專利名稱：用于可移動部件在檢驗系統中定位的方法和裝置的制作方法
用于可移動部件在檢驗系統中定位的方法和裝置
本發明涉及一種用于可移動部件在檢驗系統，特別是測量或者分 析系統中定位的方法和裝置。
背景技術：
部件通常利用調整元件進行定位，該調整元件用于使可移動部件 相對于其他部件產生運動，后者在移動時在它那方面保持靜止。在檢 驗系統中，在可移動部件移動時不運動的部件也可以視為一種類型的 支座，因此下面也使用這種名稱。
檢驗系統在本申請書的意義上是一種設備、儀器或者裝置，其適 用于在物理、化學或者生物類型的至少一種特性方面對檢驗對象進行 研究或者檢驗。這種系統通常也屬于所謂科學儀器制造的領域。它們 的至少部分特征在于精密機械部件，特別是這一點涉及可移動部件的 精確移動。
對于需要采用高位置分辨率工作的調整元件來說，例如也稱為壓 電元件的壓電運行的調整元件作為執行元件使用，其膨脹取決于所施 加的電壓。但其他調整元件在現有技術中作為這種執行元件也有所公 開，例如液壓或者感應運行的調整元件。在公開的壓電元件中，實際 引起部件移動的執行元件例如借助電壓的調整而移動到預先確定的位 置并固定在那里。因為壓電元件具有遲滯，也就是說，在確定電壓下 的膨脹取決于移動運動的起始點，此外在切斷電壓后仍運動一段時間， 其也稱為蠕變，所以在壓電元件利用電壓控制運行時，測量壓電元件 或者可移動部件的實際偏移，并利用閉合的帶調節服務于使壓電元件 的膨脹相對于所施加的電壓線性進行。線性質量在這種情況下當然取 決于所選擇的距離傳感器的類型，這種傳感器例如可以是電容式傳感器、LVDT ( "Linear Variable Differential Transformer"，線性可變差 動變壓器)或者應變計。但也可以使用其他距離傳感器，例如光學傳 感器。借助軟件控制的校正在公開的實施中通常存在缺陷。
所要移動的部件可以或者與執行元件例如借助粘接固定連接，或 者形成一個活節(Gdenk)，可移動部件利用其聯接到移動時保持位置 固定的其他部件上。例如使用固體式活節。在這種情況下，然后可以 將壓電元件夾緊在固體式活節的部件之間或者以其他方式固定在其 上，移動運動借助活節的移出或者移入而引發。
此外經常使用驅動機構，以便為可移動部件的移動轉換由調整元 件的驅動裝置產生的驅動運動。按照這種方式，達到大于驅動運動本 身程度或者行程的移動行程。
在本申請書的意義上，如果通過聯接到可移動部件上的執行元件 在執行元件至少部分移入的移入位置與執行元件至少部分移出的移出 位置之間移動，從而可移動部件的移動從起始位置到達末端位置，那 么這是一種用于移動運動的直接驅動。這種直接驅動例如可以利用壓 電元件提供。
與此不同的是，公知的還有間接驅動。屬于此類的例如包括，可 移動部件的移動由此進行，即具有螺紋并聯接到可移動部件上的調整 元件借助螺栓在螺紋內的旋轉進行移動。調整元件因此沿螺栓進行運 動。但這種間接連接一般情況下導致動力性降低，且增加定位的不精 確性。
但使用公知結構類型的直接驅動也導致不利的影響。執行元件尋 找位置所需的移動必須維持在末端位置中。對于壓電元件來說這一點 意味著，由于調整電壓后的隨動(蠕變)，還需改變所施加的電壓。 執行元件的偏移此外帶來噪聲。例如，壓電元件需要電源，其噪聲雖然已經最小化，但并不能完全消失。這種噪聲使可移動部件在末端位 置中的定位以額定值波動。如果末端位置附加再利用一個傳感器進行 監測，將其信號用于控制，那么傳感器的分辨率對定位精度也會產生 限制。
此外，所要移動的部件在末端位置中還要通過也包括執行元件的 一種可振動性的系統與支座連接。如果所要移動的部件例如粘接或者 以其他方式直接固定在執行元件上，那么執行元件本身就是一種彈簧 質量系統。如果整個系統受到干擾運動，在這些干擾的頻譜處于整個 系統的諧振頻率附近或者上面的情況下，那么這一點就會出現問題。 部件彼此間然后出現相對運動。
所介紹的問題特別是在測量和分析裝置上出現，例如掃描探針顯 微鏡。在這里，然后無論是顯微鏡的分辨率還是動力均受到限制。在 這種顯微鏡中， 一般情況下調整元件用于所有三個空間方向。由于噪
聲源的調整元件的不精確性限制了測量可能性。例如在100 Mm x 100 ;mi的側面掃描區中，常常不能達到原子的分辨率，因為壓電元件的電 源產生噪聲。在控制的情況下，與控制信號相加還有用于測量距離的 傳感器的噪聲。調整元件因此具有一定程度上的位置模糊，其對上述 的例子約為0.3 nm。動力特別是通過所需壓電元件的尺寸或者相應選 擇的傳動比確定，從而對所期望的掃描區來說，不能任意提高速度。 如果希望更高的分辨率或者更高的帶寬，那么必須縮小掃描區。
發明概述
本發明的任務在于，提供一種用于可移動部件在檢驗系統中定位 的方法和裝置，其中改善可移動部件在末端位置中的固定的精確度。
該任務依據本發明通過一種按獨立權利要求1所述用于可移動部 件在檢驗系統中定位的方法并通過一種按獨立權利要求11所述用于可 移動部件在檢驗系統中定位的裝置得以實現。本發明包括的設想是，將可移動部件固位在末端位置中，所述部 件借助聯接到可移動部件上的執行元件到達所述末端位置，這一點也 可以稱為止動或者固定，方法是與可移動部件連接的固位部件在介質 的儲存器內固定，固位部件至少部分浸入所述介質的儲存器內，這點 由此達到，即介質從液態轉換到固化態。固化態與液態相比例如由 此詳細說明，即介質具有與液態相比提高的粘度或者甚至顯現出固體 特性。按照這種方式，經由固位部件將固位力導入到末端位置中的可 移動部件上。可移動部件在末端位置中相對于在靜止位置上的介質的 儲存器止動。如果容納器(在其中形成介質的儲存器)在它那方面對 于另一基準系統是靜止的，該基準系統在檢驗系統的情況下例如為儀 器支座或者其他部件，那么可移動部件在末端位置中也相對于基準系 統保持靜止。可能導致可移動部件以不希望的方式從末端位置外移的、 對末端位置中的可移動部件的干擾影響受到抑制或者甚至完全消除。
以所提出的方式確保可移動部件在末端位置中的靜止位置，可以 高精密度使可移動部件的位置保持在末端位置中。這種精密度例如在 與各種各樣的實驗研究結合下是所希望的。例如，這樣可以使力-距離 分光鏡得到改進，因為可移動部件的干擾運動得到抑制。
依據本發明一種優選的進一步構成，作為介質使用從下列材料類 型組中相應選擇的至少一種材料類型流變材料如電流變材料或者磁 流變材料和賓漢(Bingham)體。賓漢體是一種非牛頓液體的介質并只 有在超過流變極限，也就是確定的剪應力情況下才開始流動。非牛頓 的介質例如有鹽水、凝膠、高濃度的懸浮液、塑料、高分子材料的溶 液或者熔液。該介質方面的流變極限是一種材料特性值，其說明為使 材料流動而必須使用的最低剪應力。本申請書意義上的流變材料從液 態向固化態轉換，方法是施加例如電壓(電場強)或者磁力(磁場強)。 在這種情況下，流變極限借助改變所施加的調節參數上升。在本發明一種依據目的的構成中可以設計，固位力借助介質從液 態向固化態的轉換從起始固位力連續提高到最終固位力。固位力的連 續提高，也就是特別是流變極限的連續提高，可以使可移動部件逐漸 "導入"固位的末端位置內。只要可移動部件在末端位置中進行意外 運動，例如由執行元件意外運動而感生，這些意外運動就通過固位力 的連續提高逐步抑制和限制。
依據本發明一種具有優點的實施方式，固位力構成為抑制，選擇 性地完全阻止，可移動部件在末端位置中的意外運動。在何種程度上 抑制可移動部件在末端位置中的意外運動，可與應用相關地通過選擇 固位力的大小進行調整。固位力總體上作為與作用于末端位置中的可 移動部件的那些力的反作用力而起作用，在固位力不足時，那些力會 從它們那方面導致可移動部件從末端位置外移。
依據本發明的進一步構成，優選固位部件聯接到執行元件上，以 及借助介質從液態向固化態的轉換固定執行元件。在這種實施方式中 可以設計，執行元件用于移動可移動部件的運動通過固位部件傳遞到 可移動部件上。在這種實施方式中，固位部件和執行元件彼此相對可 移動地相互連接。可移動部件在末端位置中的固位然后可以由此實現， 即利用處于固化態的介質使固位部件和執行元件固定。
在本發明一種具有優點的構成中可以設計，執行元件在可移動部 件固位在末端位置中之后，從可移動部件松開；以及可移動部件在執 行元件松開之后，利用固位力保持在末端位置中，選擇性地僅借助固 位力。在這種構成中，利用固位力特別是也可以提供足夠的保持力， 其抵抗重力對可移動部件的影響。可移動部件在一種可能的實施中否 則會由于重力而從末端位置移出。通過執行元件從可移動部件分離， 防止執行元件意外運動以不利的方式對可移動部件的末端位置產生影 響。例如在壓電調整裝置中公知，所施加的電壓由于電壓的噪聲會導 致執行元件由此引起的運動。壓電調整裝置通過切斷電壓可以回移。依據本發明的進一步構成，介質從液態向固化態轉換，方法是在 介質被施加以調節參數時，調整至少一個從下列參數組中選擇的參數: 溫度、入射的電磁波、電壓和磁力。電磁波例如可以作為光入射。特 別是波的頻率或者入射的能量可以調整。這些參數也可以組合使用。
依據本發明一種優選的進一步構成，可移動部件無導向地移動到 末端位置內，所述導向借助產生摩擦的導向件形成。產生摩擦的導向 件例如為導軌，其雖然在移動時引導所要移動的部件，但另一方面卻 會導致定位精度或者移動運動的自由度方面不希望的摩擦效應和限 制。優選可移動部件在一種構成中利用執行元件可以在兩個或者所有 三個空間方向上自由定位。
在本發明一種依據目的的構成中，固位部件構成為從下列機構組 中選擇的機構的元件活節式機構和伸縮式機構
(Teleskopmechanismus)。例如可以設計，活節式機構至少部分浸入 介質內并借助介質從液態向固化態的轉換"凍住"。借助其可以實施 連接的長度改變的伸縮式機構可以類似方式被"凍住"。
依據本發明一種具有優點的實施方式，利用可移動部件的移動從
下列運行功能組中選擇構成至少一種運行功能移動測量試樣支座和 移動測量探針支座。公知各種各樣的檢驗過程，其中測量探針和測量 試樣必須彼此相對運動，以便在檢驗開始前或者在檢驗本身期間產生 確定的檢驗配置。這里所提到的特別是掃描探針顯微鏡。
下面詳細介紹用于可移動部件在檢驗系統中定位的裝置具有優點 的構成。裝置實施方式的構成和優點與所屬方法變化相應產生。
依據本發明一種優選的進一步構成設計，介質對應于從下列材料 類型組中選擇的至少一種材料類型的介質流變材料如電流變材料或者磁流變材料和賓漢體。
在本發明一種依據目的的構成中可以設計，固位裝置配置，使固 位力借助介質從液態向固化態的轉換從起始固位力連續提高到最終固 位力。
依據本發明一種具有優點的實施方式設計，固位裝置配置，使固 位力抑制，選擇性地完全阻止，可移動部件在末端位置中的意外運動 構成。
優選本發明的一種進一步構成設計，固位部件聯接到執行元件， 其可借助介質從液態向固化態的轉換固定執行元件。
在本發明一種具有優點的構成中設計，執行元件在可移動部件固 位在末端位置中之后，可以從可移動部件松開；以及可移動部件在執 行元件松開之后，利用固位力可以保持在末端位置中，選擇性地僅借 助固位力。 一種可選擇的構造，其在實施中也可以作為用于執行元件 從可移動部件松開的在先階段類型，執行元件在固位后不再被施加以 驅動力，確切地說是斷開這種驅動力。在電驅動的情況下，這一點例 如意味著切斷電驅動電壓。盡管斷開驅動力，執行元件然后仍可保持 與可移動部件連接，例如在執行元件與可移動部件之間固定聯接的情 況下。
依據本發明的進一步構成可以設計，控制裝置配置，以在介質被 施加以調節參數時，調整至少一個從下列參數組中選擇的參數溫度、 入射的電磁波、電壓和磁力。
依據本發明一種優選的實施方式，可移動部件可以無導向地移動 到末端位置內，所述導向借助產生摩擦的導向件形成。在本發明一種依據目的的構成中可以設計，固位部件構成為從下 列機構組中選擇的機構的元件活節式機構和伸縮式機構。
依據本發明一種具有優點的實施方式設計，可移動部件實施為從 下列功能部件組中選擇的功能部件測量試樣支座和測量探針支座。
優選本發明的一種進一步構成設計，執行元件聯接到壓電運行的 調整元件上，選擇性地由該調整元件構成。
可以設計，用于可移動部件在上述實施中定位的裝置本身可以設 置在另一可移動部件上，該另一可移動部件然后從它那方面依據上述 實施相對于一個固位部件移動。這種設置例如在兩個也稱為掃描儀的 x-y-z掃描裝置相互組合情況下使用。由此例如可以實施更快的掃描運 動，即使只能經過較小的掃描區域。定位裝置可以這樣相互組合，其 中定位裝置用于粗調，而與其組合的另一定位裝置然后用于微調。兩 個定位裝置本身按照上述實施方式之一構成。
本發明優選實施例的描述
下面借助附圖
的實施例對本發明進行詳細說明。其中
圖la-lc示出在一種構成中的、具有支座和相對于其可移動的部件 的設置的示意圖2a和2b示出在另一種構成中的、具有支座和相對于其可移動 的部件的設置的示意圖；以及
圖3示出一種具有支座和相對于其可移動的部件的設置的示意圖， 所述部件上面構成另一定位裝置。
圖la-lb示出在一種構成中的、具有支座和相對于其可移動的部 件的設置的示意圖。
依據圖la，可移動部件1經由執行元件2和彈簧3與位置固定地構成的支座4連接。彈簧3在另一種構成中(未示出)也可以取消。 可移動部件1然后可以旋接或者粘接在執行元件2上。
依據圖lb，通過固位部件5在所期望的末端位置中進行可逆的抑
制或者運動制動，其可以在時間上可變地控制。
依據圖lc，利用固位部件5然后在可移動部件1與支座4之間形 成固位連接6。例如通過執行元件2可能引起的意外運動碰撞利用固位 連接6消除。執行元件2和彈簧3的行為則不再重要。固位部件5到 固位連接6的過渡這樣設計，使利用固位部件5施加的固位力的影響 不斷增加并由此使執行元件的影響不斷下降。按照這種方式，避免可 移動部件1與支座4之間的張緊，否則所述張緊會使可移動部件1從 末端位置10中移出。
圖la- lc中示出一維移動。可以類似方式設計可移動部件1的移 動，其中位置變化在多于一維的空間維度中，例如在平面中，進行。 固位連接的數量則不一定非得與所要止動的軸或者自由度相一致。
圖2a和2b示出在另一種構成中的、具有支座和相對于其可移動 的部件的設置的示意圖。
依據圖la-lc的設置中所設計的固位部件5和固位連接6由電流 變液體形式的賓漢體替代。依據圖2a，電流變液體儲存在容器20內。 容器20內浸入兩個與電壓源24連接的電極22、 23。取決于利用電源 24施加到兩個電極22、 23上的電壓，在電流變液體21中感生出固化， 其依據圖2最后導致固位連接25的構成。容器20與底座4固定連接。
圖3示出一種具有支座和相對于其可移動的部件的設置的示意圖， 在所述部件上面構成另一定位裝置。對圖3中相同的特征使用與前面 附圖中相同的附圖標記。使用兩個定位裝置，其在所示實施例中為掃描儀。下部掃描儀40 可以依據前面所介紹的方法移動并然后固定，由此確定相對于支座4
的末端位置IO。帶有所要運動的部件31、調整元件32和彈簧33的上 部掃描儀41經由部件35聯接到下部掃描儀40的可移動部件1上。按 照這種方式，上部掃描儀41可以在中心位置11周圍運動，而不改變 或者干擾末端位置10。
圖3中出于簡化的原因僅示出一個軸。但也可以設計x-y掃描儀l、 2、 3的固位，以及設計帶有較小的偏移31、 32、 33的快速x-y-z掃描
儀的運行。
該實施的優點在于，末端位置10可以高精密度相對于支座4進行 調整，同樣末端位置ll也可以。按照這種方式，可以充分利用不可固 定的掃描儀的優點，例如像高掃描速度，而固定掃描儀不干擾運動。 另一方面，可以充分利用可固定掃描儀的優點，例如像大掃描范圍。
本發明上述說明書、權利要求書和附圖中所公開的特征，無論是 單獨還是以任意組合，對本發明以其不同實施方式的實現來說均具有 重要意義。
權利要求
1.用于可移動部件在檢驗系統，特別是測量或者分析系統中定位的方法，其中-所述可移動部件(1)利用聯接到所述可移動部件(1)上的執行元件(2)，通過所述執行元件(2)借助驅動力運動，而從起始位置移動到末端位置(10)內，以及-所述可移動部件(1)經由與所述可移動部件(1)連接的固位部件被施加以將所述可移動部件(1)固位在所述末端位置(10)中的固位力，方法是所述固位部件至少部分浸入介質的儲存器內并在所述介質內借助所述介質從液態到固化態的轉換而固定，其中，所述介質借助被施加以調節參數而從液態轉換成固化態。
2. 按權利要求l所述的方法，其特征在于，作為介質使用從下列材料類型組中相應地選擇的至少一種材料類型的介質流變材料如電 流變材料或者磁流變材料和賓漢體。
3. 按權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述固位力借助所述介質從液態到固化態的轉換而從起始固位力連續提高到最終固位 力。
4. 按前述權利要求之一所述的方法，其特征在于，所述固位力形成為抑制，選擇性地完全阻止，所述可移動部件(1)在所述末端位置(10)中的意外運動。
5. 按前述權利要求之一所述的方法，其特征在于，所述固位部件 聯接到所述執行元件(2)上，以及借助所述介質從液態到固化態的轉 換固定所述執行元件(2)。
6. 按權利要求l -4之一所述的方法，其特征在于，所述執行元件(2)在所述可移動部件(1)固位在所述末端位置(10)中之后， 從所述可移動部件(1)松開；以及所述可移動部件(1)在所述執行 元件(2)松開之后，利用所述固位力保持在所述末端位置(10)中， 選擇性地僅借助所述固位力。
7. 按前述權利要求之一所述的方法，其特征在于，所述介質從液態轉換到固化態，方法是在所述介質被施加以所述調節參數時，調整 至少一個從下列參數組中選擇的參數溫度、入射的電磁波、電壓和磁力。
8. 按前述權利要求之一所述的方法，其特征在于，所述可移動部 件(1)無導向地移動到所述末端位置(10)內，所述導向借助產生摩 擦的導向件形成。
9. 按前述權利要求之一所述的方法，其特征在于，所述固位部件 構成為從下列機構組中選擇的機構的元件活節式機構和伸縮式機構。
10. 按前述權利要求之一所述的方法，其特征在于，利用所述可移動部件(1)的移動實施至少一種從下列運行功能組中選擇的運行功能移動測量試樣支座和移動測量探針支座。
11. 用于可移動部件在檢驗系統，特別是在測量或者分析系統中 定位的裝置，具有-可移動部件(1)，-聯接到所述可移動部件(1)上的執行元件(2)，所述執行元件可以運動，以便將所述可移動部件(i)從起始位置移動到末端位置(io)內，以及-固位裝置，具有-固位部件，所述固位部件與所述可移動部件(1)連接， -介質的儲存器，所述固位部件至少可以部分浸入所述介質的儲存器中，以及-控制裝置，所述控制裝置配置，以對所述介質施加以調節參 數，以便使所述介質在液態與固化態之間，選擇性地直至固體表征， 轉換。
12. 按權利要求ll所述的裝置，其特征在于，所述介質對應于從 下列材料類型組中選擇的至少一種材料類型的介質流變材料如電流 變材料或者磁流變材料和賓漢體。
13. 按權利要求11或12所述的裝置，其特征在于，所述固位裝 置配置，以將固位力借助所述介質從液態到固化態的轉換地從起始固 位力連續提高到最終固位力。
14. 按權利要求11-13之一所述的裝置，其特征在于，所述固位裝置配置，以使所述固位力形成為抑制，選擇性地完全阻止，所述可移動部件(1)在所述末端位置(10)中的意外運動。
15. 按權利要求11-14之一所述的裝置，其特征在于，所述固位 部件聯接到所述執行元件(2)上，其可借助所述介質從液態向固化態 的所述轉換固定所述執行元件(2)。
16. 按權利要求11-14之一所述的裝置，其特征在于，所述執行 元件(2)在所述可移動部件(1)固位在所述末端位置(10)中之后， 可以從所述可移動部件(1)松開；以及所述可移動部件(1)在所述 執行元件(2)松開之后，可以利用所述固位力保持在所述末端位置(10) 中，選擇性地僅借助所述固位力。
17. 按權利要求11-16之一所述的裝置，其特征在于，所述控制 裝置配置，以在所述介質被施加以所述調節參數時，調整至少一個從 下列參數組中選擇的參數溫度、入射的電磁波、電壓和磁力。
18. 按權利要求11-17之一所述的裝置，其特征在于，所述可移 動部件(1)可以無導向地移動到所述末端位置(10)內，所述導向借 助產生摩擦的導向件形成。
19. 按權利要求11-18之一所述的裝置，其特征在于，所述固位部件構成為從下列機構組中選擇的機構的元件活節式機構和伸縮式 機構。
20. 按權利要求11-19之一所述的裝置，其特征在于，所述可移動部件(1)實施為從下列功能部件組中選擇的功能部件測量試樣支座和測量探針支座。
21. 按權利要求11-20之一所述的裝置，其特征在于，所述執行 元件(2)聯接到壓電運行的調整元件上。
全文摘要
本發明涉及一種用于可移動部件在檢驗系統，特別是測量或者分析系統中定位的方法和裝置，其中，在該方法中可移動部件利用聯接到可移動部件上的執行元件，通過執行元件借助驅動力運動，而從起始位置移動到末端位置內，以及可移動部件經由與可移動部件連接的固位部件被施加以將可移動部件固位在末端位置上的固位力，方法是固位部件至少部分浸入介質的儲存器內并在介質內借助介質從液態到固化態的轉換而固定，其中，介質借助被施加以調節參數而從液態轉換成固化態。
文檔編號G12B5/00GK101317080SQ200680044060
公開日2008年12月3日 申請日期2006年9月29日 優先權日2005年9月29日
發明者德特勒夫·克內貝爾, 托爾斯滕·揚克 申請人:Jpk器具股份有限公司