CS265092B1

CS265092B1 - Piezo moving unit

Info

Publication number: CS265092B1
Application number: CS874010A
Authority: CS
Inventors: Bohumil Ing Slavata
Original assignee: Slavata Bohumil
Priority date: 1987-06-01
Filing date: 1987-06-01
Publication date: 1989-09-12
Also published as: CS401087A1

Abstract

V jednom čele tělesa jednotky je vytvořen víkem uzavřený válec spojený a vnitřní drážkou. V ní je souose s válcem rozepřen sloupec piezokeramiky mezi seřizovači šroub v druhém čele .tělesa jednotky a mezi pÍ3t piezokeramiky. Ten je suvně uložen ve válci, jehož zbývající prostor je zcela vyplněn hydroplastickou hmotou, se kterou je v kontaktu výstupní píst, vedený otvoi’em ve stěně válce. Opačný konec výstupního pístu je opřen o direkční pružinu. Využít lze u fotolitografických zařízení v polovodičovém průmyslu, v mikroskopii apod.In one end of the unit body, a cylinder closed by a lid is formed, connected to an internal groove. In it, a column of piezoceramics is spread out coaxially with the cylinder between the adjusting screw in the other end of the unit body and between the piezoceramics. The latter is slidably mounted in the cylinder, the remaining space of which is completely filled with a hydroplastic substance, with which the output piston, guided through an opening in the cylinder wall, is in contact. The opposite end of the output piston is supported by a directional spring. It can be used in photolithographic devices in the semiconductor industry, in microscopy, etc.

Description

Vynález se týká piezokeramické posuvové jednotky s převodem, zvětšujícím a výjimečně i zmenšujícím velikost zdvihu sloupce piezokeramiky .The present invention relates to a piezoceramic feed unit with a transmission which increases and, exceptionally, reduces the stroke size of the piezoceramic column.

Sloupce piezokeramiky namáhané na tlak při relativně velké tuhosti vykazují zdvih do asi 50 ^um, což v mnoha případech nevyhovuje. Zvětšení zdvihu sloupců piezokeramiky pomocí převodových mechanismů umožnilo jejich širší uplatnění v oboru délkových a jiných měření, v polovodičovém průmyslu u fotolitografických zařízení, v mikroskopii apod. Dosud se zdvih sloupců piezokeramiky zvětšoval vesměs pomocí pákových převodových mechanismů, jako je tomu například u piezokeramicky poháněného stolku, zveřejněného v časopisu Review of scientific Instruments, ročník 49, číslo 12, z prosince 1978. Získané praktické zkušenosti ukazují, že takové pákové převody jsou vhodné pouze pro relativně malé rychlosti regulace. U zpětnovazebních servosystémů se při zvětšující rychlosti regulace začíná projevovat malá tuhost pákového převodu, což má za následek nízkou vlastní frekvenci, způsobující kmity regulačního obvodu. Vysoká rychlost regulace je nutná především u produkčních fotolitografických zařízení v polovodičovém průmyslu (generátory obrazců, kamery pro přímou expozici atp.).The piezoceramic columns stressed at a relatively high stiffness exhibit a stroke of up to about 50 µm, which in many cases is not satisfactory. Increasing the stroke of piezoceramic columns by means of transmission mechanisms has allowed their wider application in the field of length and other measurements, in the semiconductor industry in photolithography equipment, in microscopy, etc. So far, the stroke of piezoceramic columns has increased mostly using lever transmission mechanisms. published in Review of Scientific Instruments, Volume 49, Issue 12, December 1978. Practical experience has shown that such lever transmissions are only suitable for relatively low control speeds. In feedback servo systems, as the control speed increases, the low stiffness of the lever transmission begins to appear, resulting in a low natural frequency causing oscillations of the control circuit. High control speed is necessary especially for production photolithographic devices in the semiconductor industry (pattern generators, direct exposure cameras, etc.).

Popisované nevýhody odstraňuje piezokeramické posuvová jednotka podle tohoto vynálezu. Sestává z uzavřeného válce spojeného s vnitřní drážkou. V té je souose s válcem rozepřen sloupec piezokeramiky. Jeden jeho konec je kontaktně spojen s pístem piezokeramiky, suvně uloženým ve válci. Podstatou jednotky·je, že zbývající prostor válce mezi čelem pístu piezokeramiky a víkem válce je zcela vyplněn hydroplastickou hmotou, se kterou je v kontaktu otvorem ve stěně válce vedený výstupní píst, jehož opačný konec je opatřen direkční pružinou .The described disadvantages are overcome by the piezoceramic feed unit of the present invention. It consists of a closed cylinder connected to an internal groove. The column of piezoceramic is coaxial with the cylinder. One end thereof is in contact with the piston of the piezo-ceramics slidably mounted in the cylinder. The essence of the unit is that the remaining space of the cylinder between the face of the piezo-ceramics piston and the cylinder cover is completely filled with a hydroplastic mass with which an outlet piston is guided through the opening in the cylinder wall, the opposite end of which is provided with a spring.

Náhradou pákového převodu převodem hydroplastickým (hydraulickým) byl odstraněn hlavní nedostatek stávajících řešení, tj. malá tuhost převodu. Získaná relativně velká tuhost spolu s vnitřním třením v hydroplastické hmotě dovoluje podstatně zvětšit regulační rychlost bez nebezpečí rozkmitáníBy replacing the lever transmission with a hydroplastic (hydraulic) transmission, the main drawback of the existing solutions, ie the low transmission rigidity, has been eliminated. The obtained relatively high stiffness together with the internal friction in the hydroplastic material allows to significantly increase the control speed without the risk of oscillation

- 2 265 092 servosystému. Vnitrní tření v hydroplastické hmotě piezokeramické posuvové jednotky umožnilo zavést účinné tlumení systému, které při extrémně rychlých posuvech vůbec nebylo možné realizovat známými technickými prostředky u pákového převodu. Poměr velikostí zdvihu pístů je obrácený k poměru kvadrátů průměrů pístů. Dále - použitá hydroplastická hmota (obvykle na bázi měkčeného PVC 5 dalšími přísadami) umožnila za předpokladu dodržených předepsaných vůlí vyloučit těsnící elementy pístů a tím snížit pasivní odpory na minimum. K tomu přispívá také skutečnost, že na oba písty působí pouze osové síly.- 2 265 092 servo systems. The internal friction in the hydroplastic mass of the piezoceramic feed unit made it possible to introduce an effective damping of the system, which at extremely rapid feed rates could not be realized at all by known technical means in the lever transmission. The ratio of the piston stroke sizes is reversed to the ratio of the squares of the piston diameters. Furthermore, the hydroplastic material used (usually based on softened PVC with 5 other additives), provided the prescribed clearances, allowed to eliminate the sealing elements of the pistons and thus reduce passive resistances to a minimum. This is also due to the fact that only axial forces act on both pistons.

Na připojeném výkresu je v nárysném řezu znázorněno příkladné provedení piezokeramické posuvové jednotky podle vynálezu s převodem do rychlá, tj. se zvětšením zdvihu.In the accompanying drawing, an exemplary embodiment of a piezoceramic feed unit according to the invention is shown in elevation, with a gear-to-fast conversion, i.e. with a stroke increase.

V pravém čele hranolovitého tělesa 3 jednotky je vytvořen válec 9_ s otvorem ve stěně. Válec £ je uzavřen víkem 11 připevněným k tělesu 3 jednotky upevňovacími šrouby 12. Upevňovací šroub 12 v Osazení víka 11 válce 9_ slouží ke spojení tělesa 3 jednotky s nosnou částí 15. Válec 9 je spojen s vnitřní drážkou 10 v tělesu 2 jednotky. V té je souose s válcem 9 pomocí opěrných čípků 3 rozepřen sloupec 2 piezokeramiky na levé straně mezi miskové ložisko 4· v seřizovacím šroubu 2 ^v levém čele tělesa 3 jednotky a na pravé straně mezi miskové ložisko 3 v pístu 2 piezokeramiky. Píst 2 piezokeramiky je suvně uložen ve válci 2· Zbývající prostor válce 2 je zcela vyplněn hydroplastickou hmotou 2· Hydroplastická hmota 2 nesmí obsahovat plynové bubliny, (je vhodné hydroplastickou hmotu 2 ohřát a odplynit ve vakuové sušce /peci/). S hydroplastickou hmotou 2 j^ev kontaktu výstupní píst Τ_> vedený otvorem ve stěně válce 2· Opačný konec výstupního pístu T_ je opřen o direkční pružinu 13. Direkční pružina 13 je upevňovacím šroub.em 12 spojena s výstupkem 14 na tělesu 2 jednotky a je opatřena seřizovacím šroubem 2 pro seřízení jejího předpětí. Upevňovací šroub 12 na direkční pružině 13 slouží zároveň ke spojení tělesa 2 jednotky s nosnou částí 15.A cylinder 9 with an opening in the wall is formed in the right face of the prismatic unit 3 of the unit. The cylinder 8 is closed by a lid 11 attached to the unit body 3 by fastening screws 12. The fastening screw 12 in the shoulder of the cylinder 9 serves to connect the unit body 3 to the support part 15. The cylinder 9 is connected to the internal groove 10 in the unit body 2. Here, the piezoceramic column 2 is coaxially aligned with the cylinder 9 by means of the support pins 3 on the left side between the cup bearing 4 in the adjusting screw 2 ^{in the} left face of the unit body 3 and on the right side between the cup bearing 3 in the piezoceramic piston. The pistol 2 of the piezoceramics is slidably mounted in cylinder 2 · The remaining space of cylinder 2 is completely filled with hydroplastic mass 2 · Hydroplastic mass 2 must not contain gas bubbles (it is advisable to heat the hydroplastic mass 2 and degass it in a vacuum oven). Hydroplastic mass S 2 ^e j contact output piston Τ_> guided through a hole in the cylinder wall 2 · The opposite end of the output piston T_ direkční bears on a spring 13. The spring 13 is Direkční šroub.em fastener 12 connects protrusion 14 to the unit body 2 and is provided with an adjusting screw 2 for adjusting its bias. The fastening screw 12 on the dilatation spring 13 also serves to connect the unit body 2 to the support part 15.

Výstupní píst 2 může být vyveden podle konkrétní potřeby do libovolného směru v prostoru, jeho omezení jsou pouze funkčního a konstrukčního rázu. Direkční pružina 13 může být podle konkrétní potřeby provedena i jako vinutá, membránová apod., stejně tak může být součástí dále připojeného mechanismu.The outlet piston 2 can be led to any direction in the space according to the specific need, its limitations being only functional and constructional. The detector spring 13 can be designed as a coil, a membrane or the like, as well as a part of the mechanism connected to it.

Změnou velikosti napětí elektrického proudu přivedeného na sloupec 2 piezokeramiky se způsobí změna jeho délky, která se prostřednictvím opěrného čípku 2 ^a miskového ložiska 2 přenese na píst 5 piezokeramiky. Vyvolaná změna objemu válce 9 způsobí v důsledku praktické nestlačítelnosti jej vyplňující hydroplastické hmoty 2 i pohyb výstupního pístu !_ Levý konec sloupce 2 piezokeramiky se prostřednictvím opěrného čípku 2 ^amiskového ložiska 2 opírá θ seřizovači šroub 2 ^v levém čele tělesa 2 jednotky, který umožňuje nastavit výchozí polohu výstupního pístu 2. Direkční pružina 13 způsobuje vratný pohyb celého převodového systému při zkracujícím se sloupci 2 piezokeramiky. Sílu direkční pružiny 13 je možno regulovat seřizovacím šroubem 2Piezokeramickou posuvovou jednotku je možné využít všude tam, kde je při zdvizích o desítky až stovky mikrometrů nutno dosáhnout přesnosti ve zlomcích mikrometru, např. u fotolitografických zařízení v polovodičovém průmyslu, v oboru délkových a podobných měření, v mikroskopii apod.By varying the magnitude of the voltage of the electric current applied to the piezoceramic column 2, a change in its length is brought about, which is transmitted to the piezoceramic piston 5 by means of the support pin 2 ^{and the} bearing 2. The induced change in volume of the cylinder 9, a result of the practical incompressibility fills it hydroplastic mass 2 and the motion of the output piston! _ Left end of column 2, the piezoceramic through support cervix 2 ^and the shell-shaped bearing 2 rests θ adjusting screw 2 ^{in the} left face of the body 2 of the unit, allows setting The starting spring 13 causes the entire transmission system to reciprocate with the piezoceramic column 2 decreasing. The force of the guide spring 13 can be adjusted by means of an adjusting screw. in microscopy, etc.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

Piezoceramic feed unit, consisting of a closed cylinder connected to an internal groove, in which a piezoceramic column is expanded coaxially with the cylinder in contact with the piezoceramic piston slidably mounted in the cylinder, wherein the remaining space of the cylinder (9) between the piston face (5) the piezo-ceramics and the cover (11) of the cylinder (9) is completely filled with a hydro-plastics material (6), with which the outlet piston (7) is guided through an opening in the wall of the cylinder (9); 13) .