NL1023781C2 - Inrichting voor het positioneren van een tafel. - Google Patents

Description

Inrichting voor het positioneren van een tafel

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het positioneren van een tafel met een nauwkeurigheid die beter is dan 1 micrometer in een systeem met zes 5 vrijheidsgraden , waarbij de tafel op drie niet op een lijn gelegen punten ondersteund wordt door drie steunen waarbij elke steun een verplaatsingselement omvat waarmede de afmeting van de steun in de richting loodrecht op de tafel kan worden ingesteld.

ïo Een dergelijk systeem is algemeen bekend en wordt toegepast in gebieden zoals het aligneren van optische onderdelen, optica van geladen deeltjes, actieve trillingsisolatie, microscopie en het positioneren van wafers en reticles.

Voor het gecontroleerd positioneren van een voorwerp zijn twee functies 15 noodzakelijk. De eerste functie kan worden omschreven als het lageren of ondersteunen, hetgeen inhoudt dat het voorwerp in alle vrijheidsgraden wordt vastgehouden, behalve voor die vrijheidsgraden die nodig zijn voor het positioneren. De klassieke wijzen van lageren of ondersteunen zijn als gevolg van fenomenen zoals hysteresis of stick-slip niet geschikt voor de eisen die gesteld worden voor het 20 positioneren van voorwerpen met een nauwkeurigheid beter dan één micrometer. Hier wordt dan ook gebruik gemaakt van elastische of magnetische lagers, waarbij de genoemde problemen niet meer optreden.

De tweede functie betreft het aandrijven. Ook hier geldt dat de klassieke 25 aandrijvingen als gevolg van hysteresis of stick-slip niet meer voldoen. Vaak wordt gebruik gemaakt van magnetische actuatoren zoals duikspoelen of lineaire motoren. Daarnaast wordt ook gebruik gemaakt van keramische materialen die een vormverandering ondergaan als gevolg van een elektrische of magnetische stimulans. Hierbij kan gebruik worden gemaakt van fysische verschijnselen zoals 30 piëzo-electriciteit, electrostrictie, magnetostrictie, magneto-elasticiteit enzovoort.

1023781

I 2 I

I In de moderne techniek is er een toenemende behoefte aan toepassingen en I

I processen waarbij zeer nauwkeurig verplaatsingen (in de orde van grootte van I

I nanometers of zelfs nog kleiner) met een relatief kleine slaglengte (in de orde van I

I 5 grootte van micrometers) nodig zijn. Vaak vinden deze verplaatsingen plaats in I

I omgevingen met zeer sterk beperkende randvoorwaarden ten aanzien van vacuüm, I

I aanwezigheid van magneetvelden, temperaturen, contaminatie, energiedisipatie I

I enzovoort. I

I io Daarbij dient de verplaatsing en de positionering in zes vrijheidsgraden te kunnen I

I plaatsvinden, dit wil zeggen een translatie in een richting evenwijdig aan de drie I

I hoofdassen en een rotatie rond de drie hoofdassen. I

I In de praktijk is gebleken dat een positionering wordt bereikt door een stapeling van I

I is de zes aanwezige vrijheidsgraden, waardoor een verplaatsing volgens de ene I

I vrijheidsgraad tegenwerkt aan de nauwkeurigheid van positioneren en de stijfheid I

I ten opzichte van een andere vrijheidsgraad. Hierdoor worden de I

I positioneringssystemen ingewikkeld teneinde hiervoor compensatie te vinden. I

I 20 De uitvinding stelt zich tot doel een systeem van de bovengenoemde soort te I

I verschaffen waarbij de genoemde problemen en nadelen kunnen worden I

vermeden. I

I Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt doordat elke steun een tweede I

I 25 verplaatsingselement bevat waarmede de positie van de tafel kan worden I

veranderd in een richting die in hoofdzaak evenwijdig is aan het vlak van de tafel. I

Door de combinatie van de verplaatsingsmogelijkheden in de drie steunen wordt het I

I mogeiijk om de positie zeer nauwkeurig in te stellen, zonder dat de ene instelling de I

30 andere hinderlijk beïnvloedt, waarbij het besturingssysteem voor het instellen I

I eenvoudig kan worden gehouden. I

I 1023781 3

Andere kenmerken en voordelen van de uitvinding zullen duidelijk worden uit de hiernavolgende beschrijving waarbij verwezen wordt naar de bijgevoegde tekeningen. Hierin is: 5 Fig. 1 een schematisch zijaanzicht van een inrichting volgens de uitvinding,

Fig. 2 een doorsnede volgens de lijn II - II in fig. 1,

Fig. 3 een schematische weergave van een steun voor toepassing in een inrichting volgens de uitvinding,

Fig. 4 een schematische weergave van een gewijzigde uitvoeringsvorm van ïo een steun zoals die kan worden toegepast in een inrichting volgens de uitvinding,

Fig. 5 een bovenaanzicht van een gewijzigde uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding, en Fig. 6 een doorsnede volgens de lijn VI - VI in fig. 5.

15

Het nauwkeurig positioneren van een tafel vereist in principe een translatie volgens de richting van drie hoofdassen, schematisch aangegeven als x, y en z in de figuren 1 en 2 en een rotatie rond deze assen xyz. Volgens de uitvinding kunnen deze verplaatsingen op een bijzondere wijze worden gerealiseerd.

20

Zoals schematisch weergegeven in figuren 1 en 2 omvat de inrichting voor het nauwkeurig positioneren een tafel 1 die ondersteund wordt door drie steunen 2,3 en 4 die op hun beurt weer rusten op een frame 5. In de weergegeven uitvoeringsvorm ondersteunen de steunen 2, 3 en 4 de tafel 1 in drie punten 7,8,9 25 die samenvallen met de hoekpunten van een gelijkzijdige driehoek. Binnen het kader van de uitvinding is dit niet noodzakelijk maar kunnen de drie steunpunten 7, 8,9 samenvallen met de hoekpunten van een driehoek met willekeurige vorm, zolang deze drie punten maar niet op één lijn liggen. Bij voorkeur liggen de steunpunten zodanig dat het middelpunt van de cirkel die door de de drie punten 30 gaan binnen de omtrek van de gevormde driehoek ligt en heeft een gelijkbenige en meer in het bijzonder een gelijkzijdige driehoek de voorkeur.

1023781

I 4 I

I Deze laatste configuratie heeft het voordeel dat het geometrisch centrum van de I

I drie steunen kinematisch optimaal is gelegen. Dit geometrisch centrum zal bij een I

I homogene temperatuurfluctuatie niet van plaats veranderen In de horizontale I

I richting. I

I I

I Zoals weergegeven in fig. 3 is elke steun samengesteld uit een verbindingselement I

I 10 dat verbonden is met de tafel 1, een eerste actuator 11, een tweede actuator 12 I

I en een verbindingselement 13. Elke actuator 11,12 is bijvoorbeeld een piëzo- I

I electrische actuator, dit wil zeggen dat tenminste één van de drie afmetingen kan I

I ïo worden gevarieerd in afhankelijkheid van de hierover aangelegde spanning. De I

I actuator 11 is daarbij zodanig dat de afmeting in de z-richting wordt veranderd, I

I terwijl de actuator 12 zodanig is dat daarbij in geval van de steun 2 de afmeting in I

I de richting x wordt veranderd. In feite verandert de afmeting van de actuator 12 I

I voor elke steun in de omtreksrichting van de cirkel die door de drie steunpunten I

I 15 gaat, waarbij uiteraard elke actuator 12 afzonderlijk kan worden bekrachtigd. Het is I

I uiteraard ook mogelijk om de actuatoren 11 en 12 van plaats te verwisselen. I

I Essentieel blijft dat de zes actuatoren onafhankelijk van elkaar kunnen worden I

I bekrachtigd. De drie steunen 2,3,4 zijn daarbij identiek uitgevoerd en hebben in I

I bovenaanzicht een rechthoekige doorsnede, waarbij de lange zijde tangentieel I

I 20 gericht is ten opzichte van de cirkel die door de steunpunten 7,8,9 loopt. Het doel I

I hiervan is de steun in de omtreksrichting van bedoelde cirkel een voldoende stijfheid I

I te geven, hetgeen uiteraard ook op andere wijzen kan worden gerealiseerd. I

I Teneinde het systeem niet overbepaald te maken en rekening te houden met de I

I relatieve stijfheid van de diverse componenten, zijn elastische of scharnierende I

25 elementen ingebouwd in de verbindingselementen 10 en 13. Zo omvat het I

I verbindingselement 13 een elastische zone 15, die een stijfheid garandeert in de I

I omtreksrichting van de cirkel door de drie steunpunten. Op dezelfde wijze omvat I

I het verbindingselement 10 een elastische zone 16 met dezelfde oriëntatie als de I

I elastische zone 15. De verbinding tussen het element 10 en de tafel 1 wordt I

I 30 gerealiseerd via een dubbel scharnier 17, hetgeen toelaat om kleine vervormingen I

I mogelijk te maken. Hierdoor wordt bereikt dat met name de steun 2 een stijfheid in I

I de z-richting en de x-richting verkrijgt, terwijl de andere vrijheidsgraden flexibel I

I 1023781 5 worden gehouden. Hetzelfde geldt uiteraard mutatis mutandis voor de steunen 3 en 4.

Door de juiste aansturing van de actuatoren 11 en 12 van de steunen 2,3 en 4 kan 5 de tafel aldus volgens de zes vrijheidsgraden worden gepositioneerd. Deze constructie van de steunen maakt een eenvoudig systeem voor het aansturen van de actuatoren mogelijk, waarbij de vereiste berekeningen eenvoudiger worden.

In figuur 4 is een gewijzigde uitvoeringsvorm van een steun weergegeven zoals die ïo kan worden toegepast in een inrichting volgens de uitvinding.

De steun 20 omvat een verbindingselement 21 voor de verbinding met het frame, en dat is voorzien van een elastische zone 22 zoals beschreven met betrekking tot de steun 2 in fig. 3. Het verbindingselement 21 omvat twee uitsparingen 24 en 25 die is onder een voorafbepaalde hoek staan ten opzichte van het verbindingsvlak tussen de tafel 1 en de steun 20. In de weergegeven uitvoeringsvorm is die hoek 45 maar andere hoeken, eventueel zelfs verschillende hoeken voor elke actuator zijn mogelijk. In deze uitsparingen 24 en 25 is telkens een actuator 26,27 geplaatst, waarbij elke actuator 26,27 een verplaatsing kan realiseren zoals aangegeven met 20 de pijlen 28,29. Voorts is het centrale deel van het verbindingselement 21 voorzien van een veerconstructie 50 met massa 51, die ervoor zorgt dat de actuatoren 26 en 27 onder enige voorspanning staan in de richting van de door hun veroorzaakte verplaatsing.

25 Het verbindingselement 21 is verbonden met twee middendelen 30,31 via telkens een elastische verbinding 32,33, waarbij elk middendeel 30, 31 aanligt tegen de bijbehorende actuator 26,27 via een elastische verbinding 34, 35 en een tussenblok 36,37. Elk middendeel 30,31 is op zijn beurt via een elastische verbinding 38, 39 verbonden met een tweede stel tussenblokken 40,41, die op hun beurt via 30 elastische verbindingen 42, 43 zijn verbonden met een verbindingselement 44 dat verbonden is met de tafel 1.

Het verbindingselement 44 is eveneens voorzien van een elastische zone 45, overeenkomstig de elastische zone 16 in fig. 3. Hierbij zij opgemerkt dat de 1023781

I I

I elastische verbindingen 32, 33, 34,35, 38,39,42 en 43 een grote stijfheid hebben I

I in de richting loodrecht op het vlak van de tekening. De elastische verbindingen 38, I

39,42 en 43 komen in feite overeen met het dubbelscharnier 17 van fig. 3. I

5 Door de relatieve positie van de elastische verbindingen 32,38 en respectievelijk I

I 33, 39 wordt bereikt dat een verplaatsing veroorzaakt door de actuator 26, I

I respectievelijk 27 met een bepaalde factor, in dit geval een factor 3, wordt omgezet I

in een verplaatsing van de blokken 40, respectievelijk 41. Door een geschikte I

I aansturing van de actuatoren 26 en 27 kan op deze wijze elke gewenste I

I io verplaatsing per steun worden gerealiseerd, en dus het totale systeem volgens de I

I zes vrijheidsgraden worden ingesteld. I

I Tussen de delen 30 respectievelijk 31 en het deel 21 is telkens een sensor 52 I

I respectievelijk 53 aangebracht voor het bepalen van de relatieve positie van de I

I 15 delen 30 en 31 ten opzichte van het deel 21. I

I In de beschreven uitvoeringsvorm zijn capacitieve sensoren weergegeven maar I

andere types zijn evenzeer bruikbaar. Voorts zijn de delen 30 en 31 met elkaar I

I verbonden via scharnierende verbindingen 55, 56 en een tussenstuk 57, waardoor I

I 20 het mogelijk wordt om beide delen 30, 31 onafhankelijk van elkaar te laten I

I verplaatsen. I

In de uitvoeringsvorm weergegeven in de figuren 5 en 6 bestaat het frame uit een I

I blok 60 met een cirkelvormige opening 61. In de opening 61 is een cirkelvormige I

I 25 tafel 62 die door middel van drie steunen 63,64,65 wordt ondersteund. Elke steun I

I 63,64,65 is in feite tegen de buitenomtrek van de tafel 62 bevestigd en tegen de I

I binnenomtrek van de cirkelvormige opening 61. De steunen 63,64,65 kunnen van I

I hetzelfde type zijn als beschreven met betrekking tot de figuren 3 en 4, maar I

essentieel is dat zij elk twee actuatoren omvatten zodat het in principe mogelijk is I

I 30 om de tafel te verplaatsen enerzijds in de drie hoofdrichtingen x, y en z en I

I anderzijds kunnen roteren rond deze drie hoofdrichtingen. In de weergegeven I

I uitvoeringsvorm zijn de steunen daarbij volledig tangentieel opgesteld ten opzichte I

I van de cirkelomtrek van de tafel, maar het is duidelijk dat zij ook onder een hoek I

I 1023781 7 kunnen staan ten opzichte van het vlak van de tafel 62. In geval van een tangentiële opstelling van de actuatoren, zoals weergegeven in fig. 6 wordt hetzelfde voordeel verkregen als dit met de steun volgens fig. 3.

5 Het is duidelijk dat naast piëzo-electrische actuatoren anderen types gebruikt kunnen worden, zoals actuatoren gebaseerd op magnetisme, electrostrictie, magnetostrictie, magneto-elasticiteit, electrostatisme en thermische actuatoren. Indien gewenst kunnen de actuatoren onder mechanische voorspanning staan.

ïo Verder kunnen meetsystemen zijn aangebracht voor het bepalen van de exakte positie van de tafel. Deze meetsystemen kunnen ofwel per steun zijn aangebracht of centraal op het niveau van de tafel. Als meetsystemen komen alle gebruikelijke systemen in aanmerking, zoals capacitief, inductief, interferometrisch, wervelstromen en rekstroken.

15 1023781

Claims (20)

1. Inrichting voor het positioneren van een tafel met een nauwkeurigheid die I I beter is dan 1 micrometer in een systeem met zes vrijheidsgraden , I I 5 waarbij de tafel op drie niet op een lijn gelegen punten ondersteund I I wordt door drie steunen waarbij elke steun een verplaatsingselement I I omvat waarmede de afmeting van de steun in de richting loodrecht op I I de tafel kan worden gevarieerd, met het kenmerk dat elke steun een I I tweede verplaatsingselement bevat waarmede de positie van de tafel I I ïo kan worden veranderd in een richting die in hoofdzaak evenwijdig is aan I I het vlak van de tafel. I

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de inrichting I I gemodificeerd is doordat de verplaatsingselementen in tenminste één steun I I 15 zijn geplaatst onder een hoek ten opzichte van het vlak van de tafel, en dat I I door een gepaste aansturing van de twee verplaatsingselementen de afmeting I I van de steun in de richting loodrecht op het vlak van de tafel en de afmeting I I van de steun in een richting evenwijdig aan het vlak van de tafel kan worden I I geregeld. I I 20 I

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat de verplaatsing I I evenwijdig aan het vlak van de tafel in hoofdzaak evenwijdig is met raaklijn I I aan de cirkel die door de drie steunpunten loopt. I I 25

4. Inrichting volgens een der conclusies 1-3, met het kenmerk dat het I I middelpunt van de cirkel die door de drie steunpunten loopt ligt binnen de I I driehoek gevormd door deze drie steunpunten. I

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk dat de drie punten de I I 30 hoekpunten vormen van een gelijkbenige driehoek. I

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk dat de drie punten de I I hoekpunten vormen van een gelijkzijdige driehoek. I I 1023781

7. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de tafel door middel van elastische en/of magnetische lagers is verbonden met de steunen. 5

8. Inrichting volgens één der conclusies 1-6, met het kenmerk dat de verplaatsingselementen worden gevormd door magnetisch verplaatsbare elementen, in het bijzonder duikspoelen en/of lineaire motoren. ïo

9. Inrichting volgens één der conclusies 1-6, met het kenmerk dat de verplaatsingselementen worden gevormd door keramische elementen die een vormverandering ondergaan als gevolg van een electrische en/of magnetische stimulans.

10. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat tenminste één steun tenminste in één richting een combinatie omvat van magnetische ondersteuning en verplaatsing.

11. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de 20 twee verplaatsingselementen in elke steun zodanig naast elkaar zijn gepositioneerd dat de verplaatsing van één der elementen een overeenkomstige verplaatsing van het andere element veroorzaakt.

12. Inrichting volgens conclusie 11, met het kenmerk dat de twee 25 verplaatsingselementen in eikaars verlengde liggen waarbij de verplaatsingsrichting van het ene element loodrecht staat op de verplaatsingsrichting van het andere element.

13. Inrichting volgens conclusie 12, met het kenmerk dat de richting van de 30 stapeling van de twee verplaatsingselementen loodrecht staat op het vlak van de tafel. 1023781 I 10

14. Inrichting volgens conclusie 12, met het kenmerk dat de richting van de I I stapeling van de twee verplaatsingselementen tangentieel is ten opzichte van I I de cirkel die door de steunpunten loopt. I I 5

15. Inrichting volgens één der conclusies 1-10, met het kenmerk dat elk I verplaatsingselement een verplaatsing kan veroorzaken in een richting die een I I hoek verschillend van 90° vormt ten opzichte van de tafel. I

16. Inrichting volgens conclusie 15, met het kenmerk dat de verplaatsing van elk I I ïo verplaatsingselement via een systeem van scharnierverbindingen wordt I I overgebracht op de tafel. I

17. Inrichting volgens conclusie 15 of 16, met het kenmerk dat de verplaatsing I veroorzaakt door het ene verplaatsingselement ontkoppeld is van de I I is verplaatsing veroorzaakt door het andere verplaatsingselement. I

18. Inrichting volgens één der conclusies 15-17, met het kenmerk dat elk I verplaatsingselement onder voorspanning wordt gehouden. I I 20

19. Inrichting volgens één der conclusies 15-18, met het kenmerk dat de hoek I I tussen de verplaatsingsrichting van het ene verplaatsingselement en de tafel I I gelijk is aan de hoek tussen de verplaatsingsrichting van het andere I I verplaatsingselement en de tafel. I I 25

20. Inrichting volgens één der conclusies 15-19, met het kenmerk dat de I I verplaatsing in de richting parallel aan de tafel veroorzaakt door het ene I I verplaatsingselement, tegengesteld is aan de verplaatsing in de richting I I parallel aan de tafel veroorzaakt door het andere verplaatsingselement. I I 1023781