DE4214220C2

DE4214220C2 -

Info

Publication number: DE4214220C2
Application number: DE19924214220
Authority: DE
Inventors: Heinz O-6532 Weissenborn De Laaser; Sabine O-6530 Hermsdorf De Pomplun; Stefan O-6450 Stadtroda De Richter; Andreas O-6530 Hermsdorf De Sachse
Original assignee: Jenoptik AG
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1992-04-30
Filing date: 1992-04-30
Publication date: 1994-04-14
Also published as: DE4214220A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur piezoelektrischen Betätigung eines x-y-Positioniertisches nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur exakten und repro duzierbaren Positionierung von Objekten im Nanometerbereich.

Aus der DE 39 09 206 C1 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 40 01 427 A1 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 Koor dinatenänderungen in einem gemeinsamen Meßwertumformer erfaßt werden, 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 den Koordinatenrichtungen angepaßten 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 Vorspannungen der Federge lenkvierecke in der zur erwünschten Bewegungsrich tung senkrechten Richtung 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 Federgelenkviereck 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 eine Schnittdarstellung von Fig. 1 entlang der Strich- Punkt-Linie,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, und

Fig. 4 eine 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 sie 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 bzw. 4 zwischen dem festste henden Teil 11 bzw. 21 und dem beweglichen Teil 12 bzw. 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 unerwünschte Querbewegung der Federgelenkvierecke 1, 2 mit einem geeigneten Sensor zu erfassen. Zu diesem Zweck ist in dem beweglichen Teil des zweiten Federgelenkvierecks 2 eine vorteilhaft quadratische Ausnehmung 23 eingebracht worden, in die ein entsprechend quadratischer Meßwertumformer 5 hineinragt, der gerätefest am feststehenden Teil 11 des ersten Federgelenkvierecks 1 angebracht ist. Die Montage des Meßwertumformers 5 an die Gesamtanordnung verdeutlicht Fig. 2 in einer Schnittdarstellung entlang der Strich-Punkt-Linie in Fig. 1. 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 Ausnehmung 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 zusammenwirken. Die Gegenelektroden werden jeweils durch die Innenflächen der Ausnehmung 23 gebildet, so daß eine kapazitive Meßwerterfassung stattfindet. Die so installierten Differentialkondensatoren liefern über innerhalb der aktiven Elektrodenpaare 51 und 52 angeordnete Schaltungen zweckmäßig zwei impulslängenmodulierte Signale, mit deren Hilfe die Position des beweglichen Teils 22 des zweiten Federgelenkvierecks 2 exakt bestimmt und über an sich bekannte Regelkreise in wenigen Mikrosekunden mittels der Piezoelemente 3 und 4 eingestellt und dauerhaft gehalten wird.

Eine weitere vorteilhafte Gestaltung der Erfindung zeigen Fig. 3 und Fig. 4. Hier ist ebenfalls eine Anordnung der beiden Federgelenkvierecke 1 und 2 senkrecht zueinander vorgesehen. Die Bezeichnung und Funktion der festen und beweglichen Teile der Federgelenkvierecke 1 und 2 sind analog zu Fig. 1. Die Piezoelemente 3 und 4 sind parallel zu den Koordinatenrichtungen ausgerichtet (Fig. 3). Die große 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. 24. An dieser Gestaltung der Federgelenkvierecke 1 und 2 fällt auf, daß von der Rechteckform zur Parallelogrammform übergegangen wurde. Die Federgelenkvierecke 1 und 2 sind - wie aus Fig. 4 als Schnittdarstellung von Fig. 3 entlang der Strich-Punkt-Linie zu entnehmen ist - ineinander verschachtelt. Dennoch läßt sich das Wirkprinzip anhand von Fig. 4 leicht erkennen. Bei Ausdehnung des Piezoelementes 3 in die Zeichenebene hinein wird der gesamte Teil links vom Piezoelement 3 in dieselbe Richtung gegen den feststehenden Teil 11 bewegt. Durch die Wegübersetzung über die nur in Fig. 3 deutlich erkennbaren Schenkel 13 führen der bewegliche Teil 12 des ersten Federgelenkvierecks 1 sowie das zweite Federgelenkviereck 2 ein Vielfaches der Bewegung des Piezoelementes 3 aus. Unabhängig von dieser Bewegung erfolgt die Verschiebung des beweglichen Teils 22 des zweiten Federgelenkvierecks 2 gegenüber dem an den beweglichen Teil 12 des ersten Federgelenkvierecks 1 gekoppelten festen Teils 21 bei Ausdehnung des Piezoelements 4 (nicht sichtbar, da vor der Schnittebene liegend) in der Zeichenebene von rechts nach links, wobei die Schenkel 13 durch ihre ausgedünnten Gelenke 24 eine Schräglage einnehmen, so daß der Abstand des beweglichen Teils 22 des zweiten Federgelenkvierecks 2 gegenüber dem feststehenden Elektrodenpaar 51 linksseitig vergrößert und rechtsseitig verkleinert wird. Entscheidend für die erfindungsgemäße Anordnung bleibt die im wesentlichen senkrechte Orientierung der erwünschten Bewegungsrichtung des ersten Federgelenkvierecks 1 zu der des zweiten Federgelenkvierecks 2. Außerdem bleibt auch die vorzugsweise quadratische Ausnehmung im beweglichen Teil 22 des zweiten Federgelenkvierecks 2 gegenüber der Fig. 1 unverändert wie auch die Gestaltung 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 großen Wegübersetzung vom Piezoelement 3 bzw. 4 auf die Federgelenkvierecke 1 bzw. 2 die unerwünschte Querbewegung jeweils durch Messung und Nachregelung des anderen Federgelenkvierecks 2 bzw. 1 kompensiert wird.

Claims

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

a) die Federgelenkvierecke (1, 2) um 90° gegeneinander 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 Koordinaten änderungen in einem gemeinsamen Meßwertumformer (5) erfaßt werden, dessen Ausgangssignale den beiden separaten Posi tionsregelkreisen für die Federgelenkvierecke (1, 2) zuge führt werden.

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 den aufgespannten quadra tischen Innenraum der aktiven Elektrodenpaare (51, 52) eine Schaltung zur Wandlung der Differenzsignale in impulslängen modulierte Signale integriert ist.