DE102005053787B4

DE102005053787B4 - Optische Abtasteinheit sowie Verfahren zur Montage

Info

Publication number: DE102005053787B4
Application number: DE102005053787.1A
Authority: DE
Inventors: Dr. Pucher Wolfgang; Dipl.-Ing. Robert (FH) Sturm
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2005-11-09
Filing date: 2005-11-09
Publication date: 2019-11-28
Anticipated expiration: 2025-11-10
Also published as: DE102005053787A1; US7525113B2; US20070102631A1

Abstract

Optische Abtasteinheit einer Positionsmesseinrichtung zur Messung der Relativlage eines ersten Maschinenteils (3) gegenüber einem zweiten Maschinenteil (4) in zumindest einer Messrichtung X, mit- einem Träger (5.1) eines Abtastgitters (5.3) und- einer Detektoreinheit (5.2), wobei ein Abtast-Lichtstrahlenbündel (L) vom Abtastgitter (5.3) zur Detektoreinheit (5.2) durch Freistrahl verläuft, wobei- der Träger (5.1) des Abtastgitters (5.3) an dem ersten Maschinenteil (3) anbaubar ist und- die Detektoreinheit (5.2) an dem ersten Maschinenteil (3) anbaubar ist, dadurch gekennzeichnet, dass- die optische Abtasteinheit vormontiert ist, indem der Träger (5.1) des Abtastgitters (5.3) mit der Detektoreinheit (5.2) mittels einer Montagehilfe (8) verbunden ist, welche die Zuordnung des Abtastgitters (5.3) zur Detektoreinheit (5.2) während des Anbaus zumindest in Messrichtung X festlegt, und dass diese Verbindung nach erfolgtem Anbau des Trägers (5.1) des Abtastgitters (5.3) an dem ersten Maschinenteil (3) und des separat davon erfolgtem Anbau der Detektoreinheit (5.2) an das erste Maschinenteil (3) aufhebbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Abtasteinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Montage der optischen Abtasteinheit an ein zu messendes Maschinenteil gemäß dem Anspruch 5.
Eine derartige optische Abtasteinheit ist beispielsweise aus der EP 0 548 848 A1 , der DE 103 29 374 A1 und der EP 1 089 053 B1 bekannt. Die Abtasteinheit besteht aus einem Träger eines Abtastgitters und einer Detektoreinheit mit einer Anordnung von mehreren Photodetektoren. Der Träger des Abtastgitters und die Detektoreinheit sind starr miteinander verbunden. Durch diese Verbindung ist die Lage der Photodetektoren relativ zum Abtastgitter vorgegeben und fixiert. In diesem Zustand werden der Träger des Abtastgitters und die Detektoreinheit als gemeinsame Baueinheit an ein zu messendes Maschinenteil angebaut.
Um die Abtasteinheit gut handhabbar auszugestalten, ist die Baugröße und somit die Stabilität dieser Baueinheit sehr begrenzt. Die Detektoreinheit ist in der Regel über Kabel an externe Elektroniken angeschlossen. Diese Kabelverbindungen können unzulässige Kräfte auf die Detektoreinheit ausüben, die durch die Verbindung übertragen wird und somit auch zu Verbiegungen bzw. Verspannungen des Abtastgitters führen können.
Weiterhin kann es bei hochgenauen Positionsmesseinrichtungen notwendig sein, der Detektoreinheit eine Kühlvorrichtung zuzuordnen, um eine unzulässige Wärmeabstrahlung der Detektoreinheit an die Umgebung, also zum Abtastgitter und zum Maßstab, zu verhindern. Durch diese Kühlvorrichtung können ebenfalls Kräfte eingeleitet werden, die zu Verbiegungen bzw. Verspannungen des Abtastgitters führen können.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine optische Abtasteinheit derart auszugestalten, dass die Messgenauigkeit durch äußere Einflüsse möglichst unbeeinflusst bleibt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebene optische Abtasteinheit und das im Anspruch 5 angegebene Verfahren zur Montage dieser Abtasteinheit an ein zu messendes Maschinenteil.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Vorteile der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung angeführt.
Es zeigen

1 eine erste optische Abtasteinheit, angebaut an ein erstes Maschinenteil;
2 eine weitere optische Abtasteinheit, angebaut an ein erstes Maschinenteil;
3 eine vormontierte optische Abtasteinheit vor dem Anbau;
4 die vormontierte optische Abtasteinheit gemäß 3 während des Anbaus und
5 die optische Abtasteinheit gemäß 3 nach erfolgtem Anbau.

In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Positionsmesseinrichtung dargestellt. Diese Positionsmesseinrichtung besteht aus einem Maßstab 1 mit einer optisch abtastbaren Messteilung 2. Diese Messteilung 2 ist eine inkrementale Teilung oder eine absolute Codierung. Zur Positionsmessung der Relativlage zweier Maschinenteile 3 und 4 wird die Messteilung 1 von einer optischen Abtasteinheit 5 in Messrichtung X abgetastet. Zur Positionsmessung in mehreren Dimensionen X, Y kann die Messteilung auch ein an sich bekanntes Kreuzgitter sein.
Die Abtasteinheit 5 ist im dargestellten Beispiel an dem ersten Maschinenteil 3 und der Maßstab an dem zweiten relativ dazu bewegbaren Maschinenteil 4 befestigt. Zur stabilen Befestigung der Abtasteinheit 5 besteht diese aus einem Träger 5.1 eines Abtastgitters 5.3 und einer getrennt davon anbaubaren Detektoreinheit 5.2. Beide Teile 5.1 und 5.2 sind jeweils separat an dem ersten Maschinenteil 3 anbaubar. Hierzu weist der Träger 5.1 des Abtastgitters 5.3 Mittel zum Anbau an das erste Maschinenteil 3 auf und die Detektoreinheit 5.2 weitere Mittel zum Anbau an das erste Maschinenteil 3 auf. Diese Mittel können entsprechend ausgebildete Anbauflächen und/oder Bohrungen sein. Der Anbau kann beispielsweise durch Schrauben, Kleben oder Bonden (z. B. Direktbonden = Ansprengen , LTB-Bonden, anodisches Bonden) erfolgen.
Das Abtastgitter 5.3 kann dabei direkt auf den Träger 5.1 eingeschrieben sein, ein auf den Träger aufgebrachtes Schichtenpaket sein oder ein auf den Träger 5.1 aufgebrachtes Substrat sein.
Die Detektoreinheit 5.2 besteht aus einer Anordnung von lichtempfindlichen Photodetektoren auf einer Leiterplatte sowie aus weiteren Wärme erzeugenden elektrischen Bauteilen wie beispielsweise Verstärker zur Vorverarbeitung der elektrischen Abtastsignale. Die Detektoreinheit 5.2 wirkt somit als störende Wärmequelle, welche zu Materialausdehnungen und somit zu Verspannungen des Abtastgitters 5.3 führen kann. Darüber hinaus kann auch der Maßstab 1 nachteilig beeinflusst werden. Um derartige nachteilige Einflüsse zu minimieren ist der Detektoreinheit 5.2 eine Kühlvorrichtung 6 zugeordnet. Gemäß 1 ist die Kühlvorrichtung 6 als separates Bauteil mit der Detektoreinheit 5.2 verbunden. Die Kühlvorrichtung 6 hat die Aufgabe, die von der Detektoreinheit 5.2 generierte Wärme von dem Träger 5.1 des Abtastgitters 5.3 sowie vom Maßstab 1 wegzuleiten. Hierzu kann die Kühlvorrichtung 6 in bekannter Weise Kühlrippen aufweisen oder ein mediumdurchflossenes Kühlelement sein. Dabei kann Luft oder eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser zur temperaturstabilisierenden Kühlung dienen.
Da derartige Kühlvorrichtungen 6 zur guten Wärmeableitung in Kontakt mit der Detektoreinheit 5.2 stehen müssen und aus einem gut Wärme leitenden Material bestehen, also in der Regel mit einem von der Detektoreinheit 5.2 abweichenden Ausdehnungsverhalten, können durch die Kühlvorrichtung 6 Kräfte auf die Detektoreinheit 5.2 einwirken. Derartige Kräfte können auch durch die Zuführleitungen des Kühlmediums als Reaktionskräfte aufgrund von Beschleunigungen bei der Positionsmessung hervorgerufen werden. Weiterhin können durch den Durchfluss des Kühlmediums durch die Kühlvorrichtung 6 dynamische Erregungen auf die Detektoereinheit 5.2 ausgeübt werden. Durch die von dem Träger 5.1 des Abtastgitters 5.3 getrennte Befestigung der Detektoreinheit 5.2 am ersten Maschinenteil 3 werden derartige Kräfte nicht unmittelbar auf das Abtastgitter 5.3 übertragen, sondern vom relativ stabil aufgebauten ersten Maschinenteil 3 aufgenommen, was die Lagestabilität des Abtastgitters 5.3 relativ zum Maßstab 1 und somit die Messgenauigkeit erhöht.
Eine Verlagerung der Detektoreinheit 5.2 durch Temperatureinflüsse und äußeren Kräften hat geringere Auswirkungen als eine Verlagerung des Trägers 5.1. Die Detektoreinheit 5.2 muss im gesamten Messbetrieb nur so stabil positioniert bleiben, dass das Abtast-Lichtstrahlenbündel L auf die Flächen der Photodetektoren auftrifft.
Der Träger 5.1 kann außer dem Abtastgitter 5.3 auch weitere optische, das Abtast-Lichtstrahlenbündel L beeinflussende Komponenten aufweisen, beispielsweise Umlenkspiegel, weitere optische Gitter in Form von Ein- und Auskoppelgitter bzw. Aufspaltgitter, Linsen, Fresnelplatten, Polarisatoren.
Die Detektoreinheit 5.2 kann zusätzlich auch eine Lichtquelle sowie optische Komponenten enthalten. Das erforderliche Licht zur Abtastung kann der Abtasteinheit 5 aber auch über Lichtwellenleiter zugeführt werden.
Bauteile mit gleichen Funktionen werden nachfolgend mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet.
Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß 2 entspricht weitgehend dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Unterschied ist die Form der Kühlvorrichtung 60. Die Kühlvorrichtung 60 ist Bestandteil des ersten Maschinenteils 3 bzw. eine daran befestigte Komponente. Sie besteht aus einem in das erste Maschinenteil 3 eingebrachten Kanal zum Durchfluss eines Kühlmediums.
Bei der erfindungsgemäßen optischen Abtasteinheit 5 verläuft das Abtast-Lichtstrahlenbündel L vom Abtastgitter 5.3 zur Detektoreinheit 5.2 durch Freistrahl. Das bedeutet, dass das Abtast-Lichtstrahlenbündel L dazwischen in freier Umgebung ohne führende Wandbegrenzungen, wie Lichwellenleiter, verläuft. Der Abstand zwischen dem Abtastgitter 5.3 und der Detektoreinheit 5.2 liegt in einem Bereich von einigen mm, insbesondere bis etwa 20 mm.
Um dem Anwender der Positionsmesseinrichtung den Anbau der Abtasteinheit 5 an das erste Maschinenteil 3 zu erleichtern ist es vorteilhaft, wenn der Träger 5.1 des Abtastgitters 5.3 relativ zur Detektoreinheit 5.2 vorjustiert wird. In dieser justierten Stellung wird der Träger 5.1 mit der Detektoreinheit 5.2 mittels einer Montagehilfe 8 verbunden, welche die Zuordnung des Abtastgitters 5.3 zur Detektoreinheit 5.2 während des Anbaus zumindest in Messrichtung X festlegt. 3 zeigt diese vormontierte Abtasteinheit 5. Dabei ist die Montagehilfe 8 derart ausgebildet, dass sie den Träger 5.1 und somit das Abtastgitter 5.3 relativ zur Detektoreinheit 5.2 in der X-Y-Ebene festlegt. Diese Festlegung ist derart ausgeführt, dass das Abtast-Lichtstrahlenbündel L auf die Photodetektoren der Detektoreinheit 5.2 treffen. Im dargestellten Beispiel ist der Träger 5.1 formschlüssig über die Montagehilfe 8 mit der Detektoreinheit 5.2 verbunden. Dieser Formschluss ist durch Bohrungen 8.1 im Träger 5.1 und Bohrungen 8.2 in der Detektoreinheit 5.2 ausgeführt, in welche Stifte 8.3 der Montagehilfe 8 eingreifen. Die Lage in Z-Richtung ist nicht durch die Montagehilfe 8 vorgegeben, sie wird durch die Lage der durch das erste Maschinenteil 3 vorgegebenen Anbauflächen definiert.
In der in 3 dargestellten vormontierten Stellung wird die Abtasteinheit 5 an das erste Maschinenteil 3 angebaut, indem der Träger 5.1 am ersten Maschinenteil 3 angeschraubt wird sowie zusätzlich und separat die Detektoreinheit 5.2 ebenfalls am ersten Maschinenteil 3 angeschraubt wird. Dieser Montageschritt ist in 4 dargestellt.
Nach erfolgtem Anbau des Trägers 5.1 und der Detektoreinheit 5.2 an das erste Maschinenteil 3 ist die durch die Montagehilfe 8 erfolgte Verbindung aufhebbar. Diese Aufhebung der Verbindung erfolgt durch Lösen des Formschlusses, indem die Montagehilfe 8 entnommen wird, wie in 5 dargestellt.
Die zwei zueinander bewegbaren Maschinenteile 3 und 4, deren Position zu messen ist, können Bestandteil eines Lithografie-Gerätes gemäß der US 2004/0263846 A1 sein. Das erste und zweite Maschinenteil 3 und 4 ist vorzugsweise aus einem Material mit vernachlässigbarem Ausdehnungskoeffizienten, beispielsweise Glaskeramik in Form von ZERODUR.

Claims

Optische Abtasteinheit einer Positionsmesseinrichtung zur Messung der Relativlage eines ersten Maschinenteils (3) gegenüber einem zweiten Maschinenteil (4) in zumindest einer Messrichtung X, mit - einem Träger (5.1) eines Abtastgitters (5.3) und - einer Detektoreinheit (5.2), wobei ein Abtast-Lichtstrahlenbündel (L) vom Abtastgitter (5.3) zur Detektoreinheit (5.2) durch Freistrahl verläuft, wobei - der Träger (5.1) des Abtastgitters (5.3) an dem ersten Maschinenteil (3) anbaubar ist und - die Detektoreinheit (5.2) an dem ersten Maschinenteil (3) anbaubar ist, dadurch gekennzeichnet, dass - die optische Abtasteinheit vormontiert ist, indem der Träger (5.1) des Abtastgitters (5.3) mit der Detektoreinheit (5.2) mittels einer Montagehilfe (8) verbunden ist, welche die Zuordnung des Abtastgitters (5.3) zur Detektoreinheit (5.2) während des Anbaus zumindest in Messrichtung X festlegt, und dass diese Verbindung nach erfolgtem Anbau des Trägers (5.1) des Abtastgitters (5.3) an dem ersten Maschinenteil (3) und des separat davon erfolgtem Anbau der Detektoreinheit (5.2) an das erste Maschinenteil (3) aufhebbar ist.
Vormontierte optische Abtasteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (5.1) mit der Detektoreinheit (5.2) mittels der Montagehilfe (8) formschlüssig verbunden ist.
Optische Abtasteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektoreinheit (5.2) eine Kühlvorrichtung (6, 60) zugeordnet ist.
Optische Abtasteinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung ein mit der Detektoreinheit (5.2) in Kontakt stehendes mediumdurchflossenes Kühlelement (6, 60) ist.
Verfahren zur Montage einer optischen Abtasteinheit einer Positionsmesseinrichtung, wobei die optische Abtasteinheit zur Messung der Relativlage eines ersten Maschinenteils (3) gegenüber einem zweiten Maschinenteil (4) in zumindest einer Messrichtung X ausgebildet ist, mit folgenden Verfahrensschritten: - zur Verfügung stellen der vormontierten optischen Abtasteinheit nach Anspruch 1; - Anbau des Trägers (5.1) des Abtastgitters (5.3) am ersten Maschinenteil (3); - separat vom Anbau des Trägers (5.1) Anbau der Detektoreinheit (5.2) am ersten Maschinenteil (3), - Aufheben der mit der Montagehilfe (8) realisierten Verbindung zwischen dem Träger (5.1) und der Detektoreinheit (5.2) nach erfolgtem Anbau des Trägers (5.1) und der Detektoreinheit (5.2) an das erste Maschinenteil (3).