DE4027673A1 - Verschiebetisch - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verschiebetisch zur linearen Parallelverschiebung von Untersuchungsobjekten mit einer Grundplatte und einer an dieser über parallele Schenkel eines Parallelogramms bildende Biegefedern gelagerten Ver­ schiebeplatte.

Werden in Positioniersystemen sehr kleine und präzise Bewe­ gungen gebraucht, sollte Reibung und Haften auf ein Minimum reduziert oder ganz eliminiert werden. Die übliche Methode, diese präzisen Bewegungen zu erhalten, ist die Verwendung von Kugel- oder Kreuzrollenlagern in linearer Anordnung. Jedoch bewirken unvermeidbare Unebenheiten an den Kugeln bzw. Rollen oder Rollschienen, sowie geometrische Fehler in der Führungsanordnung eine Bewegung, die nicht vollständig glatt verläuft. Ebenso kann jedes Schmiermittel Staub- oder Metallteilchen enthalten oder aufnehmen, die eine perfekte Bewegung verhindern. Wird darüber hinaus eine Verschiebung im Ultrahochvakuum (UHV) benötigt, muß auf die üblichen Schmiermittel wegen deren zu hohen Dampfdrucks verzichtet werden. Bei möglichst spielfreien Führungen kann man auf eine Schmierung nicht verzichten, da die Lager sonst "fressen".

Im Gegensatz dazu enthalten Verschiebetische, die biegsame Federn als Führungen verwenden, keine rollenden oder gleitenden Oberflächen. Sie zeigen daher keine Reibung und kein Haften, darüberhinaus benötigen sie kein Schmiermittel.

Die am Markt erhältlichen Verschiebetische mit biegsamen Federn erlauben jedoch eine vom Konstruktionsprinzip her immer nur näherungsweise lineare Bewegung.

Fig. 1 zeigt das bisher verwendete Prinzip mit biegsamen Federn in Parallelogrammanordnung. Um ein Verdrehen des Tisches um die z-Richtung zu verhindern, sind die biegsamen Seitenteile im mittleren Bereich verstärkt, so daß die verbleibenden schmalen Federstreifen als Gelenke dienen. Die Bewegung der Verschiebeplatte erfolgt zwar parallel zur Grundplatte, die Verschiebeplattenhöhe nimmt jedoch mit zunehmendem Verschiebewinkel ab. Die Höhenänderung beträgt bei einem Verbiegewinkel von 2,6 Grad bereits mehr als 0,1% der Höhe. Bei einer Schenkellänge von 50 mm entspricht dies einem Verschiebeweg von nur 2,3 mm und einer Höhenänderung von 50 µm. Benötigt man längere Verschiebewege bei kleiner absoluter Höhenänderung, so muß die Apparatur sehr groß dimensioniert werden und wird dadurch für viele Anwendungen unbrauchbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verschiebe­ tisch zu schaffen, bei dem die Bewegung der Verschiebe­ platte unabhängig vom Verbiegungswinkel der Biegefedern exakt linear verläuft. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Doppelparallelogrammanordnung erlaubt eine Kompensation der vorstehend erläuterten Abstandsänderung zwischen Verschiebeplatte und Grundplatte mit dem Biegewinkel, so daß eine Bewegung der Verschiebeplatte exakt linear, also nur in einer Dimension möglich ist. Die erfindungsgemäße Anord­ nung zweier Doppelparallelogramme sorgt für eine Zwangs­ führung der Verschiebeplatte in dieser Dimension ohne die Möglichkeit eines Ausweichens in Z-Richtung.

Spezielle Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfidnung sei nun anhand eines in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schemazeichnung zur Erläuterung des Standes der Technik,

Fig. 2 eine Doppelparallelogrammanordnung, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Verschiebetisch verwendet wird,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei Doppelparallelogrammen und

Fig. 4 eine Ausführungsform eines Verbindungselementes zwischen oberer und unterer Zwischenplatte bei der Ausführung nach Fig. 3.

Bei der einfachen Parallelogrammanordnung nach Fig. 1, auf die bereits hingewiesen wurde, ändert sich die Höhe H der Verschiebeplatte 1 über der Grundplatte 2 mit dem Biegewinkel α nach einer Cosinusfunktion von einer maximalen Höhe h(0) entsprechend der gestrichelten Phantomdarstellung zu einer von der Größe von α abhängigen geringeren Höhe h(α), wie sie etwa die ausgezogene Darstellung zeigt. Ver­ schiebeplatte 1 und Grundplatte 2 bilden zwei parallele Seiten eines Parallelogramms, dessen beide andere Seiten durch in der bereits erläuterten Weise mit verstärkten mitt­ leren Bereichen ausgebildete biegsame Federn 3 und 4 gebildet werden. Die eigentliche Federwirkung wird dabei von den beiderseitigen Randbereichen 3a bzw. 4a übernommen.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Doppelparallelogrammanord­ nung wird das erste Parallelogramm aus einem Teil der Grund­ platte 2, einer Zwischenplatte 5 und den beiden Biegefedern 3 und 4 gebildet, und die Zwischenplatte 5 bildet gleichzei­ tig eine Seite eines zweiten Parallelogramms, dessen gegen­ überliegende Seite aus der Verschiebeplatte 1 gebildet wird, welche über zwei weitere parallele Biegefedern 6 und 7 an die Zwischenplatte 5 angelenkt ist, die in gleicher Weise wie die Biegefedern 3 und 4 mit verstärktem Mittelteil und federnden Randteilen 6a bzw. 7a ausgebildet sind. Wenn sich die Biegefedern 3 und 6 bzw. 4 und 7 jeweils um denselben Winkel verbiegen, dann ändert sich die Höhe des ersten Parallelogramms aus den Teilen 2, 3, 4 und 5 in gleicher Weise wie die Höhe des zweiten Parallelogramms aus den Teilen 1, 5, 6 und 7, so daß die vertikale Position der Ver­ schiebeplatte 1 bei ihrer Verschiebung in x-Richtung konstant bleiben kann.

Den durch das zweite Parallelogramm erzeugten zweiten Frei­ heitsgrad der Bewegung in z-Richtung mit unterschiedlichen Biegewinkeln der beiden Parallelogramme kann man verbieten, indem man ein zweites Doppelparallelogramm vorsieht, das bezüglich der Verschiebeplatte spiegelbiidlich zum ersten Parallelogramm liegt, und die beiden Zwischenplatten bezüg­ lich der Verschieberichtung starr verbindet. Eine solche Anordnung zeigt Fig. 3. Das erste Parallelogramm des zwei­ ten, unteren Doppelparallelogramms wird aus einem Teil der Grundplatte 2, einer unteren Zwischenplatte 8 und zwei Biegefedern 9, 10 gebildet, während das zweite Parallelo­ gramm aus der unteren Zwischenplatte 8, der Verschiebeplatte 1 und Biegefedern 11 und 12 besteht. Durch Vorsehen von Durchbrüchen 13 und 14 in der Grundplatte 2, durch welche die Biegefedern 9 bis 12 des unteren Parallelogramms hindurch­ ragen, erhält man eine kompakte Konstruktion. Ebenso ist die Verschiebeplatte 1 mit einer Durchbrechung 15 ausgebildet, innerhalb welcher sich die Befestigungsstelle für die Biege­ feder 4 befindet.

Da die Verschiebeplatte 1 und die Grundplatte 2 bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung nicht in derselben Ebene liegen, sind die Biegefedern 3 und 9 sowie 4 und 10 an über die Ebene der Grundplatte 2 hinausragenden Befestigungs­ leisten 16 bzw. 17 angelenkt, die mit der Grundplatte fest verbunden sind. Auf diese Weise liegen die durch die dünnen Enden der Biegefedern 3, 4, 6 und 7 gebildeten Gelenke jeweils in einer Ebene, so daß die durch diese Biegefedern gebildeten Parallelogrammseiten gleich lang gemacht werden können. Dasselbe gilt für die Biegefedern 9, 10, 11 und 12.

Die in Verschieberichtung x starre Verbindung zwischen den beiden Zwischenplatten 5 und 8 muß in z-Richtung nachgiebig sein, um Abstandsänderungen zwischen den beiden Zwischen­ platten bei einer Verschiebung der Verschiebeplatte 1 auszu­ gleichen. Ein Beispiel für ein derartiges Verbindungsele­ ment 18 ist in Fig. 4 dargestellt. Es weist eine mit der oberen Zwischenplatte 5 fest verbundene Verbindungsplatte 19 auf, die an ihrem unteren Ende über eine Doppelschenkel­ anordnung 20 mit der unteren Zwischenplatte 18 verbunden ist. Die Doppelschenkelanordnung 20 kann in gleicher Weise aus Biegefedern 21 und 22 aufgebaut sein, wie es bei den Biegefedern der Parallelogramme gemäß Fig. 3 der Fall ist. Man sieht ohne weiteres, daß die Doppelschenkelanordnung 20 Abstandsänderungen zwischen den beiden Zwischenplatten 5 und 8 zuläßt, in x-Richtung (Fig. 1) jedoch starr ist und keine Relativbewegung zwischen den beiden Zwischenplatten erlaubt. Auch diese Anordnung benötigt wenig Platz, da die beiden Biegefedern 21 und 22 der Doppelschenkelanordnung in den freien Raum zwischen Grundplatte und einer Zwischenplatte ragen.

Für eine einwandfreie Führung der Verschiebeplatte 1 aus­ schließlich in z-Richtung ist es nicht unbedingt erforder­ lich, daß sämtliche Parallelogramme identische Schenkellängen haben. Wenn beispielsweise die Biegefedern 3, 4, 6 und 7 des oberen Doppelparallelogramms alle gleich lang sind, dann können die Biegefedern 9 bis 12 des unteren Parallelogramms zwar eine untereinander gleiche, jedoch andere Länge als die Biegefedern des oberen Doppelparallelogramms haben. Anderer­ seits kann man auch die Biegefedern 3, 4, 9 und 10 gleich lang machen und den Biegefedern 6, 7, 11 und 12 eine zwar untereinander gleiche, jedoch andere Länge geben, wie sich aus Symmetriebetrachtungen ohne weiteres ergibt.

Anstatt einer Anordnung mit in unterschiedlichen Ebenen liegenden und durchbrochenen Verschiebe- und Grundplatten 1 bzw. 2 kann man Verschiebeplatte und Grundplatte auch neben­ einander in der gleichen Ebene anordnen und die obere und untere Zwischenplatte so breit machen, daß sie die Verschiebeplatte und die Grundplatte überdecken, und die Biegefedernpaare 3-6, 4-7, 9-11 und 10-12 seitlich nebenein­ ander anordnen. Man kann dann auf die Durchbrechungen 13, 14 und 15 der Platten und die Befestigungsleisten 16 und 17 verzichten, jedoch wird die Anordnung breiter.

Der erfindungsgemäße Verschiebetisch zeichnet sich insbesondere dadurch aus,

• - daß er große Verschiebewege der Verschiebeplatte ohne Veränderung von deren Höhenlage zuläßt, also auch bei großen Biegewinkeln eine exakt lineare Bewegung in x- Richtung gewährleistet,
• - daß man wegen der Biegefedern eine extrem glatte Bewegung ohne Reibung und Haftung wie bei gleitenden oder rollenden Oberflächen erhält,
• - daß die Verschiebebewegung exakt reproduzierbar ist und sich spielfrei einstellen läßt,
• - daß man eine genau definierte Rückstellkraft erhält,
• - daß man keinerlei Schmiermittel braucht
• - und daß sich die Anordnung auch im Ultrahochvakuum problemlos verwenden läßt.

Die Anzahl der Einzelteile läßt sich verringern, wenn man ein oder mehrere Schenkelpaare aus einem einzigen Metall­ stück herstellt, wie es beispielsweise bei den bekannten Piezomikes der Firma PI Physikinstrumente der Fall ist. Um die Bewegung möglichst genau linear zu machen, müssen die Abmessungen entsprechender Schenkel der Parallelogramme sehr genau übereinstimmen. Darüber hinaus sollte die Parallelstellung aller Schenkel nicht im Stellbereich des Verschiebetisches liegen, da sich die Doppelschenkel in dieser speziellen Stellung sowohl spreizen als auch parallel verbiegen können. Mit der Verschiebeplatte 1, die bei der beschriebenen An­ ordnung selbst keine Außenfläche darstellt, läßt sich ohne weiteres eine Außenfläche verbinden, auf welcher das zu verschiebende Objekt positioniert werden kann.

Ein Anwendungsbeispiel für die Erfindung ist der Einsatz im Ultrahochvakuum zur präzisen linearen Verschiebung von Untersuchungsobjekten in einem Rastertunnelmikroskop. Hier­ bei läßt sich die Verschiebeplatte 1 mit einem Piezomotor verschieben, der beispielsweise einen Verstellweg von 25 mm in Nanometer-Schritten erlaubt. Die Abmessungen eines reali­ sierten Ausführungsbeispiels betragen 100 mm in der Höhe und 40 mm in der Tiefe bei einem Abstand der Schenkelpaare von 70 mm. Der Verschiebeweg kann bis zu 50 mm lang sein. Die Apparatur ist aus Edelstahl gefertigt. Die rostfreien Stahl­ federn sind mit Plättchen derart angeschraubt, daß ein Volumen von 30×3×0,1 mm³ als Gelenk dient. Durch eine Vorbiegung der Federn liegt die Ruhelage der Verschiebeplat­ te etwa bei halber Auslenkung. Die Rückstellkraft beträgt etwa 0,3 N pro mm Auslenkung aus der Ruhelage. Die Schenkel­ länge läßt sich durch Lockern der Befestigung an den Zwischen­ platten nachjustieren. Bei nur einmaliger, relativ grober Justierung von Hand wurde über den gesamten Verschiebeweg eine Parallelität und Linearität besser als 20 µm (gemessen mit einer Meßuhr, Auflösung 5 µm) erreicht. Eine Auslenkung in z- und y-Richtung konnte bei einer Kraft auf die Verschie­ beplatte von 10 N nicht nachgewiesen werden (Nachweisgren­ ze ca. 5 µm).

Das Prinzip des beschriebenen linearen Verschiebetisches könnte überrall dort Anwendung finden, wo präzise Bewegungen bei großen Verstellwegen erforderlich sind, wie zum Beispiel bei den immer höheren Anforderungen in der Mikrochip-Her­ stellung, den Mikropositioniersystemen in der Optik oder bei den unterschiedlichsten physikalischen Untersuchungen mit Ortsauflösung im nm-Bereich. Insbesondere ist diese Ver­ schiebeeinheit für den Einsatz im UHV geeignet.

Claims (9)

1. Verschiebetisch zur linearen Parallelverschiebung von Untersuchungsobjekten mit einer Grundplatte und einer an dieser über parallele Schenkel eines Parallelogramms bil­ dende Biegefedern gelagerten Verschiebeplatte, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Grundplatte (2) über die beiden Biegefedern (3, 4) mit einer ersten Zwischenplatte (5) zu einem ersten Parallelogramm verbunden ist,
• - daß die erste Zwischenplatte (5) über weitere, zueinander parallele Biegefedern (6, 7) mit der Verschiebeplatte (1) zu einem zweiten Parallelogramm derart verbunden ist, daß sich alle Biegefedern (3, 4, 6, 7) des so gebildeten Doppelparallelogramms auf derselben Seite der ersten Zwi­ schenplatte (5) befinden,
• - daß die Grundplatte (2) ferner mit der Verschiebeplatte (1) über ein auf der anderen Grundplattenseite befind­ liches zweites gleichartiges Doppelparallelogramm (8, 9, 10, 11, 12) verbunden ist und
• - daß die Zwischenplatten (5, 8) beider Doppelparallelogram­ me hinsichtlich der Verschiebungsrichtung der Verschiebe­ platte (1) starr, hinsichtlich ihres gegenseitigen Abstandes jedoch nachgiebig miteinander verbunden sind (Verbindung 18).

2. Verschiebetisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Parallelogramme (1, 3, 4, 5 bzw. 1, 6, 7, 5; 2, 9, 10, 8 bzw. 2, 11, 12, 8) jedes Doppelparallelo­ gramms teilweise überlappen.

3. Verschiebetisch nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (2) mit Durchbrechungen (13, 14) zum Durchtritt der Biegefedern (19, 11, 12) ausgebildet ist.

4. Verschiebetisch nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (2) mit über eine ihrer Oberflächen hinausragenden Befestigungleisten (16, 17) für die Biegefedern (3, 9, 4, 10) versehen ist.

5. Verschiebetisch nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebeplatte (1) in einem der Höhe der Befesti­ gungsleisten (16, 17) entsprechenden parallelen Abstand von der Grundplatte (2) angeordnet ist.

6. Verschiebetisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefedern (3, 4, 6, 7, 9, 10, 11, 12) aller vier Parallelogramme gleich lang sind.

7. Verschiebetisch nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefedern (3, 4, 6, 7, 9, 10, 11, 12) in ihrem mittleren Bereich mit größerer Dicke ausgebildet sind.

8. Verschiebetisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die starre Verbindung (18) zwischen den beiden Zwischenplatten (5, 8) eine aus Biegefedern (21, 22) gebildete Doppelschenkelanordnung (20) mit sich quer zur Verschiebungsrichtung der Verschiebeplatte (1) öffnenden Schenkelwinkel aufweist.

9. Verschiebetisch nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der die Doppelschenkelanordnung (20) bildenden Biegefedern (22) an der einen Zwischenplatte (8) und die andere Biegefeder (21) an einer an der anderen Zwischen­ platte (5) befestigten Verbindungsplatte (19) angelenkt ist.