DE19934605C2 - Anordnung zur rotatorischen Positionierung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur rotatorischen Positionierung, die aus einer Grobpositioniereinrichtung und einer Feinpositioniereinrichtung besteht, die auf ein zu positionierendes drehbares Glied einwirken, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine erste relativ ungenaue Grobpositioniereinrichtung (2, 8, 9) mit hoher Verstellgeschwindigkeit und großem Verdrehbereich zusammen mit einer zweiten hochgenauen Feinpositioniereinrichtung (3) mit kleinem Verdrehbereich, aber sehr hoher Auflösung integriert ist, und die Grobpositioniereinrichtung und die Feinpositioniereinrichtung eine gemeinsame Lagerung (7) aufweisen (Figur 1A).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur rotatorischen Positionierung, bestehend aus einer Grobpositionierein­ richtung und einer Feinpositioniereinrichtung, die auf ein zu positionierendes drehbares Glied einwirken, wobei die relativ ungenaue Grobpositioniereinrichtung, die eine relativ hohe Verstellgeschwindigkeit und einen relativ großen Verdrehbereich hat, zusammen mit der hochgenauen Feinpositioniereinrichtung, die einen relativ kleinen Verdrehbereich aber eine sehr hohe Auflösung hat, integriert ist.

Eine derartige Positioniervorrichtung ist aus dem Firmenkatalog Physik Instrumente Nanopositionierung Ausgabe KAT 115 NP/D 8/98.12 (1998), Seite 7.36f bekannt.

Von der Firma Karl Süss wird mit der Bezeichnung "MA 150 RH" (Production Mask Aliner) ein Gerät zur Grob- und Feinpositionierung eines Drehtischs, auf dem ein Wafer festgehalten ist, angeboten. Diese bekannte Anordnung zur rotatorischen Positionierung verwendet für die Vor-(Grob) und Feinpositionierung zwei getrennte Positionierein­ richtungen. Die Feinpositionierung erfolgt mit einem normalen Servoantrieb, während die Grobpositionierung lediglich eine Vorjustage, um ein Ziel zu finden, quasi als Indexierung vornimmt. Durch Einsatz eines großen Hebelarms erreicht die bekannte Anordnung hohe Genauigkeiten des einzustellenden Drehwinkels, hat jedoch dadurch den Nachteil, dass sie recht groß ist.

Andere am Markt verfügbare motorische Präzisionsdreh­ tische, die einen Verfahrweg von mindestens 360° haben, wie z. B. Drehtische mit direkt angeflanschtem Rotations­ antrieb, bei dem die Antriebsachse parallel und mit der Drehachse fluchtend liegt, einem über ein Zahnrad direkt gekoppelten Rotationsantrieb, bei dem die Antriebsachse parallel zur Drehachse liegt und einem über Zahnriemen gekoppelten Rotationsantrieb, bei dem die Antriebsachse parallel zur Drehachse liegt, einem über Schnecken­ getriebe gekoppelten Rotationsantrieb, bei dem die Antriebsachse senkrecht zur Drehachse steht und einem über eine Zahnstange gekoppelten Linearantrieb, bei dem die Verfahrrichtung senkrecht zur Drehachse steht, erreichen im allgemeinen Auflösungen in der Größenordnung von 10 Winkelsekunden. Dazu werden in der Regel die erwähnten Schneckengetriebe verwendet, bei denen die erreichbare Auflösung abhängig vom Durchmesser des verwendeten Schneckenrads ist.

Die Positioniergenauigkeit nimmt nicht proportional zur Vergrößerung des Schneckenraddurchmessers zu, da mit zunehmenden Raddurchmesser auch eine präzisere Fertigung möglich ist. Dies bedeutet, dass kleine Dreh­ tische, d. h. Tische kleiner Bauform, verhältnismäßig geringe Auflösungen erzielen.

Hohe Auflösungen sind möglich, wenn der feine Verstell­ bereich auf wenige Grad beschränkt wird. Man erreicht eine feine Verstellbewegung z. B. dadurch, dass eine manuelle oder motorische Mikrometerschraube mit kleinem linearem Verstellweg auf einen langen Hebelarm einwirkt. Auch hier nimmt bei Verlängerung des Hebels die Auflösung zu.

Über einen Verstellbereich von wenigen Grad lassen sich so Auflösungen im Winkelsekundenbereich realisieren.

Hoch auflösende einstufige Drehverstelleinheiten, d. h. Verstelleinheiten, die für die Erzielung eines großen Verstellbereichs und einer hohen Auflösung denselben Antrieb verwenden, haben in der Regel den Nachteil, dass sie nur geringe Verstellgeschwindigkeiten zulassen. Die Auflösung reduziert sich, wenn hohe Verstellgeschwindig­ keiten gefordert sind. Es müssen daher Kompromisse bezüglich Verdrehgeschwindigkeit und Auflösung geschlos­ sen werden. Eine hohe Auflösung und Positioniergenauig­ keit über den gesamten Verstellbereich ist allerdings nicht zwingend erforderlich, da in den meisten Fällen große Verdrehbewegungen mit hoher Geschwindigkeit und geringerer Auflösung gefahren werden können. Die hohe Auflösung und Genauigkeit ist nur im Feinpositionier­ bereich nötig.

Darüber hinaus können Verstellbewegungen im Winkel­ sekundenbereich bisher nur von relativ großen Verstell­ einheiten realisiert werden, wie dies bei der oben erwähnten bekannten Positionieranordnung der Firma Karl Süss der Fall ist.

Bei der aus dem oben erwähnten Firmenkatalog Physik Instrumente Nanopositionierung Ausgabe KAT 115 NP/D 8/89(1998), Seite 7.36f bekannten Positionieranordnung greift eine von einem Gleichstrommotor linear bewegte Stange mit ihrer Stirnseite tangential an einem radialen äußeren peripheren Vorsprung einer das zu positionierende drehbare Glied bildenden Scheibe oder einem Zylinder an. Diese die Drehbewegung des Gleichstrommotors in eine Linearbewegung der Stange und diese wiederum in die Drehbewegung des drehbaren Glieds umsetzende Grobpositioniereinrichtung ragt tangential sehr weit aus der Baufläche des drehbaren Glieds heraus. Diese Grobpositioniereinrichtung wird ergänzt durch eine als Piezotranslator realisierte Feinpositioniereinrichtung, die mit ihrer translatorischen Feinverstellbewegung koaxial in derselben linearen Verstellrichtung auf das stirnseitige Ende der linear beweglichen Stange der Grobpositioniereinrichtung einwirkt und an dem peripheren äußeren Vorsprung des drehbaren Glieds befestigt ist. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Positionieranordnung ist der relativ kleine Verstellbereich der Grobposi­ tioniereinrichtung, der nur etwa +/- 10 Winkelgrade berägt.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Anordnung zur rotatorischen Positionierung so zu ermöglichen, dass sie trotz großem Verstellbereich und hoher Verfahrgeschwindigkeit sehr genau positionieren und dabei klein und kompakt gebaut werden kann.

Die obige Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst. Gemäß einem wesentlichen Aspekt zeichnet sich die erfindungsgemäße Positionieranordnung dadurch aus, dass durch die Grobpositioniereinrichtung eine zentral drehbar gelagerte Scheibe verdrehbar und durch die Feinpositio­ niereinrichtung ein relativ zur Scheibe drehbar gelagerter Zylinder verdrehbar ist, der das zu positionierende Glied bildet, und der Zylinder gemeinsam mit der Scheibe durch die Grobpositioniereinrichtung verdrehbar ist und mit der Scheibe ein gemeinsames Drehlager besitzt. Die Erfindung verwendet somit das Prinzip eines zweistufigen Antriebs zur Erzeugung einer schnellen und zugleich hoch auflösenden Drehbewegung mit weitem Verstellbereich bei der Grobpositionierung.

Dazu wird ein relativ einfaches, ungenaues Verstellsystem mit großem Verdrehbereich und hoher Verstellgeschwindig­ keit mit einem zweiten, hochgenauen Verstellsystem mit kleinem Verdrehbereich, aber sehr hoher Auflösung und Positioniergenauigkeit kombiniert. D. h. die beiden Ver­ stellsysteme werden so integriert, dass die Positionier­ anordnung klein und kompakt ausfällt.

Um eine Drehposition einzustellen, fährt zunächst die Grobpositioniereinrichtung die Position innerhalb des gesamten Verdrehbereichs (z. B. größer als 360°) grob an. Die Bewegung zur exakten Position übernimmt dann die Feinpositioniereinrichtung. Diese kann einen kleinen Verdrehbereich von nur wenigen Winkelgrad oder nur Bruchteilen eines Winkelgrads besitzen. Mit einer derart aufgebauten Positionieranordnung können sowohl große Verstellbewegungen mit hoher Geschwindigkeit als auch sehr genaue Positionen erreicht werden (in der Größenordnung von Bruchteilen von Winkelsekunden).

Günstig ist es, den präzisen Drehantrieb für die Feinpositionierung mit Hilfe eines Linearantriebs zu realisieren. Dieser wird vom Drehantrieb der ersten Stufe mitbewegt. Er lenkt, vorzugsweise tangential, einen in der ersten Antriebsstufe drehbar gelagerten Zylinder an. Bei einer linearen Verstellung des Linearantriebs wird der Zylinder relativ zur ersten Stufe verdreht.

Eine kompakte Bauform wird bei der erfindungsgemäßen zweistufigen Positionieranordnung durch Miniaturlinear­ antriebe erreicht. Beispiele dafür sind Piezostapelan­ triebe und Piezofriktionsantriebe.

Durch die Integration einer relativ ungenauen Dreh­ verstelleinheit mit großem Verstellbereich für die Grob­ positioniereinrichtung mit einer sehr hoch auflösenden Drehverstelleinheit mit sehr kleinem Verdrehbereich (z. B. Miniaturantrieb) für die Feinpositioniereinrichtung kann die erfindungsgemäße Positionieranordnung sehr klein, leicht und kompakt realisiert werden.

Somit stellen sich die Vorteile der Erfindung zusammengefasst wie folgt dar:

• 1. Die Erfindung verwendet eine Kombination von zwei integrierten Drehantrieben, ein Drehantrieb für eine Grobpositioniereinrichtung für eine eher ungenaue und schnelle Drehbewegung und einen zweiten präzisen und hoch auflösenden und damit langsamen Drehantrieb für die Feinpositioniereinrichtung über einen kleinen Verstell­ bereich von z. B. einem Bruchteil eines Winkelgrads.
• 2. Für die Grob- und die Feinpositioniereinrichtung können zwei Einzelsysteme von jeweils geringer Komplexi­ tät eingesetzt werden.
• 3. Durch die Verwendung von zwei differierenden Antriebsprinzipien kann das ideale Antriebssystem für die jeweilige Aufgabe gewählt werden, z. B. ein schnelles von einem elektrischen rotatorischen Antrieb angetriebenes Schneckenrad- oder Zahnriemengetriebe zur Grobpositio­ nierung und ein Piezostapelantrieb oder ein Piezofrik­ tionsantrieb mit kleinem Verstellbereich aber großer Auflösung zur Feinpositionierung.
• 4. Durch die Verwendung von Miniaturantrieben (Linear­ antrieb oder Drehantrieb) kann eine minimale Baugröße erzielt werden.

Die obigen und weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Anordnung zur rotatorischen Positio­ nierung werden in der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels noch deutlicher, wenn Bezug auf die beiliegende Figur genommen wird.

Fig. 1A zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Positionieranordnung, und Fig. 1B zeigt schematisch einen Teilschnitt durch die Positio­ nieranordnung der Fig. 1A längs der Schnittebene B-B.

Ausführungsbeispiel

Das in Fig. 1A und allgemein mit der Bezugszahl 1 bezeichnete Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zur rotatorischen Positionierung weist eine Grobpositioniereinrichtung auf, die schematisch durch einen Schrittmotor 2, ein Schneckenrad 8 sowie ein am Schneckenrad 8 kämmendes Ritzel 9 angedeutet ist. Das vom Schneckenrad 8 angetriebene Ritzel 9 sitzt z. B. an der äußeren Peripherie einer durch ein Drehlager 7 zentral und horizontal drehbar gelagerten Scheibe 4, welche eine erste Antriebsstufe bildet.

Auf dieser, durch die Grobpositioniereinheit rotatorisch, z. B. über mehr als 90°C oder mehr als 360° mit einer Auflösung von z. B. 0,0048°, verdrehbaren Scheibe 4 ist ein relativ zu dieser Scheibe 4 verdrehbarer Zylinder 5 gelagert, der das von der zweiten Antriebsstufe rotato­ risch zu positionierende Glied bildet. Der Zylinder 5 ist mit der Scheibe 4 durch die Grobpositioniereinrichtung verdrehbar.

Am oberen Rand des Zylinders 5 ist ein Drehtisch 10 befestigt, auf dem z. B. ein (nicht gezeigter) Wafer lösbar in einer bestimmten Position fixierbar ist. An der Peripherie der drehbaren Scheibe 4 ist ein Piezostapel­ aktor 3 fixiert, der gemäß der Teilschnittdarstellung in Fig. 1B zur Feinpositionierung tangential an einer mit dem Zylinder 5 fest verbundenen Nase 13 angreift.

Mit einem solchen Piezostapelaktor läßt sich eine Feinpositionierung des Zylinders 5 z. B. über einen Drehbereich von 0,15° mit einer Auflösung von 0,00015° erreichen.

Während die Art der Lagerung des Zylinders 5 auf der drehbaren Scheibe 4 nicht im Detail dargestellt ist, kann eine Einrichtung 6 vorgesehen sein, die den inneren Zylinder 5 während des Grobpositioniervorgangs in einer Bezugsposition oder Nulllage relativ zu der drehbaren Scheibe 4 hält. Eine solche Einrichtung 6 kann z. B. magnetisch oder mit Federkraft wirken. Ferner kann die Einrichtung 6 eine aktiv betätigbare Bremseinrichtung sein, die sich durch ein entsprechendes, von einer 5 Steuereinheit ausgesendetes Befehlssignal z. B. in beliebiger Position relativ zur Scheibe 4 feststellen oder lösen läßt.

In Fig. 1A ist weiterhin eine zur Ansteuerung des Motors 2 sowie des Piezostapelaktors 3 dienende nicht direkt zur Erfindung zählende Steuereinheit 12 dargestellt, welche Grobpositioniersignale an den Motor 2 der Grobpositio­ niereinrichtung und Feinpositioniersignale an den Piezo­ stapelaktor der Feinpositioniereinrichtung entsprechend eines von einer Bedienperson eingegebenen Befehlsignals sendet. Die Steuereinheit 12 kann ferner mit einem, ebenfalls nicht zur Erfindung zählenden Positionsfühler 11 in Verbindung stehen, um die rotatorische Istposition des Drehtischs 10 zu erfassen.

Mit den oben beschriebenen Merkmalen läßt sich eine sehr kompakte Anordnung zur rotatorischen Positionierung her­ stellen, die z. B. einen Durchmesser von annähernd 100 mm und eine Höhe von annähernd 50 mm hat. Der von dem Piezostapelaktor 3 bewegte innere Zylinder 5 kann z. B. als Hohlwelle mit ca. 20-40 mm Durchmesser realisiert werden.

Die in Fig. 1A und 1B dargestellte und oben beschriebene Anordnung zur rotatorischen Positionierung arbeitet so, dass, um eine genaue Drehlage einzustellen, die Grob­ positioniereinrichtung, d. h. mit dem Motor 2, dem Schneckenrad 8 und dem an der unteren Peripherie der Scheibe 4 ausgebildeten, im Schneckenrad 8 kämmenden Ritzel 9 die Position zunächst grob innerhalb des gesamten Verdrehbereichs, welcher z. B. über 360° beträgt, anfährt. Nach Erreichen der Grobposition über­ nimmt dann die Feinpositioniereinrichtung die exakte Einstellung der gewünschten Drehposition des Drehtischs 10, in dem der Zylinder 5 mittels des Piezostapelaktors 3 tangential verstellt wird.

Für die erfindungsgemäße Positionieranordnung ist wesent­ lich, dass der Zylinder 5 mit dem an ihm angreifenden Linearantrieb des Piezostapelaktors 3 mit der Scheibe 4 der Grobpositioniereinrichtung mitbewegt wird. Durch die so realisierte Integration einer zweistufigen Anordnung zur rotatorischen Positionierung sowie durch einen Miniaturlinearantrieb, wie z. B. den im Ausführungs­ beispiel beschriebenen Piezostapelaktor 3 oder statt dessen einen Piezofriktionsantrieb, läßt sich eine sehr kompakte Bauform der Positionieranordnung erreichen.

Durch die Verwendung von zwei differierenden Antriebs­ systemen kann das jeweils ideale Antriebssystem für die jeweilige Aufgabe gewählt werden, wie z. B. eine schnelle, jedoch grob verstellende, Schrittschaltmotor- Schneckenradgetriebe-Kombination oder alternativ ein (nicht gezeigtes) Zahnriemengetriebe zur Grobpositionie­ rung und zur Feinpositionierung ein Piezostapelaktor oder alternativ ein Piezofriktionsantrieb mit kleinem Verdreh­ bereich aber großer Auflösung.

Den hier einschlägigen Fachleuten ist deutlich, dass das oben anhand der Fig. 1A und 1B beschriebene Ausführungs­ beispiel einer Anordnung zur rotatorischen Positionierung lediglich beispielhaft, schematisch und nicht beschrän­ kend zu verstehen ist. Statt dessen können im Rahmen der durch die beiliegenden Patentansprüche definierten Er­ findung verschiedenen Modifikationen vorgenommen werden.

In dem oben beschriebenen und in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel bildet das von der Feinpositionier­ einrichtung drehbar verstellbare Glied einen Hohlzylinder oder Hohlwelle. Statt einem Hohlzylinder oder einer Hohl­ welle kann auch ein anders geformtes Glied, wie z. B. ein Winkelhebel verwendet werden, so fern dieses von dem von der Grobpositioniereinrichtung verdrehten Glied mitbewegt wird, jedoch Spielraum für die Feinpositionierung relativ dazu hat. Statt den Drehtisch 10 in einer horizontalen Ebene zu drehen, kann dieser auch geneigt oder in der Vertikalen verdreht werden, wenn die gesamte Positionier­ anordnung entsprechend aufgebaut ist.

Statt einen Piezoaktor für den zur Feinpositionierung dienenden Linearantrieb einzusetzen, kann auch ein anderer geeigneter Linearantrieb verwendet werden, obwohl der Piezoaktor hinsichtlich Genauigkeit, Robustheit und Preis die derzeit bevorzugte Lösung darstellt.

Claims (8)

1. Anordnung zur rotatorischen Positionierung, bestehend aus einer Grobpositioniereinrichtung (2, 8, 9) und einer Feinpositioniereinrichtung (3), die auf ein zu positionierendes drehbares Glied einwirken, wobei die relativ ungenaue Grobpositioniereinrichtung (2, 8, 9), die eine relativ hohe Verstellgeschwindigkeit und einen relativ großen Verdrehbereich hat, zusammen mit der hochgenauen Feinpositioniereinrichtung (3), die einen relativ kleinen Verdrehbereich aber eine sehr hohe Auflösung hat, integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Grobpositioniereinrichtung (2, 8, 9) eine zentral drehbar gelagerte Scheibe (4) verdrehbar und durch die Feinpositioniereinrichtung (3) ein relativ zur Scheibe (4) drehbar gelagerter Zylinder (5) verdrehbar ist, der das zu positionierende Glied bildet, und der Zylinder (5) gemeinsam mit der Scheibe (4) durch die Grobpositioniereinrichtung (2, 8, 9) verdrehbar ist und mit der Scheibe (4) ein gemeinsames Drehlager (7) besitzt.

2. Positionieranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grobpositioniereinrichtung (2, 8, 9) einen elektrischen rotatorischen Antrieb (2) und ein Schneckengetriebe (8) aufweist.

3. Positionieranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinpositioniereinrichtung (3) einen Linearantrieb aufweist, der vom Drehantrieb der Grobpositioniereinrichtung mitbewegt wird.

4. Positionieranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb einen Piezostapel­ aktor aufweist.

5. Positionieranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb einen Piezofrik­ tionsaktor aufweist.

6. Positionieranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehbereich der Grobpositioniereinrichtung größer als 90° und ihre Auflösung in der Größenordnung von 1/10000 des Drehbereichs liegt.

7. Positionieranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehbereich der Feinpositioniereinrichtung annähernd 0,15° umfasst und deren Auflösung in der Größenordnung 1/1000 dieses Drehbereichs liegt.

8. Positionieranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (6) vorgesehen sind, die die Feinpositioniereinrichtung während der Grobpositionierung in einer definierten rotatorischen Bezugsposition oder Null-Lage relativ zur Grobpositioniereinrichtung halten.