Verfahren zum Ermitteln der Schrittweite der Verfahrvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum zweidimensionalen Verfahren eines nichtlinearen Kristalls oder eines sättigbaren Absorbers und ein Verfahren zum Ermitteln der Schrittweite einer derartigen Verfahrvorrichtung.

Bei der aus der US 6859335 B1 bekannten Verfahrvorrichtung werden zum Positionieren von optischen Elementen, insbesondere zum Positionieren von nichtlinearen Kristallen, so genannte Schrittmotoren eingesetzt. Bei derartigen Schrittmoto- ren handelt es sich um Synchron motoren, bei denen der Rotor mittels eines gesteuerten und schrittweise rotierenden elektromagnetischen Feldes gedreht wird. Bei Schrittmotorantrieben kann zur hinreichend genauen Positionsbestimmung grundsätzlich die Anzahl der zurückgelegten Schritte des Schrittmotors gezählt werden. Schrittmotorantriebe haben den Nachteil, dass sie typischerweise eine große Anzahl mechanischer und auch elektronischer Bauteile umfassen, die ausgasen und somit zu einer Schädigung des nichtlinearen Kristalls beitragen können. Aus der Dissertation„Miniaturisierte Positioniersysteme mit mehreren Freiheitsgraden auf der Basis monolithischer Strukturen" von Uwe Jungnickel (Fachbereich 18 Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Universität Darmstadt) ist zur Positionsbestimmung ferner eine Verfahrvorrichtung bekannt geworden, deren Position mittels eines Hallsensors bestimmt werden kann.

Des Weiteren sind miniaturisierte Positioniersysteme bzw. miniaturisierte Verfahrvorrichtungen bekannt, deren Verstell- bzw. Verfahrbewegungen auf dem Antrieb von Piezoeinheiten bzw. Piezoantrieben basieren. Piezoeinheiten bewirken in der Regel einen schrittweisen Antrieb der bewegten Teile, wobei die Schrittweite ver- gleichsweise stark variieren kann, da sie kraftabhängig ist (beispielsweise führt die sich mit fortschreitendem Zeitablauf einstellende Degradation der Piezoelemente zu einer sich verändernden Schrittweite). Dies bewirkt eine Lageabhängigkeit (beispielsweise weicht die Schrittweite einer horizontal eingebauten Verfahrvor- richtung von der Schrittweite einer vertikal oder in einer schrägen Einbaulage ein- gebauten Verfahrvorrichtung ab). Die Kontrolle bzw. Überprüfung der genauen Position ist nur mit aufwändigen, teuren und empfindlichen Wegmesssystemen möglich. Bei sättigbaren Absorbern bestehen grundsätzlich dieselben Nachteile bzw. dieselben Problematiken. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Verfahrvorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln der Schrittweite einer derartigen Verfahrvorrichtung bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik überwinden. Insbesondere sollen eine Piezo-Verfahrvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren bereitgestellt werden, die ohne ein aufwändiges Wegmesssys- tem ein genaues und zuverlässiges sowie einfaches und schnelles Positionieren bzw. eine genaue Schrittweitenbestimmung von nichtlinearen Kristallen oder sättigbaren Absorbern ermöglichen. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Verfahrvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1.

Der mit der erfindungsgemäßen Verfahrvorrichtung verbundene Vorteil besteht im Wesentlichen darin, dass mittels der Verfahrvorrichtung eine einfache und schnel- le Schrittweitenbestimmung ohne aufwändige Positionsmesssysteme möglich ist. Hierzu können beim Verfahren der Schlitten jeweils von der ersten in die zweite Endlage die zurückgelegten Schritte mittels der Zähleinrichtung gezählt werden. Durch ein Dividieren des vorbekannten Verfahrwegs durch die Anzahl der gezählten Schritte kann dann als Ergebnis der Division die Schrittweite ermittelt werden. Auf diese Weise kann die grundsätzlich kraft- und verschleißanfällige und damit auch lageabhängige Schrittweite von mittels Piezopositioniereinheiten bewegten Schlitten beispielsweise nach einem anwendungsbedingten Umbau der Verfahrvorrichtung in eine andere Maschine oder in eine andere Lage der gleichen Maschine in einfacher Weise bestimmt werden. Wenn die Schrittweite in einer ent- sprechenden Anwendungssituation ermittelt ist, kann die aktuelle Position der Schlitten durch Zählen der jeweils zurückgelegten Schritte errechnet werden. Die Bestimmung der Schrittweite kann je nach Anwendungsfall regelmäßig in vorbestimmten Zyklen oder bei Bedarf auch nur einzeln mittels der Verfahrvorrichtung durchgeführt werden. Die erfindungsgemäße Verfahrvornchtung verzichtet wei- testgehend auf aufwändige Positionsmesssysteme mit elektronischen Komponenten, sodass die Verfahrvorrichtung der Gefahr von Ausgasungen vorbeugt. Darüber hinaus lassen sich durch die Piezopositioniereinheiten vorteilhaft kleine Schrittweiten und somit eine sehr genaue Verfahrbarkeit der Schlittens bzw. des daran befestigten Kristalls erreichen.

Die Zähleinrichtung dient dem Zählen der beim Verfahren der Schlitten jeweils von der ersten in die zweite Endlage oder umgekehrt zurückgelegten Schritte. Die Anschläge können beispielsweise an dem Träger der Piezopositioniereinheit ausgebildet sein. Die Anschläge stellen ein Hindernis für den Schlitten dar, das die Ver- fahrbewegung des Schlittens in einer Verfahrrichtung an der entsprechenden Endlage stoppt. Die erste Piezopositioniereinheit umfasst den bezüglich des Trägers mittels des Piezoantriebs schrittweise von der ersten Endlage entlang des Ver- fahrwegs in die zweite Endlage und zurück verfahrbaren Schlitten. Der nichtlineare Kristall kann beispielsweise ein Kristall der Art LBO LiB305, BBO ß-BaB ₂ 0 ₄ und CLBO CsLiB6O10 sein. Aber auch andere nichtlineare Kristalle sind möglich. Die Größe bzw. Abmessungen der nichtlinearen Kristalle beträgt typischerweise 2 mm bis 4 mm. Die Schrittweiten der Verfahrvorrichtung können grundsätzlich von der Laserspotgröße abhängig sein und betragen in der Regel zwischen 20 pm und 100 pm. Als sättigbare Absorber können beispielsweise so genannte SESAM ^' s eingesetzt werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an dem Schlitten der ersten Piezopositioniereinheit ein Kontaktelement zum Berühren der Anschläge ausgebildet. Durch das Kontaktelement ist eine klare und definierte Einnahme der Schlittenposition in den beiden Endlagen möglich. Das Kontaktelement kann austauschbar bzw. ersetzbar ausgeführt sein, um einem gegebenenfalls auftretenden Verschleiß beim Berühren der Anschläge zu begegnen. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bilden sämtliche Anschläge der Verfahrvorrichtung ein einstückiges, insbesondere monolithisches, Anschlagselement. Das eine Anschlagselement kann dann für jede Piezopositioniereinheit (eine erste, eine zweite oder weitere Positioniereinheit) zur Detektion der jeweiligen Endlagen dienen. Auf diese Weise ist die Anzahl der Bauteile der Verfahrvorrich- tung reduziert und eine monolithische Bauweise ist möglich. Das Anschlagselement ist beispielsweise als ein Anschlagsrahmen ausgebildet.

Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der die Verfahrvorrichtung eine Steuereinrichtung mit einer Auswerteeinheit zum Berechnen der Schrittweiten aus dem oder den Verfahrwegen und der Anzahl der gezählten Schritte umfasst. Die Auswerteeinheit kann signaltechnisch mit der oder den Zähleinrichtungen sowie mit den jeweils an den Anschlägen angeordneten Endlagendetektoren der einzelnen Piezopositioniereinheiten oder mit einer elektrischen Spannungseinrichtung zur Endlagendetektion verbunden sein. In der Auswerteeinheit sind ferner die Werte für den oder die vorbekannten Verfahrwege der einzelnen Piezopositionie- reinheiten abgelegt bzw. gespeichert. Grundsätzlich ist es auch möglich, die Verfahrwege als Ergebnisse der Endlagenbestimmung in der Auswerteeinheit zu speichern. Somit kann die Auswerteeinheit die Signale der Endlagendetektoren sowie die Signale der Zähleinrichtungen erfassen und die Ermittlung der jeweiligen Schrittweiten durchführen. Die Endlagedetektoren können auch jeweils als Schaltelemente mit einem definierten Schaltpunkt ausgebildet sein.

Nach einer Ausführungsform weist die Endlagendetektion eine elektrische Span- nungseinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, zwischen dem Schlitten und den Anschlägen ein elektrisches Potential aufzubauen. Somit kann, wenn der Schlitten die jeweilige Endlage einnimmt und dabei den entsprechenden Anschlag berührt, ein Stromkreis geschlossen und somit ein Detektionssignal übertragen werden (beispielsweise an die Auswerteeinheit). Hierzu können sowohl schlittenseitig als auch anschlagseitig elektrische Kontakte vorgesehen sein. Alternativ können zur Detektion der Endlagen des Schlittens auch an den Anschlägen angeordnete Endlagendetektoren vorgesehen sein. Diese können kraftausgelöste Schaltmittel, wie beispielsweise Kraftgeber, umfassen. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Ermitteln der Schrittweite einer wie oben beschriebenen Verfahrvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 6.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine einfache und schnelle sowie genaue Schrittweitenbestimmung (bzw. Bestimmung der Auflösung) ohne ein aufwändiges Messen der aktuellen Position der Schlitten anhand von Messsystemen durchgeführt werden. Im Anschluss an die Schrittweitenermittlung ist eine Bestimmung der aktuellen Position der Schlitten durch Zählen der jeweils aus einer bekannten Referenzposition (beispielsweise einer der Endlagen) zurückgelegten Schritte möglich. Die Bestimmung der Schrittweite kann je nach Anwendungsfall regelmäßig in vorbestimmten Zyklen oder auch nur einzeln im Bedarfsfall durchgeführt werden. Die Schlitten werden in der Regel jeweils linear entlang des vorbekannten Verfahrwegs bewegt, wobei das schrittweise Verfahren mittels der Piezo- antriebe erfolgt. Das Zählen der beim Verfahren der Schlitten jeweils von der ers- ten in die zweite Endlage (oder umgekehrt) durchgeführten Schritte erfolgt durch die Zähleinrichtung.

Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante werden die Schlitten vor dem schrittwei- sen Verfahren jeweils an dem Anschlag ihrer ersten Endlage positioniert und anschließend entlang des Verfahrwegs bis an den Anschlag ihrer zweiten Endlage verfahren. Durch die Anschläge ist eine klare und definierte Einnahme der Schlittenposition in den beiden Endlagen möglich. Ein entlang einer ersten Richtung in eine Endlage bewegter Schlitten kommt an der Endlage zum Stillstand und kann nur durch eine Bewegung in der bezüglich der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung wieder aus der Endlage entfernt bzw. wegbewegt werden.

Bei einer weiteren Verfahrensvariante werden schließlich die Endlagen der Schlitten mittels einer zwischen den Schlitten und den Anschlägen wirkenden elektri- sehen Spannung detektiert. Durch die detektierte Spannung ist eine eindeutige Detektion der Einnahme der Endlagenposition des oder der Schlitten möglich. Alternativ zur Endlagendetektion mittels elektrischer Spannung kann ein Detektieren der ersten Endlage des Schlittens auch mittels eines an dem ersten Anschlag vorgesehenen ersten Endlagendetektors und das Detektieren der zweiten Endlage des Schlittens mittels eines an dem Anschlag vorgesehenen zweiten Endlagendetektors erfolgen.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigte und beschriebene Ausführungsform ist nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern hat vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Die Figuren der Zeichnung zeigen den erfindungsgemäßen Gegenstand stark schematisiert und sind nicht maßstäblich zu verstehen.

Es zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum zweidimensionalen Verfahren eines Kristalls, in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer mit der Verfahrvorrichtung

elektrisch verbundenen Steuereinrichtung;

Fig. 3 die Verfahrvorrichtung der Fig. 1 mit einem Kristallhalter;

Fig. 4 die Verfahrvorrichtung der Fig. 1 mit in eine linke Endlage verfahrenem Schlitten;

Fig. 5 die Verfahrvorrichtung der Fig. 1 mit in eine rechte Endlage verfahrenem Schlitten;

Fig. 6 die Verfahrvorrichtung der Fig. 1 mit in eine obere Endlage verfahrenem Schlitten, und

Fig. 7 die Verfahrvorrichtung der Fig. 1 mit in eine untere Endlage verfahrenem Schlitten.

Die Fign. 1 und 2 zeigen eine Verfahrvorrichtung 1 für einen nichtlinearen Kristall 2, die eine erste und eine zweite Piezopositioniereinheit 3, 4 mit jeweils linearen und zueinander orthogonal angeordneten Verfahrwegen bzw. Verfahrrichtungen 5, 6 aufweist.

Die erste Piezopositioniereinheit 3 umfasst einen ersten Träger 7, einen ersten Piezoantrieb 7a sowie einen ersten Schlitten 8, wobei der erste Schlitten 8 bezüglich des ersten Trägers 7 mittels des ersten Piezoantriebs 7a schrittweise in der ersten Verfahrrichtung 5 zwischen zwei Endlagen entlang des ersten Verfahrwegs verfahrbar ist. Die zweite Piezopositioniereinheit 4 umfasst einen zweiten Träger 9, einen zweiten Piezoantrieb 9a sowie einen zweiten Schlitten 10, wobei der zweite Schlitten 10 bezüglich des zweiten Trägers 9 mittels des zweiten Piezoantriebs 9a schrittweise in der zweiten Verfahrrichtung 6 zwischen zwei Endlagen entlang des zweiten Verfahrwegs verfahrbar ist. Der zweite Träger 9 ist an einem Grundkörper 11 der Verfahrvorrichtung 1 befestigt.

Der erste Träger 7 ist an dem zweiten Schlitten 10 befestigt, sodass der an dem ersten Schlitten 8 angeordnete Kristall 2 durch die Überlagerung der Verfahrbewegungen der beiden Schlitten 8, 10 in einer durch die beiden Verfahrrichtungen 5, 6 aufgespannten zweidimensionalen Ebene in unterschiedliche Positionen verfahren werden kann (vgl. die in den Fign. 4 bis 7 dargestellten und weiter unten beschriebenen Positionen bzw. Endlagen). Die Verfahrvorrichtung 1 umfasst ferner für jede Piezopositioniereinheit 3,4 jeweils an deren beiden Endlagen angeordnete Anschläge 12, 13, 14, 15 die gemeinsam einen als monolithischen Rahmen ausgebildetes Anschlagselement 16 bilden. Berührt ein an dem ersten Schlitten 8 ausgebildetes Kontaktelement 17 einen der Anschläge 12, 13, 14, 15 so kann durch eine Spannungseinrichtung 21 ein Strom- kreis geschlossen und auf diese Weise ein Endlagen-Detektionssignal (ein Signal, dass das Kontaktelement 17 des ersten Schlittens 8 an einem der Anschläge 12, 13, 14, 15 das Anschlagselement 18 berührt) erzeugt werden. Die Spannungseinrichtung 21 legt zwischen dem Schlitten 8 und den Anschlägen 12, 13, 14, 15 bzw. zwischen dem Kontaktelement 17 und den Anschlägen 12, 13, 14, 5 ein elektri- sches Potential an. Ob es sich bei einem Kontakt zwischen einem der Anschläge 12, 13, 14, 15 und dem Kontaktelement 17 des ersten Schlittens 8 um den linken oder rechten (oder oberen oder unteren) Anschlag 12, 13, 14, 15 handelt, kann dabei dadurch bestimmt werden, dass vorbekannt ist, in welcher Verfahrrichtung 5, 6 der erste Schlitten 8 jeweils zuvor bewegt wurde. Entsprechend wird auch nur der in dieser Verfahrrichtung 5, 6 angeordnete Anschlag 12, 13, 14, 15 detektiert, unabhängig davon, ob es sich aufgrund des einstückigen Anschlagelements 16 um das gleiche Detektionssignal handelt. Das Anschlagselement 16 bzw. der Rahmen mit den Anschlägen 12, 13, 14, 15 ist an dem Grundkörper 1 1 ausgebildet. Das Kontaktelement 17 und die beiden Piezopositioniereinheiten 3, 4 sind in der Fig. 1 in einer Mittelstellung dargestellt.

Die Verfahrvorrichtung 1 umfasst ferner eine Steuereinrichtung 22 mit einer ersten und einer zweiten Zähleinrichtung 18, 19 zum Zählen der beim Verfahren des ersten bzw. zweiten Schlittens 8, 10 jeweils zurückgelegten Schritte sowie eine Aus- werteeinheit 20 zum Berechnen der Schrittweiten aus den Verfahrwegen und der Anzahl der gezählten Schritte. Mittels der Verfahrvorrichtung 1 ist eine einfache und schnelle sowie genaue Bestimmung der Schrittweiten der einzelnen Piezopositioniereinheiten 3, 4 ohne aufwändige Positionsmesssysteme möglich. Die Zähl- einrichtungen 18, 19 sind in der Steuereinrichtung 22 angeordnet und zählen die Schritte der Schlitten 8,10 über eine Auswertung des Ansteuersignais 23.

In der Fig. 3 ist an dem Schlitten 8 der Verfahrvorrichtung 1 ein Kristallhalter 24 zur Halterung eines nichtlinearen (Laser-)Kristalls befestigt. Alternativ zu dem nichtlinearen Kristall 2 kann bei den Verfahrvorrichtungen 1 der Fign. 1 bis 7 auch ein sättigbarer Absorber, insbesondere ein SESAM, an dem Schlitten 8 angeordnet sein. Das Verfahren zum Ermitteln der jeweiligen Schrittweiten wird im Folgenden mit Bezug zu den Fign. 4 bis 7 näher erläutert.

In den Figuren 4 bis 7 ist der erste Schlitten 8 bzw. das Kontaktelement 17 des ersten Schlittens 8 in vier unterschiedlichen Endlagen dargestellt. Der erste Schlit- ten 8 ist dabei jeweils entsprechend bezüglich des ersten Trägers 7 und der zweite Schlitten 10 bezüglich dem zweiten Träger 9 bzw. dem Grundkörper 11 verfahren. Im Einzelnen zeigt Fig. 4 eine linke und Fig. 5 eine rechte sowie Fig. 6 eine obere und Fig. 7 eine untere Endlage bzw. Endlagenposition des ersten Schlittens 8 bzw. des daran ausgebildeten Kontaktelements 17.

Zum Ermitteln der Schrittweite des beispielsweise ersten Schlittens 8 in der ersten Verfahrrichtung 5 werden beim schrittweisen Verfahren des ersten Schlittens 8 von einer ersten, oberen Endlage (Fig. 6) in eine zweite, untere Endlage (Fig. 7) die zurückgelegten Schritte gezählt, und anschließend der vorbekannte und durch den Abstand der beiden Endlagen begrenzte Verfahrweg durch die Anzahl der gezählten Schritte dividiert, um als Ergebnis der Division die Schrittweite zu erhalten. Es versteht sich, dass in entsprechender Weise mit dem zweiten Schlitten 10 verfahren werden kann (Verfahren des zweiten Schlittens 10 von einer ersten, linken Endlage (Fig. 4) in eine zweite, rechte Endlage (Fig. 5) und Zählen der dabei zurückgelegten Schritte, um die Schrittweite des zweiten Schlittens 10 zu ermitteln. Um jeweils die gesamten ersten und zweiten Verfahrwege zum Zählen der jeweils erforderlichen Schritte abzufahren, wird (beispielhaft anhand des ersten Schlittens 8 dargestellt) der erste Schlitten 8 vor dem schrittweisen Verfahren an dem an der oberen Endlage angeordneten, einen Anschlag 14 positioniert (Fig.6), und anschließend vollständig entlang des linearen Verfahrwegs bis an den an der zweiten, unteren Endlage angeordneten, anderen Anschlag 15 verfahren. Dabei werden die beiden Endlagen des Schlittens 8 bzw. des Kontaktelements 17 mittels der an den Anschlägen 14, 15 vorgesehenen Endlagendetektoren detektiert.

Das Anschlagselement 16 bzw. der Rahmen kann die Verfahrwege der Schlitten 8,10 grundsätzlich so begrenzen, dass die Piezoantriebe 7a, 9a nicht bis in ihre jeweiligen Endpositionen ausgefahren werden, sondern dass ein Anhalten der jeweiligen Schlitten 8,10 bereits vorher an den Anschlägen 12, 13, 14, 15 des An- Schlagselements 16 erfolgt. Durch eine derartige Begrenzung der Verfahrwege kann eine sichere Positionierung des nichtlinearen Kristalls 2 gewährleistet werden.