-
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Lagesicherung eines Bauteils innerhalb eines Gehäuses.
-
Die Erfindung ist grundsätzlich zur Lagesicherung beliebiger optischer oder mechanischer Bauteile in einer gegebenen (Vorschub-)Position innerhalb eines Gehäuses anwendbar, beispielsweise in Zoom-Objektiven, Zoom-Axikon-Systemen oder Fokussiersystemen zur Fokussierung optischer oder thermischer Strahlung. Des Weiteren ist die Erfindung sowohl mikrolithographischen als auch in beliebigen anderen Anwendungen einsetzbar.
-
In zahlreichen technischen Anwendungen ist während des Betriebs und/oder des Transports eine präzise Lagesicherung eines oder mehrerer Bauteile innerhalb eines Gehäuses erforderlich. Hierbei ergeben sich in der Praxis anspruchsvolle Herausforderungen insbesondere dann, wenn z.B. aufgrund der vorhandenen (z.B. Vakuum-)Atmosphäre herkömmliche Klemmlösungen ausscheiden und/oder wenn infolge der besonderen Präzisionsanforderungen bereits minimale Fehlpositionierungen und eine damit einhergehende Beeinträchtigung der Performance-Eigenschaften des jeweiligen Systems zu vermeiden sind.
-
Lediglich beispielhaft (und ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) sind hier Systeme zum Einsatz in der Mikrolithographie zu nennen, wobei es sich sowohl um optische Systeme (z.B. Zoom-Objektive oder Zoom-Axikon-Systeme) oder auch um Fokussiersysteme etwa für die Fokussierung von Wärmestrahlung bei der thermischen Aktuierung optischer Komponenten, In-Situ-Messsysteme etc. handeln kann.
-
Ein weiteres in der Praxis auftretendes Problem insbesondere bei den vorstehend genannten Fokussier- oder Objektivsystemen ist, dass eine z.B. zum Zwecke der Justage vorgenommene Verschiebung eines Bauteils entlang einer definierten Vorschubrichtung in der Regel mit unerwünschten Drehbewegungen um diese Vorschubrichtung und somit zu einer unter Umständen nicht korrekten bzw. undefinierten Zielposition führen. Erhebliche Bedeutung kommt hierbei auch den während einer Positionsverschiebung auftretenden Reibungseffekten zu, welche eine exakte Positionierung bzw. Lagesicherung (insbesondere unter Einsatzbedingungen im Ultrahochvakuum) erschweren oder sogar unmöglich machen.
-
Zum Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf
US 2006/0158707 A1 verwiesen.
-
Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Lagesicherung eines Bauteils innerhalb eines Gehäuses bereitzustellen, welche bei vergleichsweise geringem konstruktivem Aufwand eine möglichst präzise Lagesicherung in einer wohldefinierten Vorschubposition bereitstellt.
-
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Lagesicherung eines Bauteils innerhalb eines Gehäuses weist auf:
- – eine in dem Gehäuse vorgesehene Kammer, in welcher sich eine magnetorheologische oder elektrorheologische Flüssigkeit befindet und welche wenigstens einen Zu- bzw. Abfuhrkanal zur Zuführung oder Abführung der Flüssigkeit in die Kammer bzw. aus der Kammer aufweist; und
- – eine zur Erzeugung eines magnetischen bzw. elektrischen Feldes im Bereich der Kammer geeignete Vorrichtung;
- – wobei das Bauteil in Abhängigkeit von dem magnetischen bzw. elektrischen Feld entweder durch einen innerhalb der Kammer über den Zu- bzw. Abfuhrkanal infolge der Flüssigkeit ausgeübten hydraulischen Druck entlang einer Vorschubrichtung innerhalb des Gehäuses verschiebbar oder in einer gegebenen Position entlang dieser Vorschubrichtung fixierbar ist.
-
Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, eine das betreffende (optische oder mechanische) Bauteil mittels einer magnetorheologischen oder elektrorheologischen Flüssigkeit, welche sich in einer Kammer in einem das Bauteil aufnehmenden Gehäuse befindet, zum einen durch (mittels Zu- oder Abfuhr der Flüssigkeit erzeugten) hydraulischen Druck entlang einer Vorschubrichtung hochpräzise zu verschieben und zum anderen die magnetorheologische oder elektrorheologische Flüssigkeit – bei Erreichen der gewünschten Zielposition des Bauteils – zur kontrollierten Lagesicherung zu nutzen, indem über das variabel anlegbare magnetische bzw. elektrische Feld in für sich bekannter Weise eine Viskositätsänderung bzw. Versteifung der Flüssigkeit herbeigeführt und somit ein kompletter Formschluss mit dem Bauteil bewirkt wird. Hierbei ist insbesondere das magnetische bzw. elektrische Feld während der Verschiebung des Bauteils inaktiv und zur Lagefixierung des Bauteils aktiv.
-
Wenngleich im Weiteren der Einfachheit halber lediglich auf die Verwendung einer magnetorheologischen Flüssigkeit und dementsprechend die Anlegung eines magnetischen Feldes Bezug genommen wird, sind die entsprechenden Aussagen sowie Ausführungsformen analog auf die Verwendung einer elektrorheologischen Flüssigkeit bzw. die Verwendung eines elektrischen Feldes übertragbar. Hinsichtlich konkreter verwendbarer magnetorheologischer bzw. elektrorheologischer Flüssigkeiten wird beispielhaft auf die Offenbarung der eingangs zitierten
US 2006/0158707 A1 verwiesen.
-
Insbesondere ermöglicht die Erfindung eine gleichermaßen präzise wie einfach zu handhabende Lagesicherung eines optischen oder mechanischen Bauteils in einer gewünschten Vorschubposition innerhalb eines beliebigen (z.B. Fokussier- oder Objektiv-)Systems, indem zunächst unter wohldefinierter Ausübung des o.g., sich naturgemäß gleichmäßig ausbreitenden hydraulischen Druckes bei ausgeschaltetem magnetischem Feld das betreffende Bauteil in die gewünschte Ziel- bzw. Vorschubposition (z.B. unter sensorgestützter Positionserfassung) verschoben werden kann, um bei Erreichen der Zielposition die Lagesicherung unmittelbar durch Einschalten des magnetischen Feldes und den hierdurch bewirkten Formschluss der magnetorheologischen Flüssigkeit mit dem Bauteil bzw. deren Fassungskomponenten herbeizuführen.
-
Hierbei können sowohl während der erforderlichen Vorschubbewegung als auch bei der durch Formschluss erzielten Lagesicherung unerwünschte Reibungseffekte sowie auch unerwünschte Lageänderungen in bezogen auf die Vorschubrichtung azimutaler Richtung (also etwa unerwünschte Drehbewegungen des Bauteils Komponente) vermieden werden. Die Erfindung ermöglicht daher insbesondere eine Lagesicherung von hochpräzise zu positionierenden Elementen im Ultrahochvakuum, beispielsweise in einem System für die Mikrolithographie.
-
Gemäß der Erfindung wird die magnetorheologische (bzw. elektrorheologische) Flüssigkeit insoweit für eine Doppelfunktion genutzt, als diese bei ausgeschaltetem magnetischem (bzw. elektrischem) Feld zum einen hydraulisch die Vorschubbewegung des Bauteils bewirkt (wobei das Bauteil hierbei federnd über die Flüssigkeit gelagert sein kann), und zum anderen mittels einfachem Anschalten des magnetischen (bzw. elektrischen Feldes) die Lagesicherung in der gewünschten Zielposition herbeiführt.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist das Bauteil in der gegebenen Position entlang der Vorschubrichtung infolge eines durch die magnetorheologische oder elektrorheologische Flüssigkeit ausgeübten Formschlusses fixierbar.
-
Gemäß einer Ausführungsform weist die Anordnung wenigstens eine sich gegen die Komponente oder eine Fassung der Komponente abstützende umlaufende und die Kammer begrenzende Dichtung auf.
-
Gemäß einer Ausführungsform kann die Anordnung zwei solcher Dichtungen aufweisen, welche innerhalb der Kammer ein Teilvolumen der magnetorheologischen oder elektrorheologischen Flüssigkeit begrenzen. Eine solche Ausgestaltung hat den Vorteil, dass durch zwei Dichtungen bereits eine mechanische Erstlagestabilität der Komponente gewährleistet werden kann.
-
Gemäß einer Ausführungsform umgibt die magnetorheologische oder elektrorheologische Flüssigkeit das Bauteil wenigstens teilweise.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist das Bauteil bei abgeschaltetem magnetischem bzw. elektrischem Feld innerhalb des Gehäuses durch die magnetorheologische oder elektrorheologische Flüssigkeit federnd gelagert.
-
Gemäß einer Ausführungsform weist die Anordnung ferner wenigstens eine Einrichtung zur Wegbegrenzung des Bauteils entlang der Vorschubrichtung auf. Diese Einrichtung kann insbesondere wenigstens einen Faltenbalg, weiter insbesondere zwei auf einander entgegengesetzten Seiten des Bauteils angeordnete Faltenbälge aufweisen.
-
Gemäß einer Ausführungsform weist die zur Erzeugung eines magnetischen bzw. elektrischen Feldes im Bereich der Kammer geeignete Vorrichtung wenigstens eine mit einem elektrischen Strom beaufschlagbare Spule auf. Auf diese Weise kann eine rasche An- bzw. Abschaltung des magnetischen Feldes zur Sicherung bzw. Freigabe des Bauteils sowie gegebenenfalls auch eine Variation des magnetischen Feldes erfolgen. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt, so dass in weiteren Ausführungsformen grundsätzlich z.B. auch ein oder mehrere Permanentmagnete zur Erzeugung des Magnetfeldes Verwendung finden können.
-
Gemäß einer Ausführungsform weist die Anordnung ferner wenigstens einen Positionssensor zur Erfassung der gegebenen Position des Bauteils entlang der Vorschubrichtung auf.
-
Gemäß einer Ausführungsform weist die Anordnung ferner ein Pumpoder Kolbensystem zur Zu- bzw. Abfuhr der magnetorheologischen bzw. elektrorheologischen Flüssigkeit über den Zu- bzw. Abfuhrkanal auf.
-
Gemäß einer Ausführungsform weist die Anordnung ferner eine Regelung auf, über welche zur Zu- bzw. Abfuhr der magnetorheologischen bzw. elektrorheologischen Flüssigkeit über den Zu- bzw. Abfuhrkanal und/oder die Erzeugung eines magnetischen bzw. elektrischen Feldes im Bereich der Kammer in Abhängigkeit von einer aktuellen Position des Bauteils regelbar ist.
-
Das Bauteil kann beispielsweise ein optisches Bauteil insbesondere eine Linse sein. Weiter kann das Bauteil innerhalb einer Fokussiereinrichtung angeordnet sein.
-
Die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich ferner zur Realisierung einer Transportsicherung einer (mechanisch gefassten oder ungefassten) optischen Komponente, welche z.B. nicht mechanisch zur Transportsicherung geklemmt werden kann, sondern innerhalb des Systems beweglich ist. Im Falle eines erforderlichen Transports des Systems kann das Bauelement wie vorstehend beschrieben mittels der magnetorheologischen bzw. elektrorheologischen Flüssigkeit gelagert und mittels Anlegen eines magnetischen bzw. elektrischen Feldes in einen lagestabilen Zustand versetzt werden. Nach abgeschlossenem Transport kann sodann das magnetische bzw. elektrische Feld ausgeschaltet werden, und das System (z.B. ein Fokussiersystem zur Fokussierung beliebiger elektromagnetischer Strahlung) kann wieder in Betrieb genommen werden.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung somit auch ein Verfahren zur Transportsicherung eines Bauteils, insbesondere in einer Anordnung mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen,
- – wobei das Bauteil in einem Gehäuse gelagert wird, in welchem sich eine magnetorheologische oder elektrorheologische Flüssigkeit befindet; und
- – wobei eine Lagesicherung während des Transports des Bauteils dadurch erfolgt, dass ein magnetisches bzw. elektrisches Feld im Bereich der magnetorheologischen oder elektrorheologischen Flüssigkeit angelegt wird.
-
Dabei kann das Bauteil insbesondere während des Transports infolge eines durch die magnetorheologische oder elektrorheologische Flüssigkeit ausgeübten Formschlusses fixiert werden.
-
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen näher erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung des Aufbaus einer Anordnung zur Lagesicherung eines Bauteils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
-
2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise der in einer erfindungsgemäßen Anordnung vorgesehenen magnetorheologischen Flüssigkeit.
-
Im Weiteren wird eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung unter Bezugnahme auf die schematische Querschnittsansicht in 1 beschrieben.
-
Im Beispiel von 1 handelt es sich bei einem gemäß der Erfindung einer definierten Lagefixierung unterworfenen Bauteil 1 um eine optische Linse, welche innerhalb eines im Beispiel tubusförmigen Gehäuses 4 über eine Fassung 2 gehalten ist. Mit „3“ ist ein Vorschraubring bezeichnet, welcher das Bauteil 1 in der Fassung 2 über einen Kraftschluss klemmt.
-
Innerhalb des Gehäuses 4, gemäß 1 zwischen dem Gehäuse 4 und der Fassung 2, befindet sich eine mit einer magnetorheologischen Flüssigkeit 12 gefüllte Kammer 11, wobei Zu- bzw. Abfuhrkanäle 13, 14 eine Zuführung oder Abführung der magnetorheologischen Flüssigkeit 12 in die Kammer 11 hinein bzw. aus der Kammer 11 heraus ermöglichen.
-
2a–b zeigt in lediglich schematischer Darstellung die in der magnetorheologischen Flüssigkeit 12 innerhalb eines Trägerfluids 12a verteilten, magnetisch polarisierbaren Partikel 12b im Zustand ohne (2a) sowie mit (2b) anliegendem magnetischem Feld B. Bei der Trägerflüssigkeit 12a kann es sich – abhängig von der konkreten Anwendung – um eine beliebige geeignete viskositätsangepasste Flüssigkeit, beispielsweise um Wasser oder ein mineralisches oder synthetisches Öl handeln. Die innerhalb der Trägerflüssigkeit 12a in Form einer Suspension fein verteilten magnetisch polarisierbaren (z.B. Eisen-)Partikel 12b können typischerweise (und ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) eine Größe im Bereich von 1 bis 10 μm aufweisen.
-
Das magnetische Feld B wird vorzugsweise gemäß 2b derart angelegt, dass die magnetischen Feldlinien senkrecht zur (gemäß 1 und 2 in Richtung der z-Achse im eingezeichneten Koordinatensystem verlaufenden) Vorschubrichtung verlaufen, woraufhin sich die magnetisch polarisierbaren Partikel 12b entlang der Richtung der magnetischen Feldlinien anordnen und auf diese Weise die Viskosität der Flüssigkeit 12 erhöhen. Hierzu können z.B. zwei mit einem elektrischen Strom beaufschlagbare Spulen (nicht eingezeichnet) dienen, über welche das magnetische Feld im Bereich der Kammer 11 rasch an- bzw. abgeschaltet sowie gegebenenfalls variiert werden kann. Typische Werte des zur Lagesicherung geeigneten magnetischen Feldes können lediglich beispielhaft (und ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) größenordnungsmäßig im Bereich von 100kA/m liegen.
-
Des Weiteren weist die Anordnung gemäß 2 zwei zirkular umlaufende Dichtungen 5, 6 auf, welche sich gegen die Fassung 2 sowie das Gehäuse 4 abstützen und zudem die Kammer 11 bzw. die darin befindliche magnetorheologische Flüssigkeit 12 in drei Teilvolumina 11a, 11a und 11c unterteilen. Von diesen Teilvolumina 11a, 11b, 11c steht der Zu- bzw. Abfuhrkanal 13 mit dem Teilvolumen 11c und der Zu- bzw. Abfuhrkanal 14 mit dem Teilvolumen 11b in fluidleitender Verbindung, wohingegen das Teilvolumen 11a gegenüber den Teilvolumina 11b, 11c über die Dichtungen 5, 6, die innere Wandung des Gehäuses 4 sowie die äußere Wandung der Fassung 2 abgedichtet ist.
-
Infolgedessen bewirkt eine Fluidzufuhr über einen der Zu- bzw. Abfuhrkanäle 13, 14 – verbunden mit einer Fluidabfuhr über den jeweiligen anderen Zu- bzw. Abfuhrkanal 14 bzw. 13 – einen hydraulischen Druck auf die entsprechende Dichtung 5 bzw. 6 und damit eine Verschiebung des Bauteils 1 entlang einer in Richtung der Elementachse EA (bzw. der z-Achse) verlaufenden Vorschubrichtung, wobei der hydraulische Druck sich in dem betreffenden Teilvolumen 11b bzw. 11c gleichmäßig ausbreitet und somit eine wohldefinierte, von unerwünschten Drehbewegungen freie translatorische Bewegung des Bauteils 1 in die Vorschubrichtung bewirkt.
-
Die Fluidzufuhr bzw. Fluidabfuhr der magnetorheologischen Flüssigkeit 12 über den Zu- bzw. Abfuhrkanal 14 bzw. 13 kann über ein geeignetes (in 1 nicht dargestelltes) Pumpensystem oder ein aktuiertes Kolbensystem erfolgen. Des Weiteren kann eine Verschiebung des Bauteils 1 einzeln oder gegebenenfalls auch als Gruppe erfolgen.
-
Begrenzt wird die Bewegung des Bauteils entlang der Vorschubrichtung durch zwei auf einander entgegengesetzten Seiten des Bauteils 1 angeordnete Faltenbälge 7, 8 sowie durch die Position der Dichtungen 5, 6 relativ zu den Zu- bzw. Abfuhrkanälen 13, 14.
-
Die Dichtungen 5, 6 sind vorzugsweise aus einem Material (z.B. Teflon) hergestellt, welches zum einen eine hinreichende mechanische Stabilität und zum anderen eine hinreichende radiale Federwirkung zur Anpressung an die Innenwandung des Gehäuses 4 sicherstellt, damit eine Abdichtung zur Innenwandung des Gehäuses 4 gegeben ist. Der in den Zu- bzw. Abfuhrkanälen 13, 14 eingestellte hydraulische Druck bzw. der sich infolgedessen einstellende Hubdruck an den Dichtungen 5, 6 ist so groß zu wählen, dass die Federkräfte der Faltenbälge 7, 8 sowie die Wandreibung überwunden wird.
-
Abhängig davon, ob das Bauteil 1 in der positiven oder negativen z-Richtung translatorisch bewegt werden soll, wird der Kanal 13 als Zufuhrkanal und der Kanal 14 als Abfuhrkanal betrieben oder umgekehrt. Die hierbei jeweils erhaltene Vorschubposition kann mittels eines (nicht dargestellten) Positionssensors überwacht werden.
-
Bei Erreichen der Sollposition bzw. der gewünschten Vorschubposition des Bauteils 1 erfolgt eine Anschaltung des magnetischen Feldes, woraufhin die Flüssigkeit 12 aufgrund ihrer magnetorheologischen Eigenschaften im gesamten, vom magnetischen Feld erfassten Bereich (d.h. insbesondere in den Teilvolumina 11a, 11a und 11c der Kammer 11 sowie gegebenenfalls auch in den Zu- bzw. Abfuhrkanälen 13, 14) steif wird und über einen hierdurch bewirkten vollständigen Formschluss eine Lagesicherung des Bauteils 1 bewirkt. Bei erforderlicher weiterer Positionsveränderung – etwa während einer Justage des Bauteils 1 – wird das magnetische Feld erneut abgeschaltet, woraufhin eine weitere Positionsänderung in der vorstehend beschriebenen Weise sowie unter im Wesentlichen reibungsfreien Bedingungen vorgenommen werden kann.
-
Die erfindungsgemäße Anordnung kann hierzu insbesondere auch einen Regelkreis aufweisen, in welchem die das magnetische Feld erzeugende Anordnung (z.B. die mit elektrischem Strom beaufschlagbaren Spulen) sowie die eine Zu- bzw. Abfuhr der magnetorheologischen Flüssigkeit 12 über die Zu- bzw. Abfuhrkanäle 13, 14 in Abhängigkeit von den Signalen eines oder mehrerer, die aktuelle Position des Bauteils 1 erfassenden Positionssensoren angesteuert werden können.
-
Im Ergebnis wird durch die Erfindung eine (insbesondere im Ultrahochvakuum sowie reibungsunabhängig durchführbare) stufenlos einstellbare Justagemöglichkeit geschaffen, wobei die magnetorheologische Flüssigkeit 12 eine Doppelfunktion dahingehend wahrnimmt, als zum einen über die Zu- bzw. Abfuhr der magnetorheologischen Flüssigkeit 12 die translatorische Verschiebung des Bauteils 1 und zum anderen – bei Verfestigung bzw. Versteifung der magnetorheologischen Flüssigkeit 12 bei Anlegen des magnetischen Feldes – über den erzeugten Formschluss die Lagefixierung des Bauteils 1 erreicht wird.
-
Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind, und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2006/0158707 A1 [0006, 0011]