DE2617312C3 - - Google Patents
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Description
weise zugänglich ist.
Weitere Einzelheiten zur Ausgestaltung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 in perspektivischer Ansicht das bekannte Prinzip der Lageausrichtung einer Schaltplatte und
einer Maske;
Fig.2 schematisch einen Grundriß einer bekannten Einstellvorrichtung;
Fig.3 eine Seitenansicht einer weiteren bekannten
Einstellvorrichtung;
Fig.4 einen zum Teil geschnittenen Grundriß einer erfindungsgemäßen Einstellvorrichtung;
Fig.hA ein Diagramm für das Verhältnis zwischen den X-, Y- und Z-Achsen bezüglich der verschiedenen
Einzelteile der Vorrichtung;
Fig.5 einen Schnitt durch die Vorrichtung nach Fig.4 entlang der Linie V-V und zwar unter Einschluß
eines Mechanismus zum Ausrichten der Lage einer Schaltplatte und einer Maske;
Fig. 6 einen Schnitt durch die Vorrichtung nach F i g. 4 entlang der Linie VI-VI, ebenfalls unter Einschluß
eines Mechanismus zum Ausrichten der Stellung der Schaltplatte und der Maske;
F i g. 7 einen Längsschnitt durch eine Werkstück-Tragplatte und einen Umlaufkörper entsprechend den
Fig.4 bis6;
F i g. 8 einen Schnitt durch die Vorrichtung nach F i g. 7 entlang der Linie VIII-VIII;
F i g. 9 einen Grundriß der Werkstück-Tragplatte;
Fig. 1OA einen Grundriß einer Ausführungsform für
die Konstruktion eines elektrostriktiven Elementes gemäß Fig. 7;
Fig. 1OB eine Seitenansicht des elektrostriktiven Elementes gemäß Fig. 1OA;
F i g. 11 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch
eine Maskenannäherungsvorrichtung zur Verwendung für die aus Maske und Schaltplatte bestehende
Kombination nach F i g. 5 und 6;
Fig. 12 ein Blockdiagramm für das Antriebssystem der Einstellvorrichtung nach den vorausgehenden
Figuren.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dient die Vorrichtung zur Einstellung der Lage eines Gegenstandes
184 in Form einer Halbleiter-Schaltplatte, wie sie für große integrierte Schaltungen Verwendung findet. Auch
umfaßt die Beschreibung den Mechanismus und die elektrische Schaltung zur gleichzeitigen Belichtung der
Schaltplatte unter Verwendung einer Maske.
Fig. 10 zeigt einen vorwiegend geschnittenen Grundriß der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Feineinstellung, wobei eine Maskenannäherungsvorrichtung abgenommen ist.
Zum leichteren Verständnis der Erfindung werden im folgenden anhand der F i g. 4, 5 und 6 die Hauptelemente
nacheinander beschrieben.
Stationärer Rahmen
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel umfaßt der stationäre Teil der Vorrichtung zwei ringförmige
stationäre Rahmen 51 und 52 aus nichtmagnetischem Material. Diese Rahmen sind unter Einschluß eines
definierten Zwischenabstandes und entlang einer Achse, beispielsweise entlang der X-Achse, auf einer nicht
dargestellten, stationären Platte angeordnet. Die Richtung der jeweiligen Achsen wurde so gewählt, wie es in
F i g. 4A angegeben ist.
Äußerer, in Richtung der X-Achse
bewegbarer zweiler Rahmen
bewegbarer zweiler Rahmen
Ein zweiter, bewegbarer Rahmen 55 in Form eines äußeren Gehäuses, das im folgenden als X-Stufe
bezeichnet wird, ist in Richtung der X-Achse bewegbar und besitzt die Form eines im wesentlichen rechteckigen
Kastens. Der Kasten sitzt zwischen den ringförmigen stationären Rahmen 51 und 52 auf der X-Achse.
Die X-Stufe 55 liegl in gleichem Abstand zu den
ringförmigen Rahmen 51 und 52. Die einander gegenüberliegenden Enden der X-Stufe 55 sind
geschlossen. An den Außenwänden der X-Stufe 55 sind die Innenränder von ringförmigen elastischen Halteelementen
57 und 58 (ringförmigen Vibrationsmembranen) befestigt. Die Außenränder dieser Halteelemente sind
über dem gesamten Umfang an den Innenwänden der stationären Rahmen 51 und 52 festgelegt. Folglich ist die
X-Stufe 55 über die ringförmigen Vibrationsmembranen an den stationären Rahmen 51 und 52 aufgehängt. Die
Membranen bestehen aus nichtmagnetischem Material, wie etwa metallischem Titan, 18-8 rostfreiem Stahl mit
einem kleinen linearen Dehnungskoeffizienten, einem hohen Youngs-Modul, einer hohen Zugfestigkeit, einer
hohen Fließgrenze und einer extrem hohen Biegefestigkeit. Es sei darauf hingewiesen, daß die X-Stufe 55 ihrer
Konstruktion nach eine ausreichende Festigkeit besitzt, um als absolut starrer Körper in Richtung der X-Achse
zu wirken, wenn sie nach Art eines Kolbens entlang der X-Achse bevegt wird, wie es im folgenden noch
beschrieben werden soll. Ringförmige Metallrahmen 59 und 60 liegen koaxial zu beiden Enden der X-Stufe in
Richtung der X-Achse. Verschiedene Spulen, die später noch beschrieben werden, sind um die Metallrahmen 59
und 60 gewickelt.
Im einzelnen ist auf den Metallrahmen 59 eine
ίο Antriebsspule 62 gewickelt, die einen Teil eines
dynamischen, elektromechanischen Wandlers 61 bildet, welcher eine 0-Frequenz entlang der X-Achse liefert.
Außerhalb und neben der Antriebsspule 62 ist eine Meßspule 63 für die X-Geschwindigkeit angeordnet.
Letztere ist die Fördergeschwindigkeit in Richtung der X-Achse.Vorzugsweise sieht man einen nicht dargetellten
Spalt im Metallrahmen 59 vor. um einen Sekundärstrom zu vermeiden, der im Metallrahmen 59
bei dessen Bewegung induziert wird und die Ausgangsspannung der Geschwindigkeits-Meßspule 63 beeinflußt.
Zusätzlich zu der oben beschriebenen Antriebsspule 62 besitzt der dynamische elektromechanische Wandler
61 ein kappenförmiges Element 67 mit einer kreisförmi-
gen Öffnung 65 und einem inneren Hohlraum 66. Ein inneres Polelement 68 sitzt innerhalb der kreisförmigen
Öffnung 65 und bildet einen vorbestimmten Abstand mit dieser. Ferner liegt ein zylindrischer Permanentmagnet
69 zwischen dem äußeren Polelement 67 und dem
f>o inneren Polelement 68, und zwar koaxial zum inneren
Polelement 68 und auf der X-Achse. Diese Elemente liegen koaxial zur X-Stufe 55 und bilden einen Ringspalt
zwischen der Innenwand der öffnung 65 und dem inneren Polelement 68. In diesem Ringspalt sitzt der
f>5 Metallrahmen 69, der die Antriebsspule 62 trägt, und
zwar in frei bewegbarer Anordnung. Eine Kompensationsspule 70 mit im wesentlichen dem gleichen
Federkoeffizienten ist auf der Polfläche des inneren
Polelementes 68 angeordnet, und zwar an einer Stelle, die der Meßspule 63 für die -^-Geschwindigkeit
gegenüberliegt. Die Spulen 63 und 70 sind entgegengesetzt geschaltet. Man kann also den Abfall in der
Geschwindigkeits-Meßgenauigkeit verhindern, der von der in der Geschwindigkcits-Meßspule 63 induzierten
Spannung hervorgerufen wird, wenn der Antriebsstrom, der durch die Antriebsspule 62 für den 0- Frequenz-Vorschub
in Richtung der X-Achse fließt, bei einer Zunahme der Steuergeschwindigkeit variiert.
Durch die inneren und äußeren Polelemente 68 bzw. 67 und durch den Permanentmagneten 69 erstreckt sich
in Richtung der X-Achse eine durchgehende öffnung 71. Durch diese Öffnung gehl ein Anschlußelement 73a
hindurch, weiches eine Elektrode 73 in einem Raum zwischen dem inneren Elektrodenelement 68 und der
X-Stufe trägt. Der Zweck dieser Elektrode 73 liegt darin, die Veränderung in der elektrostatischen
Kapazität zu messen, die durch eine Bewegung der X-Stufe in Richtung der X-Achse hervorgerufen wird,
um auf diese Weise eine geringfügige Verschiebung der X-Stufe 55 entlang der X-Achse festzustellen.
Um den Metallrahmen 60 ist eine Antriebsspule 75 gewickelt. Diese Antriebsspule 75 bildet einen Teil eines
dynamischen elektromechanischen Wandlers 74 zum Überlagern einer Vibration in Richtung der X-Achse auf
die Vibration der X-Stufe. Außen und neben der Antriebsspule 75 ist eine Därnpfungsspule 76 angeordnet,
um flüchtige Vibrationen (transient vibrations) zu vermeiden, die zum Zeitpunkt einer äußeren Störung
oder Steuerung auftreten. Die Dämpfungsspule 76 ist über einen äußeren Kreis kurzgeschlossen oder über
einen äußeren Steuerkreis mit der Meßspule 63 für die X-Geschwindigkeit verbunden. Zum Aufbringen einer
wirksamen Dämpfung auf den Metallrahmen 60 ist, abweichend vom Metallrahmen 59, kein Schlitz
vorhanden.
Zusätzlich zu der Antriebsspule 75 besitzt der dynamische elektromechanische Wandler 74 ein kappenförmiges
äußeres Polelement 79 mit einer kreisförmigen Öffnung 77 und einem inneren Hohlraum 78. in
der Öffnung 77 ist ein inneres Polelement 80 angeordnet, und zwar unter Bildung eines definierten
Luftspaltes. Ein zylindrischer Permanentmagnet 81 sitzt zwischen dem inneren und dem äußeren Polelement 80
bzw. 79, und zwar koaxial zum inneren Polelement. Diese Bauteile liegen koaxial zur X-Stufe 55. Der
Metallrahmen 60, der die Antriebsspule 75 trägt, ist bewegbar in dem Luftspalt zwischen der Innenwand der
öffnung 77 und dem inneren Polelement 80 angeordnet. Eine Durchgangsöffnung S3 erstreckt sich in Richtung
der X-Achse durch das innere und das äußere Polelement sowie durch den Permanentmagneten und
nimmt ein Anschlußelement 84 auf. Letzteres trägt eine T-förmige Elektrode 88 in dem Raum zwischen der
X-Stufe und einer Stirnplatte 85. Das Anschlußelement der Elektrode 88 geht durch eine Öffnung 86 in der
Stirnplatte 85 hindurch und ist mit dem Anschlußelement 84 verbunden. Die Elektrode 88 dient dazu,
geringfügige Verschiebungen einer noch zu beschreibenden V-Stufe in Abhängigkeit von der Veränderung
der elektrostatischen Kapazität zu messen, weiche sich ergibt, wenn die K-Stufe bewegt wird. Gemäß F i g. 4 ist
die Elektrode 88 in Richtung der V-Achse gegen den gegenüber liegenden Teil der y-Stufe versetzt, um eine
genaue Bestimmung geringfügiger Verschiebungen in Richtung der F-Achse festzustellen, wie es sich noch aus
der weiteren Beschreibung ergeben soll.
Äußerer, in Richtung der V-Achse
bewegbarer erster Rahmen
bewegbarer erster Rahmen
Es ist ein erster, bewegbarer Rahmen 90 als äußeres, in Richtung der V-Achse bewegbares Gehäuse vorgesehen,
das im folgenden als V-Stufe bezeichnet wird. Es hat eine im wesentlichen zylindrische Form. An den
einander gegenüberliegenden Slirnplatten der K-Stufe 90 sind die Innenränder ringförmiger elastischer
Halteelemente in Form ringförmiger Vibrationsmembranen 91 und 92 befestigt. Deren Außenkanten sind an
der X-Stufe 55 festgelegt. Genauer gesagt sind die Seilcnwände der sich in Richtung der X-Achse
erstreckenden X-Stufe mit öffnungen 93 und 94 versehen, deren Durchmeser größer als der Außendurchmesser
der V-Stufe 90 ist. Die äußeren Umfangsränder der Vibrationsmembranen 91 und 92 sind an den
Rändern der Öffnungen 93 und 94 befestigt. Demnach wird also die K-Stufe 90 an der X-Stufe 55 aufgehängt.
Die Vibrationsmembranen 91 und 92 bestehen aus dem gleichen Material wie die Vibrationsmembranen 57 und
58, die zum Aufhängen der X-Stufe 55 dienen. Jedoch ist die Dicke der Vibrations-Membranen 91 und 92 derart
gewählt, daß ihre Biegesteifigkeit um eine Größenordnung unter der der Vibralionsmembranen 57 und 58
liegt.
Ringförmige Membranen 96 und 97 stehen in Richtung der V-Achse konzentrisch von gegenüberliegenden
Enden der V-Stufe 90 ab. Sie tragen eine Mehrzahl von noch zu beschreibenden Spulen.
Auf den Metallrahmen 96 ist eine Antriebsspule 100 gewickelt, die einen Teil eines dynamischen elektromechanischen
Wandlers 99 bildet, wobei letzterer zur Erzeugung eines O-Frequenz-Vorschubs in Richtung der
K-Achse dient. Außen neben der Antriebsspule 100 ist eine Meßspule 101 für die V-Geschwindigkeit gewickelt,
die also die Vorschubgeschwindigkeit in Richtung der V-Achse feststellt. Die auf den Metallrahmen %
gewickelten Spulen entsprechen also in ihrer Anordnung und Funktion den Spulen, die auf dem Metallrahmen
59 der X-Stufe 55 sitzen. Ähnlich dem elektromechanischen Wandler 61 der X-Stufe 55, umfaßt der
dynamische elektromechanische Wandler 99 ein äußeres Polelement 103. ein inneres Polelement 104 und
einen Permanentmagneten 105. Insgesamt entspricht die Konstruktion der des Wandlers 61. Der Metallrahmen
96 sitzt bewegbar in einem Luftspalt 106 zwischen dem inneren und dem äußeren Polelement 104 bzw. 103.
Eine Kompensationsspule 107, die im wesentlichen den gleichen Kraftkoeffizienten wie die Meßspule 101 für
die y-Geschwindigkeit aufweist; ίςΐ um das innere
Polelement 104 gewickelt, und zwar an einer Stelle, die der Meßspule 101 für die K-Geschwindigkeit gegenüberliegt
Die Spulen 107 und 101 sind außerhalb der Vorrichtung entgegengesetzt gestaltet
Eine Durchgangsöffnung 108 führt durch das innere und das äußere Polelement 104 bzw. 103 sowie durch
den Permanentmagneten 105, und zwar in Richtung der V-Achse. Die Öffnung nimmt ein Anschlußelement 108a
auf, welches über einen Bleidraht 108b mit einer T-förmigen Elektrode 109 verbunden ist. Letztere sitzt
in der V-Stufe 90. Die Elektrode 109 dient zum Messen des Betrages einer Winkelverschiebung eines noch zu
beschreibenden Umlaufkörpers, und zwar hervorgerufen durch die Veränderung in der elektrostatischen
Kapazität die auftritt, wenn sich der Umlaufkörper dreht
Eine Antriebsspule 112, die einen Teil eines
dynamischen elektromechanischen Wandlers 111 bildet,
ist um den Metallrahmen 97 gewickelt. Der Wandler 111
dient dazu, eine Vibration in Richtung der V-Achse auf die Vibration der V-Stufe 90 zu überlagern, um die
Markierungen auf der Schaltplatte und der Maske festzustellen. Eine Dämpfungsspule 113 ist vorgesehen,
um flüchtige Vibrationen zu vermeiden, die zum Zeitpunkt einer äußeren Störung oder Steuerung
auftreten. Die Dämpfungsspule ist neben der Antriebsspule 112 gewickelt. Ähnlich der Dämpfungsspule 76 des
Wandlers 74 ist die Dämpfungsspule 113 über einen äußeren Kreis kurzgeschlossen oder über einen nicht
gezeigten Steuerkreis mit der Meßspule 101 für die K-Geschwindigkeit verbunden. Die Spulen 112 und 113
sind auf dem Umfang des Metallrahmens 97 in der gleichen Weise angeordnet wie die Spulen auf dem
Metallrahmen 60. Auch stimmen sie in ihrer Arbeitsweise mit letzteren überein.
Da die übrigen Bestandteile des dynamischen elektromechanischen Wandlers 111 denen des Wandlers
99 entsprechen, werden für diese Teile die gleichen Bezugszeichen wie für die entsprechenden Teile des
Wandlers 99 verwendet, jedoch mit einem Zusatz »s«. Die Elektroden 109 und 109s sind symmetrisch
bezüglich der Mittellinie des Umlaufkörpers 120 gemäß F i g. 4 angeordnet und elektrisch derart geschaltet, daß
sich ihre Ausgänge addieren.
Eine ebene Platte 115 ist parallel zur X-Achse in der
Mitte der K-Slufe 90 angeordnet, und zwar in der V-Aehsc oder in deren Nähe. Der Abschnitt der Stufe
direkt oberhalb der ebenen Platte ist entfernt, um die öffnung 94 zu bilden. Ferner ist eine Metallplatte 116
über Arme 117 und 118 derart an der K-Stufe 90 befestigt, daß sie der von der X-Stufe 55 getragenen
Elektrode 88 gegenüberliegt.
Um die Z-Achse drehbarer Umlaufkörper
Der Umlaufkörper 120 sitzt auf einer vertikalen Tragsäule 121 (Fig. 5) in der Mitte der ebenen Platte
115, wobei sich diese Tragsäule in Richtung der Z-Achse
senkrecht zu den X- und K-Achsen erstreckt. F i g. 7 und 8 zeigen die Einzelheiten des Umlaufkörpers 120.
Demnach stehen vier Sätze von elektromechanischen Biegewandlern 126 bis 129 radial von der Tragsäule 121
ab, wobei sie gleiche Winkelabstände zwischen sich einschließen. Jeder Wandlersatz besteht aus drei
bimorphen elektrostriktiven Elementen 123, 124 und 125, die gleichmäßig entlang der Z-Achse verteilt sind.
Die Außenenden der Wandler 126 bis 129 sind an der Innenwand eines Zylinders 130 befestigt. Jedes bimorphe
elektrostriktive Element besitzt eine Konstruktion, wie sie in den Fig. 1OA und 1OB dargestellt ist. Es
besteht also aus zwei übereinander liegenden rechtwinkligen Platten 131a und 131Z) aus ferroelektrostriktivem
Material, wie etwa aus Zirkonium-Titanatblei. Ferner sind an den einander gegenüberliegenden
Flächen der rechtwinkligen Platten 131a und 1316 Elektroden 132a, 1326 und 132c angeordnet, um
Polarisierungs- und Antriebsspannungen anzulegen. Jeder Wandler besteht deshalb aus vier in axialem
Abstand angeordneten elektrostriktiven Elementen, weil man längliche Elemente verwenden will, die sich in
Drehrichtung biegen können, um ein gleichförmiges Drehmoment auf den Umlaufkörper in Richtung nach
oben und nach unten aufzubringen und um das Gesamtdrehmoment zu erhöhen. Man kann drei oder
vier oder mehr elektrostriktive Elemente verwenden. Beim Ausführungsbeispiel sind vier Wandler in Radialrichtung
angeordnet, um ein höheres Drehmoment als lediglich mit einem einzigen Wandler zu erzeugen und
um einen stabilen Betrieb sicherzustellen, indem man Drehmomente in der gleichen Richtung hervorruft, d. h.,
in Umfangsrichtung. Vier radiale Versteifungselemente in Form elastischer Versteifungsplatten 134 bis 137 sind
unter gleichem Abstand in Radialrichtung zwischen der Tragsäule 121 und dem zylindrischen Körper 130
angeordnet, um das Drehverhalten bzw. die Drehlage des zylindrischen Körpers sicherzustellen. Diese elastisehen
Platten 134—137 liegen zwischen benachbarten Wandlern. Die elastischen Platten 134 bis 137 bestehen
aus einem Material mit ähnlichen Eigenschaften wie die ringförmigen Vibrationsmembranen 57, 58 bzw. 91, 92
und sind so konstruiert, daß sie die Hysteresiseigenschäften der Wandler 126 bis 129 kompensieren, nicht
jedoch deren Resonanzfrequenz vermindern und keine längsgerichtete Kraft (Schwerkraft) auf die Wandler
ausüben, also die Wandler nicht verspannen. Die Biegewandler 126 bis 129 sind so angeordnet, daß sie
sich in der gleichen Richtung durchbiegen, wenn sie mit einer Antriebsspannung versorgt werden. Eine derartige
Konstruktion bietet ohne weiteres die Möglichkeil, eine Winkelversetzung in der Größenordnung von 10
Micron hervorzurufen.
Man verwendet mindestens vier Biegewandler 126 bis 129 und mindestens vier elastische Versteifungsplatten
134 bis 137, um eine Ausfluchtung mit den Verschiebeachsen der X- und K-Stufen 55 bzw. 90 zu erzielen, d. h.,
mit den X-, Y- und Z-Achsen. Bei einer solchen Konstruktion kommt es nicht zu einer Verschiebung
oder Verformung des zylindrischen Körpers 130, wenn die Tragsäule 121 gegen die X-Stufe 55 oder K-Stufe 90
bewegt wird, so daß die Drehachse des zylindrischen Körpers 130 exakt der Bewegung der V-Stufe folgen
kann. Man bildet den zylindrischen Körper 130 so lang wie möglich aus, so daß seine obere Fläche mit der
gewünschten Genauigkeit in der Horizontalen umläuft, wenn die Antriebsspannung an die Wandler 126 und 129
angelegt wird, um letztere durchzubiegen. Um die Verlängerung und Zusammenziehung der Wandler 126
bis 129 in Richtung der Z-Achse zu vermindern, ordnet man entsprechende elektrostriktive Elemente der
jeweiligen Wandler an. Aus dem gleichen Grunde wählt man die Breite der elastischen Versteifungsplatten 134
bis 137 gleich der axialen Länge des zylindrischen Körpers 130.
Platte zum Befestigen eines Werkstückes
und Einstellmechanismus für dessen Neigung
und Einstellmechanismus für dessen Neigung
Die Konstruktion einer Platte 140 zum Befestigen eines Werkstückes 184 geht im einzelnen aus den F i g. 7,
8 und 9 hervor. Die obere Kante des zylindrischen Körpers 130 des Umlaufkörpers 120 trägt drei aufrechte
Vorsprünge 141, 142 und 143 zum Halten eines Ringes
145. Letzterer ist mit nach innen ragenden elastischen Elementen in Form von Stabilisierungsplatten 146, 147
und 148 versehen, die die Platte 140 tragen.
Elektrostriktive Biegewandler 150, 151 und 152 sind mit ihren einen Enden an den zugehörigen Vorsprüngen
140,142 und 143 befestigt, wobei die Elektrodenflächen
horizontal gehalten werden, um die Höhe in Richtung der Z-Achse sowie die Neigung einzustellen. Jeder
Wandler besteht aus einem Paar von elektrostriktiven Elementen, die in horizontaler Ebene zusammengesetzt
sind. Die anderen Enden der Wandler sind an Ansätzen 153, 154 und 155 befestigt, welche von der unteren
Fläche der Platte 140 nach unten ragen. Jeder Ansatz besitzt eine hohe Steifigkeit in vertikaler Richtung bzw.
in Richtung der Z-Achse, jedoch eine relativ geringe Steifigkeit in horizontaler Richtung. Elastische Platten
in Form von Segmenten 157, 158 und 159 sind mit ihren einen Seiten an einer Seite eines zugehörigen Ansatzes
befestigt. Starre Zapfen 160, 161 und 162 sind jeweils an den anderen Seiten zugehöriger elastischer Segmente
festgelegt. Die unteren Enden der Zapfen 160, 161 und 162 sind mit runden elastischen Elementen 167,168 und
169 in Ausnehmungen 163, 164 und 165 der oberen Fläche der Tragsäule 121 sowie mit starren zylindrischen
Elementen 170, 171 und 172 verbunden, wobei letztere in den Ausnehmungen der zugehörigen
elastischen Elemente 167, 168 und 169 sitzen. Die unteren Enden der Zylinder 170, 171 und 172 sind an
elastischen Sitzen 173, 174 und 175 (von denen lediglich der Sitz 173 gezeigt ist) befestigt, wobei die Sitze mit
den Innenwänden der Ausnehmungen 176, 177 und 178 (lediglich die Ausnehmung 176 ist dargestellt) in der
oberen Fläche der Tragsäule 121 verbunden sind.
Die elastischen Elemente 167 bis 169, 173 bis 175 und die elastischen Segmente 157 bis 159 bilden ein
elastisches Auflager für die das Werkstück tragende Platte 140. Das Auflager dient dazu, ungleiche
Belastungen zwischen den drei Sätzen der Biegewandler 150,151 und 152 zu absorbieren. Letztere treten auf,
wenn die Neigung der Platte korrigiert wird. Auch werden ungleiche Belastungen aufgrund ungleicher
Empfindlichkeit der Elemente ausgeglichen. Kombiniert man also das elastische Auflager mit den Biegewandlern
150, 151 und 152, so ist es möglich, eine Feineinstellung der Platte 140 in ihrer Höhe und in ihrer Neigung
vorzunehmen.
Die drei elastischen Stabilisierungsplatten 146, 147 und 148, die den Umfang der Werkstückplatte 140
tragen, verhindern eine Instabilität der Platte bei starken Bewegungen des Umfangs der Platte. Letztere
können sich ergeben, wenn die Biegewandler 150, 151 und 152 in Betrieb genommen werden, um die Neigung
einzustellen. Die elastischen Platten sorgen ferner für die Nachfolgecharakteristik der Werkstückplatte bei
den Bewegungen des zylindrischen Körpers !30. der Tragsäule 121 und der X- sowie V-Stufen 55 bzw. 90.
Die Platte 140 ist mit einer Mehrzahl von dünnen Sauglöchern 179 versehen, so daß das Werkstück durch
Unterdruck angezogen werden kann. Diese Sauglöcher stehen mit einer Unterdruckquelle in Verbindung, und
zwar über eine Hinlerkammer 130, einen Nippel 181 und einen Schlauch 182. Um die Haftung des Werkstückes
zu erhöhen, ist die obere Fläche der Platte 140 auf Spiegelglanz bearbeitet.
Die Platte 140 weist ferner eine Mehrzahl von Durchbrüchen 182 zum Durchgang eines Lichtstrahles
oder eines Röntgenstrahles auf. Letztere dienen zum Ermitteln der Markierungen auf der Schaltplatte. Direkt
unterhalb der Durchbrüche ist eine Mehrzahl von Lichtempfängern 183 angeordnet.
Der zylindrische Körper 130. die Platte 140 für das Werkstück und ein Teil der K-Stufe bilden, obwohl dies
in der Zeichnung nicht dargestellt ist, eine Meßelektrode zum Messen einer Verschiebung in vertikaler
Richtung (Z-Achse) und einer Neigung der V-Stufe 90. Diese Elektrode entspricht in ihrer Konstruktion den
Elektroden zum Messen der Verschiebungen in Richtung der X- und V-Achsen.
In den Fig.5 und 6 trägt die auf der Platte 140
befestigte Schaltplatte das Bezugszeichen 184. Diese Schaltplatte ist von gebräuchlicher Ausbildung und
besitzt Markierungen, wie sie in F i g. 1 gezeigt sind.
Nach den Figuren vier und fünf sind Anschläge 185a, 185b, 186a und I860 vorgesehen, um die Bewegungen
der Wandler in den Richtungen der zugehörigen Achsen zu begrenzen.
Maskenannäherungsvorrichtung
Eine Maskenannäherungsvorrichtung 190 dient dazu, die auf der Platte 140 befestigte Schallplatte an eine
Maske 192 heranzuführen. Fig. 11 zeigt einen entsprechenden
Schnitt in vergrößertem Maßstab. Die Vorrichtung weist einen Haltering 194 auf, um den
Umfang der Maske 192 in an sich bekannter Weise an einem Fußstück 193 zu befestigen. Das Fußstück besitzt
einen kappenförmigen Querschnitt und weist am Boden
eine Öffnung 195 auf, deren Durchmesser im wesentlichen dem Innendurchmesser des Halteringes 194
entspricht. Zwei im Abstand zueinander liegende elastische Flansche 197 und 198 stehen in horizontaler
Richtung bzw. in Richtung der X-Achse von der Außenwand des kappenförmigen Fußstückes 193 ab und
lassen eine Vertikalbewegung zu. Um das Fußstück 193 ist zwischen den elastischen Flanschen eine Antriebsspule 200 herumgewickelt, um die Maske 192 in
vertikaler Richtung zu bewegen. Durch den Antrieb der Spule läßt sich also die Maske in der Vertikalen um etwa
100 Micron verschieben. In diesem Falle ermöglichen die elastischen Flansche eine Mikroeinstellung.
Die Maskenannäherungsvorrichtung 190 umfaßt ein zylindrisches Polelement 201, das konzentrisch zur
Z-Achse liegt und an seinem oberen Ende einen Flansch trägt. Ferner ist ein ringförmiger Permanentmagnet mit
202 vorgesehen. Auch ist ein ringförmiges äußeres Polelement 203 vorhanden. Die Anordnung ist in
Übereinstimmung mit Fig. 11 getroffen, so daß sich ein
ringförmiger magnetischer Kreis bildet. Das untere Ende des inneren Polelementes liegt dem inneren Ende
des äußeren Polelementes 203 gegenüber, und zwar unter Bildung eines definierten Luftspaltes. Die
Antriebsspule 200 für das Fußstück 103 ist in diesem Luftspalt angeordnet. Wie dargestellt, liegen die
elastischen Flansche 197 und 198 auf gegenüberliegenden Seiten des äußeren Polelementes 203. Die
Außenenden der Flansche werden von Klemmringen 208 und 209 gehalten, welche auf der Innenfläche des
äußeren Polelementes 203 befestigt sind. Eine zentrale Öffnung 210 des inneren Polelementes 201 wird so groß
ausgebildet, daß sie den Durchgang eines Arbeitsstrahles, beispielsweise eines Röntgenstrahles, nicht stört
Auf einer nicht dargestellten stationären Basis sind vier vertikale Führungsstangen vorgesehen, von denen
lediglich die Führungsstangen 211 und 212 dargestellt sind. Arme 214 bis 217, die an diesen Führungsstangen
sitzen, tragen die Maskenannäherungsvornchtung 190. Eine Mehrzahl von Elektroden 218 und 219 ist am
Haltering 194 befestigt. Die Elektroden erstrecken sich durch den unteren Abschnitt des Fußstückes 193, gegen
welches die Maske verspannt ist. Diese Elektroden bilden einen Defektor für die Relativhöhe und messen
den Abstand zwischen der Maske 192 und der auf der
i>o Platte befindlichen Schaltplatte, und zwar als Veränderung
der elektrostatischen Kapazität Man kann drei Elektroden verwenden, die in gleichem Abstand,
bezogen auf die Umfangsrichtung, verteilt sind.
fa5 Antriebssystem für die Vorrichtung
zur Feineinstellung
Das Antriebssystem für die Vorrichtung zur Feineinstellung nach den F i g. 4 bis 11 ist in F i g. 12 dargestellt.
Demnach ist ein elektronische1- Rechner 250 vorgesehen,
der als Steuerzentrale zur Steuerung der Stellungen der X- und V-Stufen r^wie des Umlaufkörpers arbeitet,
und zwar in Abhängigkeit von den Informationen, die von verschiedenen Elementen der oben bescnriebenen
Vorrichtung zur Feineinstellung geliefert werden. Bei dem Rechner kann es sich um eine käuflich erwerbbare
Standardausführung handeln. Im folgenden werden die Eingangsvorrichtungen des Rechners beschrieben.
Die Meßspule 63, die die ^-Geschwindigkeit mißt und
auf dem Metallrahmen 59 der .Y-Stufe 55 sitzt, ist mit der auf dem inneren Polelement 69 angeordneten Kompensationsspule
in Serie über die Eingangsanschlüsse eines Verstärkers 252 geschaltet. Der Ausgang dieses
Verstärkers wird in eine Digitalinformation umgewandelt,
und zwar von einem Digital-Analog-Wandler 253. Die Digitalinformation, die die Geschwindigkeit der
JY-Stufe in Richtung der X-Achse wiedergibt, wird
einem Multiplexer 254 zugeführt. Letzterer empfängt außerdem die Information bezüglich der K-Geschwindigkeit,
die man aus einer Schaltung erhält, die ähnlich der vorstehend beschriebenen Schaltung ist. Dabei
werden die in Serie gestalteten Ausgänge der Meßspule für die V-Geschwindigkeit, die auf dem Metallrahmen
96 der V-Stufe 90 sitzt, und der auf dem inneren Polelement 103 angeordneten Kompensationsspule 107
behandelt. Als Ergebnis werden diese Geschwindigkeitsinformationen
von dem Multiplexer multiplexiert und sodann dem Rechner 250 zugeführt.
Das Signal der Elektrode 73, die die Kapazitätsänderung und dementsprechend die Verschiebung aus der
Bewegung der X-Stufe 55 in Richtung der .Y-Achse mißt, wird in einer Operationsschaltung 260 behandelt.
Die Operationsschaltung 260 arbeitet beispielsweise nach einem Frequenzmodulations-Frequenzdiskriminations-System.
Wenn es sich um eine große Verschiebung handelt, kann man die Änderung der Frequenz
verwenden. Die Operationsschaltung 260 sendet eine Abstandinformation bezüglich des Bewegungsabstandes
der A"-Stufe 55 in Richtung der X-Achse an einen Analog-Digital-Wandler 261, so daß eine Digitalinformation
zu einem zweiten Multiplexer 262 gelangt. Der Multiplexer 262 erhält außerdem noch folgende
Informationen: Eine Abstandsinformation von der Elektrode 88 bezüglich der Bewegung der V-Stufe 90 in
Richtung der K-Achse sowie eine Information bezüglich
des Drehwinkels Θ von den Elektroden 109 und 109s. wobei diese Informationen in der oben beschriebenen
Weise behandelt und zugeführt werden; eine Information bezüglich der Bewegungsstrecke des Werkstückes
in Richtung der Z-Achse: und eine Information bezüglich des Neigungswinkels der das Werkstück
tragenden Platte 140. Der Multiflexer 260 arbeitet also derart, daß diese Informationen multiflexiert und
anschließend dem Rechner 250 zugeführt werden.
Die Gruppe von Lichtempfängern 183 nimmt Lichtstrahlen 270 auf, welche dazu dienen, die
Stellungen der Schaltplatte 184 und der Maske 192 aufeinander auszurichten. Die Ausgänge der Lichtempfänger
183 gelangen zu einem Verarbeitungselement 271. welches entscheidet, ob die Stellungen der
Schaltplatte und der Maske aufeinander ausgerichtet sind oder nicht. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
ermittelt man die Markierungen dadurch, daß man eine Vibration anlegt. Wenn also die Antriebsspulen 75 und b5
112 in noch zu beschreibender Weise erregt werden, werden die X- und V-Stufen 55 und 90 in Vibration
versetzt. Fallen die Markierungen der Schaltplatte 184 und der Maske 192 übereinander, so wird die
zweithöhere harmonische Komponente der Ausgänge der Lichtempfänger 183 dominierend. In anderen Fällen
hingegen enthalten die Ausgänge Grundkomponenten. Das Verarbeitungselement 271 diskriminiert diese
Komponenten. In diesem Falle wird, um über die Polarität (hoch, niedrig) der Frequenzversetzung zu
entscheiden, der Ausgang einer Hochfrequenzquelle 272 an das Verarbeitungselement 271 angelegt. Der
Ausgang des Verarbeitungselementes 271 gelangt über einen dritten Multiplexer 275 zum Rechner 250. Die
Informationen weiterer Gruppen von Lichtempfängern, die unterhalb der Werkstücktragplatte 140 angeordnet
sind, werden ebenfalls dem Multiplexer 275 zugeleitet, so daß überlagerte, multiplexierte Informationen an den
Rechner 250 gelangen.
Ein Signal bezüglich der elektrostatischen Kapazität zwischen der Maske 192 und der Schaltplatte 184 wird
von den Elektroden 218 geliefert, welche am Haltering 194 der Maskenannäherungsvorrichtung 190 befestigt
sind. Dieses Signal gelangt zu einer Operationsschaltung 280, in der es in eine Information bezüglich des
Abstandes zwischen der Maske und der Schaltplatte umgewandelt w cd. Der Ausgang der Operationsschaltung
280 wird an einen Multiplexer 282 angelegt, und zwar über einen Analog-Digital-Wandler 281. Signale
von den Elektroden 219 und weiteren Elektroden werden ebenfalls behandelt und dem Multiplexer 282
zugeleitet. Der Multiplexer 282 arbeitet also in der Weise, daß er diese Signale multiplexiert und seine
Ausgänge an den Rechner 250 anlegt.
In Abhängigkeit von diesen verschiedenen Eingangsinformationei
liefert der Rechner 250 ein Optimum-Steuersignal an eine Steuervorrichtung 290. Auf diese
Weise wird angezeigt, welches der einzelnen Elemente bis zu welchem Ausmaße gesteuert werden soll. An der
Ausgangsseite der Steuervorrichtung 290 befinden sich folgende Elemente: eine Quelle 300 für konstanten
Strom, Quellen 302 und 303 für konstante Spannung, eine Selektionsschaltung 304 sowie außerdem die
Hochfrequenzschaltung 272. Die Ausgänge dieser Quellen, die an den Verbraucher angeschlossen sind,
werden in Abhängigkeit vom Ausgang der Steuervorrichtung 290 gesteuert. An den Ausgang der Quelle 300
für konstanten Strom sind also die Antriebsspulen 62 und 100 für die dynamischen elektromechanischen
Wandler 61 und 99 der X- und K-Stufen sowie die
Antriebsspule 200 angeschlossen, welche auf dem die Maske tragenden Fußstück 193 der Maskenannäherungsvorrichtung
190 sitzt. Die vier Sätze der elektromechanischen Biegewandler 126 bis 129 zum
Drehen des Umlaufkörpers 120 sind an den Ausgang der Quelle 302 für konstante Spannung angeschlossen. In
gleicher Weise sind die drei Sätze von elektromechanischen Biegewandlern 150, 151 und 152 an den Ausgang
der Quelle 303 für konstante Spannung angeschlossen, um die M eigunjj der das Werkstück tragenden Platte 140
einzustellen. Die Selektionsschaltung 304. die an den Ausgang der Hochfrequenzquelle 272 angeschlossen ist.
bestimmt, welcher der dynamischen elektromechanischen Wandler 74 und 111 zum Schwingen der X- und
y-Stufen 55 und 90 in den X- und K-Richtungen und
welcher der elektromechanischen Biegewandler 150, 151 und 152 zum Drehen des Umlaufkörpers 120 in
Betrieb gesetzt werden soll, wenn die Markierungen auf der Maske und auf der Schaltplatte ermittelt werden.
Die Antriebsspulen 75 und 112 der dynamischen elektromechanischen Wandler 74 und 111 sind an die
Hochfrequenzquelle 272 angeschlossen, und zwar über die Selektionsschaltung 304. Die Antriebsspulen der
elektromechanischen Biegewandler 150, 551 und 152 hingegen stehen mit der Hocbfrequenzquelle 272 über
einen Teil der Quelle 302 für konstante Spannung in Verbindung.
Die Dämpfungsspulen 76 und 113 auf den X- und V-Stufen 55 und 90, die flüchtige Vibrationen der Stufen
verhindern, sind kurzgeschlossen oder über die Steuervorrichtung 290 mittels des Rechners 250 mit einer
definierten Belastung verbunden, wenn die Geschwindigkeitsänderung der A"- und K-Stufen in Richtung der
X- und V-Achsen einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Ein Teil der Eingangseinrichtungen zur Automatisierung
der Betätigung während der Grobeinstellung ist in Fig. 12 fortgelassen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Lageeinstellung
sowie die Maskenannäherungsvorrichtung entsprechend der obigen Beschreibung richten die
Stellungen der Schaltplatte und der Maske in folgender Weise aufeinander aus.
Befestigung von Maske und Schaltplatte
Anfänglich soll ein Verfahren zum Ermitteln der Markierungen unter Anwendung von Vibrationen
beschrieben werden. Die Maske 192. die eine Mehrzahl von Sätzen von Durchbrüchen mit vorbestimmten
Positionen und Dimensionen aufweist, wird an dem Fußstück 193 mittels des Halteringes 194 der Maskenannähcrungsvorrichtung
190 befestigt. Die Durchbrüche dienen als Markierungen zur Grobeinstellung,
wobei diese Markierungen dazu genutzt werden, die Differenz oder den Fehler in der Relativstellung
bezüglich der X- und V-Achsen sowie des Winkels Θ
von + 100 Micron auf etwa ± 10 Micron zu vermindern.
Ferner arbeilen die Durchbrüche ah Markierungen für
die Feineinstellung, wobei sie die Differenz von ±10 Micron auf weniger als ±0,1 Micron herabsetzen.
Anschließend wird die Schallplatte 184 auf der Werkstücklragplalte 140 befestigt. Die Schallplatte
tragt an vorbestimmten Stellen Durchbrüche mit vorbestimmten Abmaßen, die zur Grobeinstellung und
zur Feineinstellung dienen. Zum Befestigen der Schaltplatte wird ein bekannter, nicht dargestellter
Schallplattenträger verwendet, der eine Montage der Schaltplatte an einer vorbestimmten Stelle auf der
Fläche der Platte 140 zuläßt, und zwar mit einer Genauigkeit von ±100 Micron. Gleichzeitig mit der
Montage der Schaltplatte auf der Platte 140 wird die Unterdruckquelle angeschlossen, um die Schallplatte
184 gegen die Fläche der Platte 140 zu ziehen. Das Aufbringen des Unterdruckes erfolgt über den Schlauch
182. den Nippel 181, die Kammer 180 und die Mehrzahl von durch die Platte 140 hinduri'hführenden Saugöffnungen
179.
Einstellung des Relativabstandes
zwischen Schaltplatte und Maske
zwischen Schaltplatte und Maske
Sodann wird die Maskenannäherungsvorrichtung 190. die bereits die Maske 192 trägt, in die Nähe der
Schallplatte 184 gebracht, und zwar derart, daß der Abstand im Betriebsbereich der erfindungsgemäßen
Einstellvorrichtung liegt (±100 Micron jeweils in Richtung der X-,der V-und der Z-Achse; ±1'bezüglich
des Drehwinkels Θ; und ±0,1' bezüglich der Parallelität). Diese Genauigkeit in den Relativstellungen kann
ohne weiteres durch gebräuchliche Arbeitsschritte, durch den Zusammenbau u-.id und durch entsprechende
Endbearbeitung erzielt werden, so daß es überflüssig ist, irgendwelche Spezialmechanismen zu verwenden.
Wenn also in dieser Weise die Maske 192 in die Nähe der Schaltplatte 184 gebracht worden ist, und zwar im
Rahmen des oben angegebenen Genauigkeitsbereiches, so setzt der Rechner 250 verschiedene Einzelteile derart
in Betrieb, daß die von den Elektroden 218 und 219 gelieferte Information einen vorbestimmten Wert
erhält, beispielsweise 3 Micron + 1 Micron. Die Elektroden sitzen an der Maskenannäherungsvorrichtung
190 und geben den Relativabstand zwischen oer Maske und der Schaltplatte wieder. Genauer gesagt
wird die Quelle 300 für konstanten Strom über die Steuervorrichtung erregt, um einen Steuerstrom an die
Anschlußspule für die Maskenannäherungsvorrichtung zu liefern und den mittleren Abstand zwischen der
Maske und der Schallplatte, der von den Elektroden 218 und 219 wiedergegeben wird, auf den vorbestimmten
Wert zu bringen. Ferner erregt der Rechner 250 über die Steuervorrichtung 290 die elektromechanischen
Biegewandler 150,151 und 152 sowie die Quelle 303 für konstante Spannung, um die Relativneigung zwischen
der Maske und der Schaltplatte einzustellen, während der von den Elektroden 218 und 219 bestimmte
Relativabstand konstant gehalten wird. Hierbei wird die gewünschte Vcrtikalbewegung der Maske 192 von den
elastischen Platten 197 und 198 bewirkt. Da der Hub dieser Vertikalbewegung höchstens etwa 100 Micron
beträgt, kann man die elastischen Platten 197 und 198 mit beträchtlicher Steifigkeit versehen. Da außerdem
die Gesamtmasse von Maske 192, Haltering 194 und Fußslück 193 klein ist, besteht die Möglichkeit, die
Resonanzfrequenz des von der Maskenannäherungsvorrichtung 190 gebildeten mechanischen Vibralionssvstems
gleich dsr Grundfrequenz (von 100 — zu mehreren KHz)desjentgen mechanischen Vibrationssystems
zu machen, welches gebildet wird einerseits von den elektromechanischen Biegewandlern 150, 151 und
152 zur Neigungseinstellung und andererseits von der Werkstücktragplalte 140. Dies führt dazu, daß selbst
dann, wenn die Vertikalbewegung mit beträchtlich hoher Geschwindigkeit gesteuert wird, die Steuerung
nicht von dem elastischen Steuerbereich des Systems abweicht. Damit besteht also die Möglichkeit, die
Zielgenauigkeit in kurzer Zeit, etwa in einigen Millisekunden zu erreichen.
Grobeinstellung
Nachdem der Relativabstand zwischen der Maske und der Schaltplatte in der oben beschriebenen Weise
bestimmt worden ist. erregt der Rechner 250 über die Steuervorrichtung 290 die Hochfrequenzquelle 272.
während er gleichzeitig ein Selektionssignal an die Selektionsschaluing 304 abgibt. Dadurch werden die
Antriebsspulen 75 und 112 zum Überlagern der Vibrationen in der X- und der V-Achse betätigt. Die
Antriebsspulen 75 und 1:2 werden mn einem Antriebsstrom von unterschiedlicher Frequenz und einer
Amplitude von etwa 100 Micron versorgt. Die Lichtstrahlen,die durch die Grobeinsiellungsmarkierungen
der Schaltplatte umd der Maske hindurchgehen, werden von einer Gruppe von Lichtempfängern
aufgenommen. Diese Gruppe, die nicht dargestellt ist, ähnelt der Gruppe voi Lichtempfängern 183. Der
Rechner 250 fährt fort, die Quelle 300 für konstanten Strom zu erregen, um einen O-Frequenz-Antriebsstrom
zu den O-Frequenz-Antricbsspulen 59 und 60 zu leiten,
welche einen Vorschub in Richtung der X- und /-Achsen bewirken, bis der Ausrichtfehler auf ein
Minimum reduziert ist. Sofern erwünscht, erregt der Rechner außerdem die Quelle 302 für konstante
Spannung, um eine Antriebsspannung an den Umlaufkörper 130 anzulegen. In diesem Falle läßt die
Verschiebung in Richtung der X-Achse die /-Stufe 90, bestehend aus den Metallrahmen 59 und 60 sowie aus
den darauf angeordneten Spulen 62,63,75 und 76, durch
die Luftspalte zwischen den äußeren Polelementen 67 und 79 sowie den inneren Polelementen in Richtung der
X-Achse wandern. Diese Luftspalte sind so ausgebildet, daß sie eine Exzentrizität in der Größenordnung von
etwa 100 Micron zulassen. Da man geeignete Dimensionen
vorbestimmen kann, die eine konstante Luftspaltfrequenz sicherstellen, besteht die Möglichkeit, die
Veränderung der Transformationsl-oeffizienten jeweiliger Spulen, hervorgerufen durch die Exzentrizität, zu
vernachlässigen. Man kann ohne weiteres die Dimensionen der Pole jeweiliger Wandler 61, 74, 99 und 111 zum
Antrieb der X- und /-Stufen jeweils in Richtung der X-
und /-Achsen derart wählen, daß ein konstantes Magnetfeld aufrechterhalten wird, und zwar unabhängig
von Axialverschiebungen der Spulen in der Größenordnung von etwa ±0J Micron. Die Linearität
der Verschiebungen jeweiliger Wandler in zugehörigen Richtungen läßt sich also sicherstellen.
Feineinstellung
Sobald der Ausrichtfehler bei der Grobeinstellung auf ein Minimum reduziert worden ist, wird die Ermittlung
der Feineinstellungsmarkierungen möglich. Folglich steuert der Computer 250 über die Steuervorrichtung
290 die Quelle 300 für konstanten Strom derart, daß der Strom vermindert und dementsprechend die Verschiebung
auf die Größenordnung von ±10 Micron herabgesetzt wird. Gleichzeitig wird der Steuerschritt
des 0· Frequenz-Antriebsstroms fein unterteilt, um eine
Lageausrichtung mit der Zielgenauigkeit durchzuführen, und /war durch wiederholte Steuerbetätigungen
ähnlich denen bei der Grobeinstellung.
Bei der Winkeldrehung in Richtung des Winkels ö erregt der Computer 250 über die Steuervorrichtung
290 die Quelle 302 für konstante Spannung, und zwar in Abhängigkeit von dem Emittlungsergebnis bezüglich
der Positionierungsmarkierungen. Demnach werden die jeweiligen elektromechanischen Biegewandler 126 bis
129 angetrieben. Der Umlaufkörper wird also derart gesteuert, daß er sich in der einen oder in der anderen
Richtung dreht.
Bei der Reihe von oben beschriebenen Steuervorgängen sind es die Lagesteuerungen entlang den X- dnd
/Achsen während der Grobeinstellung, die mit relativ hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden müssen.
Insbesondere während der Bewegung in Richtung der X-Achse wirken die anderen Einstellsysteme für die
Schaltplatte 184 als Belastung der X-Stufe 55. Da diese
Bewegung einen großen Hub erfordert, beschränkt sich praktisch die Resonanzfrequenz des gesamten Systems
auf 100 bis 300 Hz (in Richtung der /-Achse auf 300 bis
500 Hz). Aus diesem Grunde muß zur Verhinderung von flüchligen Vibrationen durch eine Übersteuerung oder
durch äußere Störungen der Rechner 250 die Ausgänge der Geschwindigkeitsmeßspulen 63 und 101 für die X-
und /-Achsen derart überwachen, daß die Dämpfungsspulen 76 und 113 zur Verhinderung flüchtiger
Vibrationen mittels der Steuervorrichtung 290 erregt werden und somit Dämpfungskräfte aufbringen. Unter
diesen Umstanden werden die Dampfungsspulen 76 + 113 in Abhängigkeit von den Geschwindigkeitsmeßspulen
mit Strom versorgt oder an eine konstante Belastung angeschlossen.
Der Verschiebungsweg gegenüber Bezugspunkten, bezogen auf die jeweiligen koordinaten Achsen,
insbesondere die X- und /-Achsen, wird von der Operationsschaltung 260 ermittelt, und zwar in Abhängigkeit
von der Veränderung der elektrostatischen
to Kapazität, wie sie von den Elektroden 73 und 88 ermittelt wird. In gleicher Weise geben die Elektroden
109 und 108 den Drehwinkel β und die Verschiebung entlang der vertikalen Z-Achse an. In Abhängigkeit von
dem gemessenen Verschiebungsweg steuert der Rechner 250 die Eingänge der zugehörigen Wandler. Wenn,
wie es im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Fall ist, eine Mehrzahl von elektromechanischen Wandlern zum
Antrieb in Richtung der jeweiligen Achsen vorgesehen ist, wird eine wechselseitige Korrektur der Transformationskoeffizienten
für jeweilige Achsrichtungen möglich. Gleiches gilt für die Verschiebungs-Ausgangstransformationskoeffizienten
der jeweiligen Meßkreise für die Verschiebung. Demnach kann man, durch vorherige
Korrektur des Absolutintervalls vom Bezugspunkt, und zwar unter Verwendung eines Laser-lnterferrometers,
nach Wunsch den Absolutwert steuern, so daß es nicht notwendig wird, das Laser-Interferometer während
des normaien Betriebes einzusetzen.
Durch Verwendung eines Laser-lnterferrometers und anderer Versuchsinstrumente wurde gefunden, daß die
wechselseitige Interferenz jeweiliger Achsen der beschriebenen Vorrichtung zur Feineinstellung unter
0,02 Micron für eine Verschiebung von 10 Micron betrug. Ferner ergab sich, daß die Anzahl der
Hysteresen unter 0,02 Micron für eine Verschiebung von 10 Micron lag und daß die Auflösung weniger als
0,05 Micron betrug.
Ermittelt man die Markierungen nicht durch überlagerte Vibrationen, sondern durch Abtasten des Meß-Strahls,
so kann man die Vibrations-Antricbsspulen 75 und 112 in Reihe gegen die zugehörigen 0-Frequenz-Antriebsspulen
62 und 100 schalten und auf diese Weise die Antriebskraft erhöhen. Die anderen Grundoperalionen
sind genau die gleichen wie bei dem oben beschriebenen, mit überlagerten Vibrationen arbeitenden
Verfahren.
Eine weitere Methode zum Ermitteln der Markicrun gen besteht darin, der Schaltplatte Drehvibrationen zu
erteilen. In diesem Falle wird die Bewegung des Umlaufkorpers derjenigen Vibration überlagert, die von
den elektromechanischen Biegewandlern 126 bis 129 erzeugt wird. Die anderen Betätigungsschritte sind die
gleichen wie bei dem oben beschriebenen Verfahren.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels werden Paare von Markierungen für die Grob und
Feineinstellungen vorgesehen. Allerdings kann man auch ein Paar von Markierungen zu einer einzigen
Markierung für beide Einstellvorgänge kombinieren. In diesem Falle wird während der Grobeinstellung
lediglich die Lichtmenge gemessen, solange das Licht durch eine Mehrzahl von Markierungen empfangen
werden kann. Anschließend legt man für die Feincinstelung
eine Vibration an.
Ferner sei darauf hingewiesen, daß im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels das durch die
Markierungsdurchbrüche hindurchgehende Licht empfangen wird, daß jedoch ohne weiteres auch ein System
verwendet werden kann, bei dem das Licht von den
ί9
Bezugsmarkierungen reflektiert wird. Auch kann man komplementäre Markierungen verwenden.
Wenn die Möglichkeit besteht, die Dicke der Maske und damit deren mechanische Festigkeit zu erhöhen, so
kann man die Relativlage von Maske und Schaltscheibe umkehren.
Da außerdem beim vorliegenden Ausführungsbeispiel die Verschiebungs-Meßpunkte in dreidimensionalen
Richtungen wandern, kann der Effekt der gegenseitigen Interferenz zwischen der Verschiebung und der
Modulationsfrequenz, hervorgerufen durch eine Anzahl von Annäherungsschritten, auf ein Minimum zurückgeführt
werden, indem man wahllos die Mittelfrequenzen des jeweiligen Frequenzmodulators, nämlich,der Operationsschaltungen
260,280...,bei etwa 200 KHz festlegt.
Die obigen Ausführungen beschreiben die Anwendung der Erfindung auf die Feineinstellung der Maske
und der Schaltscheibe, wie man sie zur Herstellung großer integrierter Schalungen verwendet. Es sei
jedoch darauf hingewiesen, daß sich die Erfindung gleicher Weise für jeden Anwendungsbereich eignet, bei
dem eine genaue Lageausrichtung erforderlich ist. Hierzu gehört u. a. eine präzise Belriebseinstellung für
topographische Rönlgensirahl-Vorrichtungen, eine Ausrichtvorrichtung zum Arbeiten mit einem Laserstrahl
in Kombination mit einer Grobeinstellvorrichtung für einen großen Hub, eine Fortschaltvorrichtung
für ultra-microfiche-Photographie, eine Fortschallvorrichtung
für die Arbeitsposition zugehöriger Teile mit höchster Genauigkeit, eine Vorrichtung zum Bestimmen 3u
der Suchstellungen sehr kleiner Körper mit hoher Genauigkeit, extrem genaue Mikroskope sowie Vorrichtungen
zum Einstellen der Lage von Probenlrägern. Es besteht auch die Möglichkeit, nicht nur die
gleichzeitige Projektion und Belichtung zu verwenden, Jj
sondern auch eine Projektion und Belichtung in Wiederholungsschritten, kombiniert mit einem Einstellmechanisnius
für schnelle Grobeinstellungen und einem Muster-Regenerator.
Beim vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel kommen ίο
ringförmige Vibrationsinembranen ah elastische Elemente
/um Tragen der X- und K-Stufen /ur Anwendung. Man kann jedoch auch plattenförmig^
Elemente beliebiger Form verwenden, etwa rechteckige oder elliptische Platten mit einer zentralen Öffnung.
An Stelle von kastenförmigen und zylindrischen X-b/w. V-Stufen sind abgewandelte Ausführungsformen
möglich. Beispielsweise kann die X Stufe von irgend einem elastischen Halteelement beliebiger Form getragen
werden, welches die Befestigung des Halteelemen- 5u
tes für die /-Stufe zulaßt. Die K-Stufe kann beliebig
ausgebildet sein, sofern an gegenüberliegenden Enden Bereiche vorgesehen sind, die von den elastischen
Halteelementen getragen werden können, und sofern ein ebener mittlerer Bereich vorhanden ist.
Es besteht ferner die Möglichkeit, auf der K-Stufe clektromechanische Wandler zu verwenden, die in
Richtung der Z-Achse biegbar sind, sofern eine Lageeinstellung in Drehrichtung nicht erforderlich ist.
In dieser Weise soll deu'! Ί werden, daß die
Konstruktion des Ausführungsbeispieles in weitem Umfange abwandelbar ist, und zwar in Abhängigkeit
vom Anwendungsbereich.
Die Erfindung bringt folgende Vorteile mit sich.
1. Da die jeweiligen Stufen von dynamischen elektromechanischen Wandlern angelrieben werden,
kann man das Aufbringen einer gleichförmigen Kraft über den gesamten Hub der jeweiligen Stufen
sicherstellen und damit die Möglichkeit schaffen, die Feineinstellung mit höchster Genauigkeit durchzuführen.
2. Dia X- und K-Stufen werden von elastischen Halteelementen getragen und besitzen zugehörige
Achsen, die sich rechtwinklig in einer gemeinsamen Ebene schneiden. Jede Stufe ist mit einem Paar von
entgegengerichteten koaxialen Permanentmagneten versehen, wobei die Form, die Flußdichte im Luftspalt
und die Verteilung des Fiußverlustes für alle Achsen
gleich sind. Dementsprechend heben sich die Verlustflüsse gegeneinander auf, wodurch eine gegenseitige
Wechselwirkung aufgrund einer magnetischen Kopplung zwischen den Antriebskräften für die jeweiligen
Achsen vermieden wird.
3. Darüber hinaus sind die Antriebsspulen für die X-
und K-Stufen jeweils um die X- bzw. K-Achsen gewickelt. Der Federkoeffizient ändert sich also nicht,
wenn sich die Antriebsspule für die K-Slufe bei einer Bewegung der X-Siuie in Richiung der ,Y-Achse
innerhalb des Magnetflusses des Permanentmagneten zum Antrieb der Stufe bewegt, und zwar aufgrund der
Tatsache, daß die Flußdichte im Luftspalt der K-Stufe gleichförmig ist. Dies bietet die Möglichkeit, wechselseitige
Störungen zwischen den Antriebskräften für die jeweiligen Ajhsen zu vermeiden.
4. Da jede Stufe von einem dynamischen elektromechanischen
Wandler angetrieben wird, erfolgt die Umformung zwischen elektrischen und mechanischen
Kräften linear, so daß eine Hysteresis eliminiert wird.
5. Die Verwendung der dynamischen elektromechanischen Wandler bietet die Möglichkeit, die Flußrichtung
jeweiliger Stufen in jede beliebige Richtung zu legen. Nach Wunsch kann man also dafür sorgen, daß sich die
Magnetflüsse zugehöriger Stufen gegenseitig aufheben. Besonders wirkungsvoll ist es. die Wandler, wie es im
beschriebenen Ausführungsbeispiel gezeigt wurde, an beiden Enden der Stufen vorzusehen.
6. Die dynamischen elektromechanischen Wandler bieten die Möglichkeit, daß sich bei einer Bewegung der
Spule für die λ'-Achse (X-Stufe) die Spule der K-Achse
(K-Stufe) frei durch den ringförmigen Luftspalt des Wandlers verschieben kann. Der Koeffizient der
Antriebskraft ändert sich also nicht.
7. Da jede Stufe von einem Paar von ringförmigen, elastischen Halteelementen getragen wird, ergeben sich
keine Verschiebungen in Richiung der Z-Achse und keine Drehungen, wodurch Linearbewegungen entlang
den X- und K-Achsen sichergestellt werden. Da außerdem keine Gefahr von Querbewegungen besteht,
wird keine Nebenvibralion erzeugt, selbst wenn hochfrequente Vibrationen zur Erzeugung der Linearbewegung
aufgebracht werden.
8. Es besteht ferner die Möglichkeit, die Resonanzfrequenz der mechanischen Vibrationssysleme zur Erzeugung
der Bewegungen entlang den zugehörigen Achsen beträchtlich zu erhöhen. Damit kann man den
Frequenzbereich für die Steuerelastiziiät erweitern. Man ist also in der Lage, einen analogähnlichen
Vorschub mit kleinen Schritten von 0,001 Micron zu erzeugen, was bei bisher bekannten Einrichtungen
keinesfalls möglich war.
9. Da der Umlaufkörper von einer Mehrzahl von elektromechanischen Biegewandlern getragen wird, die
in Richtung der Z-Achse angeordnet sind, und da eine Mehrzahl von Sätzen der Wandler unter gleichem
Winkelabstand radial angeordnet ist, besteht die Möglichkeit, eine reine Drehkraft auf den Umlaufkör-
per auszuüben, und zwar ohne Komponenten in anderen Richtungen.
10. Zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Konstruktion können elastische Platten zwischen die
radial angeordneten Wandler gesetzt werden. Auf diese Weise vermeidet man ein; Verlängerung in Richtung
der Z-Achse und verhindert somit einen unangemessenen Betrieb der Wandler. Außerdem ist es auch möglich,
gegenseitige Interferenzen zwischen den Bewegungen in Richtung der X-, Y- und Z-Achsen zu vermeiden.
11. Da sämtliche Elemente, nämlich die Stufen, der Umlaufkörper und die Werkstückplatte, von elastischen
Halteelementen getragen werden, kann man nicht nur nach Wunsch die Resonanzfrequenzen derjenigen
mechanischen Vibrationssysteme erhöhen, die die Bewegungen in Richtung der X-, Y- und Z-Achsen
sowie die Drehbewegungen erzeugen, sondern man kann auch jeden beliebigen Abstand zwischen den
Resonanzfrequenzen wählen. Dementsprechend kann man einen großen Abstand zwischen die Resonanzfrequenz
für den normalen Betrieb und die normalerweise zulässige Frequenz für äußere Störungen legen.
12. Da man die Höhe und die Neigung der Werkstückplattform durch die elektromechanischen
Biegewandler einstellen kann, besteht beispielsweise bei der gleichzeitigen Belichtung einer Maske und einer
Schallplatte die Möglichkeit, die Parallelität dieser Elemente ohne weiteres einzustellen, wohingegen man.
wenn die Vorrichtung zur Ausbildung eines Maskenmusters verwendet wird, die Maske ohne weiteres so
einstellen kann, daß sie jede beliebige Winkelstellung bezüglich des Arbeitsstrahles einnimmt.
13. Da keinerlei Gleitelemente, Lager, Getriebe oder ähnliche Einrichtungen zur Bewegungsübertragung
verwendet werden, arbeitet man ohne Totgang, Reibung u. dgl.
14. Als Antriebselemente zur Erzeugung von Bewegungen in Richtung der X- und y-Achsen, die
relativ lange Hübe erfordern, werden die dynamischen elektromechanischen Wandler verwendet, die eine
lineare Charakteristik über einen weiten Betriebsbe-
reich besitzen. Demnach kann man eine lineare Steuerung über einen weiten Bewegungsbereich erzielen.
Man kann also die Feineinstellung und die Grobeinstellung mit der gleichen Vorrichtung durchführen.
Dies vereinfacht die Konstruktion des Steuersystems.
15. Da die Bewegungen in Richtung der X- und /-Achsen sowie die Drehbewegung von entgegengerichteten
elektromechanischen Wandlern gleichen Typs erzeugt werden, kann man deren Charakteristika
wechselseitig korrigieren, so daß man eine genaue und einfache Korrektur der elektromechanischen Transformationskoeffizienten
der jeweiligen Antriebsmechanismen erhält. Folglich besteht die Möglichkeit, den
ic, Absolutwert der Verschiebung zu messen, indem man
einen gebräuchlichen Frequenzmodulations-Frequenzdiskriminator kombiniert, welcher die Änderung in der
elektrostatischen Kapazität mißt. Man kann also nicht nur den Absolutwert steuern, und zwar ohne Verwendung
einer Anzahl teurer Vorrichtungen zur Messung der Verschiebung, wie etwa Laser-Interferrometer,
photoelektrischer Mikroskope o. dgl., sondern man kann auch eine Steuerung mit geschlossenem Kreis
anwenden.
16. Die dynamischen elektromechanischen Wandler zum Antrieb in Richtung der X- und /-Achsen besitzen
einen magnetischen Kreis mit geringen magnetischen Verlusten sowie einen Magneten in der Mitte. Selbst
wenn also die magnetischen Kreise von zwei Anlriebswandlern dicht nebeneinander gesetzt werden, tritt
zwischen ihnen keine Gleichstrom- oder Wechselstrom-Wechselwirkung auf, so daß man zu einer kleinen und
kompakten Konstruktion gelangt.
17. Insgesamt ergibt sich, daß die erfindungsgemäße j5 Vorrichtung eine beständige und feine Einstellung der
Lage eines Werkstückes mit hoher Geschwindigkeit und extrem hoher Genauigkeit ermöglicht, wie es mit
bisher bekannten Vorrichtungen nicht durchführbar war. Außerdem handelt es sich um eine kompakte
Vorrichtung.
Hierzu 7 Blatt Zeichnungen
Claims (20)
1. Vorrichtung zur Feineinstellung mit einem stationären Rahmen und zwei in einer Einstellebene
senkrecht zueinander gegen Einspannfedern wirkenden elektrisch betriebenen Justiermechanismen,
dadurch gekennzeichnet, daß der zu justierende Gegenstand (184) mittels eines Tragelements
(140) in einem ersten Rahmen (90) angeordnet ist, der in einer ersten Richtung f V^ federnd in einem
zweiten Rahmen (55) montiert ist, während der zweite Rahmen (55) in einer zweiten Richtung (X)
federnd im stationären Rahmen (51,52) montiert ist, wobei dynamische elektro-mechanische Wandler
(61, 74, 99, 111) zur Betätigung in X- bzw. K-Richtung jeweils stirnseitig an die Rahmen
anschließen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der erste Rahmen (90) als auch
der zweite Rahmen (55) an beiden Enden von einem elastischen Halteelement (91, 92 bzw. 57, 58)
getragen wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der dynamischen elektromechanischen
Wandler (61, 74, 99, 111) einen im wesentlichen geschlossenen magnetischen Kreis mit
einem Magnetpol in seiner Mitte aufweist, wobei jedem der Rahmen (55, 90) eine Antriebsspule
zugeordnet ist. J0
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Rahmen
(55) die Form eines kubischen Gehäuses aufweist, welches ein erstes Paar von sich in der ersten
Richtung (Y) erstreckenden Wänden sowie ein Ji
zweites Paar von sich in der zweiten Richtung (X) erstreckenden Wänden besitzt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den ersten Rahmen (90)
tragenden elastischen Halteelementt (91, 92) mit dem zweiten Paar von Wänden verbunden sind,
während die den zweiten Rahmen (55) tragenden elastischen Halteelemente (57, 58) sich zwischen
dem ersten Paar von Wänden und dem stationären Rahmen (51,52) erstrecken.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung
zum Tragen des einzustellenden Gegenstands (184) einen an dem ersten Rahmen (90)
angeordneten Umlaufkörper (120) aufweist, der um so
eine Achse (Z) drehbar ist, in der sich eine in der ersten Richtung (Y) verlaufende erste Achse und
eine in der zweiten Richtung (X) verlaufende zweite Achse unter rechtem Winkel schneiden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlaufkörper (120) über einen
elektromechanischen Biegewandler (126-129) drehbar auf einer mit dem ersten Rahmen (90)
verbundenen Tragsäule (121) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn- 6()
zeichnet, daß der elektromechanische Biegewandler (126-129) mehrere Sätze elektrostriktiver Elemente
(123—125) aufweist, wobei die Sätze gleichmäßig um die Tragsäule (121) verteilt sind und die
elektrostriktiven Elemente (123-125) jedes Satzes 1^
in der Achsrichtung der Tragsäule (121) aufeinanderfolgend angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet
durch eine Mehrzahl von radialen Versteifungselementen (134 — 137), die zwischen benachbarten
Sätzen der elektrostriktiven Elemente (123 — 125) angeordnet sind und die Tragsäule (121) mit dem
Umlaufkörper (120) verbinden.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostriktiven Elemente
(123-125) und die Versteifungselemente (134-137) sich im wesentlichen in die dritte Achse (Z)
enthaltenden Ebenen erstrecken.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis
10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Einstellen des Gegenstands (184) in einer Richtung
senkrecht zu den ersten und zweiten Richtungen (Y, X)und zum Einstellen der Neigung des Gegenstands
(84), wobei diese Einrichtung zwischen dem Umlaufkörper (120) und dem Tragelement (140) zum Tragen
des einzustellenden Gegenstands (184) angeordnet ist.
!2. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhen- und Neigungseinstelleinrichtung
eine Mehrzahl von elektromechanischen Wandlern (150-152) aufweist, die in Richtung
der dritten Achse (Z) senkrecht zu den ersten und zweiten Achsen biegbar sind und in gleichem
Winkelabstand um die Tragsäule (121) liegen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromechanischen
Wandler (150-152) mit einem elastischen Sitz verbunden sind, der auf der Tragsäule (121)
angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Sitz aus mindestens
einem in einer Ausnehmung (176-178) im oberen Ende der Tragsäule (121) aufgenommenen
elastischen Element besteht und mit einem parallel zur Tragsäule (121) verlaufenden Zapfen (160- 162)
verbunden ist, der über elastische Platten (157- 159) mit den einen Enden der elektromechanischen
Wandler (150 - 152) verbunden ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element ein
ringförmiger Körper ist, der in seinem Zentrum ein starres zylindrisches Element (170- 172) aufweist.
16. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das den
Gegenstand (184) tragende Trageltment (140) über ein stabilisierendes elastisches Element (146-148)
mil einem mildem Umlaufkörper(120) verbundenen
Ring (145) verbunden ist.
17. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder
Rahmen (90, 55) an seinen beiden gegenüberliegenden Stirnseiten zwei im wesentlichen gleich ausgebildete
dynamische elekiromechanische Wandler (61, 74, 99, 111) aufweist zwecks gegenseitiger
Kompensation der magnetischen Verlustflüsse.
18. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl
von Elektroden (73, 88, 109, 109s; zum Messen der Bewegungen des ersten und zweiten Rahmens (90,
55) und des Umlaufkörpers (120) durch Erfassung der jeweiligen Kapazitätsänderung.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (z. B. 73) jeweils
auf der in der ersten bzw. zweiten Richtung (Y, X) verlaufenden Achse des zugehörigen Rahmens (z. B.
55) angeordnet sind.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (z. B. 88) zu der
in der ersten bzw. zweiten Richtung (X, Y) verlaufenden Achse des zugehörigen Rahmens (z. B.
55) versetzt sind.
10
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Feineinstellung mit einem stationären Rahmen und zwei
in einer Einstellebene senkrecht zueinander gegen Einspannfedern wirkenden elektrisch betriebenen Ju-Stiermechanismen.
Die Dichte großer integrierter Schaltungen hat sich in den letzten Jahren beträchtlich erhöht, wodurch auch
die Anforderungen an die Genauigkeit der Abbildung eines Muslers auf einer Schallplatte entsprechend
gewachsen sind, und zwar bis in die Größenordnung von 0,1 Mikron und darunter. Bei einigen Verfahren wird für
den Einstellmechanismus eine Schrittgenauigkeit von 0,03 Mikron verlangt.
In einer bekannten Vorrichtung gemäß F i g. 1 dienen
zur Relativeinstellung zwischen einer Maske und einer Schaltplatte eine Mehrzahl von Bezugsmarken 13 und
14, die sich auf der Maske 11 bzw. auf der Schaltplatte 12
befinden. Die Schaltplatte 12 und die Maske 11 werden
sowohl in X- und K-Richtung als auch in Drehrichtiing jo
(Winkel Θ) durch Einstelleinrichtungen derart ausgerichtet, daß jeder der von den Quellen 15 ausgehenden
Lichtstrahlen oder Röntgenstrahlen durch die fluchtenden Bezugsmarken 13 und 14 hindurchgeht. Die Lichtoder
Röntgenstrahlen werden von Empfängern 16 aufgenommen, um die Einstelleinrichtungen entsprechend
zu steuern.
Ein bei einem solchen Verfahren in gewissem Umfang verwendbarer, aus der DE-OS 17 72 314 bekannter
Einstellmechanismus gemäß Fig. 2 besitzt einen rechtwinkligen
Tisch 20 zum Tragen einer St haltplatte 12. An
vier Ecken des Tisches 20 sitzen Vorsprünge 20a bis 20c/ zum Befestigen zylindrischer piezoelektrischer Elemente
21 bis 24. Letztere werden angetrieben, um die Bezugsmarken 14 der Schaltplatte 12 auf die Bezugsmarken
13 der Maske 11 auszurichten. Dieses Ausrichten erfolgt dadurch, daß die Relativlage in den
Richtungen X. Y und θ unter dem Einfluß von Lichtdetektoren 25 eingestellt wird. Der Einstellbereich
des Mechanismus liegt bei 10 Mikron, so daß man zur ίο Voreinstellung der Schaltplatte zusätzlich eine mit
höchster Genauigkeit arbeitende Mikrostufe vorsehen muß.
Werden bei diesem Einslellmechanismus die piezoelektrischen
Elemente 21 und 23 in der Richtung X « angetrieben, um die Schaltplatte 12 in der Richtung X zu
bewegen, so wird der Tisch 20 auch von der mechanischen Hemmung durch die in V-Richtung
wirkenden piezoelektrischen Elemente 22 und 24, mit denen er ja verbunden ist, biv"-,f!ußt. Aufgrund dieser M)
gegenseitigen Kopplung der X- und V-Bewegungen ist
es schwierig, die Schaltplatte 12 entlang einer vorbestimmten Bahn in die gewünschte korrekte
Position zu bewegen. Außerdem muß dafür Sorge getragen werden, daß die Bewegungen des Tisches nicht br>
zu einer Überlastung und damit zu einem Zerbrechen der piezoelektrischen Elemente führen. Die piezoelektrischen
Elemente müssen zur Erzielung einer ausreichenden Empfindlichkeit relativ lang und dünn sein, was
wiederum deren Handhabung erschwert und dem Erfordernis einer guten Raumökonomie entgegensteht
Bei dem in Fig. 2 dargestellten, aus der FR-PS 21 7b 640 bekannten Einstellmechanismus sind die X-
und V-Stufen 26 und 27 bewegbar übereinander auf einer Grundplatte 25 angeordnet. Die Stufen 26 und 27
werden in Richtung der X- bzw. V-Achse von einem
nicht gezeigten Motor angetrieben. Eine Grobeinstellung erfolgt über ein Laser-Interferrometer 28. Ein
Mikrotisch 30, der von einem Elektromagneten 29 angetrieben wird, sitzt auf der X-Stufe 27, und zwar
unter Zwischenschaltung von Blattfedern 31. Eine Feineinstellung der Positionierung ergibt sich durch das
Kräftegleichgewicht zwischen der Anziehungskraft des Elektromagneten 29 und der Rückstellkraft der
Blattfedern 31.
Da jedoch das Verhältnis zwischen der Anzugskraft des Elektromagneten 29 und der dadurch verursachten
Bewegung des Tisches 30 nicht linear ist, ist das Steuersystem zur Erzielung einer solchen Einstellbewegung
äußerst kompliziert. Insbesondere kann, wenn man die Steuergeschwindigkeit anhebt, die Steuerung
unstabil werden, und zwar aufgrund der mangelnden Linearität. Ferner ist nachteilig, daß hinsichtlich der
Feineinstellung eine gegenseitige Beeinflussung zwischen den Antriebskräften in den jeweiligen Richtungen
stattfindet.
Bei einer aus der DE-OS 24 40 088 bekannten Vorrichtung der eingangs genannten Art wird der zu
justierende Gegenstand auf einem Tisch angeordnet, der über gebogene Blattfedern an einem festen Rahmen
montiert ist, so daß mittels auf den Tisch einwirkenden fest angeordneten Elektromagneten Bewegungen des
Tisches in zwei zueinander senkrechten Richtungen unter Durchbiegung des jeweiligen Blattfederpaars
bewirkt werden können. Jedoch ist bei Bewegung des Tisches in einer Richtung eine Verformung auch eier der
anderen Richtung zugeordneten Blattfedern unvermeidlich, d. h. es besteht in gewissem Ausmaß eine
Kopplung zwischen den beiden Bewegungsmechanismen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung zur Feineinstellung zu erreichen, daß die in
den beiden Richtungen wirkenden Einstellmechanismen einander möglichst wenig beeinflussen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zu justierende Gegenstand mittels eines
Tragelements in einem ersten Rahmen angeordnet ist, der in einer ersten Richtung federnd in einem zweiten
Rahmen montiert ist, während der zweite Rahmen in einer zweiten Richtung federnd im stationären Rahmen
montiert ist, wobei dynamische elektromechanische Wandler zur Betätigung in X- bzw. V-Richtung jeweils
stirnseitig an die Rahmen anschließen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die in den beiden Richtungen wirkenden Einstellmechanismen
im wesentlichen voneinander entkoppelt, und zwar sowohl aufgrund des Aufbaus aus zwei relativ
zueinander bewegbaren Rahmen als auch aufgrund der Verwendung von dynamischen elektromechanischen
Wandlern, bei denen wechselseitige Beeinflussungen und Streuverluste besonders gering gehalten werden
können. Man erhält somit eine feste Beziehung zwischen der aufgeprägten Steuerungsaktion und der
erzielten Steuerung so daß eine einfache und exakte Feinregulierung ermöglicht wird, die hohe Geschwindigkeiten
ermöglicht und einer automatischen Betriebs-
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