung erfolgt durch die gemeinsame Ansteuerung über den Totzeitmanager 68 zeitgleich. Nach einer festgelegten Totzeit, die über den gemeinsamen Totzeitmanager 68 identisch für beide Schaltmodule 56, 58 eingestellt ist, verbinden dann die Transistoren 80, 96 die Ausgänge 46 und 48 jeweils mit Erde. Beim Wiedereinschaltvorgang (Push) werden zuerst die Ausgänge 46, 48 von Erde durch Schaltung der Transistoren 80, 96 getrennt. Nach einer entsprechenden Totzeit werden dann die Ausgänge 46, 48 mit den Eingängen 64, 66 durch Schaltung der Transistoren 78, 94 verbunden.
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Anstelle der in den 5a und 5b gezeigten Ausgestaltung mit einem gemeinsamen Totzeitmanager 68 können alternativ auch zwei getrennte Totzeitmanager 68 verwendet werden, bei denen allerdings deren Totzeit identisch eingestellt sein muss.
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In 6 ist schließlich beispielhaft ein Kondensatormodul 60 detailliert gezeigt. Es ist zu erkennen, dass das Kondensatormodul 60 von der Leitung 40 gespeist wird, wobei die Leitung 40 einer optionalen Strommessung 100 unterzogen wird, der Messwert 102 der Strommessung 100 kann an die Gerätesteuerung oder eine übergeordnete Steuerung übergeben werden, um eine Überwachung der Stromaufnahme aus positiver oder negativer Stromversorgung zu ermöglichen. Dabei kann die mittlere Stromaufnahme gemessen werden. Dieser Wert kann von einer übergeordneten Steuereinheit (nicht gezeigt) ausgewertet werden.
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Über den Knotenpunkt 104 sind eine Anzahl parallel geschalteter Reihen 106, 106a, ... 106n von Kondensatoren 108 mit der Leitung 40 verbunden. Das Ende der Reihen 106, 106a, ... 106n ist jeweils mit Erde verbunden. Nach dem Knoten 104 ist die Kondensatorschaltung 60 mit der Leitung 64 verbunden. Die Zahl „n“ der benötigten Kondensatoren kann je nach Höhe der positiven und negativen Spannung variieren. Der Aufbau der Kondensatorschaltung 62 liegt identisch vor, wobei allerdings die Leitungen 42, 66 mit dieser Kondensatorschaltung 62 verbunden sind.
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Durch die vorgeschalteten Kondensatormodule 60, 62 ist die Vorrichtung 30 resistent gegenüber auftretenden Umladeströmen von >20 A, da eine Pufferung zur Stromvergleichmäßigung erfolgt. Solche Umladeströme sind durch Kapazitäten in der lonenstrahlquelle 10 und vorhandene Kabelkapazitäten von Koaxialkabeln bedingt, die zur Vermeidung von EMV-Problemen bei der Speisung der lonenstrahlquelle 10 verwendet werden müssen.
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Aus der vorstehenden Darstellung ist deutlich geworden, dass mit der vorliegenden Erfindung ein schnelles Schalten von Spannungen 44, 40, 42 ermöglicht wird, das geeignet ist, lonenstrahlquellen 10 anzusteuern und dabei eine variable Pulsweiteneinstellung und Synchronität zwischen dem von einem beliebigen CNC-Bewegungssystem 36 angefahrenen Positionen und einem vorgegebenen Pulssignal zu gewährleisten.
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Genauer gesagt wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung 30 bereitgestellt, die sehr kompakt und modular aufgebaut sein kann, zum synchronen schnellen Schalten von zwei oder mehr DC-Spannung 44, 40, 42, insbesondere im Bereich 0 V bis 1,5 kV bzw. 0 V bis -1,5 kV. Diese DC-Spannungen 44, 40, 42 können wie vorliegend beschrieben extern bereitgestellt werden, allerdings ist es auch möglich, diese Spannungen innerhalb der Vorrichtung bereitzustellen bzw. zu erzeugen. Die eingehenden konstanten Spannungen 44, 40, 42 werden in der Vorrichtung 30 in periodische Rechteck-Pulse gewandelt, wobei die Pulsweiten durch eine analoge Steuerspannung 50 (0-10 V) eingestellt werden und damit Tastverhältnisse von 0-100% realisiert werden können. Die beschriebene Ausführungsform der Vorrichtung 30 eignet sich zur Ansteuerung von lonenstrahlquellen 10 zur Erzeugung pulsweitenmodulierter lonenstrahlen 26. In Kombination mit einer lonenstrahlbearbeitungsanlage zur Ultrapräzisionsformgebung von Oberflächen kann mit Hilfe der beschriebenen Vorrichtung 30 der lonenstrahl 26 abhängig von einem analogen Signal 50 aus dem CNC-Bewegungssystem 36 positionsabhängig in seiner mittleren Strahlstärke variiert werden.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 30 sind Rechteck-Pulsformen realisierbar, die extrem steile Schaltflanken mit kurzen Schaltzeiten zwischen 0.15 µs und 0.5 µs aufweisen, so dass ohne weiteres Schaltfrequenzen von bis zu 10 kHz erzielbar sind. Die Verzögerungszeiten zwischen dem analogen Steuersignal 50 und der erzeugten Pulsweitenmodulation beträgt nicht mehr als ca. 150 µs, so dass eine sehr präzise Bearbeitung ermöglicht wird.
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Außerdem kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 ein tatsächlicher Abtrag von 0 nm realisiert werden. Dies ermöglicht die Bearbeitung von Teilflächen. Außerdem lässt sich Prozesszeit einsparen und der Materialverlust verringern, wodurch eine Oberflächenbearbeitung auch bei sehr geringen Schichtstärken ermöglicht wird.
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Außerdem ist eine modulare Erweiterung für mehr als zwei Spannungen, die geschaltet werden müssen, ohne weiteres möglich, so dass beispielsweise für räumlich ausgedehnte lonenstrahlquellen mit segmentierten Extraktionsgittersystemen alle Segmente einzeln, aber synchron geschaltet werden können.
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Auch wenn die vorliegende Erfindung am Beispiel der Schaltung einer HF-Ionenstrahlquelle 10 erläutert wurde, bei der zwei Spannungen 44, 40, 42 für zwei Elektroden 24, 28 geschaltet werden müssen, so ist doch klar, dass auch andere Arten von lonenstrahlquellen und auch mehr als zwei Elektroden schaltbar sind. Beispielsweise kann es sich auch um ECR-Ionenstrahlquellen oder Kaufman-Ionenstrahlquellen handeln.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 kann die Positionssteuerung 36 außerdem so erfolgen, dass ein möglichst gleichförmiger Geschwindigkeitsverlauf entlang der Bewegungsbahn der lonenstrahlquelle 10 über dem Werkstück 32 entsteht. Dadurch sind die mechanischen Beeinflussungen der Ionenstrahlbehandlung am geringsten und daher wird die zu erreichende Präzision der lonenstrahlbehandlung sehr groß sein.
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Soweit nichts anders angegeben ist, können sämtliche Merkmale der vorliegenden Erfindung frei miteinander kombiniert werden. Auch die in der Figurenbeschreibung beschriebenen Merkmale können, soweit nichts anders angegeben ist, als Merkmale der Erfindung frei mit den übrigen Merkmalen kombiniert werden. Eine Beschränkung einzelner Merkmale des Ausführungsbeispiels auf die Kombination mit anderen Merkmalen des Ausführungsbeispiels ist dabei ausdrücklich nicht vorgesehen. Außerdem können gegenständliche Merkmale umformuliert auch als Verfahrensmerkmale Verwendung finden und Verfahrensmerkmale umformuliert als gegenständliche Merkmale. Eine solche Umformulierung ist somit automatisch mit offenbart.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- erfindungsgemäß eingesetzte lonenstrahlquelle, HF-lonenstrahlquelle,
- 12
- Gehäuse
- 14
- Innere des Gehäuse 12
- 16
- Zuleitung für Arbeitsgas
- 18
- Spulenanordnung
- 20
- Hochfrequenzquelle
- 22
- Plasma
- 24
- erste Elektrode
- 26
- lonenstrahl
- 28
- zweite Elektrode, Strahlformungsgitter
- 30
- erfindungsgemäße Vorrichtung zur Schaltung der lonenstrahlquelle 10
- 32
- zu bearbeitendes Werkstück
- 34
- Positionierungssystems
- 36
- Positionssteuerung, CNC-Steuerung
- 38
- Strahlschalter
- 40, 42
- Eingänge für Spannungsversorgungen 44
- 44
- Spannungsversorgungen der Elektroden 24, 28
- 46, 48
- Ausgänge für Anschluss der Elektroden 24, 28
- 50
- Steuerungswert, analoger Spannungswert
- 52
- Wandler
- 54
- pulsweitenmoduliertes Steuerungssignal
- 56
- Schaltmodul für die erste Elektrode 24
- 58
- Schaltmodul für die zweite Elektrode 28
- 60, 62
- Kondensatormodule
- 64, 66
- Eingänge der Schalter 56, 58
- 68
- Totzeitmanager
- 70, 72
- Gate-Treiber
- 70a, 72a
- Gate-Treiber
- 74, 76
- Leitungen
- 74a, 76a
- Leitungen
- 78
- Transistor, erster Schalter für erste Elektrode 24
- 80
- Transistor, zweiter Schalter für erste Elektrode 24
- 82, 84
- Leitungen
- 86
- Leitung
- 90, 92
- Leitungen
- 94
- Transistor, erster Schalter für zweite Elektrode 28
- 96
- Transistor, zweiter Schalter für zweite Elektrode 28
- 98
- Leitung
- 100
- Strommessung
- 102
- Messwert der Strommessung 100
- 104
- Knotenpunkt
- 106, 106a, ... 106n
- Reihen von Kondensatoren 108
- 108
- Kondensatoren
- A
- erster binärer Zustand, erste Spannung
- B
- zweiter binärer Zustand, zweite Spannung
- D1, D2
- Drain der entsprechenden Transistoren 78, 80
- G1, G2
- Gate der entsprechenden Transistoren 78, 80
- S1, S2
- Source der entsprechenden Transistoren 78, 80
- D3, D4
- Drain der entsprechenden Transistoren 94, 96
- G3, G4
- Gate der entsprechenden Transistoren 94, 96
- S3, S4
- Source der entsprechenden Transistoren 94, 96
- T
- Takt zwischen zwei binären Zuständen A, B
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005017632 B4 [0003, 0006, 0039]
