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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft das Gebiet
der Festplattenlaufwerke und, insbesondere, das Ausrichten und Drucken
von Festplattensystemen.
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ALLGEMEINER STAND DER
TECHNIK
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Ein Festplattensystem besteht im
Normalfall aus einer oder mehreren magnetischen Speicherplatten
und Kontrollmechanismen zur Datenspeicherung innerhalb annähernd kreisförmiger Spuren
auf einer Platte. Eine Platte setzt sich aus einem Substrat und
einer oder mehreren auf dem Substrat abgelagerten Schichten zusammen.
In den meisten Systemen wird ein Aluminiumsubstrat verwendet. Alternative
Substratmaterialien wie Glas haben verschiedene Vorteile in ihrem
Verhalten, so dass die Verwendung von Glassubstrat erstrebenswert
sein. Um ein Plattensubstrat aus einem Rohlingsblatt bzw. -blech aus
metallbasiertem Material wie Aluminium oder Aluminium-Magnesium
herzustellen, kann das Blatt gestanzt werden, um ein Plattensubstrat
zu erzeugen, das einen Innendurchmesser (ID) und einen Außendurchmesser
(AD) besitzt. Nach dem Stanzen des ID und AD kann das scheibenförmige Substrat zur
Entfernung von Spannungen hitzebehandelt und anschließend poliert
werden. Die Platte kann dann mit einem Polymerüberzug überzogen werden.
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Die Tendenz in der Entwicklung magnetischer
Festplattenlaufwerke geht dahin, die Speicherdichte eines Festplattensystems
zu erhöhen.
Die Speicherdichte ist ein Maß für die Datenmenge,
die in einem vorgegebenen Bereich der Platte gespeichert werden
kann. Eine Methode zur Erhöhung
der Speicherdichten ist die Strukturierung der Oberfläche der Platte,
um diskrete Spuren zu formen, diskrete Spuraufnahme (DTR) genannt.
DTR-Platten besitzen
im Normalfall eine Reihe konzentrischer Erhöhungszonen (auch Länder, Erhebungen,
usw. genannt), Dateispeicherungs- und Vertiefungszonen (auch Mulden,
Täler,
Rillen usw. genannt), die Servo-Informationen
speichern können.
Diese Vertiefungszonen trennen die Erhöhungszonen, um ein unbeabsichtigtes
Speichern von Daten in den Erhöhungszonen
zu vermeiden.
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In einer Methode zur Herstellung
von DTR magnetischen Speicherplatten wird ein vorgeprägtes festes
Formbildungswerkzeug (auch Stanzen, Prägestempel usw. genannt) verwendet.
Auf dem Stanzer wird ein Negativ der Oberflächenstruktur erzeugt, das direkt
auf die Oberfläche(n)
des Plattensubstrats gedruckt wird. Anschließend werden magnetische Dünnfilm-Aufnahmeschichten
auf der struktuiierten Oberfläche
des Substrats zerstäubt,
um die DTR-Medien zu erzeugen, die eine durchgängige sich sowohl über die
Erhöhungszonen
als auch über
die Vertiefungszonen erstreckende Magnetsicht besitzen. Um Spuren
auf ein Plattensubstrat zur Datenspeicherung zu drucken, kann eine
Druckvorlage an einem biegsamen Träger befestigt werden, deren
Krümmung durch
die Anwendung hydrostatischen Drucks geändert werden kann. Wird der
Druck entsprechend geändert,
kann die Druckfläche
mit dem Plattensubstrat in Kontakt gebracht werden.
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Eine gedruckte Platte kann unbrauchbar sein,
wenn die Druckfläche
nicht konzentrisch nach dem Plattensubstrat ausgerichtet wird. Gedruckte Spuren
in übermäßigem Abstand
zu einer Mittellinie des Plattensubstrats funktionieren möglicherweise nicht
ordnungsgemäß, wenn
sie von einem Festplattenkopf gelesen werden. Diese Anforderung
ist für Platten
besonders wichtig, die in Festplattenlaufwerken, in denen die Bedruckung
beider Seiten mit Spuren erforderlich sein kann, verwendet werden.
Somit erfordert der Druck einer Platte einen Ausrichtungsschritt,
in dem, vor dem tatsächlichen
Druck des Plattensubstrats, die Mittellinie der Platte nach der
Mittellinie der Druckfläche
ausgerichtet wird.
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Gegenwärtige Ausrichtungsmethoden
erfordern im Normalfall die Verwendung von Hochpräzisionsaktuatoren
oder Robotern. Die Hochpräzisionsaktuatoren
würden
beispielsweise erst eine Mittellinie des Plattensubstrats bestimmen
und es nach einer Mittellinie der Druckfläche ausrichten. Die Verwendung
solcher Hochpräzisionsaktuatoren
und Roboter ist teuer und mit hohen Wartungskosten, Genauigkeits-
und Zuverlässigkeitsschwankungen
und langsamen Durchlaufzeiten verbunden. Hochpräzisionsaktuatoren und Roboter
sind zudem Maschinenanlagen erheblichen Ausmaßes mit hohem Bodenflächenbedarf.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Es werden ein Gerät und eine Methode zur passiven
Ausrichtung einer Platte nach einer Druckfläche beschrieben. Nach einer
Ausführungsform
besitzt das Gerät
eine obere Prägeplatte,
die eine Luftlagerspindel mit einem kegelförmigen Ansatz zum Einfahren
in den ID einer Platte, eine kreisförmige Druckfläche mit
einer um die Luftlagerspindel konzentrischen Mittellinie und eine
untere Prägeplatte mit
einem luftgelagerten Hohlraum zum Halten der Platte beinhaltet.
Die Axialbewegung der oberen Prägeplatte
zur unteren Prägeplatte
führt den
ID der Platte in eine mit der Mittellinie der oberen Prägeplatte übereinstimmende
Ausrichtung.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird zu
Beispielzwecken unter anderem in den Figuren der beliegenden Zeichnungen
abgebildet. Es zeigen:
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1 eine
Ausführungsform
eines Geräts zur
semi-passiven Plattenausrichtung für die Herstellung strukturierter
Medien.
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2 eine
Ausführungsform
eines Geräts zur
passiven Plattenausrichtung für
die Herstellung strukturierter Medien.
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3 eine
weitere Ausführungsform
eines Geräts
zur semi-passiven Plattenausrichtung für die Herstellung strukturierter
Medien.
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4 eine
weitere Ausführungsform
eines Geräts
zur semi-passiven Plattenausrichtung für die Herstellung strukturierter
Medien.
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5 eine
Methode zur Ausrichtung einer Platte für die Herstellung strukturierter
Medien, in Form eines Ablaufdiagramms.
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6 eine
alternative Methode zur Ausrichtung einer Platte für die Herstellung
strukturierter Medien, in Form eines Ablaufdiagramms.
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7A einen
Querschnitt einer Ausführungsform
der über
den Prägeteilen
versiegelten Druckflächen.
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7B einen
Querschnitt einer weiteren Ausführungsform
der über
den Prägeteilen
versiegelten Druckflächen.
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8 eine
Ausführungsform
einer thermodynamischen Presse, die zum Drucken des Plattensubstrats
verwendet werden kann.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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In folgender Beschreibung werden
zahlreiche besondere Details dargestellt, wie Beispiele besonderer
Komponenten, Prozesse, usw., um ein umfassendes Verständnis der
verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Für den Fachmann wird es jedoch
erkennbar sein, dass diese besonderen Details zur Umsetzung der
verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung nicht angewandt werden müssen. An
anderen Stellen wurden hinreichend bekannte Komponenten oder Methoden
nicht im Detail beschrieben, um zu vermeiden, dass die verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unnötigerweise
unklar werden.
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Es sollte angemerkt werden, dass
das Gerät und
die Methoden, die hier erörtert
werden, an verschiedenen Plattenarten verwendet werden können. Nach
einer Ausführungsform,
können
das Gerät
und die Methoden, die hier erörtert
werden, beispielsweise mit einer magnetischen Speicherplatte verwendet werden.
Alternativ können
das Gerät
und die Methoden, die hier erörtert
werden, mit anderen Arten digitaler Aufnahmeplatten verwendet werden,
beispielsweise einer Compact Disk (CD) oder einer digitalen Video-Disk
(DVD) und einer magnetooptischen Platte.
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Nach einer Ausführungsform können das Gerät und die
Methoden, die hier erörtert
werden, mit einem Aluminiumsubstrat implementiert werden. Es sollte
angemerkt werden, dass die Beschreibung des Geräts und der Methode in Bezug
auf das Aluminiumsubstrat nur veranschaulichenden Zwecken dient und
nicht dahingehend zu verstehen ist, dass sie sich nur auf die Ausrichtung
und den Druck von Aluminium oder metallbasierten Substraten beschränken. Nach
einer alternativen Ausführungsform
können
andere Substratmaterialien, einschließlich Glassubstraten, beispielsweise
glashaltiges Kieselsäureanhydrid wie
Borosilikatglas und Aluminiumsilikatglas, verwendet werden. Weitere
Substratmaterialien, einschließlich
Polymere und Keramik, können
ebenfalls verwendet werden.
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In der vorliegenden Schrift werden
ein Gerät und
Methoden für
die Nutzung des Geräts
zur Ausrichtung einer Platte für
die Herstellung strukturierter Medien beschrieben. Nach einer Ausführungsform wird
die Platte nach einer Druckfläche
passiv ausgerichtet, wofür
es keiner Hochpräzisionsaktuatoren und
Ausrichtungswerkzeuge mehr bedarf. Nach einer weiteren Ausführungsform
beinhaltet das Gerät einen
sehr hochpräzisen
Prägeapparat,
der die inhärente
zweiseitige Ausrichtung und Wiederholbarkeit der strukturierten
Medien herstellt. In der oberen Prägeplatte befindet sich eine
luftlagergestützte
Ausrichtungsspindel, ebenso wie eine Druckfläche, die mit einer kreisförmigen Elastomer-Unterlage verbunden ist,
welche Abweichungen in der Stärke
eines Plattensubstrats ausgleicht. Eine Mittellinie der Luftlagerspindel
stimmt mit einer Mittellinie der Druckfläche überein. Die untere Prägeplatte
enthält
einen ringförmigen
Luft-"Verteiler", der sich im Wesentlichen
in der Nähe
des ID eines Hohlraums befindet, um die Platte vor dem Ausrichten
zu halten. Alle Elemente des Körpers
und der Spindel sind kreisförmig
konfiguriert und bestehen aus ähnlichem
Material, so dass Wärmeverformungen
minimiert und kritische Abstände
zu luftgelagerten Flächen
bewahrt werden. Der Ausrichtungsprozess ist passiv, da die Luftlagerspindel
eine Mittellinie der Platte frei beweglich in Ausrichtung nach der
Mittellinie der Druckfläche
führt.
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Nach einer alternativen Ausführungsform stellt
ein Präzisionsprägeapparat
eine grundlegende zweiseitige Ausrichtung und Wiederholbarkeit der strukturierten
Medien her. Luftlager werden an vielen Plätzen verwendet, um eine präzise und
gesamte Systemausrichtung zu erzielen. Insbesondere luftlagergestützte Ausrichtungsspindeln
werden in den oberen und unteren Prägeteilen angeordnet. Die luftgelagerten
Ausrichtungsspindeln besitzen ineinandergreifende kegelförmige Ansatzteile.
Die untere Prägeplatte
liegt in einem luftgelagerten Doppelsatz mit einer ebenen Oberfläche und
einer kugelförmigen Oberfläche. Eine
kreisförmige
Elastomer-Unterlage zum Ausgleich der Stärkeabweichungen des Substrats
kann ebenfalls mittig zu den an das Substrat angrenzenden Luftlagerspindeln
angeordnet werden. Die meisten Elemente des Prägeplattenkörpers und der Spindel sind
kreisförmig
konfiguriert und bestehen aus ähnlichen
Materialien, so dass Wärmeverformungen
minimiert und kritische Abstände
zu luftgelagerten Flächen
bewahrt werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform
befindet sich eine luftlagergestützte
Ausrichtungsspindel in der unteren Prägeplatte. Hermetisch versiegelte Prägefolien
werden auf flache Hohlräume
auf den oberen und unteren Prägeteilen
geschweißt.
Die meisten Elemente des Prägeplattenkörpers und
der Spindel sind kreisförmig
konfiguriert und bestehen aus ähnlichen
Materialien, so dass Wärmeverformungen
minimiert und kritische Abstände
zu luftgelagerten Flächen
bewahrt werden. Nach einer weiteren Ausführungsform werden die strukturierten
Folien über
Pico-Aktuatoren ausgerichtet und an ihrem Platz gehalten. In der
unteren Prägeplatte
befindet sich eine luftlagergestützte
Ausrichtungsspindel, um die Platte aufzunehmen. Die meisten Elemente
des Prägeplattenkörpers und
der Spindel sind kreisförmig konfiguriert
und bestehen aus ähnlichen
Materialien, so dass Wärmeverformungen
minimiert und kritische Abstände
zu luftgelagerten Flächen
bewahrt werden.
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Bezug nehmend auf 1, wird ein Querschnitt einer Ausführungsform
eines Plattenausrichtungsgeräts 100 für die Herstellung
strukturierter Medien gezeigt. Nach einer Ausführungsform richtet das Gerät 100 eine
Platte 180 oder ein ähnliches
Substrat passiv aus und bedruckt es. Die Platte 180 kann
eine magnetische Platte zur Datenspeicherung sein (z.B. zur Verwendung
in einem Festplattenlaufwerk), oder die Platte 180 kann,
alternativ, eine Art optischer Platte sein. Das Gerät 100 besitzt
obere Präge- 130 und untere
Prägeteile 135.
Trägerteile 105, 110 und
Säulen 115, 120 stabilisieren
das obere Prägeteil 130 und
das untere Prägeteil 135.
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Die obere Prägeplatte 130 beinhaltet
eine in der Nähe
eines mittleren Teils der oberen Prägeplatte 130 angeordnete
Luftlagerspindel 140 und besitzt einen gegen die untere
Prägeplatte 135 gerichteten
kegelförmigen
Ansatz. Die Luftlagerspindel wird von einem Luftverteiler 172 gehalten,
der eine passive Axialbewegung der Luftlagerspindel ermöglicht.
Die Luftlagerspindel 140 besitzt einen Durchmesser mit einer
für das
Einfahren in einen ID 182 einer Platte 180 bemessenen
Größe. Die
obere Prägeplatte 130 besitzt
eine erste, um die Luftlagerspindel 140 herum angeordnete
Druckfläche 160.
Nach einer Ausführungsform
kann die erste Druckfläche 160,
zum Ausgleich der Abweichungen der Stärke der Platte 180, an
die erste Elastomer-Unterlage 161 angrenzen oder mit dieser
verbunden sein. Die erste Druckfläche 160 kann ebenso
eine Folie sein, welche die auf eine Platte zu pressenden Spurenmerkmale
besitzt. Nach einer Ausführungsform
besitzt die erste Druckfläche 160 eine
kreisförmige
Form, um mit der Platte 180 übereinzustimmen. Eine Mittellinie
der Luftlagerspindel 140 ist nach einer Mittellinie 192 der
ersten Druckfläche 160 ausgerichtet.
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Die untere Prägeplatte 135 besitzt
einen kreisförmigen
Hohlraum 165, der einen elastomeren Kranz enthält.
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Die untere Prägeplatte 135 beinhaltet
zudem einen ringförmigen
Luftverteiler 170, der im Wesentlichen innerhalb des Hohlraums 165 angeordnet
ist, um die Platte 180 zu positionieren. Nach einer Ausführungsform
wird die Platte 180 durch eine schwebende Platte 180 innerhalb
des Hohlraums 165 positioniert. Die untere Prägeplatte 135 besitzt
zudem eine zylindrische Öffnung 150,
deren Größe für die Aufnahme
des kegelförmigen
Ansatzes 145 der Luftlagerspindel 140 bemessen
ist. Die untere Prägeplatte 135 besitzt
eine zweite, an die zweite Elastomer-Unterlage 163 angrenzende
Druckfläche 162, deren
Mittellinie 194 nach der Mittellinie 192 der ersten
Druckfläche 160 der
Luftlagerspindel 140 ausgerichtet ist. Nach einer Ausführungsform
sind die Elemente des Prägeplattenkörpers, die
eine Luftlagerspindel 140 beinhalten, kreisförmig konfiguriert
und bestehen aus ähnlichen Materialien,
so dass Wärmeverformungen
minimiert und kritische Abstände
zu den luftgelagerten Flächen
bewahrt werden. Beispiele für
Materialien, die für
die Elemente des Prägeplattenkörpers verwendet
werden können,
beinhalten, unter anderem, Werkzeugstahlsorten wie D2, M2 und 440-C.
Nach einer Ausführungsform
einer Methode zum Ausrichten und Drucken einer Platte 180 mit dem
Gerät 100,
kann die Platte 180 durch eine beliebige Anzahl automatisierter
Methoden zuerst über dem
kreisförmigen
Hohlraum 165 (der ein Elastomer- und Heizelement enthalten
kann) platziert werden. Nach einer Ausführungsform platziert beispielsweise ein
Roboter oder eine Beschickungsvorrichtung (Pick-and-Place-Vorrichtung
("P&P"-Vorrichtung)) die
Platte 180 in einem kreisförmigen Hohlraum 165. Ein
ringförmiger
Luftschlitz 170 nahe des ID 182 positioniert die
Platte 180 mittels einer schwebenden Platte 180 einige
Tausendstel Zoll über
dem Prägehohlraum 165.
Nach einer alternativen Ausführungsform
kann eine zweite, an die zweite Elastomer-Unterlage 163 angrenzende
Druckfläche 162 am
Plattenhohlraum 165 angeordnet und gegen die Unterseite
der Platte 180 gerichtet werden. Die Platte 180 wird
anfänglich
von den flachen AD-Hohlraumwänden,
die einige Tausendstel Zoll größer als
der Nenndurchmesser der Platte 180 sind, axial gehalten.
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Das Gerät 100 schließt, indem
die obere Prägeplatte 130 axial
zur unteren Prägeplatte 135 herunterfährt. Sobald
die Prägeeinheit 100 geschlossen ist,
führt der
kegelförmige
Ansatz 145 der Luftlagerspindel 140 den ID der
schwebenden Platte 182 frei beweglich in eine mit der Mittellinie 190 der
oberen Prägeplatte 130 übereinstimmende
Ausrichtung. Da sich die Luftlagerspindel 140 dank ihrer
Luftlagerung frei um ihre eigene Achse bewegt und durch ihr Eigengewicht
eine geringe Kraft abwärts
lenkt, verbleibt die Luftlagerspindel 140 in Kontrollkontakt
mit der Platte 180, wenn die Mittellinie 190 der
Luftlagerspindel 140 nach der Mittellinie 196 der
Platte 180 ausgerichtet wird (und umgekehrt). Es können sehr niedrige
Mengen sauberer, trockener Luft ("CDA")
erforderlich sein, um die Platte 180 und die Luftlagerspindel 140 zu
tragen.
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Während
die Mittellinie 196 der Platte 180 nach der Mittellinie 192 der
Luftlagerspindel 140 und der ersten Druckfläche 160 ausgerichtet
ist, fährt
die obere Prägeplatte 130 weiterhin
nach unten zum unteren Prägeteil 135.
Der kegelförmige
Ansatz 145 der Luftlagerspindel 140 senkt sich
zur unteren Prägeplatte 135,
und die erste Druckfläche 160 gerät in Kontakt
mit der Plattenoberfläche,
um die Platte 180 zu drucken. Abhängig davon, ob eine Druckfläche auf der
oberen Prägeplatte 130,
der unteren Prägeplatte 135 oder
beiden (z.B. erste und zweite Druckflächen 160, 162)
angelegt wurde, können
eine der beiden oder beide Seiten der Platte 180 bedruckt
werden. Diese Methode bietet eine präzise zweiseitige Ausrichtung
und Wiederholbarkeit für
den Druck der Platte 180. Das Gerät 100 richtet die
Platte 180 beim Druck von Oberflächen passiv aus, wofür es keiner Hochpräzisionsaktuatoren
oder ähnlicher
Maschinen mehr bedarf. Somit bietet die Nutzung des Geräts 100 eine
höhere
Zuverlässigkeit,
weniger Betriebskosten und Wartung, eine bessere Genauigkeit und Wiederholbarkeit
sowie schnellere Durchlaufzeiten. Nach einer Ausführungsform
erzielt das Gerät 100 eine
Platten-Prägeplatten-Ausrichtung von +/– 5 Mikron
oder besser.
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2 zeigt
einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Plattenausrichtungsgeräts 200 für die Herstellung
strukturierter Medien. Das Gerät 200 richtet
ein Substrat (z.B. eine Platte) passiv aus und bedruckt es. Das
Gerät 200 besitzt
obere Präge- 230 und
untere Prägeteile 235.
Die obere Prägeplatte 230 beinhaltet
eine erste, in der Nähe
eines mittleren Teils der oberen Prägeplatte 230 angeordnete
Luftlagerspindel 240 und besitzt einen, gegen die untere
Prägeplatte 235 gerichteten,
ersten kegelförmigen
Ansatz 242. Die erste Luftlagerspindel 240 besitzt
einen Durchmesser mit einer zum Einfahren in einen ID 282 einer
Platte 280 bemessenen Größe. Die obere Prägeplatte 230 besitzt
eine erste, um die erste Luftlagerspindel 240 herum angeordnete Druckfläche 260.
Nach einer Ausführungsform
kann die erste Druckfläche 260 eine
Elastomer-Unterlage zum Ausgleich der Oberflächenabweichungen der Platte 500 oder
Druckfläche 260 (z.B.
eine Druckfolie) beinhalten. Nach einer Ausführungsform besitzt die erste
Druckfläche 260 eine
kreisförmige
Form, um mit der Platte übereinzustimmen.
Eine Mittellinie 290 der ersten Luftlagerspindel 240 ist
nach einer Mittellinie 292 der ersten Druckfläche 260 ausgerichtet.
Trägerteile 205, 210 stabilisieren
das obere Prägeteil 230 und
das untere Prägeteil 235.
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Die untere Prägeplatte 235 beinhaltet
eine zweite, in der Nähe
eines mittleren Teils angeordnete Luftlagerspindel 245 mit
einem, zum ersten kegelförmigen
Ansatz 242 der ersten Luftlagerspindel 240 gerichteten,
zweiten kegelförmigen
Ansatz 244. Ebenso wie der erste kegelförmige Ansatz 242 der ersten
Luftlagerspindel 240 ist auch der zweite kegelförmige Ansatz 244 der
zweiten Luftlagerspindel 245 in seiner Größe auf das
Einfahren in den ID 282 einer Platte 280 bemessen.
Nach einer Ausführungsform kann
die untere Prägeplatte 235 ebenso
eine zweite, um die zweite Luftlagerspindel 245 herum angeordnete
Druckfläche 262 besitzen.
Eine Mittellinie 294 der zweiten Luftlagerspindel 245 ist
nach einer Mittellinie 296 der zweiten Druckfläche 262 ausgerichtet. Nach
einer Ausführungsform
liegt die untere Prägeplatte 235 des
Geräts 200 in
einem luftgelagerten Doppelsatz mit einer ebenen Oberfläche 246 und
einer kugelförmigen
Oberfläche 278.
Der luftgelagerte Doppelsatz der ebenen Oberfläche 246 und der kugelförmigen Oberfläche 278 gestattet
der kugelförmigen
Auflagefläche 250 der
unteren Prägeplatte 235 Bewegungsfreiheit
für eine
Rotation um eine theoretische Mitte 293 der oberen Fläche der
Platte 280.
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Nach einer Ausführungsform einer Methode zum
Ausrichten und Drucken einer Platte 280 mit dem Gerät 200,
kann die Platte 280 zunächst
auf der unteren Prägeplatte 235 platziert
werden (z.B. durch einen Roboter oder eine P&P-Vorrichtung), so dass der zweite
kegelförmige
Ansatz 244 der zweiten Luftlagerspindel 245 in
einen ID 282 der Platte 280 fährt. Insbesondere wird die
Platte 282 auf der unteren Spindel 245 platziert
und einige Tausendstel Zoll über einer
zweiten Druckfläche 262 innerhalb
eines Hohlraums 266 des unteren Prägeplattenteils 235 gesichert.
Der Hohlraum 265 ist etwas größer bemessen als die Platte 260,
um die Platte 280 innerhalb des unteren Prägeplattenteils 235 aufnehmen
zu können.
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Die Platte 280 wird anfänglich vom
ersten kegelförmigen
Ansatz und anschließend
vom zweiten kegelförmigen
Ansatz 244 einer zweiten Luftlagerspindel 245 des
unteren Prägeplattenteils 235 axial fixiert.
Wie oben erörtert,
befindet sich – auf
duplizierte Weise – eine,
luftgelagerte, lineare Präzisionsspindel
(z.B. die erste Luftlagerspindel 240) im oberen Prägeplattenteil 230.
Nach dem Schließen
der unteren und oberen Prägeplattenteile 230, 235,
besitzen die Ansätze 242, 244 der
ersten und zweiten Luftlagerspindel 242, 244 drei
fingerartige Konfigurationen mit kegelförmigen Stirnseiten, die ihnen
den Eingriff ermöglichen,
wobei die Platte 280 an den beiden abgeschrägten Kanten
des ID gefasst wird. Auf diese Weise richtet sich das untere Prägeplattenteil 235 nach
dem oberen Prägeplattenteil 230 aus,
wofür die zentrierte
Platte 280 als Verbindungsmedium verwendet wird. Die erste
Luftlagerspindel 240 des oberen Prägeplattenteils 230 wird
durch ihr Eigengewicht (und, wenn nötig, durch Luftdruck) nach
unten gedrängt,
während
eine zweite Luftlagerspindel 245 des unteren Prägeplattenteils 235 durch
einen kleinen Differentialluftdruck nach oben gedrängt wird. Das
untere Prägeplattenteil 235 schwebt
frei beweglich auf einer flachen luftgelagerten Ebene 276 in Ausrichtung
nach der Mittellinie 290 des oberen Prägeplattenteils 230.
Die Übereinstimmung
der Ebene der ersten Druckfläche 260 mit
der zweiten Druckfläche 262 wird
durch die passive Bewegung der kugelförmigen luftgelagerten Oberfläche 278 der
kugelförmigen
Auflagefläche 250 erzielt.
Der Krümmungsradius
der Oberfläche 278 ist
auf den Mittelpunkt der oberen Fläche der Platte 280 gerichtet,
um eine relative Bewegung zwischen der Platte 280 und der
zweiten Druckfläche 262 zu
minimieren.
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Nach einer Ausführungsform kann die übermäßige Bewegungsfreiheit
der kugelförmigen
Auflagefläche 250 durch
Klampen kontrolliert werden. Zum Tragen der Luftlagerspindeln 240, 245 können sehr
geringe CDA-Mengen verwendet werden. Somit erreicht das Gerät 200 eine
automatische Ausrichtung beider Seiten einer Platte nach den Druckflächen, indem
ein vollständig
schwebendes, mehrachsiges unteres Prägeteil und Luftlagerspindeln
verwendet werden. Sind die Prägeapparate 205, 210 sehr
präzis,
kann das Leistungsmerkmal der kugelförmigen Ausrichtung entfernt
und das planare System beibehalten werden, um eine koaxiale Ausrichtung
von 205, 210 zu erreichen.
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3 zeigt
einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Plattenausrichtungsgeräts für die Herstellung
strukturierter Medien. Das Gerät 300 besitzt
ein oberes Prägeplattenteil 330 und
ein unteres Prägeplattenteil 330,
das eine grundsätzlich zweiseitige
Ausrichtung und Wiederholbarkeit strukturierter Medien (z.B. einer
Platte) herstellt. Die untere Prägeplatte 335 beinhaltet
eine in der Nähe
eines mittleren Teils angeordnete, luftlagergestützte Ausrichtungsspindel 340 mit
einem sich zum oberen Prägeplattenteil 330 erstreckenden
kegelförmigen
Ansatz 342. Trägerteile 305, 310 und
Säulen 315, 320 stabilisieren
das obere Prägeteil 330 und
das untere Prägeteil 335.
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Der kegelförmige Ansatz 342 der
Luftlagerspindel 340 besitzt eine zum Einfahren in einen
ID 382 einer Platte 380 bemessene Größe. Wie
weiter unten detaillierter in Bezug auf die 7A und 7B beschrieben,
können
die Druckflächen 360, 362 hermetisch über den
oberen und unteren Teilen 330, 335 versiegelt
werden, um flache Hohlräume 350, 351, 352, 353 zu
formen. Die oberen und unteren Prägeplattenteile 330, 335 besitzen
zudem Auslaufstutzen für
Druckfluide 370, 372, 374, 376,
die sich in Fluidverbindung mit den hermetisch versiegelten Hohlräumen 350, 351, 352, 353 befinden,
um Fluide, die für die
Bedruckung von Flächen 360, 362 auf
der Platte 380 verwendet werden, zu tiefem oder zu entfernen (z.B.
Flüssigkeiten
oder Gas). Nach einer Ausführungsform
kann das Gerät 300 insgesamt
vier Auslaufstutzen für
Druckfluide besitzen, obwohl mehr oder weniger als vier verwendet
werden können. Eine
Mittellinie 390 der Luftlagerspindel 340 des unteren
Prägeplattenteils 335 wird
nach den auf den oberen und unteren Prägeplattenteilen 330, 335 angeordneten
Druckflächen 360, 362 ausgerichtet.
Das untere Prägeplattenteil 335 besitzt
zudem eine Feder 345, die eine Axialbewegung der Spindel 340 ermöglicht.
Alle Prägeteile
sind kreisförmig
konfiguriert und bestehen aus ähnlichen
Materialien, so dass Wärmeverformungen
minimiert und kritische Abstände
zu luftgelagerten Flächen
bewahrt werden.
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Nach einer Ausführungsform sind die Druckflächen 360, 362 aus
nachgiebigem Material gefertigt, das eine Biegsamkeit bei der Kontaktherstellung mit
einem Plattensubstrat (z.B. einer Platte 330) ermöglicht.
Das Plattensubstrat kann inhärente
Abweichungen in der Stärke
aufweisen, die biegsame Druckflächen 360, 362 zur
Angleichung an die Abweichungen erfordern würden. 7A zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform
der Druckflächen 710, 712,
die über
den Prägeteilen 720, 722 hermetisch
versiegelt sind, um hermetisch versiegelte Hohlräume 730, 732 zu
formen. Zur Verständlichkeit
der Erklärung
wird nicht das vollständige
Plattenausrichtungsgerät
gezeigt. Die Druckflächen 710, 712 können mit
den Prägeteilen 720,722 durch
Schweißen, (z.B.
Laser oder Hartlötung),
Lötung
oder Lichtbogenschweißen
versiegelt werden. Beim Schweißen der
Druckflächen 710, 712 an
die Prägeteile 720, 722 kann
ein Aussickern des durch die Hohlräume 730, 732 laufenden
Fluids während
des Druckprozesses verhindert werden. 7B zeigt
einen Querschnitt einer alternativen Ausführungsform der über den Prägeteilen 720, 722 hermetisch
versiegelten Druckfläche 710, 712.
Nach dieser Ausführungsform
können
O-Ringe 740, 742 für die Versiegelung der Druckflächen 710, 712 über den
Prägeteilen 720, 722 verwendet
werden.
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Ein geringes Vakuum an den Prägehohlräumen 730, 732 kann
die Druckflächen 710, 712 an
ihrem Platz halten, bis der Klemmvorgang der Schließung der
Prägeplatten
durchgeführt
worden ist. Alternativ können
elastomere Materialien (z.B. Gummi und andere vergleichbare Polymere)
und Metalle (z.B. für
die Verwendung mit ultrahohen Vakuumsiegeln) statt der O-Ringe verwendet
werden.
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Es wird für einen Fachmann verständlich sein,
dass ein an die Druckfläche
angrenzender vorgeformter Hohlraum nicht für die Anwendung lokaler Heiz-
und Kühlelemente
erforderlich ist. Nach einer Ausführungsform kann ein mechanischer
Kolben angrenzend an die Druckfläche
angeordnet sein, um den Kontakt mit dem Plattensubstrat zu erzwingen. Alternativ
kann die Anwendung eines Heiz- oder Kühlelements auf die Druckfläche die
Formung eines Hohlraums verursachen, wenn sich die Druckfläche biegt,
um einen Kontakt zum Plattensubstrat herzustellen.
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Wieder Bezug nehmend auf 3 wird, nach einer Ausführungsform
einer Methode zum Ausrichten und Drucken einer Platte 380 mit
einem Gerät 300,
die Platte 380 auf einer Luftlagerspindel 340 des
unteren Prägeplattenteils 335 platziert
(z.B. durch einen Roboter oder eine P&P-Vorrichtung). Nach
der Platzierung befindet sich die Platte 380 einige Tausendstel
Zoll über
der Druckfläche 362 des unteren
Prägehohlraums 352.
Sobald sich das obere Prägeplattenteil 330 über dem
unteren Prägeplattenteil 335 schließt, sitzt
die Platte 380 fest an ihrem Platz, wobei der ID 382 der
Platte 380 auf den kegelförmigen Ansatz 342 der
Luftlagerspindel 340 fährt. Nach
Schließung
der oberen unteren Prägeplattenteile 330, 335 wird
eine Mittellinie 396 der Platte 380 nach den Mittellinien 390, 392 der
oberen unteren Prägeplattenteile
ausgerichtet. Daraufhin werden die unter den Druckflächen 360, 362 liegenden
Hohlräume 350, 352 mit
einem Hochdruckfluid (z.B. Gas oder Flüssigkeit) beschickt, das die
Merkmale der Druckflächen
in den Polymerüberzug
der Platte drückt.
Das Fluid wird durch Auslaufstutzen für Druckfluide 370, 372, 374, 376 zugeführt. Beispiele
für Fluide,
die verwendet werden können, beinhalten
unter anderem Hochdruckgas (Stickstoff), Hydrauliköl und Fluide
für Wärmearbeiten
wie Dow ThermTM oder Marlotherm NTM. Zum Abschluss des Druckprozesses wird
der Druck auf Null reduziert und dem Fluid der Durchfluss durch
die Hohlräume
ermöglicht,
gefolgt von einem Kühlfluid
zum Abführen
der Restwärme
und Kühlen der
bedruckten Oberfläche
der Platte 380. Das Kühlen
der Platte und Bedrucken der Oberfläche kann die Trennung der Platte
von der Druckfläche
erleichtern. Der Überzug
eines Plattensubstrats kann ein fester Bestandteil eines strukturierten
Substrats sein oder, nach entsprechender Entwicklung, entfernt werden.
Er kann, durch das Drucken von Merkmalen auf einem Überzug mittels
eines Stanzers, als Schablone benutzt werden, um die Strukturierung
der Substratoberfläche
durch nachfolgende Prozesse der Materialaddition oder -subtraktion
(z.B. die Auflage mittels Maske oder den Ätzdruck mittels Maske) zu ermöglichen,
und dies kann häufig
erleichtert werden, wenn der Druck bei erhöhter Substrattemperatur durchgeführt wird,
wobei in letzterem Falle die daraus resultierende Maske nach Durchführung der additiven
oder subtraktiven Prozesse entfernt wird. Eine höhere Temperatur kann das zu
bedruckende Material weicher machen und somit die Wiedergabetreue
der geprägten
Merkmale verbessern und die Lebensdauer des Stanzers erhöhen. Darüber hinaus kann
die Trennung des Stanzers von der bedruckten Fläche durch die Kühlung des
Substrats unter die Drucktemperatur erleichtert werden. Es kann
infolgedessen erstrebenswert sein, die Presse mit Elementen zum
Heizen und Kühlen
des Plattensubstrats vor und nach dessen Bedruckung durch den Stanzer auszustatten.
Die Bereitstellung solcher Kühl-
und Heizelemente wird vorzugsweise durch die Platzierung solcher
Elemente in unmittelbarer Nähe
zur Rückseite
jedes Stanzers ausgeführt.
Lokales Heizen und Kühlen
des Plattensubstrats muss nicht notwendig sein, um einen erfolgreichen
Stanzvorgang zu erzielen. Heiz- und Kühlelemente können auf
das vollständige
Plattenausrichtungsgerät
(z.B. Gerät 300)
angewandt werden, um ein Plattensubstrat zu stanzen.
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Wie oben erklärt, kann eine Methode zum Heizen
und Kühlen
die Verwendung heißer
und kalter Fluide in den Hohlräumen
hinter den Druckflächen (z.B.
Druckflächen 360, 362),
Membranen oder Folien beinhalten. Alternativ können ringförmige Blöcke in unmittelbarer Nähe zu den
Druckflächen
angeordnet sein. Diese Blöcke
können
eingebaute elektrische Heizspulen oder thermoelektrische Kühlvorrichtungen
enthalten. Nach einer weiteren Ausführungsform können ringförmige Quarz-Heizlampen oder Widerstandsbänder, die
nahe der Druckfläche
befestigt sind, zusammen mit Kühlfluiden
verwendet werden.
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8 zeigt
eine Ausführungsform
einer Heiz- und Kühlvorrichtung
für das
Drucken einer Platte. Die Vorrichtung beinhaltet eine thermodynamische
Presse 800 mit Druckfluidanschlüssen, die mit Auslaufstutzen
für Fluide
(z.B. 370, 372, 374, 376 von 3) eines Plattenausrichtungssystems
in Verbindung stehen, um Heiz- und Kühlelemente zur Bedruckung eines
Plattensubstrats bereitzustellen. Zur Verständlichkeit der Erklärung wird
ein teilweiser Querschnitt des Plattensubstrats 810 mit
der angrenzend zum Plattensubstrat 810 angeordneten Druckfläche 820 gezeigt.
Ein hermetisch versiegelter Hohlraum 830 ist angrenzend
zur Druckfläche 820 angeordnet.
Der Hohlraum 830 hat zudem eine Öffnung 860, die mit
dem Heizelement 840 in Fluidverbindung steht und eine Öffnung 862,
die mit dem Wärmetauscher 870 in
Fluidverbindung steht.
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Während
des Betriebs erhitzen die Heizspulen 842 ein im Heizelement 840 enthaltenes
Fluid 644 (z.B. eine Flüssigkeit
oder ein Gas) auf die Arbeitstemperatur. Der Kolben 805 des
Heizelements 840 verdrängt
das heiße
Arbeitsfluid 844 aus dem Heizelement 840 durch
die Öffnung 860 und
in den Hohlraum 830. Das Arbeitsfluid tritt über die Öffnung 862 aus
dem Hohlraum 830 aus und verdrängt ein inertes Gas (z.B. Stickstoff)
in Richtung des Wärmetauschers 870.
Es können
Rückschlagventile 880, 882 aktiviert
werden, um einen freien Fluss des Arbeitsfluids 844 zu
verhindern und dem Kolben 805 das Erreichen einer vorher
festgelegten Kraft zu ermöglichen,
damit die Druckfläche 820,
durch die Übertragung
der Hitze des Arbeitsfluids 844, gegen das Plattensubstrat 810 gepresst
wird. Der Kolben 805 kann anschließend eingezogen werden, wodurch
der Systemdruck gesenkt und das heiße Arbeitsfluid 844 durch
die Fluidrückleitung 890 zurückgezogen
wird. Das abgekühlte
Gas aus dem Wärmetauscher 870 folgt
dem aus dem Hohlraum 330 weichenden heißen Fluid, ersetzt es und kühlt die
Druckfläche 820.
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4 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Plattenausrichtungsgeräts 400 für die Herstellung
strukturierter Medien. Das Gerät 400 richtet
ein Substrat (z.B. eine Platte) aus und bedruckt es. Das Gerät 400 besitzt ein
oberes Prägeplattenteil 450 und
ein unteres Prägeplattenteil 435,
das eine grundsätzliche
Wiederholbarkeit des strukturierten Mediums (z.B. eine Platte) herstellt.
Trägerteile 405, 410 und
Säulen 412, 414, 416 (eine
vierte Säule
wird in dieser Ansicht nicht gezeigt) stabilisieren das obere Prägeteil 430 und
das untere Prägeteil 435.
Die untere Prägeplatte 435 beinhaltet
eine, in der Nähe
eines mittleren Teils angeordnete, luftlagergestützte Ausrichtungsspindel (nicht
gezeigt) mit einem, sich zum oberen Prägeplattenteil 430 erstreckenden,
kegelförmigen
Ansatz 445. Der kegelförmige
Ansatz 445 der Luftlagerspindel besitzt eine zum Einfahren
in einen ID 482 einer Platte 480 bemessene Größe. Die
oberen und unteren Teile 430, 435 besitzen zudem
erste und zweite Druckflächen.
In dieser Ansicht wird nur die zweite Druckfläche 462 gezeigt.
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Nach einer Ausführungsform werden die ersten
und zweiten Druckflächen 460, 462 von
Pico-Aktuatoren 470, 472, welche die zweiseitige
Bewegung der ersten und zweiten Druckflächen 460, 462 kontrollieren,
an ihrem Platz gehalten. Die oberen und unteren Prägeplattenteile 430, 435 besitzen
zudem Auslaufstutzen für
Druckfluide 450, 452 zur Bereitstellung und Entfernung
von Fluiden, die zum Beschicken der ringförmigen Kolben (nicht dargestellt)
und somit zum Pressen der Druckflächen auf die Platte 480 verwendet
werden. Eine Mittellinie 490 der Luftlagerspindel 440 des
unteren Prägeplattenteils 435 wird
nach den auf den oberen und unteren Prägeplattenteilen 430, 435,
angeordneten Druckflächen 460, 462 ausgerichtet.
Alle Elemente des Prägeplattenkörpers und
die Luftlagerspindel 440 sind kreisförmig konfiguriert und bestehen
aus ähnlichen
Materialien, so dass Wärmeverformungen
minimiert und kritische Abstände
zu den luftgelagerten Flächen
bewahrt werden.
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Nach einer Ausführungsform einer Methode zum
Ausrichten und Drucken einer Platte 480 mit dem Gerät 400,
wird die Platte 480 auf dem kegelförmigen Ansatz 445 der
Spindel 440 platziert (z.B. durch einen Roboter oder eine
P&P-Vorrichtung)
und befindet sich einige Tausendstel Zoll über der zweiten Druckfläche 462 des
unteren Prägeteils 435.
Das obere Prägeplattenteil 430 wird über der
Platte 480 geschlossen und sitzt fest an seinem Platz an
den Druckflächen 460, 462.
Nach dem Schließen
der oberen und unteren Prägeplattenteile 430, 435 wird eine
Mittellinie der Platte 480 nach den Mittellinien der oberen
und unteren Prägeplattenteile 430, 435 ausgerichtet
(die Mittellinien werden in dieser perspektivische Ansicht des Geräts 400 nicht
gezeigt). Die unter den Druckflächen 460, 462 liegenden
Hohlräume
(nicht gezeigt) werden anschließend
mit Hochdruckgas beschickt, das die Druckmerkmale in den Polymerüberzug drückt. Das
Fluid wird durch Auslaufstutzen für Druckfluide 450, 452 zugeführt. Zum
Abschluss des Druckprozesses wird der Druck auf Null reduziert,
und ein Reinigungsgas strömt durch
die Hohlräume,
um die Restwärme
abzuführen und
die bedruckten Oberflächen
der Platte 480 abzukühlen.
Nach einer alternativen Methode kann eine Beschickung mit Brennstoffgas
wie Wasserstoff und Sauerstoff zur Erzeugung von Hitze und Stoßdruck verwendet
werden, um die Druckflächen
in die Polymerschicht der Platte 480 zu prägen. Die
nachfolgende Reinigung der Hohlräume
kühlt die
Folie und das Polymer ab.
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5 zeigt,
in Form eines Ablaufdiagramms, eine Methode zur passiven Ausrichtung
einer Platte für
die Herstellung strukturierter Medien. Die Methode beginnt bei Block 510 mit
der Bereitstellung eines Prägeapparats,
der ein oberes und ein unteres Teil mit einer am unteren Teil angeordneten
und gegen das obere Teil gerichteten Oberfläche der Druckfläche oder
-folie besitzt. In Block 520 schwebt daraufhin eine Platte über der
Druckfläche
innerhalb eines Hohlraums des unteren Teils. In Block 530 fährt ein ID
der Platte auf ein kegelförmiges
Ansatzteil der mit dem oberen Teil des Prägeapparats verbundenen Luftlagerspindel.
In Block 540 schließt
sich das obere Teil über
dem unteren Teil, so dass der kegelförmige Ansatz der Luftlagerspindel
den ID der schwebenden Platte in eine mit einer Mittellinie der
Luftlagerspindel und der Druckfläche übereinstimmende
Ausrichtung führt.
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6 zeigt,
in Form eines Ablaufdiagramms, eine weitere Methode zur passiven
Ausrichtung einer Platte für
die Herstellung strukturierter Medien. Die Methode beginnt bei Block 610 mit
der Bereitstellung eines Prägeapparats,
der ein oberes und ein unteres Teil mit einer am unteren Teil angeordneten
und gegen das obere Teil gerichteten Oberfläche einer Druckfolie besitzt.
In Block 620 ist eine Platte über der Druckfolie innerhalb
eines Hohlraums des unteren Teils positioniert. In Block 630 fährt ein
ID der Platte auf ein erstes kegelförmiges Ansatzteil einer ersten
mit dem oberen Teil des Prägeapparats
verbundenen Luftlagerspindel. In Block 640 greift ein zweites
kegelförmiges
Ansatzteil einer zweiten, mit dem oberen Teil des Prägeapparats
verbundenen Luftlagerspindel in ein erstes kegelförmiges Ansatzteil.
Nach Schließung
der oberen unteren Teile, führen
das erste und zweite kegelförmige
Ansatzteil den ID der Platte in eine mit der Mittellinie der ersten
und zweiten Luftlagerspindel sowie der Druckfolie übereinstimmende
Ausrichtung. In der vorangehenden Spezifikation wurde die Erfindung
unter Bezugnahme auf ihre spezifischen, beispielhaften Ausführungsformen
beschrieben. Es soll jedoch nahegelegt werden, dass verschiedene
Modifizierungen und Änderungen an
ihr vorgenommen werden können,
ohne vom weiteren Sinn und Umfang der Erfindung, wie sie in den beigefügten Patentansprüchen dargelegt
worden ist, abzuweichen. Die Spezifikationen und Figuren sind dementsprechend
mehr im Sinne einer Veranschaulichung denn einer Einschränkung zu
betrachten.