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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur planaren Positionierung von Werkstücken nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen dieser Art enthalten einen Planarantrieb mit einer Planarmotorplatte zur Positionierung in einem orthogonalen XY-Koordinatensystem. So ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift
DE 28 54 856 C2 eine Positioniervorrichtung vorbekannt, bei der ein Objekt mittels zweier orthogonal zueinander bewegbarer Schlitten und entsprechenden Antriebsvorrichtungen innerhalb einer XY-Ebene verschoben werden kann.
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Der Antrieb der Planarmotorplatte erfolgt in der Regel magnetomotorisch, wobei Ansteuereinheiten vorgesehen sind, um den Planarantrieb in eine definierte Arbeitsposition zu verfahren.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 100 54 376 A1 ist ein elektrodynamischer x-y-φ-Direktantrieb vorbekannt. Gemäß der dort offenbarten Lehre dient zur Positionsbestimmung der Vorrichtung eine Auflichtsensoreinheit aus einem Sensor und einem hochpräzisen Linien-Kreuzraster. Meist sind dabei zwei Sensorfelder für die X-Positionierung und ein Sensorfeld für die Y-Positionierung vorgesehen. Aus dem Stand der Technik bekannte Planarantriebe bzw. darauf beruhende Vorrichtungen erlauben Positioniergenauigkeiten im Mikrometer- und Submikrometerbereich.
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Die deutsche Patentschrift
DE 102 24 100 B4 offenbart eine Lagerung eines Rotationsteils. Das Rotationsteil ist gemäß der Lehre der Druckschrift an einem Ende mittels eines Festlagers und an einem anderen Ende mittels eines Loslagers in Form eines Magnetlagers gelagert. Beide Lager sind unabhängig voneinander quer zur Rotationsachse durch jeweils einen Antrieb verfahrbar. Eine Schrägstellung des Rotationsteils ist dadurch einstellbar. Die Rotationsgeschwindigkeit des Rotationsteils wird im Festlager durch einen Direktantrieb und im Magnetlager durch einen magnetischen Antrieb gesteuert.
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Bei derartigen Vorrichtungen zur planaren Positionierung ergibt sich jedoch das Problem, dass die Positionierung der Werkstücke auf der Vorrichtung in der Regel nicht mit den tatsächlich realisierbaren Verfahrwegen des Planarantriebs übereinstimmt. Sollen beispielsweise Silizium-Substrate, d. h. so genannte Wafer, auf dem Planarantrieb positioniert und präzise in einzelne Chips getrennt werden, müssen die Schnittrichtungen auf dem Wafer und die tatsächlichen Verfahrwege der Positioniervorrichtung synchronisiert werden. Eine derartige Synchronisation erfordert einen hohen programmiertechnischen Aufwand.
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Um diesem Problem zu begegnen, wurde bereits vorgeschlagen, Dreheinheiten quasi huckepack auf den Planartrieb aufzusetzen, um eine zusätzliche Winkelkorrektur der Werkstücklage zu ermöglichen. Eine solche Anordnung bringt allerdings den Nachteil mit sich, dass der Planartrieb die gesamte Dreheinheit mitbewegen muss und dadurch zusätzlich belastet wird. Der Planartrieb muss entsprechend robust ausgeführt sein und eine reibungslose Energieversorgung für die Dreheinheit bzw. die mit der Dreheinheit verknüpften Mess- und Stellmittel gewährleisten. Dies bedingt einen zusätzlich kompliziert gestalteten Aufbau, wodurch die gesamte Vorrichtung zur planaren Positionierung der Werkstücke entsprechend aufwändig und damit kostspielig wird.
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Es besteht die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur planaren Positionierung von Werkstücken anzugeben, die die erwähnten Nachteile beseitigt.
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Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur planaren Positionierung von Werkstücken mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beinhalten zweckmäßige bzw. vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die Vorrichtung zur planaren Positionierung von Werkstücken umfasst einen Planarantrieb mit einer Planarmotorplatte für eine Positionierung in einem orthogonalen XY-Koordinatensystem und eine Auflichtsensoreinheit aus einem Sensor und einem Linien-Kreuzraster zur Positionsbestimmung. Sie zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass der Sensor auf einem Rotor der Dreheinheit gelagert ist und der Sensor und die Dreheinheit eine an einem Punkt raumfest verankerte, statorgestellfeste Sensordreheinheit bilden, wobei die Planarmotorplatte und das Linien-Kreuzraster zu einer der Sensordreheinheit in einem festen Abstand gegenüber angeordneten Planarpositioniereinheit zusammengefasst sind.
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Grundgedanke der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es somit, lediglich den Sensor durch Drehen in Bezug auf Linien-Kreuzraster auszurichten, wobei die Dreheinheit statorgestellfest ausgeführt ist und nicht die Planarmotorplatte, d. h. die bewegte Tischplatte belastet. Die Dreheinheit ist hierfür mit dem Sensor gekoppelt und bildet die Sensordreheinheit. Der Rotor der Dreheinheit trägt dabei den Sensor. Dieser führt Drehbewegungen aus. Die Sensordreheinheit befindet sich an einem festen Punkt im Raum und ist über einen Stator der Dreheinheit fest an diesem Punkt, d. h. statorgestellfest, verankert. Die Planarmotorplatte trägt lediglich an ihrer Unterseite das Linien-Kreuzraster. Durch diese Entkoppelung der Bewegungen der Planarmotorplatte und der Rotation der Sensordreheinheit werden sowohl die Planarmotorplatte als auch die Dreheinheit entlastet. Die Dreheinheit trägt und bewegt also lediglich den verhältnismäßig leichten Sensor, während auf der Planarmotorplatte keine zusätzlichen, sich bewegenden Komponenten angeordnet werden müssen.
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Entsprechend einfach gestalten sich dabei die Energie- und Signalzuführungen an die entsprechenden Komponenten. Da die Sensordreheinheit ortsfest und von der Planarpositioniereinheit unabhängig verankert ist, müssen in der Planarpositioniereinheit keine entsprechenden Energiezuführungen integriert sein.
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Zweckmäßigerweise weist die Dreheinheit eine Stelleinheit zum Messen und Arretieren eines Drehwinkels auf. Eine derartige Stelleinheit bewirkt eine genaue Winkeleinstellung der Dreheinheit und damit auch des auf dem Rotor angebrachten Sensors.
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Die Stelleinheit weist bei einer zweckmäßigen Ausführungsform einen auf einer Lagermantelfläche angeordneten Maßstab zum Registrieren eines Drehwinkels auf. Dieser Maßstab kennzeichnet dabei die jeweiligen Winkelstellung der Lagermantelfläche und damit des Rotors mit einer hinreichenden Feinheit.
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Zweckmäßig ist eine durch die Stelleinheit erreichbare spannungs- und Spielfreie Arretierung eines gegebenen Drehwinkels. Die Spannungsfreiheit sichert dabei ein ruckartiges Anfahren der Dreheinheit aus einer gegebenen Winkelstellung heraus, die Spielfreiheit sichert eine verrückungsfreie Justierung des Drehwinkels bzw. einer aktuellen Winkelstellung.
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Als Lager für die Dreheinheit können verschiedene Ausführungsformen verwendet werden. Bei einer ersten Ausführungsform enthält die Dreheinheit ein Luftlager. Ein derartiges Lager ist besonders reibungsarm und leichtgängig.
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Alternativ zu dem Luftlager kann auch ein Drehfederlager zur Anwendung kommen. Besonders vorteilhaft sind Ausführungsformen der Dreheinheit mit einem Magnetdrehlager. Dieses ist ähnlich wie das Luftlager reibungsarm.
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Ein qualitativ vergleichbares Lager zur Verwendung in der Dreheinheit ist ein hydrostatisches Lager, bei dem unter Druck ein flüssiges Schmiermittel in den Lagerspalt eingepresst wird.
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Die Dreheinheit kann ebenso mit einer Hebelgetriebeanordnung für Drehbewegungen um eine Achse ausgestattet sein. Eine derartige Anordnung gewährleistet präzise Einstellungen eines Drehwinkels, weist als Nachteil allerdings einen mehr oder weniger stark eingeschränkten Schwenkbereich auf.
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Anstelle der Hebelgetriebeanordnung können ebenso eine Blattfederanordnung für Drehbewegungen um eine Achse oder eine Kreuzfederanordnung für Drehbewegungen um eine Achse verwendet werden. Schließlich ist auch die Verwendung eines Wälzlagers bei der Dreheinheit möglich. Ebenso können auch herkömmliche Gleitlager verwendet werden, sofern keine großen Genauigkeiten bei der Winkeleinstellung und Drehbewegung erforderlich sind.
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Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist eine ortsfeste Führungsplatte mit großer Trägheit vorgesehen, die eine Aufnahmevorrichtung für die Sensordreheinheit aufweist. Die große Trägheit sichert hinreichend große schwingungsdämpfende Eigenschaften und schirmt Erschütterungen ab.
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Darüber hinaus ist eine externe Steuereinheit zum Verarbeiten von von der Stelleinheit übermittelten Messsignalen und zum Ausgeben eines Steuersignals zum Feststellen der Dreheinheit in einer definierten Winkelstellung vorgesehen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur planaren Positionierung von Werkstücken soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die beigefügten 1 bis 3. Es werden für gleiche bzw. gleichwirkende Teile die selben Bezugszeichen verwendet.
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Es zeigt:
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1 eine Übersichtsdarstellung einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 einen beispielhaften Aufbau einer Sensordreheinheit und
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3 eine beispielhafte prinzipielle Verschaltung zwischen der Sensordreheinheit und einer Steuereinheit.
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1 zeigt eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung im Überblick. Die Vorrichtung umfasst einen Planarantrieb 1, der eine Bewegung einer Planarmotorplatte 2 in einer XY-Ebene bewirkt. Mechanisch von der Bewegung des Planarantriebs und damit der Planarmotorplatte entkoppelt befindet sich eine Dreheinheit 3 in einer Führungsplatte 4. Die Führungsplatte 4 besteht aus einem möglichst massiven und schweren Material mit einer hinreichend großen Trägheit gegenüber Erschütterungen, vorzugsweise aus einem Steinmaterial oder einem Metall. Sie kann beispielsweise ein Granit- oder Stahlblock sein. Sie weist Führungsmittel 5 auf, die zur mechanischen Führung des Planarantriebs 1 dienen und auf denen die Gesamtheit aus Planarantrieb und Planarmotorplatte ruht.
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Zur Positionsbestimmung der Planarmotorplatte 2 dient eine Auflichtsensoreinheit 6. Diese besteht aus einem Sensor 7 und einem Linien-Kreuzraster 8. Dabei befindet sich der Sensor auf einem Rotor 9 der Dreheinheit 3 und bildet zusammen mit der Dreheinheit eine Sensordreheinheit 10.
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Wie aus dem Ausführungsbeispiel hervorgeht, sind die Bewegungen der Sensordreheinheit 10 einerseits und des Linien-Kreuzrasters 8 andererseits kinematisch entkoppelt. Das bedeutet vor allem, dass die Sensordreheinheit auf einem festen Punkt auf der Führungsplatte 4 befestigt ist. Die Befestigung der Sensordreheinheit erfolgt über einen Stator der Dreheinheit 3, der zusammen mit einer Reihe von Leitungen zur Signal- und Energieübertragung fest auf der Führungsplatte 4 installiert ist.
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Der Sensor 7 und das Linien-Kreuzraster 8 befinden sich in einem gleichbleibenden Abstand A zueinander. Der Verbund aus dem Linien-Kreuzraster und der Planarmotorplatte bildet dabei eine Planarpositioniereinheit 12 zur Positionsbestimmung des Planarantriebes in der XY-Ebene. Die Sensordreheinheit 10 dient einer DrehwinkelPositionierung bzw. einer Bestimmung oder Festlegung einer Drehwinkelposition. Die Planarmotorplatte 2 trägt dabei ausschließlich die zur planaren Positionsbestimmung notwendigen Komponenten, d. h. bei dem hier gezeigten Beispiel das Linien-Kreuzraster, während die Dreheinheit 3 ausschließlich den in eine jeweilige Drehwinkelposition gestellten Sensor 7 bewegt.
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2 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Sensordreheinheit 10. Deren Grundkomponenten werden wie erwähnt durch die Dreheinheit 3 und den Sensor 8 gebildet. Der Sensor befindet sich dabei auf einem Rotor 9 oder auf einer von dem Rotor getriebenen Antriebswelle.
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Die Dreheinheit umfasst einen Motor 13, der z. B. als ein Schrittmotor ausgebildet ist. Die von dem Motor verursachte Drehbewegung des Rotors, insbesondere der dabei durchfahrene Winkel wird von einer Stelleinheit 14 registriert bzw. festgelegt. Diese umfasst einen auf einer Rotortrommel 15 aufgebrachten Maßstab aus Winkelmarkierungen 16 in einer hinreichend feinen Winkelteilung und einen Rotationssensor 17 zum Registrieren der Markierungen des Maßstabes. Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform bestehen die Markierungen des Maßstabes aus hinterleuchteten Schlitzen, wobei eine durch das Vorbeilaufen der Schlitze modulierte Lichtintensität an dem als eine Photozelle oder Photodiode ausgebildeten Rotationssensor 17 als eine Reihe von Zählimpulsen erfasst wird. Diese Zählimpulse werden entweder in einer in der Dreheinheit selbst integrierten Recheneinheit oder in einer externen Steuereinheit in Drehwinkel umgerechnet.
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Zur Arretierung eines bestimmten Drehwinkels ist eine Bremseinheit 18 vorgesehen, die die Bewegung der Rotortrommel beim Erreichen eines bestimmten Drehwinkels zum Stillstand bringt. Zweckmäßigerweise wird hierfür eine formschlüssig in die Oberfläche der Rotortrommel eingreifende Bremseinheit bevorzugt. Der Formschluss erfolgt durch einen Eingriff von an der Bremseinheit angeordneten Vertiefungen, insbesondere Riffelungen, in entsprechende Riffelungen auf der Rotortrommel. Dies garantiert eine einerseits spannungslose Arretierung der Rotortrommel bei einer bestimmten Winkelstellung des Rotors, die andererseits keinerlei Spiel zulässt und damit eine genau definierte Winkelstellung sichert.
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Die Lagerung des Rotors erfolgt durch ein Lager 19 mit maximalen Leichtlaufeigenschaften. Als besonders zweckmäßig haben sich dabei Luftlager herausgestellt, bei denen das die Reibung minimierende Luftpolster entweder statisch oder dynamisch bei Einsetzen der Bewegung des Rotors erzeugt wird. Statische Ausführungsformen sind dabei etwas zweckmäßiger, weil die Minimierung der Reibung sofort mit Einsetzen einer auch nur geringfügigen Rotorbewegung einsetzt.
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Anstelle der Luftlagerung können auch andere Lagertypen angewendet werden. In diesem Zusammenhang sind insbesondere hydrostatische bzw. hydrodynamische Ausführungsformen des Lagers zu erwähnen, bei denen das Luftpolster durch einen niedrig viskosen Flüssigkeitsfilm ersetzt ist, wodurch die Reibungsminimierung in einer zum Luftlager analogen Weise erreicht wird.
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Eine ebenso vorteilhafte Wirkung bieten Magnetlager. Bei diesen Lagertypen wird die reibungsminimierende Wirkung durch magnetische Abstoßungskräfte erzielt.
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Natürlich können auch andere Lagertypen zur Anwendung kommen. Zu erwähnen sind an dieser Stelle Gleitlager und Wälz- bzw. Kugellager.
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3 zeigt einen beispielhaften Prinzip-Schaltplan für eine Betriebssteuerung der Sensordreheinheit 10. Bei dem in der Figur dargestellten Beispiel ist hierfür eine externe Steuereinheit 20 vorgesehen. Diese ist hier beispielhaft in eine Sensorsteuereinheit 21 und eine Drehsteuereinheit 22 unterteilt.
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Die Sensorsteuereinheit 21 enthält ein Sensorvergleichsglied 23 zum Abgleichen eines von dem Sensor 7 einlaufenden Sensormesssignals 24 mit einem vorgegebenen Sensorsollwert 25. In Abhängigkeit von dem dabei ermittelten Vergleichsresultat gibt das Sensorvergleichsglied dabei ein Drehaktivierungssignal 26 an die Drehsteuereinheit 22 aus.
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Die Drehsteuereinheit 22 enthält ein Drehvergleichsglied 27 zur Signalverarbeitung für eine Betriebssteuerung der Dreheinheit 3. Die dabei im Einzelnen verarbeiteten Signale sind bei der hier gezeigten Ausführungsform ein Motorsteuerungssignal 28, ein Winkelstellsignal 29 bzw. ein Bremssignal 30.
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Ein beispielhafter, durch die Anordnung in 3 realisierter Stellprozess soll im Folgenden anhand eines einfachen Ausführungsbeispiels beschrieben werden. Ziel des Stellprozesses ist die Gewinnung eines Parameters zur Winkelsynchronisation zwischen der Planarmotorplatte und einem darauf befestigten Werkstück.
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Der Sensor 7 nimmt hierzu in einem Auflichtverfahren von der an der Planarmotorplatte befestigten Linien-Kreuzplatte 8 das Sensormesssignal 24 auf, dessen Signalpegel von den auf der Linien-Kreuzplatte aufgebrachten, hinreichend kontrastreichen Referenzstrukturen, beispielsweise Linien oder Orientierungskreuzen, bestimmt wird.
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Der Signalpegel des Sensormessignals 24 wird in dem Sensorvergleichsglied 23 mit dem Sensorsollwert 25 verglichen. Im einfachsten Fall erfolgt dabei ein einfacher binärer Abgleich zwischen einem Soll- und einem Istwert des Sensormesssignals, aus dem hervorgeht, ob der Sensor eine richtige Winkellage bezüglich der Linien-Kreuzplatte 8 einnimmt.
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Bei einer zwischen dem Sensormessignal 24 und dem Sensorsollwert 25 auftretenden Differenz gibt das Sensorvergleichsglied 23 das Drehaktivierungssignal 26 aus. Dieses Drehaktivierungssignal wird von der Sensorsteuereinheit 21 an die Drehsteuereinheit 22 übergeben und liegt nunmehr als ein Input an dem dort enthaltenen Drehvergleichsglied 27 an.
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Durch das anliegende Drehaktivierungssignal gibt nun das Drehvergleichsglied 27 das Motorsteuerungssignal 28 an den Motor 13 aus. Der Motor wird damit in Betrieb genommen. Es ist ebenso möglich, dass der Motor permanent aktiviert ist. In diesem Fall wird das Motorsteuerungssignal an eine hier nicht gezeigte Kupplung innerhalb der Dreheinheit übertragen. Infolge des Motorsteuerungssignals wird dann die Kupplung geschlossen, wodurch der Rotor 9 zusammen mit dem Sensor 7 ebenfalls in Rotation versetzt wird.
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Während der Rotation des Stators 9 werden die dabei durchlaufenden Winkelstellungen über die Winkelmarkierungen 16 im Zusammenwirken mit dem Rotationssensor 17 erfasst. Die dabei aufgenommenen Werte werden als das erwähnte Winkelstellsignal 29 an das Drehvergleichsglied 27 übermittelt. Im einfachsten Fall besteht das Winkelstellsignal aus einer fortlaufenden Folge einzelner Signalimpulse, die die der Drehvergleichseinheit gezählt und in Winkelwerte umgerechnet werden.
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Während des Rotationsvorgangs überträgt der Sensor 7 fortlaufend das Sensormessignal 24 an die Sensorvergleichseinheit 23, wobei der beschriebene Vergleichsvorgang zwischen dem Sensorsollwert 25 und dem Sensormesssignal 24 erfolgt. Sobald die Rotation des Sensors dazu führt, dass dass Sensormesssignal 24 mit dem Sensorsollsignal 25 übereinstimmt, wird die Ausgabe des Drehaktivierungssignals 26 von der Sensorvergleichseinheit 23 an die Drehvergleichseinheit 27 abgebrochen. In diesem Fall gibt nun die Drehvergleichseinheit das Bremssignal 30 an die Bremseinheit 18 aus. Der gleichzeitig ermittelte Wert des zuletzt einlaufenden Winkelstellsignals 29 gibt nun die momentane Winkelstellung des Sensors 7 an. Die Differenz des aktuellen Winkelstellsignals zu dem vor Beginn der Rotation anliegenden Winkelstellsignal entspricht dann dem zu ermittelnden Drehwinkel.
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Bei einem anderen Verfahren zur Drehwinkelbestimmung entfallen die Bremseinheit 18 und die Ausgabe des Bremssignals 30. In diesem Fall vollführt der Motor 13 und mit ihm der Rotor 9 eine permanente Rotation, die vorzugsweise mit einer hohen Drehzahl ausgeführt wird. Die Sensorvergleichseinheit 23 gibt dabei fortlaufend einen Differenzwert zwischen dem Sensorsignal 24 und dem Sensorsollsignal 25 als eine zeitabhängige Sensorfunktion an die Drehvergleichseinheit 27 aus. Immer dann, wenn die momentane Winkelstellung des Sensors 7 die Referenzstrukturen der Linien-Kreuzplatte 8 registriert, zeigt die Sensorfunktion ein charakteristisches Minimum oder Maximum. Die Drehvergleichseinheit ordnet dem Minimum bzw. Maximum über das Winkelstellsignal 29 einen Winkelstellwert des Rotors 9 zu. Dieser Winkelstellwert wird innerhalb der Drehvergleichseinheit 27 gespeichert.
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Verändert sich die Winkelstellung der Linien-Kreuzplatte 8, so wird die Position des Minimums bzw. Maximums in der Sensorfunktion durch den Winkelsensor 17 und die Drehvergleichseinheit 27 an einer neuen Winkelstellung registriert. Die Differenz zwischen der alten Position und der neuen Position des charakteristischen Minimums in der Winkelstellfunktion ergibt dann den zu korrigierenden Drehwinkel.
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Ein Vorteil der letztgenannten Methode ist es, dass dabei Anfahr- und Bremseffekte vollständig vermieden werden können, die anderenfalls den Messwert verfälschen könnten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Planarantrieb
- 2
- Planarmotorplatte
- 3
- Dreheinheit
- 4
- Führungsplatte
- 5
- Führungsmittel
- 6
- Auflichtsensoreinheit
- 7
- Sensor
- 8
- Linien-Kreuzraster
- 9
- Rotor
- 10
- Sensordreheinheit
- 12
- Planarpositioniereinheit
- 13
- Motor
- 14
- Stelleinheit
- 15
- Rotortrommel
- 16
- Winkelmarkierungen
- 17
- Rotationssensor
- 18
- Bremseinheit
- 19
- Lager
- 20
- Steuereinheit
- 21
- Sensorsteuereinheit
- 22
- Drehsteuereinheit
- 23
- Sensorvergleichsglied
- 24
- Sensormesssignal
- 25
- Sensorsollwert
- 26
- Drehaktivierungssignal
- 27
- Drehvergleichsglied
- 28
- Motorsteuerungssignal
- 29
- Winkelstellsignal
- 30
- Bremssignal
