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Dokumentenidentifikation DE102005050108A1 26.04.2007
Titel Luftlager und Verfahren zur Einstellung eines Lagerspalts
Anmelder Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit, dieses vertreten durch den Präsidenten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, 38116 Braunschweig, DE
Erfinder Thomsen-Schmidt, Peter, Dr., 38116 Braunschweig, DE
Vertreter GRAMM, LINS & PARTNER GbR, 38122 Braunschweig
DE-Anmeldedatum 18.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005050108
Offenlegungstag 26.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.04.2007
IPC-Hauptklasse F16C 32/06(2006.01)A, F, I, 20051018, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B23Q 1/38(2006.01)A, L, I, 20051018, B, H, DE   
Zusammenfassung Es wird ein Luftlager mit einem zwischen einer Lagerfläche 8 und einem Lagerkörper 7 ausgebildeten Lagerspalt 9 offenbart, der über eine Zufuhrleitung 11 mit einer Druckluftquelle verbunden ist. Erfindungsgemäß sind eine Einrichtung zum Erfassen des Luftdrucks in der Zufuhrleitung 11 und ein an der der Lagerfläche 8 zugewandten Seite des Lagerkörpers 7 von dem Lagerspalt 9 umgebener Hohlraum 12 vorgesehen, der mit einer Unterdruckquelle verbunden ist. Ferner wird ein entsprechendes Verfahren zum Einstellen des Lagerspaltes offenbart.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luftlager mit einem zwischen einer Lagerfläche und einem Lagerkörper ausgebildeten Lagerspalt, der über eine Zufuhrleitung mit einer Druckluftquelle verbunden ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Einstellung des Lagerspalts eines derartigen Luftlagers.

Luftlager sind hinreichend bekannt, bei denen sich in einem Lagerspalt zwischen zwei Lagerkörpern ein Luftkissen ausbildet, auf dem die Lagerkräfte von einem Lagerkörper auf den anderen Lagerkörper berührungsfrei übertragen werden. Für eine zuverlässige Lagerung ist sowohl eine Einstellung der Ausrichtung der Lagerkörper als auch der Höhe des die beiden Lagerkörper trennenden Lagerspalts erforderlich. Die Höhe des Lagerspalts eines Luftlagers ist hierbei vom eingestellten Luftdruck am Luftlagereingang abhängig. Auftretende Schwankungen in der Luftversorgung verursachen eine entsprechende Änderung des Luftdrucks und wirken sich proportional auf die Lagerspalthöhe des Luftlagers aus.

Um den Lagerspalt einzustellen, wird in der DE 197 45 216 A1 ein Luftlager der eingangs beschriebene Art offenbart, bei dem die Zuleitung mit einer Druckluftquelle für die zugeführte Luft verbunden und dieser Zuleitung ein Mittel zum Messen des Durchsatzes der Druckluft zugeordnet ist. Der dort beschriebene ortsfeste Lagerkörper ist ein so genanntes Vieldüsenlager, bei dem die Auslassöffnungen für die Druckluft in den Lagerspalt flächig über den Lagerbereich verteilt sind, beispielsweise durch Ausbilden des Lagerkörpers zumindest teilweise aus einem porösen Sintermaterial. Der Durchsatz wird mittels thermischer Durchflussmessgeräte oder mittels Schwebekörper-Durchflussmesser ermittelt. Der Durchsatz ist einstellbar, um über die Steuerung des Durchsatzes den Lagerspalt einzustellen. Die dem Lagerspalt zugeführte Druckluft entweicht am Rand des Luftlagers in die Umgebung. Durch die Verwendung des porösen Sinterlagers sind dort allerdings große Volumen- bzw. Zuleitungsströme für die Luft erforderlich.

Es ist ferner aus der DE 197 11 710 A1 eine Funktionsüberwachung für ein Luftlager mit an einem Lagerkörper angeschlossenen Drucküberwachungseinrichtungen bekannt, bei der die Drucküberwachungseinrichtungen durch eine Messleitung und eine Bohrung in dem Lagerkörper, die in einer Öffnung in der Lagerfläche endet, mit dem Lagerspalt verbunden sind und auf den tatsächlich dort vorhandenen Druck reagieren. Der Druck in dem Lagerspalt nimmt von dem Zentrum der Lagerfläche zum Rand hin um etwa 40% ab, weshalb die Druckmessung bevorzugt im inneren Drittel der Lagerfläche durchgeführt wird. An dem Rand der Lagerfläche strömt die Luft aus dem Lagerspalt in die Umgebung.

Für eine Einstellung des Vordruckes von den Luftlagern, also von dem Luftdruck in der Zufuhrleitung, werden oftmals großvolumige Ausgleichsbehälter und Regelventile mit einer Federregelung und analogem Anzeigergerät eingesetzt. Diese Gasdruckregler haben eine dem anliegenden Vordruck proportionale Charakteristik und erlauben die Einstellung eines konstanten Vordruckes mit einer Unsicherheit von etwa ±2% vom Maximum des Einstellbereiches. Somit ist ein Vordruck von etwa 700 kPa (7 bar) mit einer Genauigkeit von etwa 14 kPa (0,14 bar) einstellbar. Geringere Schwankungen des Vordruckes machen sich daher als störende Lagerspaltsschwankungen bemerkbar.

Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bei einer Luftlagerung die Schwankungen und somit das Rauschen der Lagerspalthöhe zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch ein Luftlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.

Bei einem Luftlager der eingangs beschriebenen Art ist erfindungsgemäß eine Einrichtung zum Erfassen des Luftdruckes in der Zuführleitung und ein an der der Lagerfläche zugewandeten Seiten des Lagerkörpers von dem Lagerspalt umgebener Hohlraum vorgesehen sind, der mit einer Unterdruckquelle verbunden ist. Bei dem erfindungsgemäßen Luftlager sind nur geringe Volumenströme der Luft erforderlich. Dies führt in dem Lagerspalt zu einer laminaren Luftströmung, die für einen konstanten Luftspalt sorgt. Aufgrund der laminaren Strömung ist das Luftlager rauscharm. Durch den proportionalen Zusammenhang zwischen dem Vordruck in der Zufuhrleitung und der Höhe des Lagerspaltes kann durch die Erfassung des Vordruckes die Höhe des Lagerspaltes ermittelt werden bzw. durch Vorgabe eines bestimmten Vordruckes ist die Lagerspalthöhe reproduzierbar einstellbar.

Zur weiteren Optimierung der Lagerrauscheigenschaften ist bei einem erfindungsgemäßen Luftlager eine Einrichtung zum Regeln des Luftdruckes in der Zufuhrleitung vorgesehen. Auf diese Weise können Variationen und Schwankungen des Luftdruckes der Druckluftquelle ausgeglichen werden.

Durch einen bevorzugten Einsatz einer elektronischen Proportional-Integral-Regelung (PI-Regelung) ist eine Auflösung der Vordruckregelung im Promillebereich des eingestellten Vordruckes möglich.

In vorteilhafter Weise ist bei einem erfindungsgemäßen Luftlager die Einrichtung zur Erfassung des Luftdruckes eine Druckmessdose. Dies ermöglicht eine hohe und präzise Messgenauigkeit.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Luftlagers sieht vor, dass die mit dem Hohlraum verbundene Unterdruckquelle eine Drehschieber-Vakuumpumpe ist. Dies eröffnet die Möglichkeit, den Unterdruck unabhängig von dem Vordruck und dessen Schwankungen weitestgehend konstant aufrecht zu erhalten.

Das erfindungsgemäße Luftlager eignet sich besonders zur Verwendung als Luftlager zum Lagern eines Probekörpers auf dem Lagerkörper, um eine Oberflächentopografie des Probekörpers zu erfassen. Bei der Oberflächenmessung, beispielsweise mit einem Tastschnittverfahren, sorgt das weitgehend rauscharme bzw. rauschfreie Luftlager für eine präzisere Topografievermessung.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert, in denen:

1 – skizziert eine Seitenansicht eines Tastschnittgerätes mit einem erfindungsgemäßen Luftlager zeigt, und

2 – schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäß luftgelagerten Probetisches für das Tastschnittgerät aus 1 zeigt.

In 1 ist der Aufbau eines Tastschnittgerätes 1 mit einer Tastnadel 2 in einer Skizze dargestellt. Bei dieser Anwendung kommt es zu einer Überlagerung von Schwankungen in der Höhe der Lagerung mit dem Rauheitsprofil einer zu messenden Oberfläche. Das verwendete Lager muss daher extrem rauscharm in der Z-Richtung sein, damit die Schwankungen der Lagerhöhe nicht die Messergebnisse der zu messenden Topografie verfälschen.

Die Tastnadel 2 berührt mit ihrer Spitze 3 eine Oberseite 4 eines Probekörpers 5. Bei einer Relativbewegung zwischen dem Probekörper 5 und der Tastnadel 2 wird in Abhängigkeit der Topografie der Oberseite 4 die Spitze 3 der Tastnadel 2 in die Richtung senkrecht zu der Oberfläche 4 ausgelenkt. Zur Erfassung dieser Auslenkung ist ein optischer Sensor 6 in der Auslenkungsrichtung der Tastnadel 2 von dieser beabstandet angeordnet.

Der Probekörper 5 ist auf einem Lagerkörper 7 liegend angeordnet. Der Lagerkörper 7 ist auf einer Lagerfläche 8 gelagert. Zwischen dem Lagerkörper 7 und der Lagerfläche 8 befindet sich ein Luftspalt 9, so dass der Lagerkörper 7 zusammen mit der Lagerfläche 8 das erfindungsgemäße Luftlager bildet. Der Lagerkörper 7 ist parallel zu der von der Lagerfläche 8 aufgespannten Ebene beweglich. Die Bewegung in X-Richtung wird in der Figur durch den entsprechend bezeichneten Doppelpfeil angedeutet.

Für eine seitliche Führung des Lagerkörpers 7, beispielsweise in Y-Richtung, die sowohl zu der X-Richtung als auch der Z-Richtung senkrecht ist, kann dieser an einer Seitenfläche mit einer zu der Lagerfläche 8 senkrechten zweiten Lagerfläche (nicht dargestellt) ein weiteres erfindungsgemäßes Luftlager ausbilden. Der Lagerkörper 7 ist dann in der Y-Richtung und in der Z-Richtung rauscharm gelagert und lediglich in der X-Richtung beweglich. Das mit dem Tastschnittgerät erfasste Topografieprofil verläuft dann gradlinig in X-Richtung und durch die rauscharme Lagerung in Y- und Z-Richtung werden Messungenauigkeiten weitgehend reduziert.

Alternativ zu der dargestellten rauscharmen Lagerung des Probekörpers 5 kann auch die Tastnadel 2 rauscharm gelagert und entlang des dann unbeweglichen Probekörpers 5 bewegt werden, um die Oberflächentopografie des Probekörpers 5 abzutasten.

2 zeigt schematisch an einer Schnittansicht das erfindungsgemäße Luftlager 10 mit dem zwischen der Lagerfläche 8 und dem Lagerkörper 7 ausgebildeten Lagerspalt 9. Über eine Zufuhrleitung 11 wird dem Lagerspalt 9 Druckluft von einer Druckluftquelle (nicht dargestellt) zugeführt. Der Lagerkörper 7 weist auf der der Lagerfläche 8 zugewandten Seite, in der Darstellung der 2 die Unterseite, einen von dem Lagerspalt 9 umgebenen Hohlraum 12 auf, in dem die Druckluft von der Zufuhrleitung 11 über den Lagerspalt 9 einströmt.

Der Hohlraum 12 ist über eine Unterdruckleitung 13 mit einer Unterdruckquelle (nicht dargestellt) verbunden. Der Unterdruck kann beispielsweise durch an der Druckluftleitung angeschlossenen Venturidüsen oder alternativ mittels einer Drehschieber-Vakuumpumpe erzeugt werden. Durch den Einsatz der Drehschieber-Vakuumpumpe wird der Unterdruck unabhängig von der Druckluftversorgung bereitgestellt und unterliegt nicht den auftretenden Schwankungen der Druckluftversorgung. Dadurch wird ferner der Druckluftverbrauch reduziert.

An der Zufuhrleitung 11 ist eine Druckmessdose 14 mit einer leitfähigen oder zumindest leitfähig beschichteten Membranfeder 15 angeordnet. Die Membranfeder 15 bildet mit einer dieser gegenüberliegend angeordneten leitfähigen Platte 16 einen Kondensator, dessen Kapazität sich in Abhängigkeit der Auslenkung bzw. der Wölbung der Membranfeder 15 verändert. Somit kann die Kapazität als ein Maß für den in der Druckmessdose 14 sowie in der Zufuhrleitung 11 vorhandenen Luftdruck interpretiert werden. Die Druckmessdose 14 besitzt hierbei keine sich reibende oder mechanisch verschleißende Teile.

Das Signal der Kapazitätserfassung wird als Regelsignal einem hochpräzise arbeitenden Gasflussregler 17 zugeführt, der üblicherweise für die Dosierung von Prozessgasen in Sputteranlagen ausgelegt ist. Durch die hoch aufgelöste Erfassung des Vordruckes in der Zufuhrleitung 11 und dessen anschließende Auswertung und Regelung durch den Gasflussregler 17 wird eine Auflösung der Vordruckregelung im Promillebereich des eingestellten Vordruckes ermöglicht. Durch die geringe Luftmenge bzw. den geringen Luftdurchsatz ist ferner die resultierende Strömung in dem Luftspalt 9 laminar.

An dem in der 1 skizzierten Messaufbau wurde durch Messungen mit dem Tastschnittgerät, das eine Auflösung von 1 nm besitzt, nachgewiesen, dass die Höhe des Lagerspaltes 9 mit einer Auflösung von etwa 2 nm reproduzierbar eingestellt werden kann. Hierbei wird der in der Zufuhrleitung 11 anliegende Vordruck von 700 kPa in einem Druckbereich von 700 kPa ±7 hPa geregelt. Dadurch kann die Höhe des Lagerspaltes 9 besser konstant gehalten bzw. hinsichtlich des Lagerrauschens optimiert werden.


Anspruch[de]
Luftlager mit einem zwischen einer Lagerfläche (8) und einem Lagerkörper (7) ausgebildeten Lagerspalt (9), der über eine Zufuhrleitung (11) mit einer Druckluftquelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum Erfassen des Luftdrucks in der Zufuhrleitung (11) und ein an der der Lagerfläche (8) zugewandten Seite des Lagerkörpers (7) vom dem Lagerspalt (9) umgebener Hohlraum (12) vorgesehen sind, der mit einer Unterdruckquelle verbunden ist. Luftlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum Regeln des Luftdrucks in der Zufuhrleitung (11) vorgesehen ist. Luftlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckregelung eine elektronische PI-Regelung ist. Luftlager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zu Erfassen des Luftdrucks eine Druckmessdose (14) ist. Luftlager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdruckquelle eine Drehschieber-Vakuumpumpe ist. Verfahren zur Einstellung eines Lagerspaltes (9), der zwischen einer Lagerfläche (8) und einem Lagerkörper (7) ausgebildet und über eine Zufuhrleitung (11) mit einer Druckquelle verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftdruck in der Zufuhrleitung (11) erfasst und ein an der der Lagerfläche (8) zugewandten Seite des Lagerkörpers (7) von dem Lagerspalt (9) umgebener Hohlraum (12) mit einer Unterdruckquelle verbunden wird, so dass die dem Lagerspalt zugeführte Druckluft über den Hohlraum (12) wieder abgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftdruck in der Zufuhrleitung (11) geregelt wird. Verwendung eines Luftlagers nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Lagern eines Probekörpers (5) auf dem Lagerkörper (7), um eine Oberflächentopografie des Probekörpers (5) zu erfassen.






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