DE4214220A1 - Anordnung zur piezoelektrischen betaetigung eines x-y-positioniertisches - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur piezoelektrischen Betätigung eines x-y-Positioniertisches zur exakten und repro­ duzierbaren Positionierung von Objekten im Nanometerbereich.

Aus der DE-PS 39 09 206 ist eine Anordnung zur Echtzeitregelung der Position eines auf einer Verstelleinrichtung bewegbaren Objekts im Nanometerbereich bekannt, indem mit einer Hebelüber­ setzung für eine Koordinatenrichtung über eine Meßbrücke mit Null-Positionsabgleich und eine nachfolgende Regelschaltung ein Objekt in die gewünschte Sollposition geführt wird. Dabei ist zur Linearisierung der Bewegung der Hebelübersetzung eine zu­ sätzliche Geradführung vorgesehen. Über einen Rechner wird die Sollposition unter Berücksichtigung von bekannten Nichtlineari­ täten des Piezoelementes eingegeben und ständig nachgeregelt. Eine Erweiterung für einen zweidimensionalen Koordinatentisch ist vorgesehen, führt jedoch zur Verdopplung des ohnehin schon hohen technischen Aufwandes, da für jede Richtung jeweils eine mit dem Hebelsystem gekoppelte Verstelleinrichtung benötigt wird. Dabei ist die Führungsgenauigkeit z. B. erheblich von der Querstabilität der Einrichtung abhängig. Weiterhin entstehen Nachteile infolge der Temperaturabhängigkeit der extern ange­ koppelten Wegmeßtaster, deren Filter nur durch komplizierte Korrekturrechnungen kompensiert werden können. Außerdem werden durch die Hebelübersetzung zwangsläufig oder infolge von Tempe­ raturschwankungen und Erschütterungen zufällige Bewegungen in der anderen Koordinatenrichtung von der Regelstrecke der ersten Soll-Bewegung nicht erfaßt und nicht kompensiert.

Eine weitere technische Lösung unter Verwendung eines Blattfe­ dergelenkvierecks und mehrfacher Hebelübersetzung zur Hubver­ größerung des verwendeten Piezoelements ist aus der DE-OS 40 01 427 bekannt. Das Bauteil ist einstückig ausgeführt, jedoch ist zur Umwandlung der kreisförmigen Bewegung des Hebelsystems in eine Linearbewegung des Objektträgers eine herstellungstech­ nisch komplizierte Konstruktion aus Blattfederbiegeelementen notwendig. Insbesondere wenn eine zweidimensionale Bewegung erreicht werden soll, wiederholen sich die oben genannten Nach­ teile bei annähernder Verdopplung des Aufwandes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen tech­ nischen Mitteln auf kleinstem Raum möglichst grobe Stellwege in zwei kartesischen Koordinatenrichtungen reproduzierbar zu erreichen.

Die Aufgabe wird bei einer Anordnung zur piezoelektrischen Be­ tätigung eines x-y-Positioniertisches, bestehend aus einem ganzstückigen plattenförmigen Körper mit Stegen und Schlitzen, die derart angeordnet sind, daß zur Realisierung der Bewegung Federgelenkvierecke vorhanden sind, sowie einem Piezoelement, einem Wegaufnehmer und einem Positionsregelkreis je Koordi­ natenrichtung, dadurch gelöst, daß die Federgelenkvierecke um 90° zueinander versetzt angeordnet sind wobei der feststehende Teil eines ersten Federgelenkvierecks gerätefest installiert ist, sein beweglicher Teil mit dem festen Teil eines zweiten Federgelenkvierecks starr gekoppelt ist und der bewegliche Teil des zweiten Federgelenkvierecks den x-y-Positioniertisch dar­ stellt, und die Wegaufnehmer für die Bewegung der Federgelenk­ vierecke ausschließlich am beweglichen Teil des zweiten Feder­ gelenkvierecks und am gerätefesten Teil des ersten Feder­ gelenkvierecks angebracht sind, wobei die zu erfassenden Koor­ dinatenänderungen in einen gemeinsamen Meßwertumformer einge­ hen, dessen Ausgangssignale den beiden separaten Positions­ regelkreisen für die Federgelenkvierecke zugeführt sind.

Für den Meßwertumformer erweist es sich als vorteilhaft, zwei Paare von Differentialkondensatoren einzusetzen, deren Elektro­ den senkrecht zur x-y-Ebene und jeweils parallel zu einer der Koordinatenrichtungen angeordnet sind.

Als günstigste räumliche Gestaltung wird der Meßwertumformer in einer zu den Koordinatenrichtungen konformen quadratischen Aus­ nehmung im beweglichen Teil des zweiten Federgelenkvierecks angeordnet, wobei die Flächen der Ausnehmung die passiven Elek­ troden darstellen, die aktiven Elektroden in angepaßter Form und Größe in diese Ausnehmung hineinragen und in einem durch sie aufgespannten quadratischen Innenraum eine Schaltung zur Wandlung der Differenzsignale in impulslängenmodulierte Signale integriert ist.

Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, eine koor­ dinatengetreue Translationsbewegung in einer Koordinatenrich­ tung dadurch zu erreichen, daß zwei Federgelenkvierecke im we­ sentlichen senkrecht zueinander aneinander gekoppelt sind und ein Wegaufnehmer zur Aufnahme der Bewegung in beiden Koordina­ tenrichtungen eingesetzt ist. Dabei spielen die zur Erreichung großer Wegübersetzungen auftretenden Verspannungen der Federge­ lenkvierecke in der Querrichtung zur erwünschten Bewegungsrich­ tung keine Rolle, wenn die Bewegung getrennt nach Komponenten in x und y in einem geeigneten einheitlichen Sensorbaustein erfaßt und über einen separaten Regelkreis je Koordinatenrich­ tung eine entsprechende Ansteuerung des Piezoelementes im je­ weils anderen Gelenkviereck bewirkt wird. Diese Kompensations­ maßnahmen können mittels des geeigneten Sensors gleichzeitig die sonst bei Wegübersetzungen notwendigen Linearisierungsmaß­ nahmen für die Bewegung einfach durch Positions-Istwerterfas­ sung und Nachregelung mit übernehmen. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es somit möglich, einen Positioniertisch im Nano­ meterbereich koordinatenmäßig exakt einzustellen und selbst bei großen Wegübersetzungen ohne aufwendige Linearisierungsmaß­ nahmen auszukommen.

Der mechanische Grundkörper der Anordnung läßt sich vorteilhaft mittels Drahterosion einstückig und unkompliziert herstellen und garantiert eine enge Raumgestaltung und geringen Montage­ aufwand.

Die Erfindung soll nachstehend anhand zweier Ausführungsbei­ spiele näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2 Schnittdarstellung von Fig. 1 entlang der Strich- Punkt-Linie,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 4 Schnittdarstellung von Fig. 3 entlang der Strich- Punkt-Linie.

Eine erfindungsgemäße Anordnung besteht - wie in Fig. 1 darge­ stellt - aus einem einstückigen Körper, der ein erstes und ein zweites Federgelenkviereck 1 bzw. 2 beinhaltet, und einem Meß­ wertumformer 5. Innerhalb einer Aussparung zwischen Paaren von Blattfedern, die als Schenkel 13 der Federgelenkvierecke 1 bzw. 2 auch die Funktion der nur in Fig. 3 bezeichneten Gelenke 14 und 24 mit übernehmen, sind jeweils Piezoelemente 3 und 4 ange­ ordnet.

Die Federgelenkvierecke 1 und 2 stehen senkrecht zueinander, wobei der bewegliche Teil 12 des ersten Federgelenkvierecks 1 und der feste Teil 21 des zweiten Federgelenkvierecks 2 starr miteinander gekoppelt sind. Der feststehende Teil 11 des ersten Federgelenkvierecks 1 ist dabei gerätefest installiert, während der bewegliche Teil 22 des zweiten Federgelenkvierecks 2 einen x-y-Positioniertisch trägt bzw. selbst als solcher ausgebildet ist. Die Federgelenkvierecke 1 und 2 sind in bekannter Weise rechteckig gestaltet, wobei bei Herstellung der Anordnung aus einem Stück zwei gegenüberliegende parallele Stege als Blatt­ federn wirken. In einer Aussparung zwischen diesen Blattfedern sind zur Verschiebung des beweglichen Teils 12 bzw. 22 des Fe­ dergelenkvierecks 1 bzw. 2 die Piezoelemente 3 bzw. 4 so einge­ setzt, daß die Piezoelemente 3 bzw. 4 gegenüber der Richtung der zugehörigen Blattfedern um einen spitzen Winkel α bzw. β geneigt angebracht sind und deren Angriffspunkte als Drehge­ lenke fungieren. Mit Hilfe der Stellschrauben 15 bzw. 25 werden die Piezoelemente 3 und 4 vorgespannt. Dadurch wird bei der Längsausdehnung des Piezoelementes 3, 4 zwischen dem festste­ henden Teil 11, 21 und dem beweglichen Teil 12, 22 des Feder­ gelenkvierecks 1, 2 eine Zwangsbewegung der beiden Teile Parallel zueinander erzeugt, so daß sich das Federgelenkviereck 1, 2 in bekannter Weise, jedoch mit grober Wegübersetzung ge­ genüber der Piezoelementdehnung bewegt. Um die nicht zu vermei­ dende Bewegungskomponente in der anderen, dazu senkrechten Koordinatenrichtung zu kompensieren, wird das jeweils andere Federgelenkviereck genutzt. Dazu ist es erforderlich, die uner­ wünschte Querbewegung der Federgelenkvierecke 1, 2 mit einem geeigneten Sensor zu erfassen. Zu diesem Zweck ist in dem be­ weglichen Teil des zweiten Federgelenkvierecks 2 eine vorteil­ haft quadratische Ausnehmung 23 eingebracht worden, in die ein entsprechend quadratischer Meßwertumformer 5, der gerätefest am feststehenden Teil 11 des ersten Federgelenkvierecks 1 ange­ bracht ist, hineinragt. Die Kanten der Ausnehmung 23 und des Meßwertumformers 5 sind dabei in Richtung der kartesischen Koordinaten des x-y-Positioniertisches orientiert. Sämtliche Flächen, sowohl der quadratischen Ausnehmungen 23 als auch des Meßwertumformers 5, stellen dabei Elektrodenflächen dar, wobei am Meßwertumformer 5 die aktiven Elektroden zu jeweils zwei Elektrodenpaaren 51 und 52 von Differentialkondensatoren zusam­ menwirken. Die Gegenelektroden werden jeweils durch die Innen­ flächen der Ausnehmung 23 gebildet, so daß eine kapazitive Meß­ werterfassung stattfindet. Die so installierten Differential­ kondensatoren liefern über innerhalb der aktiven Elektroden­ paare 51 und 52 angeordnete Schaltungen zweckmäßig zwei impuls­ längenmodulierte Signale, mit deren Hilfe die Position des be­ weglichen Teils 22 des zweiten Federgelenkvierecks Z exakt be­ stimmt und über an sich bekannte Regelkreise in wenigen Mikro­ sekunden mittels der Piezoelemente 3 und 4 eingestellt und dauerhaft gehalten wird.

Eine weitere vorteilhafte Gestaltung der Erfindung zeigt Fig. 3. Hier ist ebenfalls eine Anordnung der beiden Federgelenk­ vierecke 1 und 2 senkrecht zueinander vorgesehen. Die Piezoele­ mente 3 und 4 sind parallel zu den Koordinatenrichtungen ausge­ richtet. Die grobe Wegübersetzung erfolgt durch die Wahl des Angriffspunktes des Piezoelementes 3 bzw. 4 am starren Schenkel 13 des Federgelenkvierecks zwischen den im Grundkörper erosiv ausgedünnten Gelenken 14 bzw. 15. An dieser Gestaltung der Fe­ dergelenkvierecke 1 und 2 fällt auf, daß von der Rechteckform zur Parallelogrammform übergegangen wurde. Entscheidend für die erfindungsgemäße Anordnung bleibt die im wesentlichen senk­ rechte Orientierung der erwünschten Bewegungsrichtung des ersten Federgelenkvierecks 1 zu der des zweiten Federgelenk­ vierecks 2. Außerdem bleibt auch die vorzugsweise quadratische Ausnehmung im beweglichen Teil 22 des zweiten Federgelenk­ vierecks 2 gegenüber der Fig. 1 unverändert wie auch die Ge­ staltung des Meßwertumformers 5, dessen Elektrodenpaare 51 und 52 entlang der Koordinatenrichtungen des x-y-Positioniertisches angeordnet sind. Damit ist wiederum gesichert, daß die infolge der erwünschten groben Wegübersetzung vom Piezoelement 3 bzw. 4 auf die Federgelenkvierecke 1 bzw. die unerwünschte Querbewe­ gung jeweils durch Messung und Nachregelung des anderen Feder­ gelenkvierecks kompensiert wird.

Claims (3)

1. Anordnung zur piezoelektrischen Betätigung eines x-y-Posi­ tioniertisches, bestehend aus einem ganzstückigen platten­ förmigen Körper mit Stegen und Schlitzen, die derart ange­ ordnet sind, daß zur Realisierung der Bewegung Federgelenk­ vierecke vorhanden sind, sowie einem Piezoelement, einem Wegaufnehmer und einem Positionsregelkreis je Koordinaten­ richtung zur Soll/Istwert-Korrektur, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Federgelenkvierecke (1, 2) um 90° zueinander versetzt angeordnet sind, wobei der feststehende Teil (11) eines ersten Federgelenkvierecks (1) gerätefest installiert ist, sein beweglicher Teil (12) mit dem festen Teil (21) eines zweiten Federgelenkvierecks (2) starr gekoppelt ist und der bewegliche Teil (22) des zweiten Federgelenkvierecks (2) den x-y-Positioniertisch darstellt, und
• b) die Wegaufnehmer für die Bewegung der Federgelenkvierecke (1, 2) ausschließlich am beweglichen Teil (22) des zweiten Federgelenkvierecks (2) und am gerätefesten Teil (11) des ersten Federgelenkvierecks (1) angebracht sind, wobei die zu erfassenden Koordinaten­ änderungen in einen gemeinsamen Meßwertumformer (5) ein­ gehen, dessen Ausgangssignale den beiden separaten Posi­ tionsregelkreisen für die Federgelenkvierecke (1, 2) zuge­ führt sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwertumformer (5) zwei Paare von Differentialkon­ densatoren eingesetzt sind, deren Elektroden senkrecht zur x-y-Ebene und parallel zu den Koordinatenrichtungen angeord­ net sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertumformer (5) in einer quadratischen Ausneh­ mung (23) des beweglichen Teils (22) des zweiten Feder­ gelenkvierecks (2) die seine passiven Elektroden bildet, angeordnet ist, die aktiven Elektrodenpaare (51, 52) des Meßwertumformers (5) in angepaßter Form und Größe in diese Ausnehmung hineinragen und in dem aufgespannten quadra­ tischen Innenraum der aktiven Elektrodenpaare (51, 52) eine Schaltung zur Wandlung der Differenzsignale in impulslängen­ modulierte Signale integriert ist.