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Dokumentenidentifikation DE202005020928U1 21.12.2006
Titel Positionierer mit optischer Positionserfassungseinrichtung
Anmelder AttoCube Systems AG, 80539 München, DE
Vertreter Patentanwälte Lambsdorff & Lange, 81673 München
DE-Aktenzeichen 202005020928
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 21.12.2006
Registration date 16.11.2006
Application date from patent application 18.05.2005
File number of patent application claimed 10 2005 022 876.3
IPC-Hauptklasse G01B 11/02(2006.01)A, F, I, 20060821, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G12B 5/00(2006.01)A, L, I, 20060821, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Positionierer mit einer Positioniergenauigkeit im Sub-Millimeter-Bereich, insbesondere im Sub-Mikrometer-Bereich, welcher für eine optische Erfassung der Positionierlage ausgelegt ist.

Positionierer im Sub-Millimeter-Bereich kommen in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen in Forschung und Industrie zum Einsatz. Zur Erzielung einer hohen Positioniergenauigkeit müssen Systeme mit möglichst wenig mechanischen Teilen und mit einer hohen Qualität der Oberflächen im Bereich mechanischer Führungen oder Eingriffe verwendet werden. Neben einer möglichst hohen Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit von Bewegungswegen spielen Eigenschaften wie Erschütterungsunempfindlichkeit, Robustheit und Kompaktheit des Aufbaus im praktischen Gebrauch eine wesentliche Rolle. Häufig werden derartige Positionierer in Extremumgebungen wie beispielsweise Tieftemperatur, Ultrahochvakuum (UHV) oder hohe elektrische oder magnetische Felder eingesetzt, in denen die Funktionsfähigkeit bekannter Positionierer häufig nicht in der gewünschten Weise erhalten bleibt.

Es sind verschiedene Bautypen von Positionierern bekannt. Beispielsweise können Positionierer auf Schrittmotoren basieren. Ferner sind Positionierer bekannt, die mit Ultraschallmotoren betrieben werden. Häufig werden sogenannte Trägheitsmotoren, auch als Slip-Stick-Antriebe bezeichnet, für die Erzeugung der Relativbewegung in einem Positionierer eingesetzt.

Bei Slip-Stick-Antrieben, aber auch bei anderen Konstruktionstypen, ist die Schrittweite einer Positionierbewegung nicht exakt über die Ansteuerung des Antriebs definierbar. Dies bedeutet, dass eine Lagebestimmung des Positionierteils im Positionierer nicht allein anhand einer Überwachung der Antriebssteuerung (z.B. einer Schrittzählung) durchgeführt werden kann, sondern dass der Positionierer zusätzlich mit einer Vorrichtung ausgerüstet sein muss, welche eine Überwachung der Positionierlage ermöglicht.

Es ist bereits bekannt, ein optisches Positionsbestimmungssystem in einem Positionierer vorzusehen. Hierfür wird an das bewegliche Teil (Positionierteil) des Positionierers ein Maßstab in Form eines Strichgitters angebracht, welcher von einer Laserdiode bestrahlt wird, welche im ortsfesten Teil des Positionierers untergebracht ist. Zwischen der Diode und dem am Positionierteil angebrachten Strichgitter befindet sich ein weiteres, ortsfestes Strichgitter. Das bei der Bestrahlung der beiden Strichgitter erzeugte Interferenzmuster wird durch einen im Positionierteil des Positionierers vorgesehenen Detektor erfasst und mittels einer Elektronik, die ebenfalls im Positionierteil untergebracht ist, ausgewertet. Das Auswerteergebnis wird über eine Drahtverbindung an externe Geräte (z.B. eine Schnittstelle für einen Computer) übermittelt. Ein derartiges Positionsbestimmungssystem ist in dem Artikel „Optoelektronische Sensoren für die Weg- und Winkelmessung", R. Burgschat, beschrieben, welcher im Internet unter http://www.numerikjena.de/pages/vo.html verfügbar ist.

Nachteilig bei diesem bekannten Positionierer mit Positionsmesseinrichtung ist die relativ hohe Komplexität der Messeinrichtung in dem Positionierer. Besonders bei Tieftemperatur-Anwendungen und/oder in hohen Magnetfeldern bzw. bei anderen Extrembedingungen ist eine einwandfreie Funktion der einzelnen Komponenten der Messeinrichtung (Laserdiode, Detektor, Auswerteelektronik) nicht mehr gewährleistet. Insofern treten Störungen oder Messfehler auf. Darüber hinaus sind solche Positionierer in ihrer Anschaffung teuer und es ergeben sich im Reparaturfall hohe Kosten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Positionierer mit einer Positioniergenauigkeit im Sub-Millimeter-Bereich, insbesondere Sub-Mikrometerbereich zu schaffen, welcher für eine Positionierlage-Überwachung ausgelegt ist, kostengünstig ist und besonders gut für den praktischen Gebrauch geeignet ist. Insbesondere soll eine Positionierlagebestimmung in Extremumgebungen, wie beispielsweise im Tieftemperatur- oder UHV-Bereich oder bei hohen magnetischen oder elektrischen Feldern mit hoher Zuverlässigkeit und Genauigkeit möglich sein.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Demnach umfasst der Positionierer mit einer Positioniergenauigkeit im Sub-Millimeter-Bereich eine erste Baueinheit und eine relativ zu der ersten Baueinheit beweglich angeordnete zweite Baueinheit sowie eine zwischen der ersten Baueinheit und der zweiten Baueinheit wirkende, vorzugsweise elektromechanische Relativlagen-Verstelleinrichtung zur Erzeugung der Relativbewegung zwischen den beiden Baueinheiten. Ferner umfasst der Positionierer ein optisches Modulatorelement, dessen Lage durch die Position der zweiten Baueinheit bestimmt ist, sowie einen mechanisch mit der ersten Baueinheit gekoppelten und von außen zu dem Positionierer hingeführten optischen Wellenleiter, über welchen Beleuchtungslicht auf das Modulatorelement geführt werden kann. Über denselben optischen Wellenleiter wird von dem Modulatorelement moduliertes Beleuchtungslicht von dem Positionierer weggeführt.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass weder die Erzeugung des Beleuchtungslichtes noch die Detektion desselben in dem Positionierer vorgenommen wird, sondern dass der Positionierer sowohl in Bezug auf das zugeführte Beleuchtungslicht als auch in Bezug auf das weggeführte modulierte Beleuchtungslicht über den Lichtwellenleiter an externe Systeme (zur Beleuchtungslicht-Erzeugung und zur Detektion und Auswertung des modulierten Beleuchtungslichtes) angebunden ist. Dadurch wird erreicht, dass der Positionierer keinerlei elektronische und optoelektronische Komponenten aufweist, welche – insbesondere unter Extrembedingungen – ausfallen können oder nicht ausreichend reproduzierbare Eigenschaften besitzen.

Ein weiterer wichtiger Vorteil besteht darin, dass die Anbindung des Positionierers über den optischen Wellenleiter, d.h. über eine dünne, weiche optische Fasern erfolgt, welche wesentlich weniger Erschütterungen oder andere äußere Störeinflüsse auf den Positionierer überträgt als dies bei Drahtzuleitungen der Fall ist. Dies ist insbesondere bei Positionierern mit extrem geringer Schrittweite im Nanometerbereich entscheidend.

Es ist vorgesehen, dass das modulierte Beleuchtungslicht über denselben optischen Wellenleiter von dem Positionierer weg geführt wird, der zur Übertragung des Beleuchtungslichts verwendet wird, d.h. der Positionierer ist nur über einen einzigen Lichtwellenleiter (optische Faser) mit einem äußeren System verbunden. Dadurch wird eine sehr einfache Lösung geschaffen, die im Hinblick auf Ausfallsicherheit und Störfestigkeit optimale Voraussetzungen bietet.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Positionierers besteht darin, dass die Relativlagen-Verstelleinrichtung einen Aktuator und eine von dem Aktuator betriebene Slip-Stick-Mechanik umfasst. Derartige Slip-Stick-Positionierer weisen einen mechanisch besonders einfachen Aufbau auf, sind für Anwendungen in Extrembedingungen (Tieftemperatur-Anwendungen, UHV, hohe elektrische oder magnetische Felder) grundsätzlich geeignet und erreichen hohe Positioniergenauigkeiten im Sub-Mikrometer-Bereich.

Der Aktuator eines solchen Slip-Stick-Positionierers ist dabei vorzugsweise in Form eines Piezoelements ausgebildet. Derartige Relativlage-Verstelleinrichtungen werden in der Literatur auch als Slip-Stick-Motoren bezeichnet.

Das optische Modulatorelement kann in unterschiedlicher Art und Weise ausgebildet sein und beispielsweise ein reflektierendes, transmittierendes, refraktives oder diffraktives Modulatorelement sein. Eine besonders einfache Ausgestaltung des Modulatorelements ist ein Maßstab in Form eines optischen Gitters.

Der erfindungsgemäße Positionierer kommt vorzugsweise in einem System zum Einsatz, welches neben dem Positionierer eine externe Lichtquelle, z.B. einen Laser zur Erzeugung des Beleuchtungslichtes und einen externen Detektor zur Erfassung des modulierten Lichtes und zum Wandeln desselben in ein elektrisches Signal umfasst. Dabei ist der Positionierer in einem abgeschlossenen Behältnis untergebracht und der Lichtwellenleiter wird durch eine Durchführung in einer Wandung des Behältnisses nach außen geführt. Ein solches System ist bei Anwendungen der Erfindung vorteilhaft, bei welchen der Positionierer in Extrembedingungen eingesetzt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert; in diesen zeigt:

1 ein erstes Beispiel eines erfindungsgemäßen Positionierers für Translationsbewegungen sowie eines erfindungsgemäßen Systems mit einem Positionierer für Translationsbewegungen;

2 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Positionierers für Rotationsbewegungen sowie eines erfindungsgemäßen Systems mit einem Positionierer für Rotationsbewegungen;

3 perspektivische Ansichten der Bauteile eines Slip-Stick-Positionierers für Translationsbewegungen;

4 eine schematische Teilschnittdarstellung von drei Bauteilen des in 3 gezeigten Positionierers;

5 eine perspektivische schematische Teildarstellung eines Slip-Stick-Positionierers für Rotationsbewegungen;

6 eine schematische perspektivische Darstellung einer Rotationsträgerplatte für den in 5 gezeigten Slip-Stick-Positionierer;

7 die in 6 dargestellte, aufgeschnittene Rotationsträgerplatte in Draufsicht; und

8 ein Diagramm, in welchem für den in 1 dargestellten Positionierer für Translationsbewegungen aus der optischen Positionierlagebestimmung resultierende Spannungs-Messpunkte gegenüber der Schrittanzahl aufgetragen sind sowie ein Diagramm, welches für den in 2 dargestellten Positionierer für Rotationsbewegungen eine errechnete Anpassungskurve durch die Spannungs-Messpunkte zeigt.

In 1 ist in Draufsicht ein Positionierer für Translationsbewegungen mit einer erfindungsgemäßen Wegüberwachungseinrichtung dargestellt. Der Positionierer weist ein erstes Teil 1 und ein gegenüber dem ersten Teil verschiebliches zweites Teil auf, welches nachfolgend als Träger 4 bezeichnet wird. Zwischen dem ersten Teil 1 und dem Träger 4 wirkt eine Relativlage-Verstelleinrichtung, die z.B. durch eine Translationsachse 3, auf welcher der Träger 4 gleiten kann, und ein als Aktuator wirkendes Piezoelement 2 realisiert sein kann. Die Richtung der Translationsbewegung wird durch einen Doppelpfeil P1 veranschaulicht. Eine nähere Beschreibung eines beispielsweise verwendbaren Translations-Positionierers erfolgt später anhand der 3 und 4.

An dem verschieblichen Träger 4 ist ein lagefester Maßstab in Form eines Strichgitters 50 aus z.B. Glas angebracht, welches sich in Richtung des Doppelpfeils P1 erstreckt. Ein freies Ende 50.1 des Strichgitters 50 bewegt sich in einer Längsnut 51, welche seitlich im ersten Teil 1 vorhanden ist. In diesem Bereich befindet sich ein Faserende 52 einer optischen Faser 53, über welche das Strichgitter 50 beleuchtet wird. Zu diesem Zweck ist das Faserende 52 senkrecht zum Verlauf des Strichgitters 50 orientiert.

Eine externe Beleuchtungs- und Detektoranordnung umfasst einen Laser 54, einen ersten Detektor 55, einen zweiten (optionalen) Detektor 56 und einen 50%-Koppler 57. Der Laser 54, z.B. eine Laserdiode der Wellenlänge 1330 nm, schickt über einen Eingang 1' des Kopplers 57 Beleuchtungslicht in die Faser 53. Das Beleuchtungslicht wird auf das Strichgitter 50 geworfen und von diesem bei Bewegung des Strichgitters 50 moduliert. Moduliertes, zurückgeworfenes Licht tritt in das Faserende 52 ein und wird über die optische Faser 53 zu dem Eingang/Ausgang 2' des Kopplers 57 zurückgeleitet. Das zu rückgeleitete, modulierte Beleuchtungslicht wird in dem Koppler 57 geteilt und über die Ausgänge 4', 3' den Detektoren 55 bzw. 56 zugeführt. In den Detektoren 55, 56 wird das modulierte Beleuchtungslicht erfasst und die Modulation wird in entsprechende elektronische Signale umgewandelt. Diese elektronischen Signale können in nachfolgenden Auswertesystemen (nicht dargestellt) ausgewertet werden, wodurch eine genaue inkrementale Bestimmung des Verschiebeweges ermöglicht wird.

Das Beleuchtungslicht und das zurückgeworfene modulierte Beleuchtungslicht werden über ein und dieselbe Faser 53 zu dem Positionierer hin und von diesem weg geführt. Die strichpunktierte Linie 58 repräsentiert dabei eine Systemgrenze, wie sie beispielsweise durch eine Wandung eines Kryostaten oder eines anderen Behältnisses realisiert ist. Es wird deutlich, dass für die Verschiebeweg-Bestimmung in dem Translations-Positionierer lediglich eine einzige Faser 53 mit Faserende 52 und ein einziges optisches Modulatorelement, z.B. Strichgitter 50, benötigt werden. Die restlichen Komponenten (Laser 54, Detektoren 55, 56, Koppler 57 sowie nicht dargestellte elektronische Auswerteschaltungen) sind sämtlich außerhalb des Positionierers und vorzugsweise außerhalb der durch die strichpunktierte Linie 58 dargestellten Systemgrenze angeordnet.

Anstelle des Lasers 54 kann auch eine andere Lichtquelle, z.B. eine LED, eingesetzt werden, und der Koppler 57 kann andere Teilungsverhältnisse aufweisen und/oder ohne den Ausgang 3' ausgeführt sein.

2 zeigt eine entsprechende Anordnung für den Fall eines Rotations-Positionierers. Dieselben Teile wie in 1 sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.

Im rechten unteren Teil der 2 ist ein Rotations-Positionierer in Seitenansicht mit einer erfindungsgemäßen Wegeüberwachungseinrichtung dargestellt. Der Positionierer weist ein erstes Teil 10 und ein gegenüber dem ersten Teil 10 rotierbares zweites Teil – im Folgenden als Trägerplatte 17 bezeichnet – auf. Zwischen dem ersten Teil 10 und der von einer Rotationsachse 13 angetriebenen Trägerplatte 17 wirkt eine Relativlage-Verstelleinrichtung, die später in beispielhafter Weise näher anhand der 5 bis 7 beschrieben wird.

An der Unterseite der Trägerplatte 17 ist ein kreisförmiges Strichgitter 50' angebracht, welches ebenfalls in der in 2 oben rechts dargestellten Draufsicht erkennbar ist. Das Faserende 52 der optischen Faser 53 ist so orientiert, dass das Beleuchtungslicht auf das Strichgitter 50' aus Glas geführt wird. In analoger Weise wie in 1 wird bei einer Rotationsbewegung (Pfeil P2) der Trägerplatte 17 Beleuchtungslicht von dem Strichgitter 50' moduliert und reflektiertes, moduliertes Beleuchtungslicht über die optische Faser 53 von dem Rotations-Positionierer weggeführt. Hinsichtlich der Erzeugung, Detektion und Auswertung des Beleuchtungslichtes sowie dem Aufbau der Anordnung (insbesondere hinsichtlich der Systemgrenze 58) gelten die obigen Ausführungen zu dem in 1 gezeigten Translations-Positionierer analog. Insbesondere sind in dem Rotations-Positionierer keine aktiven optischen Komponenten (Laser, Detektoren, Auswerteschaltung), sondern nur passive Komponenten (Faserende 52, Strichgitter 50') untergebracht. Durch diese Maßnahme wird bei beiden Ausführungsbeispielen (1, 2) die angestrebte Störungsunanfälligkeit, Robustheit und Einfachheit im Aufbau erreicht.

Im folgenden werden beispielhafte Realisierungsmöglichkeiten für den in 1 dargestellten Translations-Positionierer und den in 2 dargestellten Rotations-Positionierer erläutert.

Nach 3 kann der in 1 gezeigte Slip-Stick-Positionierer für Translationsbewegungen z.B. aus einem U-förmigen ersten Teil – nachfolgend als Gehäuse 1 bezeichnet, dem Piezoelement 2, der Translationsachse 3, dem Träger 4 und einem in Art eines Schuhs ausgebildeten Träger-Gegenelement 5 bestehen. Das Gehäuse 1 weist ein Querprofil 1.1 und zwei in Längsrichtung verlaufende Schenkel 1.2, 1.3 auf. Im zusammengebauten Zustand (nicht dargestellt) erstreckt sich die Translationsachse 3 parallelmittig zwischen den beiden Schenkeln 1.2 und 1.3, wobei das Querprofil-seitige Ende 3.1 der Translationsachse 3 mit einer Endfläche des Piezoelements 2 z.B. durch Klebung verbunden ist, während die gegenüberliegende Endfläche 2.1 des Piezoelements 2 ebenfalls z.B. durch Klebung mittig an der innenliegenden Fläche des Querprofils 1.1 angebracht ist.

Der Träger 4 weist an seiner Unterseite zwei Gleitvorsprünge mit Schrägflächenbereichen 4.1, 4.2 auf, die beispielsweise unter einem Winkel von 90° zueinander orientiert sind. Im Träger-Gegenelement 5 ist eine Gleitnut 5.1 vorgesehen, deren Querabmessung A der Querdimension der beiden Gleitvorsprünge entspricht und in deren Bodenbereich ebenfalls zwei unter 90° zueinander orientierte Schrägflächenbereiche 5.2, 5.3 vorgesehen sind. Im zusammengebauten Zustand befindet sich die Translationsachse 3 zwischen dem Träger 4 und dem Träger-Gegenelement 5 und liegt mit ihren Umfangsflächen an den Schrägflächenbereichen 4.1, 4.2, 5.2, 5.3 an. Der Träger 4 und das Träger-Gegenelement 5 sind über nicht dargestellte Verbindungselemente, welche sich durch Bohrungen 6, 7 in dem Träger 4 bzw. dem Träger-Gegenelement 5 erstrecken, mit einer definierten Andruckkraft gegeneinander verspannt. Die Andruckkraft definiert die Stärke des reibschlüssigen Eingriffs, mit welchem die Schrägflächenbereiche 4.1, 4.2, 5.2, 5.3 an der Umfangsfläche der Translationsachse 3 angreifen. Der Aufbau aus Translationsachse 3, Träger 4 und Träger-Gegenelement 5 realisiert eine Slip-Stick-Mechanik.

Typischerweise ist das Gehäuse 1 ortsfest, während der Träger 4 über den Slip-Stick-Antrieb gegenüber dem Gehäuse 1 in Längsrichtung der Translationsachse 3 verschiebbar ist. Der gesamte Slip-Stick-Antrieb bestehend aus Piezoelement 2, Translationsachse 3, Träger 4 und Träger-Gegenelement 5 ist freitragend, d.h. er wird allein durch die Befestigung des Piezoelements 2 mit seiner Endfläche 2.1 an dem Querprofil 1.1 getragen. Durch diese Lager- und Stützelement-freie Realisierung wird die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit von Bewegungswegen des Positionierers insbesondere bei Anwendungen über einen breiten Temperaturbereich entscheidend verbessert.

Die Umfangsform der Translationsachse 3 muss nicht, wie in den 3 und 4 dargestellt, quadratisch sein, sondern kann andere polygonale Gestaltungen oder Rundformen aufweisen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass aufgrund ihrer hohen Oberflächengüte polygonale, insbesondere quadratische Umfangsformen wesentliche bessere Funktionseigenschaften aufweisen als Rundformen.

Die Funktionsweise des in den 1, 3 und 4 gezeigten translatorischen Slip-Stick-Positionierers ist bekannt und wird im Folgenden nur kurz besprochen. Durch Anlegen einer Sägezahn-Spannung mit flacher aufsteigender Flanke und steiler abfallender Flanke expandiert das Piezoelement 2 langsam und kontrahiert anschließend schnell. Infolgedessen wird die Translationsachse 3 langsam in Richtung ihres freien Endes verschoben und schnell in Richtung zum Querprofil 1.1 zurückgezogen. Da bei der langsamen Bewegung Haftreibung zwischen der Translationsachse 3 und den Schrägflächenbereichen 4.1, 4.2, 5.2, 5.3 auftritt, während bei der schnellen Bewegung aufgrund der Trägheit des Trägers 4 und des Träger-Gegenelements 5 Gleitreibung auftritt, bewirkt eine derartige elektrische Ansteuerung des Piezoelements 2 eine Bewegung des Trägers 4 mit Träger-Gegenelement 5 in Richtung von dem Querprofil 1.1 weg. Bei Verwendung einer inversen Sägezahn-Spannung (steile aufsteigende Flanke, langsam abfallende Flanke) erfolgt eine Bewegung des Trägers 4 mit Träger-Gegenelement 5 in Gegenrichtung.

Um eine Positionierung in zwei oder drei Achsrichtungen zu ermöglichen, können zwei bzw. drei der in den 1 und 2 dargestellten translatorischen Slip-Stick-Positionierer übereinander angeordnet sein.

In den 5 bis 7 ist ein mögliches Ausführungsbeispiel eines Slip-Stick-Positionierers für Rotationsbewegungen dargestellt. Der Positionierer weist eine das erste Teil realisierende Basisplatte 10 auf, welche an zwei gegenüberliegenden Randbereichen mit Vorsprüngen 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 versehen ist. An zwei diagonal gegenüberliegenden Vorsprüngen 11.2, 11.4 sind Piezoelemente 12 angebracht, welche vorzugsweise in Form eines Piezo-Stapels ausgeführt sind. Im zentralen Bereich der Basisplatte 10 befindet sich eine zylindrische Rotationsachse 13. Die Rotationsachse 13 ist mit zwei seitlich wegstehenden Tangentialfortsätzen 14 versehen. Die den Vorsprüngen 11.2, 11.4 gegenüberliegenden Enden der Piezoelemente 12 sind an den Tangentialfortsätzen 14 angebracht, z.B. mit diesen verklebt. Vorzugsweise ist die gesamte Anordnung aus Piezoelementen 12 und Rotationsachse 13 mit Tangentialfortsätzen 14 freitragend, d.h. allein über die Piezoelemente 12 an den Vorsprüngen 11.2, 11.4 aufgehängt.

Die zylindrische Rotationsachse 13 weist in ihrem oberen Bereich einen zylindrischen Gleitflächenabschnitt 15 auf. Der zylindrische Gleitflächenabschnitt 15 steht in reibschlüssigem Eingriff mit zwei Gegenflächen 16, siehe 7, die durch zwei gegenüberliegende, V-förmige Ausnehmungen in den zwei Hälften 17.1, 17.2 einer Trägerplatte 17 realisiert sind. Die beiden Hälften 17.1, 17.2 werden über einen Federspannmechanismus bestehend aus Schraubbolzen 18 und Gegendruckfedern 19 unter einer Vorspannung zusammengehalten, sodass die Gegenflächen 16 eine definierte Andruckkraft auf den Gleitflächenabschnitt 15 ausüben. Der Slip-Stick-Antrieb wird durch die Piezoelemente 12, die Tangentialfortsätze 14, die Rotationsachse 13 und die Trägerplatte 17 realisiert, wobei die Slip-Stick-Mechanik zwischen dem zylindrischen Gleitflächenabschnitt 15 und den Gegenflächen 16 ausgebildet ist. Die Angaben zum Funktionsprinzip und zur elektrischen Ansteuerung der Piezoelemente 2 beim translatorischen Slip-Stick-Positionierer können sinngemäß auf den in den 5 bis 7 dargestellten Slip-Stick-Positionierer für Rotationsbewegungen übertragen werden, d.h. durch eine Ansteuerung der Piezoelemente 12 mit einer geeigneten Sägezahn-Spannung kann eine Rotation der Trägerplatte 17 in beide Richtungen bewerkstelligt werden.

Da der Bewegungsweg sowohl beim Translations-Positionierer als auch beim Rotations-Positionierer nicht oder nur in sehr ungenauer Weise über die Größe der angelegten Spannung und die Anzahl der Bewegungsschritte gesteuert werden kann, ist für eine genaue Bewegungsweg-Überwachung die anhand der 1 und 2 erläuterte zusätzliche Systemkomponente erforderlich.

8 zeigt im oberen Teil ein Schaubild, in welchem die von einer Auswerteschaltung ausgegebene Spannung über der Schrittanzahl für das Ausführungsbeispiel des Translations-Positionierers dargestellt ist. Die Perioden der Kurve entsprechen dem Linienabstand des Glasmaßstabs. Es wird deutlich, dass sowohl die optische Auflösung als auch die Schrittweite wesentlich besser als der Linienabstand des Glasmaßstabs (Strichgitter 50) ist.

Die im oberen Teil der 8 dargestellte Messkurve wird im Rahmen der Auswertung über eine Software angepasst und anhand der bekannten Periode des Glasmaßstabs wird ein Mittelwert für die Schrittgröße bei einer bestimmten Ansteuerspannung der Piezoelemente berechnet. Im unteren Teil der 8 ist der durch rechnerische Anpassung ermittelte linearisierte Verlauf der Messkurve für den Positionierer für Rotationsbewegungen dargestellt, aus welchem durch Mitteilung die Schrittgröße berechnet wird.

Bei dem Translations-Positionierer ist eine optische Auflösung von z.B. weniger als 10 nm erreichbar. Der maximale Bewegungsweg beträgt in der Regel mehrere Millimeter und kann z.B. im Bereich von 10 mm liegen, wobei die Schrittgröße in Abhängigkeit von der Spannung zur Ansteuerung der Piezoelemente und in Abhängigkeit von der Temperatur zwischen etwa 5 nm und 1 &mgr;m variiert werden kann. Bei dem Rotations-Positionierer ist eine optische Auflösung von z.B. weniger als 0,001° möglich. Die Positionierer können z.B. aus Edelstahl, aus Titan oder aus reiner Keramik (MACOR) gefertigt sein und Grundriss-Dimensionen im Bereich von wenigen Zentimetern (z.B. 24 mm × 25 mm) aufweisen.


Anspruch[de]
Positionierer mit einer Positioniergenauigkeit im Sub-Millimeter-Bereich, umfassend

– eine erste Baueinheit (1, 10) und eine relativ zu der ersten Baueinheit (1, 10) beweglich angeordnete zweite Baueinheit (4, 17),

– eine zwischen der ersten Baueinheit (1, 10) und der zweiten Baueinheit (4, 17) wirkende Relativlage-Verstelleinrichtung 2, 3, 12, 13) zur Erzeugung einer Relativbewegung der beiden Baueinheiten (1, 10, 4, 17),

– ein optisches Modulatorelement (50, 50'), dessen Lage durch die Position der zweiten Baueinheit (4) bestimmt ist,

– einen von außen zu dem Positionierer hingeführten und mechanisch mit der ersten Baueinheit (1, 10) gekoppelten optischen Wellenleiter (53), über welchen Beleuchtungslicht auf das Modulatorelement (50, 50') geführt werden kann, wobei von dem Modulatorelement (50, 50') moduliertes Beleuchtungslicht über den optischen Wellenleiter (53) von dem Positionierer weggeführt wird.
Positionierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativlage-Verstelleinrichtung (2, 3, 12, 13) einen Aktuator und eine von dem Aktuator (2, 12) betriebene Slip-Stick-Mechanik (3, 13) umfasst. Positionierer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (2, 12) ein oder mehrere Piezoelemente aufweist. Positionierer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Modulatorelement (50, 50') ein optisches Gitter ist. Positionierer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionierer eine Positioniergenauigkeit im Sub-Mikrometer-Bereich aufweist. System umfassend einen Positionierer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, eine Lichtquelle (54) zur Erzeugung des Beleuchtungslichtes und einen Detektor (55, 56) zum Erfassen des modulierten Beleuchtungslichtes und zum Wandeln desselben in ein elektrisches Signal. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Wellenleiter (53) an seinem einen Ende mit einem Strahlteiler (57) verbunden ist, welcher seinerseits über jeweilige optische Wellenleiter mit der Lichtquelle (54) und dem Detektor (55, 56) in Verbindung steht. System nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionierer in einem abgeschlossenen Behältnis (58) untergebracht ist und der optische Wellenleiter (53) durch eine Durchführung in einer Wandung des Behältnisses (58) nach außen geführt ist. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (58) ein Tieftemperatur-Kryostat ist. System nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Behältnis (58) ein hohes Magnetfeld herrscht. System nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Behältnis (58) ein Ultrahochvakuum herrscht.






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