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Hintergrund
der Erfindung
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Gebiet der
Erfindung
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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.
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Besprechung
der verwandten Technik
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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.
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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.
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Das
US-Patent 5 525 249, ausgegeben am 11. Juni 1996 an Kordonsky und
andere offenbart magneto-rheologische Strömungsmittel und Verfahren zu
deren Herstellung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ziele der
Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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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:
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1 ist
eine isometrische Ansicht des mechanischen Anordnungsteils einer
Substratendbearbeitungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
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2 ist
eine vertikale Querschnittsansicht, aufgenommen durch die Ebene
2-2 in 1;
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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;
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4 ist
eine Ansicht der in 3 gezeigten Vorrichtung, wobei
das Werkstück
zur Verdeutlichung der Veranschaulichung entfernt wurde;
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5 ist
eine Ansicht eines symmetrischen Polstücks der rechten Seite des Standes
der Technik;
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6 ist
eine isometrische Ansicht eines asymmetrischen Polstücks der
rechten Seite gemäß der Erfindung;
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7 ist
eine Draufsicht des in 6 gezeigten Polstücks;
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8 ist
eine Seitenansicht des in 6 gezeigten
Polstücks;
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9 ist
eine vertikale Querschnittsansicht, aufgenommen entlang der Linie
9-9 in 7;
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10 ist
eine schematische Ansicht eines Strömungsmittelrückzirkulationssystems
gemäß der Erfindung;
und
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11 ist
eine Querschnittsansicht eines Kapillarviskosimeters gemäß der Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.