DE2413192B2 - Korrektursystem mit piezoelektrischen beilagen und seine verwendung zum positionieren - Google Patents

Description

nierers für ein Korrektursystem nicht sehr geeignet

Aus der US-PS 35 24 196 ist ein als Druckvorrichtung ausgebildeter Stellantrieb bekannt, der eii.en Stapel von piezoelektrischen Scheiben enthält, die in ein Gestell eingebaut sind In diesem Gestell wird auf den Stapel S durch eine Tellerfeder, die zwischen den Stapel und eine Schulter eines den Stapel verlängernden Druckstückes eingefügt ist, eine mechanische Vorspannung ausgeübt die durch ein Schraubsystem einstellbar ist. Ebenso wie bei dem bekannten Mikropositionierer würde der Elastizitätsmodul, hier der der Tellerfeder, die Korrektur von Positionienir,gstoleranzen mit einer Genauigkeit von besser als ein Mikrometer nicht zulassen und auch Form und Aufbau dieses Stellantriebs wären für ein K orrektursystem nicht sehr geeignet. ι s

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Verwendungsmöglichkeiten der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 4 bzw. 5 bis 7.

Aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen wird die Erfindung besser verständlich und ergeben *> sich weitere Merkmale. Es zeigt

F i g. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines herkömmlichen Stapels von piezoelektrischen Scheiben,

Fig.2 eine perspektivische Ansicht eines Systems nach der Erfindung, und

Fig.3—5 schematische Ansichten von drei Anwendungsbeispielen von Systemen nach der Erfindung.

In F i g. 1 ist ein Stapel dargestellt, der beispielsweise mit Hilfe von Scheiben aus piezoelektrischer Keramik hergestellt ist, deren Polarisierung durch vorheriges Anlegen eines elektrischen Feldes erreicht worden ist, welches die Richtung des Pfeiles A oder des Pfeiles B hat. der ebenfalls zu den ebenen Stirnflächen der Scheiben senkrecht und in der umgekehrten Richtung des Pfeils A gerichtet ist Die ungerade bezeichneten Scheiben 1, 3 usw., die in der Richtung des Pfeiles A polarisiert sind, sind mit den gerade bezeichneten Scheiben 2,4, usw. verschachtelt, die in der Richtung des Pfeiles B polarisiert sind. Jede Scheibe ist auf ihren zwei Stirnflächen versilbert und zwei angrenzende Stirnflächen in dem Stapel sind mit ein und derselben Elektrode in Kontakt, wie es bei der Elektrode p, zwischen den Scheiben 1 und 2 und der Elektrode m₂ zwischen den Scheiben 2 und 3 der Fall ist. Die in gleicher Weise mit Bezug auf die Pfeile angeordneten Stirnflächen sind durch ihre Elektroden entweder mit der gemeinsamen Masse M (Elektroden m_u m₂, usw.) oder mit einem Pol HT (Elektroden p_u P₂, usw.) verbunden, der seinerseits an eine positive oder negative Gleichspannungsquelle angeschlossen ist.

Die Arbeitsweise des Stapels in der Eigenschaft als piezoelektrische Beilage ist folgende: Wenn man zwischen den Pol HT(±) und die Masse M eine Gleichspannung anlegt, ruft man entweder eine Ausdehnung oder eine Zusammenziehung aller Scheiben des Stapels hervor. Die Größenordnung der Änderung der Dicke ist beispielsweise ein Mikrometer für einige zehn Volt Es ist verständlich, daß der Verband der Scheiben mit der größtmöglichen Sorgfalt eingehalten werden muß, damit die Vorrichtung wirksam und vor allem genau ist.

F i g. 2 zeigt ein System nach der Erfindung, welches ein quaderförmiges Teil 20 aus Stahl oder aus einem Material aufweist, welches eine hohe aber dennoch nicht zu hohe Elastizität unter Berücksichtigung der in Frage kommenden Parameter hat, um unter der Einwirkung von durch einen Stapel von piezoelektrischen Scheiben ausgeübten Spannungen merkliche Abmessungsänderungen aufzuweisen. Dieses Teil ist weitgehend hohl, um das Unterbringen des Stapels zu ermöglichen und um den wirksamen Querschnitt des elastischen Teils zu verringern. Auf einer großen Stirnfläche erkennt man, daß das Profil der Aussparung MNPQ zwei Streckenabschnitte MN und PQ und zwei Bögen NP und MQ aufweist, deren Mittelteil einen Uinfangsbogen beschreibt, der so regelmäßig wie möglich ist. Die Aussparung begrenzt in dem Teil 20:

— zwei Endblöcke 201 und 202, deren innere Stirnfläche zylindrisch ist; und

— zwei ebene und elastische Wangen 203 und 204, in die im Augenblick der Einstellung der Vorrichtung Löcher gebohrt werden und die den verformbaren Teil des Teils 20 bilden.

Für den Zweck der Beschreibung wird ein Bezugstrieder IX, IY, IZ, betrachtet, der drei parallele Ebenen mit drei angrenzenden Stirnflächen des Parallelflachs festlegt. Wenn man mit 205 und 206 zwei kleine, gegenüberliegende Stirnflächen des Teils 20 bezeichnet, kann der Ursprung / des Trieders in dem Mittelpunkt der Stirnfläche 205 gewählt werden, wobei die Achse IX mit einer Symmetrieachse XX des Parallelflachs zusammenfällt. Die Ebene XlY ist zu der Ebene der Kurve MNPQ parallel, während die Achse /Z zu dieser letztgenannten Ebene senkrecht ist (F i g. 2).

Im Inneren der Aussparung des Teils 20 sind auf der Achse XX, von der Stirnfläche 205 zu der Stirnfläche 206 gehend, ein Ansatzstück 21, ein Stapel 22 analog dem von Fig. 1. ein Ansatzstück 23 und ein Satz von Zwischenstücken 24 und 25 angeordnet. Das Ansatzstück 21 und die Zwischenstücke 24 und 25 haben zylindrische Stirnflächen, die sich der Form der Aussparung MNPQ anpassen. Die gegenüberliegende Stirnfläche des Ansatzstücks 21 ist eben, ebenso wie die Stirnfläche des Ansatzstücks 23, die mit dem Stapel 22 in Berührung ist. Das Ansatzstück 23 weist zwei ebene, geneigte und mit Bezug auf die Ebene XlY symmetrische Teile auf, die an koplanaren und komplementären Teilen anliegen, den Zwischenstücken 24 und 25 derart gebildet sind, daß das Ansatzstück 23 das Bestreben hat, die Zwischenstücke auseinanderzutreiben, wenn der Verband zusammengedrückt wird. Eine Schraube 26, die diese Zwischenstücke parallel zu der Achse IZ durchquert, ist im Gegensatz dazu bestrebt, sie einander zu nähern und dient dazu, die Vorrichtung durch Zug des Teils 20 und durch Zusammendrücken des Stapels 22 in einen vorgespannten Zustand zu bringen. Wenn die Vorrichtung richtig eingestellt ist, bleibt der Stapel 22 selbst bei der stärksten Zusammenziehung, die man für die piezoelektrischen Scheiben vorsieht, zusammengedrückt.

Zur Erleichterung dieses Einstellens werden in die Wangen 203 und 204 Löcher gebohrt, wodurch der nutzbare Querschnitt, auf den die Zugvorspannung ausgeübt wird, verringert und die elastische Verformung dieser Wangen bei ein und derselben angelegten Kraft vergrößert wird.

Beispielsweise ist mit einem Teil 20 mit einer Länge von 100 mm (Abmessung längs XX) eine Längenänderung von 10 Mikrometer beiderseits des Vorspannungszustands erreicht worden. Die angelegte Maximalspannung betrug 800 Volt. In diesem Änderungsbereich war der Vorgang praktisch linear und man beobachtete einen Proportionalitätsfaktor in der Größenordnung von 80 Volt pro Mikrometer zwischen der Spannung und der Längenänderung. Man hat folglich eine piezoelektrische Beilage erhalten, die ein bemerkens-

wert untersetztes System bildet. Es ist klar, daß die in Fig.2 dargestellte Vorrichtung, um wirksam zu sein, mit den gegenseitig bewegten Teilen fest verbunden werden können muß.

Zu diesem Zweck können in den Stirnflächen 205 und 206 Gewindebohrungen 28 zum Aufnehmen von Befestigungsschrauben vorgesehen sein.

Fig.3 zeigt ein erstes Anwendungsbeispiel des Systems nach der Erfindung. Eine Platte 32 ist parallel zu einem Sockel 31 mittels einer an dem Sockel 31 angebrachten Lagerfläche 33 verschiebbar. Die Verschiebebewegung wird durch ein Schraube-Mutter-System 34 erzeugt, dessen Schraube aus dem mit Gewinde versehenen Teil einer Welle 341 besteht. Diese durch eine Handkurbel 35 angetriebene Welle dreht sich in einem Wellenlager 331 und einem doppeltwirkenden Axiallager 332, d. h. ohne Seitenspiel. Die Platte 32 trägt ihrerseits über ein Lagersystem 361 eine Platte 36. Ein System 37 ähnlich dem von F i g. 2 ist zwischen einen Rand 321 der Platte 3.2 und einen Rand 362 der Platte 36 eingesetzt. Die Positionskontrolle erfolgt beispielsweise mit Hilfe einer interferometrischen Vorrichtung, die außer nicht dargestellten Teilen einen Spiegel 363 aufweist, der an dem Rand der Platte 36 unabhängig von der Platte 32 befestigt ist, deren Position mit Hilfe des Schraube-Mutter-Systems 34 mit einer geringeren Genauigkeit kontrolliert wird.

Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung ergibt sich in dem Fall von F i g. 3 aus der Tatsache, daß das Einsetzen des Systems 37 zwischen die Platten 32 und 36 nicht den Einbau irgendeines Vorspannungsbeilageteils verlangt, wie es bei einer piezoelektrischen Beilage erforderlich wäre, die aus einem einfachen Stapel besteht.

Fig.4 zeigt ein zweites Anwendungsbeispiel der Erfindung. Eine Platte 42 verschiebt sich parallel zu einem Sockel 41 mittels einer auf dem Sockel 41 angebrachten Lagerfläche 43. Ein System 37 ist zwischen das Schraube-Mutter-System 44 und den Rand 422 eines Sockels 421 der Platte 42 eingesetzt. Wenn man diesen Anwendungsfall mit dem vorhergehenden vergleicht, so sieht man, daß die Erfindung benutzt wird, um eine der Platten von F i g. 3 zu beseitigen.

F i g. 5 zeigt eine Abwandlung des zweiten Anwendungsbeispiels. Eine Platte 52 rollt auf einem Kasten 53,

ίο der auf einem Sockel 511 befestigt ist Hier ist die Platte 52 ohne ein Zwischenteil mit dem Schraube-Mutter-System 54 formschlüssig verbunden, durch welches die Schraubenspindel 541 hindurchgeführt ist Die komplementäre Verschiebung durch eine piezoelektrische

is Beilage erhält man in diesem Fall durch Einwirken auf das doppeltwirkende Axiallager, welches hier die Bezugszahl 531 trägt. Dasselbe ist in ein Gehäuse 55 eingesetzt. Die Wand 531 des Kastens 52 ist durch ein mit einer Vertiefung versehenes Teil 532 verstärkt, in

to welches das System 37 der vorhergehenden Figuren eingepaßt ist Letzteres ist mit dem Kasten 53 durch Schweißen, Löten oder durch jedes andere Befestigungsmittel formschlüssig verbunden.

Das Korrektursystern liegt auch im Rahmen der Erfindung, wenn die Beilagen nicht kreisförmig sind oder wenn die Scheiben aus einer Substanz bestehen, bei welcher es sich nicht um piezoelektrische Keramik handelt.

Die Erfindung ist bei 'Geräten anwendbar, in welchen eine sehr genaue Positionierung (Mikrometer oder Mikrometerbruchteil) schnell ausgeführt werden können muß. Das ist insbesondere der Fall der Maschinen zur elektronischen Maskierung und der Fotoübertrager von bei der Herstellung von integrierten Schaltungen verwendeten Masken.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Korrektursystem mit einem Stapel von auf einer gemeinsamen Achse aufeinanderfolgenden piezoelektrischen Beilagen und mit Einrichtungen zum Anlegen einer einstellbaren elektrischen Gleichspannung an die Beilagen, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Stapel (22) umschließendes und zusammendrückendes Teil (20) vorgesehen ist, ι ο welches seitlich zwei ebene Wangen (203, 204) aufweist, die elastisch verformbar und parallel zu der gemeinsamen Achse (XX) sind, daß die Wangen zwei starre Blöcke (201,202) miteinander verbinden, die jeweils eine zu der gemeinsamen Achse senkrechle äußere Stirnfläche (205, 206) aufweisen, daß zum Einstellen der Druckkraft zwischen den Stapel und mindestens einen der starren Blöcke Einstelleinrichtungen eingefügt sind, die aus einem Schraube-Mutter-System (26, 24), welches zwei 2c Zwischenstücke (24,25) enthält, die abgeschrägt und so mit Gewinde versehen sind, daß sie als Muttern wirken, und aus emem Ansatzstück (23) bestehen, welches mit zwei schrägen Stirnflächen versehen ist, und daß die Stirnflächen und die abgeschrägten Flächen der Zwischenstücke derart angeordnet sind, daß das Ansatzstück bestrebt ist, die Zwischenstücke auseinanderzutreiben, wenn die Zwischenstücke mit Hilfe des Schraube-Mutter-Systems (26, 24) einander genähert werden.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel Scheiben aus piezoelektrischer Keramik enthält.

3. System nach Anspruch ! oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil (20) ein rechtwinkliges Parallelflach aus Stahl ist, welches derart ausgehöhlt ist, daß nur noch zwei äußere Blöcke (201, 202) vorhanden sind, die durch die beiden Seitenwangen (203,204) miteinander verbunden sind, in die Löcher (27) gebohrt sind, deren Anzahl in Abhängigkeit von der auf den Stapel (22) auszuübenden Zusammendrückkraf\ variabel ist.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blöcke (201, 202) und die Zwischenstücke (24, 25) Stirnflächen aufweisen, die miteinander in Berührung und konkav bzw. konvex sind, um das Ausrichten der Symmetrieachsen des Stapels (22) und des Teils (20) zu erleichtern.

5. Verwendung eines Korrektursystems nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einer Vorrichtung zum Positionieren eines Objektträgers, wobei das Korrektursystem zwischen den Objektträger und eine lösbare Platte eingefügt ist (F i g. 3).

6. Verwendung eines Korrektursystems nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einer Vorrichtung zur Positionierung einer Objektträgerplatte, wobei das Korrektursystem /wischen die Platte und ein Schraube-Mutter-System eingefügt ist (F i g. 4).

7. Verwendung eines Korrektursystems nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einer Vorrichtung zur Positionierung einer Objektträgerplatte, wobei das Korrektursystem in ein Schraube-Mutter-System eingefügt ist (F i g. 5).

6s Die Erfindung betrifft ein Korrektursystem mit einem Stapel von auf einer gemeinsamen Achse aufeinanderfolgenden piezoelektrischen Beilagen und mit Einrichtungen zum Anlegen einer einstellbaren elektrischen Gleichspannung an die Beilagen.

Mit einem solchen System lassen sich Positionierungstoleranzen genau korrigieren, sofern ihr mechanischer Aufbau äußerst genaue Bedingungen erfüllt.

Wenn ein Stapel von piezoelektrischen Beilagen zwischen ein feststehendes Teil und ein verschiebbares Teil einer Positioniervorrichtung eingefügt wird, stellt man folgende Erscheinungen fest:

1) Wenn der Stapel nicht unter mechanischer Vorspannung steht, ist Einbauspiel in einer Größenordnung vorhanden, die die Genauigkeit der piezoelektrischen Beilagen nutzlos macht, und das System hat keine beständige Genauigkeit

2) Wenn eine mechanische Vorspannung vorhanden ist, beobachtet man infolge der Unzulänglichkeit der Oberflächen der verschiedenen Teile noch kleine Schrägverschiebungen, die den nutzbaren Weg reduzieren, was ebenfalls von Nachteil ist.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Korrektursystem der eingangs genannten Art so auszubilden, daß Positionierungstoleranzen mit einer Genauigkeit von besser als ein Mikrometer korrigiert werden können.

Diese Aufgabe wird bei dem Korrektursystem dadurch gelöst, daß gemäß der Erfindung ein den Stapel umschließendes und zusammendrückendes Teil vorgesehen ist, welches seitlich zwei ebene Wangen aufweist, die elastisch verformbar und parallel zu der gemeinsamen Achse sind, daß die Wangen zwei starre Blöcke miteinander verbinden, die jeweils eine zu der gemeirsamen Achse senkrechte äußere Stirnfläche aufweisen, daß zum Einstellen der Druckkraft zwischen den Stapel und mindestens einen der starren Blöcke Einstulleinrichtungen eingefügt sind, die aus einem Schraube-Mutter-System, welches zwei Zwischenstücke enthält, die abgeschrägt und so mit Gewinde versehen sind, daß sie als Muttern wirken, und aus einem Ansatzstück bestehen, welches mit zwei schrägen Stirnflächen versehen ist, und daß die Stirnflächen und die abgeschrägten Flächen der Zwischenstücke derart angeordnet sind, daß das Ansatzstück bestrebt ist, die Zwischenstücke auseinanderzutreiben, wenn die Zwischensiücke mit Hilfe des Schraube-Mutter-Systems einander genähert werden.

Die Erfindung schafft also ein voreingestelltes mechanisches Bauteil, welches ein elastisches Teil darstellt, dessen eine Abmessung eine sehr genaue und dauprbeständige Funktion der elektrischen Steuerspannung der piezoelektrischen Beilagen ist, die seine Verformung hervorrufen.

Aus der US-PS 36 08 409 ist ein Mikropositionierer bekannt, der einen Stapel von piezoelektrischen Scheiben aufweist, welcher einer mechanischen Vorspannung ausgesetzt wird, die durch ein Schraubsystem einstellbar ist und durch einen Gummiring erzeugt wird, der einen hohen Elastizitätsmodul hat und den Stapel umschließt, aber in das Innere von Blöcken eingeführt ist, von denen einer als Werkzeugträger dient. Ein solcher Mikropositionierer könnte theoretisch zwar als Korrektursystem dienen, mit ihm ließen sich jedoch nicht Positionierungstoleranzen mit einer Genauigkeit von besser als ein Mikrometer korrigieren, da der Elastizitätsmodul des Gummis das nicht zuließe. Außerdem wären Form und Aufbau des MikroDositio-