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DE69924595T2 - System für magnetorheologische Feinstbearbeitung von Substraten - Google Patents

System für magnetorheologische Feinstbearbeitung von Substraten

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DE69924595T2
DE69924595T2 DE1999624595 DE69924595T DE69924595T2 DE 69924595 T2 DE69924595 T2 DE 69924595T2 DE 1999624595 DE1999624595 DE 1999624595 DE 69924595 T DE69924595 T DE 69924595T DE 69924595 T2 DE69924595 T2 DE 69924595T2
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DE
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Grant
Patent type
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Active
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DE1999624595
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DE69924595D1 (de )
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Golini Donald
R. Dumas Paul
Hogan Stephen
I. Kordonski William
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QED TECHNOLOGIES Inc
Original Assignee
QED TECHNOLOGIES INC
QED TECHNOLOGIES, INC.
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N11/00Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties
    • G01N11/02Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by measuring flow of the material
    • G01N11/04Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by measuring flow of the material through a restricted passage, e.g. tube, aperture
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24GRINDING; POLISHING
    • B24BMACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B1/00Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes
    • B24B1/005Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes using a magnetic polishing agent
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24GRINDING; POLISHING
    • B24BMACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B31/00Machines or devices designed for polishing or abrading surfaces on work by means of tumbling apparatus or other apparatus in which the work and/or the abrasive material is loose; Accessories therefor
    • B24B31/10Machines or devices designed for polishing or abrading surfaces on work by means of tumbling apparatus or other apparatus in which the work and/or the abrasive material is loose; Accessories therefor involving other means for tumbling of work
    • B24B31/112Machines or devices designed for polishing or abrading surfaces on work by means of tumbling apparatus or other apparatus in which the work and/or the abrasive material is loose; Accessories therefor involving other means for tumbling of work using magnetically consolidated grinding powder, moved relatively to the workpiece under the influence of pressure

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • [0001]
    Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Systeme für schlämmungsbasierte abrasive Endbearbeitung und Poliervorgänge von Substraten, insbesondere auf derartige Systeme, die magneto-rheologische Strömungsmittel (MRF = magnetorheological fluids) einsetzen, und insbesondere auf ein verbessertes System, wobei das Magnetfeld optimal durch eine neuartige Formgebung der Polstücke geformt ist, und wobei die Viskosität und Flussrate des rückzirkulierten MRF dynamisch durch Anwendung eines neuartigen Kapillarviskosimeters und einer Inline-Flussmessvorrichtung gesteuert wird.
  • Besprechung der verwandten Technik
  • [0002]
    Die Anwendung von magnetisch versteiften magneto-rheologischen Strömungsmitteln zur abrasiven Endbearbeitung und zum Polieren von Substraten ist wohl bekannt. Solche Strömungsmittel, die magnetisch weiche abrasive Partikel enthalten, die in einem flüssigen Träger verteilt sind, zeigen magnetisch eingeleitetes thixotropes Verhalten in Anwesenheit eines Magnetfeldes. Die offensichtliche Viskosität des Strömungsmittels kann magnetisch um viele Größenordnungen gesteigert werden, so dass die Konsistenz des Strömungsmittels sich von nahezu wässrig bis zu dem Punkt verändert, wo es eine sehr steife Paste ist. Wenn eine solche Paste in geeigneter Weise gegen eine zu formende oder zu polierende Substratoberfläche geleitet wird, beispielsweise ein optisches Element, kann ein sehr hohes Niveau von Endbearbeitungsqualität, Genauigkeit und Steuerung erreicht werden.
  • [0003]
    Die US-Patente 5 449 313, das am 12. September 1995 ausgegeben wurde, und 5 577 948, ausgegeben am 26. November 1996, beide von Kordonsky und anderen, offenbaren magneto-rheologische Poliervorrichtungen und Verfahren.
  • [0004]
    Das US-Patent 5 525 249, ausgegeben am 11. Juni 1996 an Kordonsky und andere offenbart magneto-rheologische Strömungsmittel und Verfahren zu deren Herstellung.
  • [0005]
    Das US-Patent 5 616 066, ausgegeben am 1. April 1997 an Jacobs und andere offenbart Verfahren und eine Vorrichtung zur magneto-rheologischen Endbearbeitung von Kanten von optischen Elementen.
  • [0006]
    Das US-Patent 5 795 212, ausgegeben am 18. August 1998 an Jacobs und andere offenbart Verfahren, Strömungsmittel und eine Vorrichtung zur deterministischen magneto-rheologischen Endbearbeitung von Substraten. Dieses Patent wird hier als "'212" bezeichnet.
  • [0007]
    Bei einem typischen magneto-rheologischen Endbearbeitungssystem, wie es beispielsweise im '212-Patent offenbart wird, weist eine Arbeitsoberfläche ein vertikal orientiertes Rad mit einem in Axialrichtung breiten Rand auf, der symmetrisch um eine Nabe herum unterschnitten ist. Speziell geformte magnetische Polstücke, die um eine vertikale Ebene symmetrisch sind, die die Rotationsachse des Rades enthält, sind zu gegenüberliegenden Seiten des Rades unter dem unterschnittenen Rand ausgedehnt, um eine magnetische Arbeitszone auf der Oberfläche des Rades vorzusehen, vorzugsweise ungefähr bei der oberen Totpunktposition. Die Oberfläche des Rades kann flach sein, d.h. ein zylindrischer Abschnitt, oder kann konvex sein, d.h. ein sphärischer Querschnitt am Äquator oder kann konkav sein. Die konvexe Form kann insbesondere nützlich sein, da sie eine Endbearbeitung der konkaven Oberflächen mit einem längeren Radius als dem Radius des Rades gestattet.
  • [0008]
    Über der Arbeitszone ist eine Substrataufnahme montiert, wie beispielsweise eine Spannvorrichtung, um ein endzubearbeitendes Substrat in einer Arbeitszone auszudehnen. Die Spannvorrichtung ist programmierbar in einer Vielzahl von Bewegungsbetriebszuständen manipulierbar und wird vorzugs weise durch eine programmierbare Steuervorrichtung oder einen Computer gesteuert.
  • [0009]
    Magneto-rheologisches Strömungsmittel mit einer vorbestimmten Konzentration von Partikeln, die magnetisch weich sind, wird in einem nicht magnetisierten Zustand extrudiert, typischerweise aus einer Formdüse, und zwar als ein Band auf der Arbeitsfläche des Rades, welches es zu der Arbeitszone trägt, wo es zu einer pastenartigen Konsistenz magnetisiert wird. In der Arbeitszone führt das pastenartige MRF die Abriebsarbeit an dem Substrat aus und wird dadurch aufgeheizt. Die Aufheizung und das Aussetzen des MRF bewirkt eine gewisse Verdampfung des Trägerströmungsmittels und eine daraus folgende Konzentration des MRF. Wenn es aus der Arbeitszone austritt, wird das konzentrierte Strömungsmittel wiederum nicht magnetisiert und wird von der Arbeitsfläche des Rades zur Rückzirkulation und zur erneuten Verwendung abgeschabt.
  • [0010]
    Die Strömungsmittellieferung zu dem Rad und von diesem weg wird durch ein geschlossenes Strömungsmittelliefersystem gemanaged. Das MRF wird von dem Schaber durch eine Absaugpumpe weggezogen und zu einem Tank geschickt, wo seine Temperatur gemessen wird und auf ein Ziel eingestellt wird. Die Rückzirkulation vom Tank zur Düse und daher durch die Arbeitszone bei einer festgelegten Flussrate wird erreicht durch Einstellung der Drehgeschwindigkeit einer Druckpumpe, typischerweise einer peristaltischen Pumpe. Die Konzentration der Festkörper in dem magneto-rheologischen Strömungsmittel bzw. MRF, wie es auf das Rad ausgelassen wird, ist ein wichtiger Faktor bei der Steuerung der Rate der abrasiven spanenden Bearbeitung eines Substrates in der Arbeitszone. Weil die Viskosität in direkter Beziehung zur Konzentration ist, ist es besonders wünschenswert, dynamisch die Viskosität des konzentrierten MRF, welches rückzirkuliert wird, während des Gebrauchs auf einen Zielwert einzustellen. In der Leitung zwischen der Pumpe und der Düse ist ein Viskosimeter, welches eine Länge des Kapillarrohrs aufweist bzw. einnimmt, welches stromaufwärts und stromabwärts liegende Drucksensoren besitzt. Mit einer konstanten Strömungsmit telflussrate ist der Druckabfall durch das Kapillarrohr, d.h. die Druckdifferenz zwischen den zwei Drucksensoren, proportional zur Viskosität des Strömungsmittels. Man folgert aus einer Steigerung des Druckabfalls, dass dies eine Steigerung der Viskosität bedeutet, und dies wird verwendet, das erneute Auffüllen des Trägerströmungsmittels in dem MRF in den Temperierungstank zu bewirken, um die offensichtliche Viskosität auf das Ziel zu reduzieren.
  • Ziele der Erfindung
  • [0011]
    Verschiedene Probleme sind bei der Verwendung der Offenbarung von '212 angetroffen worden, die Substrate zu bearbeiten. Es ist herausgefunden worden, dass die Effektivität bei der Endbearbeitung, gemessen durch die Rate der Entfernung des Substratmaterials, durch ein Unvermögen verringert werden kann, vollständig das MRF-Band zu versteifen, bevor es mit dem Arbeitswerkstück in der Arbeitszone in Eingriff kommt, und weiter durch die Unfähigkeit, kontinuierlich ein MRF-Band von im Wesentlichen gleichförmiger Dicke und Festkörperkonzentration in das Magnetfeld in der Arbeitszone zu liefern. Ein MRF-Endbearbeitungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung weist neuartige Lösungen für diese Probleme auf.
  • [0012]
    Mit Bezug auf das Problem, ein Band von konstanter Dicke und konstanter Festkörperkonzentration zu liefern, kann sich bei der bekannten Technik der Strömungsmittellieferung die Pumpenausgabe mit der Zeit verändern, insbesondere aus einer peristaltischen Pumpe, die einer progressiven Ermüdung der elastischen Schläuche unterworfen ist, die peristaltisch zusammen gedrückt werden. Ein falscher Fluss wird zu einer falschen Interferenz der Viskosität, entweder hoch oder niedrig, bei dem '212-Viskosimeter führen, und folglich zu einer daraus folgenden unkorrekten Auffüllung des Trägerströmungsmittels. Somit ist es ein Ziel der Erfindung, ein verbessertes MRF-Endbearbeitungssystem vorzusehen, wobei die tatsächliche volumetrische Strömungsmittelflussrate gemessen wird und unabhängig von der angezeig ten Geschwindigkeit einer Druckpumpe gesteuert wird, und bei der Bestimmung der Auffüllrate des Trägerströmungsmittels verwendet wird.
  • [0013]
    Unter Betrachtung der genauen Online-Messung der MRF-Viskosität muss die Kapillarrohrleitung des '212-Viskosimeters physikalisch entfernt von der Region nahe der Arbeitszone sein, um eine Übergangsfeldgegenwirkung mit dem MRF in der Rohrleitung zu vermeiden, was zu einer inkorrekten Gegenwirkung der Viskosität und einer daraus folgenden inkorrekten Auffüllung des Trägerströmungsmittels führen kann. Diese Anordnung innerhalb des Liefersystems erfordert die Anwendung von zwei Drucksensoren, um einen Druckabfall einzurichten. Weiterhin ist es wünschenswert, die Viskosität an dem Punkt zu kennen, an dem das MRF aus dem Liefersystem auf das Rad austritt. Somit ist es ein weiteres Ziel der Erfindung, ein verbessertes und vereinfachtes MRF-Endbearbeitungssystem vorzusehen, wobei nur ein einziger Drucksensor erforderlich ist, und wobei die Viskosität am Ausgang des Liefersystems gemessen wird.
  • [0014]
    Mit Bezug auf die Notwendigkeit, vollständig das MRF zu versteifen, bevor es mit dem Werkstück in Eingriff kommt, erzeugen die symmetrischen Polstücke des '212-Magneten eine Arbeitszone, die symmetrisch um den oberen Totpunkt und um die Position eines Substratwerkstückes in der Arbeitszone ist. Eine solche Symmetrie berücksichtigt nicht die magnetische Hysterese bei der Versteifung und der Entspannung des MRF, wodurch die mögliche Effektivität eines MRF-Endbearbeitungssystems verringert wird. Somit ist es noch ein weiteres Ziel der Erfindung, ein verbessertes MRF-Endbearbeitungssystem mit asymmetrischen Polstücken vorzusehen, wodurch das MRF vollständig auf dem Rad vor einem Eingriff mit einem Werkstück versteift wird und kurz nach dem Eingriff mit einem Werkstück entspannt wird.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • [0015]
    Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein System zur magneto-rheologischen Endbearbeitung von Substraten nach Anspruch 1 vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
  • [0016]
    Kurz beschrieben weist ein verbessertes System zur magneto-rheologischen Endbearbeitung eines Substrates gemäß der Erfindung ein Strömungsmittelrückzirkulations- und Managementsystem auf, und Magnetpolstücke ähnlich jenen, die in '212 offenbart wurden, die jedoch die folgenden wichtigen und neuartigen Verbesserungen aufweisen.
  • [0017]
    Als erstes wird eine Inline-Flussmessvorrichtung (inline = in der Leitung liegend) in dem Strömungsmittelrückzirkulationssystem vorgesehen, vorzugsweise eine Magnetinduktionsflussmessvorrichtung, vorzugsweise jedoch nicht notwendigerweise durch eine Regelung (closed loop) mit einem Flusssteuerparameter verbunden, beispielsweise der Drehzahl einer Druckpumpe, um die tatsächliche Flussrate zu messen, und vorzugsweise um sicher zu stellen, dass die Strömungsmittelflussrate konstant unabhängig von der Viskosität des gepumpten Strömungsmittels ist. Eine solche Flussmessvorrichtung ist vorzugsweise unempfindlich für Veränderungen der Strömungsmittelviskosität über den Bereich der interessanten Flussvorgänge.
  • [0018]
    Als zweites wird ein vereinfachtes und neuartiges Kapillarviskosimeter, welches einen einzelnen Drucksensor am Eingang eines Kapillarabschnittes aufweist und eine Magnetabschirmung des Kapillarrohres besitzt, in dem Strömungsmittelliefersystem an seinem Ausgang auf der Radoberfläche angeordnet, wodurch die Notwendigkeit eines zweiten Drucksensors vermieden wird. Ausgangssignale aus der Flussmessvorrichtung und dem Viskosimeterdrucksensor werden in einen Algorithmus in einem Computer eingegeben, der die offensichtliche Viskosität des MRF berechnet, welches zu dem Rad geliefert wird, und die Auffüllrate des Trägerströmungsmittels steuert, um das MRF in einer Mischkammer vor dem Viskosimeter zurück zu zirkulieren, um die offensichtliche Viskosität auf das Ziel einzustellen.
  • [0019]
    Drittens werden neuartige asymmetrische Polstücke vorgesehen, die das Magnetfeld entlang der Radoberfläche stromaufwärts der Arbeitszone ausdehnen, um eine vollständige magnetische Versteifung des MRF vor dem Eingriff mit dem Werkstück zu gestatten, während das Übergangsfeld in der Nachbarschaft des Viskosimeters minimiert wird, und welche das Magnetfeld entlang der Radoberfläche stromabwärts der Arbeitszone verkürzen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • [0020]
    Die vorangegangenen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung, genauso wie gegenwärtig bevorzugte Ausführungsbeispiele davon, werden beim Lesen der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen offensichtlicher:
  • [0021]
    1 ist eine isometrische Ansicht des mechanischen Anordnungsteils einer Substratendbearbeitungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
  • [0022]
    2 ist eine vertikale Querschnittsansicht, aufgenommen durch die Ebene 2-2 in 1;
  • [0023]
    3 ist ein schematische Ansicht von der rechten Seite eines Teils, der in 1 gezeigten Vorrichtung, die die Beziehung eines asymmetrischen Polstücks zum Rand des Trägerrades und zu der bevorzugten Stelle eines Werkstückes in der Arbeitszone zeigt;
  • [0024]
    4 ist eine Ansicht der in 3 gezeigten Vorrichtung, wobei das Werkstück zur Verdeutlichung der Veranschaulichung entfernt wurde;
  • [0025]
    5 ist eine Ansicht eines symmetrischen Polstücks der rechten Seite des Standes der Technik;
  • [0026]
    6 ist eine isometrische Ansicht eines asymmetrischen Polstücks der rechten Seite gemäß der Erfindung;
  • [0027]
    7 ist eine Draufsicht des in 6 gezeigten Polstücks;
  • [0028]
    8 ist eine Seitenansicht des in 6 gezeigten Polstücks;
  • [0029]
    9 ist eine vertikale Querschnittsansicht, aufgenommen entlang der Linie 9-9 in 7;
  • [0030]
    10 ist eine schematische Ansicht eines Strömungsmittelrückzirkulationssystems gemäß der Erfindung; und
  • [0031]
    11 ist eine Querschnittsansicht eines Kapillarviskosimeters gemäß der Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • [0032]
    In den 1 und 2 ist eine Gesamtanordnung eines mechanischen Anordnungsteils 10 eines Systems gemäß der Erfindung zur magneto-rheologischen Endbearbeitung eines Substrates gezeigt. Der Teil 10 weist eine Basis 12 auf, die den Kern eines Magneten trägt, vorzugsweise den Kern und die Windungen 13 eines Elektromagneten, und die linke und rechte Magnetjochglieder 14 bzw. 16 trägt, die in herkömmlicher Weise mit dem Kern verbunden sind. Die Anordnung des Teils 10 ist ähnlich der in dem '212-Patent offenbarten Anordnung, wobei die Verbesserungen unten beschrieben werden. Das Joch 14 trägt eine Motorantriebseinheit 18, die über die Kupplung 20 mit einer Welle 22 gekoppelt ist, die in den Lagern 24 gelagert ist und von einem Fußstück 26 getragen wird. Die Antriebseinheit 18 wird durch eine (nicht gezeigte) Antriebssteuervorrichtung in herkömmlicher Weise gesteuert, um die Drehzahl des Antriebs auf ein erwünschtes Ziel zu steuern. Die Welle 22 ist drehbar mit der Nabe 28 eines Trägerradflansches 30 gekoppelt, der eine Umfangsfläche 32 trägt, die sich axial zum Flansch 30 nach beiden Seiten davon erstreckt, vorzugsweise symmetrisch. Die Oberfläche 32, die die Arbeitsfläche der Vorrichtung ist, die auch als die Trägerfläche bekannt ist, kann im Wesentlichen flach sein, d.h. eine Krümmung nur in Umfangsrichtung haben, wodurch ein zylindrischer Abschnitt definiert wird, oder die Oberfläche 32 kann auch bogenförmig in der axialen Richtung sein, wodurch eine konkave oder eine konvexe Fläche definiert wird (wie in 2 gezeigt). Auf den Jochgliedern 14, 16 sind jeweils linke und rechte Magnetpolstücke 34, 36 montiert. Der Magnet kann abwechselnd orientiert und betrieben werden, so dass die Polstücke 34, 36 magnetisch Nord und Süd oder Süd und Nord sind, jeweils mit gleichem Effekt. Eine Aufbringungsdüse 38 ist mit der Versorgungsleitung 40 verbunden, wodurch ein Band 42 aus MRF bzw. magneto-rheologischem Strömungsmittel auf die Arbeitsfläche 32 geliefert wird, und ein Schaber 44 ist mit der Rückleitung 46 verbunden, um das magneto-rheologische Strömungsmittel von der Arbeitsfläche 32 zu entfernen und das MRF zu einem Rückzirkulations- und Aufbereitungssystem zurück zu bringen (welches in den 1 und 2 nicht gezeigt ist). Der Schaber 44 ist vorzugsweise magnetisch abgeschirmt.
  • [0033]
    Mit Bezug auf 5 ist das Polstück 48 des Standes der Technik symmetrisch um die Symmetrieebene 50 entsprechend der Ebene 2-2 in 1; daher sind bei einer Anordnung des Standes der Technik die linken und rechten Polstücke identisch und austauschbar. Da die vorzuziehende Arbeitszone für abrasive Endbearbeitung und Poliervorgänge auf der oberen Totpunktposition auf dem Trägerrad zentriert ist, ist die Arbeitszone somit in dem Magnetfeld zentriert, welches durch die Polstücke 48 des Standes der Technik erzeugt wird. Jedoch ist das magneto-rheologische Ansprechen des MRF, welches in das Magnetfeld eintritt oder dieses verlässt, nicht sofort, so dass bei der Vorrichtung des Standes der Technik das MRF nicht vollständig versteift sein kann, wenn es auf das Werkstück auftrifft, welches endzubearbeiten ist, was die abrasive Einwirkung der MRF-Partikel verringert und weiterhin kann das MRF immer noch magnetisch induzierte Steifigkeit besitzen, wenn es den Schaber erreicht, was Einwirkungen auf die Entfernung des MRF von der Trägeroberfläche hat.
  • [0034]
    Das Aufbringen des Magnetfeldes auf das MRF magnetisiert die magnetischen Partikel und löst die Bildung einer feldorientierten Struktur aus, die das versteifte Strömungsmittel definiert. Während eine Magnetisierung der magnetischen Partikel sehr schnell auftritt (in ungefähr 10–9 Sekunden) ist die Bildung der Struktur beträchtlich langsamer (typischerweise 10–3 bis 10–4 Sekunden). Die charakteristische Zeit Tchar der Strukturbildung hängt von den Eigenschaften des MRF ab. Um die maximale Steifigkeit des Strömungsmittels in der Arbeitszone zu erreichen, sollte die Zeit des Strömungsmitteltransportes Ttrans vom Eintritt in das Magnetfeld bis zum Erreichen der Arbeitszone größer als die charakteristische Zeit des MRF sein (Ttrans > Tchar). Die Strömungsmitteltransportzeit ist die Distanz L1 von der Eintrittskante des Polstückes zur Mitte der Arbeitszone (wie in den 3 und 7 gezeigt), geteilt durch die lineare Geschwindigkeit U der Radoberfläche (L1/U > Tchar). Im Gegensatz dazu sollte, wenn das MRF die Arbeitszone verlässt, dieses sobald wie möglich entmagnetisiert sein, um die Entfernung des verbrauchten MRF von dem Rad zu erleichtern; daher sollte die Distanz L2 von der Mitte der Arbeitszone zur Auslasskante des Polstückes minimiert werden, was ein asymmetrisches Polstück zur Folge hat. Die Auswahl der Längen L1 und L2 wird durch magneto-mechanische (Viskositäts-)Eigenschaften des verwendeten MRF und durch die Geschwindigkeit des Rades bestimmt.
  • [0035]
    Ein Paar von tatsächlich optimalen Polstücken bietet die folgenden Vorteile: a) maximale Strömungsmittelversteifung in der Arbeitszone; b) maximale magnetische Feldstärke in der Arbeitszone; c) sanfter Magnetfeldgradient in der Zone der Strömungsmittelablagerung auf dem Rad; und d) scharfer Magnetfeldgradient und minimale magnetische Feldstärke in der Zone der Strömungsmittelaufnahme.
  • [0036]
    Verbesserte Polstücke 34, 36 gemäß der Erfindung sind asymmetrisch um die Ebene 2-2 in 1, genauso wie zu jeder anderen Ebene, die die Achse der Welle 22 enthält, um das Magnetfeld entlang der Trägerfläche vor der Arbeitszone zu erweitern und das Magnetfeld nach der Arbeitszone zu verkürzen. Dies stellt sicher, dass das MRF vollständig versteift ist, wenn es in die Arbeitszone eintritt, und dass es vollständig entspannt ist, wenn es den Schaber erreicht. Es sei bemerkt, dass die Polstücke 34, 36 im Wesentlichen Spiegelbilder voneinander sind. Somit ist die folgende Beschreibung, die insbesondere auf das rechte Polstück 36 gerichtet ist, gleichfalls auf das linke Polstück 34 anwendbar.
  • [0037]
    Mit Bezug auf die 3-4 und 6-9 hat ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Polstücks 36 eine im Wesentlichen rechteckige Basis 52, die mit der Oberseite des Jochgliedes 16 zusammen zu passen ist. Vertikale Seiten 54, 56, 58, 60 sind im Wesentlichen ebene Verlängerungen der vertikalen Seite des Polstückes 36. Die Außenfläche 62 ist ein zylindrischer Abschnitt, der zur Basis 52 in einem Winkel a geneigt ist. Die Oberseite 64 des Nasenteils 66 ist konzentrisch mit der Oberfläche 32 und kann somit ein sphärischer Abschnitt sein, wie in 1 gezeigt oder kann zylindrisch oder konkav sein, wie durch die Form erforderlich wird, die für die Oberfläche 32 ausgewählt ist. Die Unterseite 68 ist ein konischer Abschnitt, wobei die Spitze weg vom Rad 30 weist und wobei eine Seite davon zur Basis 52 in einem Winkel b geneigt ist, der größer ist als der Winkel a. Die eintretende Flanke 70 ist in einem Winkel c gedreht, vorzugsweise ungefähr 25°, um dabei zu helfen, das Magnetfeld innerhalb des Polstückes zu begrenzen und zu fokussieren. Die austretende Flanke 72 wird um eine Distanz d verringert, so dass die Oberfläche 64 asymmetrisch um die Ebene 2-2 angeordnet ist, wie in 1 gezeigt, was der Ebene 50 in 7 entspricht, wobei der eintretende Teil 74 der Oberfläche 64 länger (L1) in Richtung des Laufs der Oberfläche ist, als der austretende Teil 76 (L2). Die Querschnittsansicht des Polstückes 36, wie in 9 gezeigt, ist im Wesentlichen die gleiche wie sie in 1 gezeigt ist.
  • [0038]
    Mit Bezug auf die 10 und 11 ist ein geschlossenes Strömungsmittelliefersystem 78 gezeigt, um MRF zu der Trägerfläche 32 mit einer konstanten Zielflussrate und -viskosität zu liefern, wobei das MRF von der Trägeroberfläche wiedergewonnen wird, und wobei das wiedergewonnene MRF zur erneuten Verwendung aufbereitet wird. Das MRF wird von der Trägeroberfläche durch den Schaber 44 abgeschabt und über Leitung 46 zu einer Inline-Mischungs- und Temperierungskammer 80 gebracht, wo Agglomerate aufgebrochen werden, wo Trägerströmungsmittel nachgefüllt wird, wie oben beschrieben und wo das wieder hergestellte MRF erneut auf eine Zieltemperatur temperiert wird. Die Temperierung kann in bekannter Weise erreicht werden, beispielsweise mittels eines (nicht gezeigten) temperierten Was sermantels, der die Mischkammer umgibt. Bei Systemen, wo die Kammer 80 keine geschlossene Kammer ist, kann es nötig sein, eine zusätzliche Pumpe 81 vorzusehen, um das verbrauchte MRF von dem Schaber 44 aufzunehmen und es zur Kammer 80 zu liefern. Das erneut temperierte MRF wird aus der Mischkammer durch eine Inline-Lieferungspumpe 82 (inline = in der Leitung liegend) herausgezogen, beispielsweise von einer peristaltischen Pumpe, und wird durch eine Inline-Flussmessvorrichtung 84 geliefert, vorzugsweise eine Magnetinduktionsflussmessvorrichtung, wie beispielsweise ein Rosemount Magnetic Flowmeter, Serie 8700, erhältlich von Fisher Rosemount Corp., Chahassen, Minnesota, USA. Wenn die Ausgabe der Pumpe 82 zyklisch ist, wie es bei peristaltischen Pumpen und anderen Pumpen bekannt ist, kann ein Impulsdämpfer 83, wie er in der Technik wohl bekannt ist, in dem Lieferungssystem stromabwärts der Pumpe 82 vorgesehen sein. Die Flussmessvorrichtung 84 und der Antrieb für die Pumpe 82 sind für Berechnungen mit einem Computer 86 verbunden, der einen Zielfluss einstellt und die Drehzahl der Pumpe in einer Regelungsrückkoppelung (closed loop) einstellt, um den Zielfluss zu erfüllen, wie von der Flussmessvorrichtung gemessen. Von der Flussmessvorrichtung läuft das MRF durch die Düse 38 und wird zur Arbeit auf die Trägeroberfläche 32 ausgelassen.
  • [0039]
    Eine wichtige Verbesserung gemäß der Erfindung ist das Vorsehen der Düse 38 als ein neuartiges Inline-Kapillar-Rheometer oder -Viskosimeter an dem Auslassende des Strömungsmittelliefersystems. Mit Bezug auf 11 weist die Düse 38 ein Kapillarrohr 88 auf, welches aus einem nicht magnetischen Material geformt ist, beispielsweise Kupfer oder Keramik, und zwar mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von vorzugsweise mehr als ungefähr 100:1. Das Rohr 88 wird von einer magnetischen Abschirmung 90 umgeben, die vorzugsweise aus einem magnetisch weichen Material geformt ist, beispielsweise kalt gewalztem Stahl. Das Rohr 88 und die Abschirmung 90 sind durch eine oder mehrere Zentrierungsscheiben 92 beabstandet, die aus irgendeinem geeigneten unmagnetischen Material geformt sind, beispielsweise aus Gummi oder Plastik, und durch ein unmagnetisches Übergangsstück 94 zur sanften Verengung des MRF-Flusses von dem Durch messer der Versorgungsleitung 40 zum Durchmesser des Rohrs 88. Vorzugsweise wird der Durchmesser des Rohrs 88 so ausgewählt, dass die Reynolds-Zahl der Strömungsmittelflusszustände durch das Rohr kleiner als ungefähr 100 ist. Zwischen der Versorgungsleitung 40 und dem Übergangsstück 94 ist ein Drucksensor 96, um den Leitungsdruck am Eingang des Kapillarrohrs abzufühlen und um ein Signal davon zum Computer 86 zu senden. Das MRF bildet bekanntlicher Weise leicht Agglomerate in stagnierenden Regionen, so dass der Drucksensor sorgfältig ausgewählt werden muss, so dass er eine glatte unzerstörbare Oberfläche für den Fluss darbietet. Vorzugsweise wird ein Sensor mit einer zylindrischen Membran verwendet, beispielsweise ein Viatran-Druckisolator der Serie „23", erhältlich von Viatran Corp., Grand Island, New York, USA. Da die Düse 39 an dem Ende der Lieferungsleitung angeordnet ist, kann der Druckabfall relativ zum Umgebungsdruck gemessen werden, somit ist nur ein Drucksensor erforderlich.
  • [0040]
    Das System 78 ist auch mit einer Zumesspumpe 98 versehen, die mit einer (nicht gezeigten) Quelle für Trägerströmungsmittel verbunden ist, und zwar zum Auffüllen von verloren gegangenem MRF, und welche mit der Mischkammer 80 verbunden ist. Eine geeignete Zumesspumpe ist beispielsweise die Elektromagnetpumpe von Farmington Engineering, Teilnummer D105.55, erhältlich von Farmington Engineering Inc., Madison, Conneticut, USA.
  • [0041]
    Im Betrieb wird magneto-rheologisches Strömungsmittel bzw. MRF mit einer erwünschten volumetrischen Flussrate durch die Lieferungspumpe 82 durch die Flussmessvorrichtung 84 und die Düse 38 auf die Oberfläche 32 gepumpt. Der Rückdruck in der Lieferleitung 40 wird durch den Sensor 96 abgefühlt und wird zum Computer 86 übertragen. Das Flussvolumen wird von der Flussmessvorrichtung 84 abgefühlt und zum Computer 86 übertragen. Der Computer 86 ist mit einem Algorithmus zur Berechnung der MRF-Viskosität als eine Funktion des Druckes und der Flussrate durch die Düse 38 programmiert. Wenn die vorbestimmte obere Viskositätssteuergrenze überschritten würde, signalisiert der Computer 86 der Zumesspumpe 98, eine vom Computer berechnete Nachfüllmenge von Trägerströmungsmittel in die Mischkammer 80 nachzufüllen, wo das Strömungsmittel in das rückzirkulierte MRF gemischt wird. Wenn die Zielviskosität wieder hergestellt ist, wird die Nachfüllrate auf ein Gleichgewicht reduziert, bei dem ein konstanter geringer Fluss von Trägerströmungsmittel zu der Mischkammer geliefert wird, der gerade den Strömungsmittelverlust aufgrund von Verdampfung während des Arbeitszyklus des MRF kompensiert. Wenn eine vorbestimmte niedrigere Viskositätssteuergrenze überschritten wird, wird der Nachfüllvorgang weiter reduziert oder damit einhergehend gestoppt, um eine durch Arbeit verursachte Verdampfung des Trägerströmungsmittels von dem MRF zu gestatten, um allmählich wieder die Viskosität zu steigern, bis eine Zielviskosität wieder hergestellt wird.
  • [0042]
    Aus der vorangegangenen Beschreibung wird offensichtlich werden, dass ein verbessertes System zur magneto-rheologischen Endbearbeitung eines Substrates vorgesehen worden ist, wobei die Effektivität der Endbearbeitung gegenüber jener gesteigert wird, die mit Systemen des Standes der Technik möglich ist, und zwar indem Folgendes vorgesehen wird: a) neuartige asymmetrische Polstücke, die dazu dienen, die magnetische Versteifung des MRF auf der Trägeroberfläche vor der Arbeitszone vorzuschieben, um sicherzustellen, dass das MRF vollständig versteift ist, wenn es das Werkstück erreicht, und auch um die magnetische Entspannung des MRF nach der Arbeitszone voran zu bringen, um die Entfernung des MRF von der Trägeroberfläche zu erleichtern; und b) ein neuartiges Inline-System für die MRF-Viskositäts- und -Flusssteuerung, die dazu dient, die Arbeitszone mit einer im Wesentlichen konstanten Flussrate von MRF mit einer im Wesentlichen konstanten Viskosität zu beliefern, was eine konstante Bandhöhe und eine konstante Festkörperkonzentration anzeigt, und daher eine konstante Funktion der Entfernung von Material von dem Werkstück.

Claims (14)

  1. System zur magneto-rheologischen Endbearbeitung von Substraten, wobei ein Strömungsmittelliefersystem (78) eine im Wesentlichen konstante Flussrate von magneto-rheologischem Strömungsmittel mit einer im Wesentlichen konstanten Viskosität zu einer Arbeitszone auf dem Rand (32) des Trägerrades liefert, wobei das Strömungsmittelliefersystem (78) einen Strömungsmittelauslass (38) auf dem Trägerrad besitzt, und einen Strömungsmitteleinlass (44) von dem Trägerrad, wobei es Folgendes aufweist: a) ein Paar von im Wesentlichen spiegelbildlichen Magnetpolstücken (34, 36), die gegenüberliegend zueinander auf gegenüberliegenden Seiten des Rades angeordnet sind und benachbart zur Arbeitszone liegen, um ein Magnetfeld in der Arbeitszone zu erzeugen, um magnetisch das Strömungsmittel zu versteifen, wobei jedes der Polstücke asymmetrisch mit Bezug zu jeder Ebene geformt ist, die die Drehachse des Trägerrades einschließt; b) eine Flussmessvorrichtung (84), die in dem Strömungsmittelliefersystem (78) angeordnet ist, um ein Signal zu senden, welches die Flussrate des Strömungsmittels durch das System anzeigt; c) ein Kapillarviskosimeter (Viskositätsmessvorrichtung) (38), die an dem Ausgang des Strömungsmittelliefersystems (78) angeordnet ist, um ein Signal zu senden, welches den Strömungsmitteldruck am Eingang des Viskosimeters (38) zeigt; d) Mittel, die auf das Flussmessvorrichtungssignal und das Drucksignal ansprechen, um die Viskosität des Strömungsmittels zu steuern, welches durch das Strömungsmittelliefersystem (78) läuft.
  2. System nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Steuerung der Viskosität Folgendes aufweisen: a) Mittel zur Lieferung von Nachfüllträgerströmungsmittel in das magneto-rheologische Strömungsmittel, welches durch das Strömungsmittelliefersystem fließt; und b) Computermittel (86) zur Aufnahme und Verwendung des Flussratensignals und des Drucksignals zur Berechnung der Viskosität des Strömungsmittels, welches durch das Kapillarviskosimeter läuft, um eine Nachfüllrate des Trägerströmungsmittels zu berechnen, die erforderlich ist, um das magneto-rheologische Strömungsmittel zu lösen, welches durch das Strömungsmittelliefersystem fließt, und zwar bis zu einem Zielwert, und weiter um die Nachfüllversorgungsmittel anzuweisen, das Trägerströmungsmittel in das magneto-rheologische Strömungsmittel mit der Nachfüllrate auszugeben.
  3. System nach Anspruch 1, wobei die Flussmessvorrichtung (84) eine Magnetinduktionsflussmessvorrichtung ist.
  4. System nach Anspruch 1, wobei das Magnetfeld, welches von den asymmetrischen Polstücken (34, 36) erzeugt wird, asymmetrisch zur Arbeitszone ist, wobei das Feld entlang des Trägerrades in einer Richtung gegenüberliegend zur Drehrichtung des Rades verlängert wird und entlang des Trägerrades in der Drehrichtung verkürzt wird.
  5. System nach Anspruch 1, wobei das Kapillarviskosimeter Folgendes aufweist: a) einen Druckwandler (96); b) ein Kapillarrohr (88); und c) eine Magnetabschirmung (90).
  6. System nach Anspruch 5, wobei der Druckwandler (96) der einzige Druckwandler in dem Viskosimeter ist.
  7. System nach Anspruch 5, wobei der Druckwandler (96) einen zylindrischen Sensor aufweist.
  8. System nach Anspruch 5, wobei die Länge des Kapillarrohrs (88) zumindest 100mal der Durchmesser des Rohrs ist.
  9. System nach Anspruch 8, wobei der Durchmesser des Kapillarrohrs (88) so ausgewählt ist, dass der Fluss des magneto-rheologischen Strömungsmittels durch das Kapillarrohr eine Reynolds-Zahl von weniger als ungefähr 100 hat.
  10. System nach Anspruch 5, wobei das Kapillarrohr (88) aus einem unmagnetischen Material geformt ist.
  11. System nach Anspruch 5, wobei die Magnetabschirmung (90) aus einem magnetisch weichen Material geformt ist.
  12. System nach Anspruch 11, wobei das magnetisch weiche Material kalt gewalzter Stahl ist.
  13. System nach Anspruch 5, wobei das Kapillarviskosimeter weiter mindestens einen unmagnetischen Abstandshalter (92) zwischen dem Kapillarrohr (88) und der Magnetabschirmung (90) aufweist.
  14. System nach Anspruch 5, wobei das Kapillarviskosimeter weiter einen Flussübergangsteil (94) aufweist.
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