Mikropositioniersysteme Micro Positioning Systems - ORLIN ...

Präzision in Miniatur
Precision in Miniature
Mikropositioniersysteme
Micro Positioning Systems
www.micromotion-gmbh.de

Micro Linear Pusher
Micro Linear Pusher
Um in den Bereichen optischer Systeme oder Halbleiterfertigung neuartige
Lösungen für hochpräzise lineare Verstellmechanismen anbieten zu
können, wurde bei der Micromotion GmbH der weltkleinste Micro Linear
Pusher basierend auf der Micro Harmonic Drive ® Technologie realisiert.
Durch die Integration von Micro Harmonic Drive ® Getrieben in dieses
Mikrolinearverstellersystem werden die bekannten Vorteile dieser außergewöhnlichen
Mikrogetriebe, wie Zuverlässigkeit, Positioniergenauigkeit
und Spielfreiheit in ein extrem kompaktes und leichtes lineares
Positioniersystem überführt. Das spielfreie Mikrolinearverstellersystem
ist in einem Querschnitt von nur 10 auf 10 mm 2 untergebracht und besitzt
eine Masse von nur 22 Gramm. Die Länge des Micro Linear Pushers
MLP-10 ist abhängig vom Verstellweg und dem gewünschten Motortyp.
Das kürzeste System besitzt eine Gesamtlänge von 58,6 mm, wird von
einem Schrittmotor angetrieben und stellt einen Verstellweg von 6 mm zur
Verfügung.
Die Micro Linear Pusher können sowohl mit Schritt- oder Servomotoren
aufgebaut werden und dadurch exakt auf die Steuerungsumgebung und
Prozessführung des Kunden abgestimmt werden. Durch die beiden in das
Mikrosystem integrierten Endlagenschalter wird eine hohe
Betriebssicherheit erzielt und es entfällt der Bedarf für ein zusätzliches
Linear-Messsystem. Aufgrund der Kombination von spielfreiem Micro
Harmonic Drive ® Getriebe und dem spielfrei vorgespannten Muttersystem
kann die Winkelstellung des Motors, z. B. bei Schrittmotoren über die
Anzahl der Schritte oder bei Encodersystemen durch die Anzahl der
Impulse, direkt zur Positionsermittlung verwendet werden.
Leistungsdaten
Technical Data
Einheit
Unit
Tabelle / Table 2.1
Wert
Value
Querschnitt Cross section mm 2 10x10
Verstellweg Travel range mm 6 12 25
Länge Length mm 58,6 65,4 78,4
Geschwindigkeit Linear speed mm/s Max. 2,5
Kraft Force N 12
Wiederholgenauigkeit Repeatability µm +/- 1
Masse Mass g 22 25 28
Micromotion GmbH, using the well proven Micro Harmonic Drive ®
technology, has developed the worlds smallest Micro Linear Pusher for
use in high precision linear adjustment mechanisms in the area of optical
systems or semiconductor production. By integrating Micro
Harmonic Drive ® gears within this micro linear adjustment system, with
the well known advantages of this extraordinary micro gear such as
reliability, positioning accuracy, zero backlash, it has been possible to
develop an extremely compact and light-weight linear positioning
system. The backlash free micro linear adjustment system offers a cross
section of 10 x 10 mm 2 with a mass of only 22 g. The length of the
Micro Linear Pusher MLP-10 depends on the adjustable stroke and the
selected motor type. The smallest system with a total length of just only
58,6 mm is driven by a stepping motor and offers an adjustable stroke
of 6 mm.
The Micro Linear Pushers are available with stepping motors as well as
servo motors and may therefore be coordinated exactly to the customer’s
control system and process control. Due to the integrated limit
switches in the micro system a high operational reliability is achieved
and no additional linear measuring system is required. Based on the
combination of a backlash-free Micro Harmonic Drive ® gear and the
pre-loaded nut system the angularity of the motor may directly be used
to determine position, with the stepping motors counting the number of
steps and with the encoder systems counting the number of pulses.
2

Abb. / Fig. 3.1
Für den Micro Linear Pusher stehen folgende Getriebeuntersetzungen
zur Verfügung:
- MPG-10-40 mit einer Untersetzung von 40 : 1
- MPG-10-80 mit einer Untersetzung von 80 : 1
- MHD-10-160 mit einer Untersetzung von 160 : 1
- MHD-10-500 mit einer Untersetzung von 500 : 1
Über die unterschiedlichen Übersetzungen kann einerseits die
Systemauflösung und andererseits die Verstellgeschwindigkeit beeinflusst
werden. So kann bei Einsatz von Schrittmotoren im
Halbschrittbetrieb eine theoretische Auflösung von 0,02 µm erreicht
bzw. Verstellgeschwindigkeiten von bis zu 2,5 mm/s realisiert werden.
Aufgrund des vorgespannten Spindel-Muttersystem beträgt die einseitige
Wiederholgenauigkeit +/- 1µm und die zweiseitige
Wiederholgenauigkeit +/- 5 µm. Die Verstellkräfte bzw. die axiale
Belastbarkeit beträgt 12 N. Um den Micro Linear Pusher leicht in unterschiedliche
kundenspezifische Anwendungen integrieren zu können,
steht eine Vielzahl von Anbindungsschnittstellen zur Verfügung. Die
Micro Linear Pusher können standardmäßig mit folgenden
Adapterstrukturen ausgestattet werden:
- Gewinde M6 x 0,5
- Gewinde M8 x 0,35
- Gewinde 3/8’’- 40 UNS
- Zylinderfläche Ø6 g6
- Zylinderfläche Ø 9,5 g6
Die Bezeichnung der Micro Linear Pusher Serie:
MLP-10-XX-YY-ZZ-SPMxxxx setzt sich aus dem Verstellweg, der
Getriebeuntersetzung und der Art des Motors zusammen:
- XX entspricht der Getriebeuntersetzung 40, 80, 160 oder 500
- YY steht für den Verstellweg von 6, 12 oder 25 mm
- ZZ beschreibt den Motortyp, wobei S für Schrittmotor und D für
DC-Motor mit Encoder steht
- SPM beschreibt die Adapterstruktur
The following gear reduction ratios are available for the Micro Linear
Pusher:
- MPG-10-40 with ratio 40:1
- MPG-10-80 with ratio 80:1
- MHD-10-160 with ratio 160:1
- MHD-10-500 with ratio 500:1
Due to the different gear ratios the system resolution and also the
adjustment speed may be varied. The stepping motor solutions at semistepping
operation, a theoretical resolution of 0.02 µm may be achieved
or adjustment speeds of up to 2.5 mm/s can be achieved respectively.
Due to the pre-loaded spindle-nut system the single-sided repeatability
is +/- 1 µm and the double-sided repeatability +/- 5 µm. The
forces and accordingly axial load capacity are 12 N. To easily integrate
the Micro Linear Pusher in different customer-specific applications
various connection interfaces are available. The Micro Linear
Pushers may be delivered with the following adapter structures:
- Thread M6 x 0.5
- Thread M8 x 0.35
- Thread 3/8”- 40 UNS
- Cylinder surface Ø 6 g6
- Cylinder surface Ø 9.5 g6
The designation of the Micro Linear Pusher series:
MLP-10-XX-YY-ZZ-SPMxxxx consists of the adjustable stroke, the gear
reduction ratio and the motor type:
- XX corresponds to the gear reduction ratio 40, 80, 160 or 500
- YY indicates the adjustable stroke of 6, 12 or 25 mm
- ZZ describes the motor type, where S means stepping motor and
D stands for DC-motor with encoder
- SPM describes adaptor configuration
3

Exzenterantriebe
Eccentric Actuators
Exzenterantriebe zeichnen sich durch ihren einfachen Systemaufbau und
die damit gleichzeitig erzielbare hohe Präzision aus. Durch die
Kombination von Micro Harmonic Drive ® Getrieben mit einem spielfreien
Exzentermechanismus können extrem leichte, bauraumsparende
Positioniersysteme für hochpräzise Justagevorgänge im
Submikrometerbereich realisiert werden. Die Außendurchmesser liegen je
nach Leistungsspektrum zwischen 8 und 10 mm. Aufgrund der geringen
Außenabmessungen und dem damit verbundenen extrem geringen
Eigengewicht von weniger als 10 Gramm, können derartige Systeme sehr
gut in hochdynamische Prozesse integriert werden.
Die Exzenterantriebe können sowohl mit Schritt- als auch Servomotoren
aufgebaut und dadurch exakt auf die Steuerungsumgebung und
Prozessführung des Kunden abgestimmt werden. Ein spielfreier Aufbau
des kompletten Positioniersystems wird durch ein in sich vorgespanntes
Kugellager des Exzenters realisiert.
Je nach benötigter Auflösung oder Verstellgeschwindigkeit können die
Exzenterantriebe mit den folgenden Getriebeuntersetzungen hergestellt
werden:
- MPG-10-40 mit einer Untersetzung von 40 : 1
- MPG-10-80 mit einer Untersetzung von 80 : 1
- MHD-10-160 mit einer Untersetzung von 160 : 1
- MHD-10-500 mit einer Untersetzung von 500 : 1
- MHD-10-1000 mit einer Untersetzung von 1000 : 1
Beispielhaft beträgt die erzielbare Auflösung der Schrittweite 0,15 µm bei
Verwendung von Schrittmotoren im Halbschrittbetrieb, einer Exzentrizität
von 1 mm und einer Getriebeübersetzung von i = 1000. Bei
Servoantrieben mit Encoder und 256 Impulsen sowie Getriebeübersetzung
i=1000 ist die Auflösung kleiner 0,02 µm. Der mögliche
Verstellweg beträgt bei diesem Beispiel 2 mm.
Leistungsdaten
Technical Data
Tabelle / Table 4.1
Einheit Wert
Unit Value
Querschnitt Cross section mm 8-10
Verstellweg Travel range mm 2
Geschwindigkeit Linear speed mm/s 2
Kraft Force N 12
Wiederholgenauigkeit Repeatability µm +/- 1
Masse Mass g 10
Eccentric actuators are characterised by a simple system design coupled
with high precision. The combination of Micro Harmonic Drive ®
gears with backlash-free eccentric mechanism enables the realisation
of extremely lightweight, space-saving positioning systems for highly
precise adjustments in the submicron range. The external diameters
are between 8 mm and 10 mm depending on the particular performance
spectrum. On account of their compact external dimensions
and extremely low weight of less than 10 grams, systems of this type
are also ideal for integration in highly dynamic processes.
The eccentric actuators can be provided with stepper or servomotors
and thus exactly tailored to customer-specific control environments and
process control concepts. A backlash-free design of the complete positioning
system is realised by prestressed ball bearings for the eccentric.
The following reduction ratios are available for the eccentric actuators
depending on the required resolution or positioning speed:
- MPG-10-40 reduction ratio 40:1
- MPG-10-80 reduction ratio 80:1
- MHD-10-160 reduction ratio 160:1
- MHD-10-500 reduction ratio 500:1
- MHD-10-1000 reduction ratio 1000:1
The attainable step width resolution when using stepper motors in halfstep
mode with an eccentricity of 1mm and a gear ratio of i = 1000 is
less than 0.15 µm. For servo actuators with encoder with 256 pulses
and a gear ratio of i = 1000, the resolution is less than 0.02 µm. The
maximum range of travel in this example is 2 mm.
4

Aufgrund der geringen Anzahl an Komponenten, die für die
Bewegungsumformung benötigt werden, ergibt sich eine geringe Anzahl
an Störgrößen und damit eine hohe Qualität in den
Positioniereigenschaften. Dies resultiert in einer sehr guten
Wiederholgenauigkeit. Aufgrund des einfachen und robusten Aufbaus
dieser Systeme, der einfachen Steuerung und der hohen Stabilität unter
Produktionsbedingungen sind derartige Systeme in vielen Anwendungen
gegenüber Aktuatoren, die auf Piezoantriebstechnik basieren, überlegen.
Selbst in extremen Umgebungsbedingungen, wie Ultra
Hochvakuum, lassen sich derartige Systeme optimal integrieren.
Owing to the small number of components required for motion conversion,
the number of disturbances are minimal, thus ensuring high quality
positioning characteristics. This results in excellent repeat accuracy
better than 0.1 µm for stepper motors and better than 0.05 µm for
servo actuators with encoder measuring system. Because of their simple
and rugged design, simple control characteristics and high stability
under production conditions, these systems are more superior than
piezo-based actuators in a wide range of applications and offer easy
integration also in extreme operating environments such as ultra-high
vacuum.
Abb. / Fig. 5.1
5

3-Achs Mikromanipulator
3-axis-micro-manipulator
Es gibt eine Vielzahl von Justageaufgaben in der Mikrotechnik, die
Bewegungen in drei Freiheitsgraden benötigen. Für diese Art von
Anwendungen wurde von der Micromotion GmbH der 3-Achs Mikromanipulator
entwickelt.
Diese kompakte Einheit mit einem Durchmesser von nur 36,2 mm und
einer axialen Länge von weniger als 50 mm ist mit zwei linearen und
einer rotatorischen Achse ausgestattet. Die Linearachsen werden von
Exzenterantrieben angetrieben, die einen kleinen Verstelltisch in x- und
y-Richtung bewegen. Auf dem Verstelltisch ist die Theta-Achse aufgebaut,
mit der das Werkzeug direkt angetrieben wird.
Diese Konstruktion bietet folgende Vorteile:
- Genauigkeit im Sub-Mikrometerbereich
- Einfache Steuerung, da für alle Achsen Schrittmotoren verwendet
werden
- Geringe Masse ( 360°
Maximale Geschwindigkeit Maximum Speed 2 mm/s 2 mm/s 100 rpm
Auflösung
Resolution
Vollschritt / Full step < 0,3 µm < 0,3 µm 0,0860°
Mikroschritt / Micro step < 0,02 µm < 0,02 µm 0,005°
Wiederholgenauigkeit Repeatability 0,3 µm 0,3 µm 0,010°
Kraft/Drehmoment Force/Torque 10 N 10 N 5 mNm
X
theta
Y
6

Entscheidend im Vergleich zu Lösungen, die auf der
Piezoantriebstechnik basieren, ist die Überlegenheit durch den großen
Verstellweg der Linearachsen, die einfache Regelbarkeit und die hohe
Stabilität unter Produktionsbedingungen.
Typische Einsatzgebiete für diese Einheit sind die Feinpositionierung,
wobei das System rückseitig an eine Hochgeschwindigkeitsachse montiert
wird. Hierbei ist das geringe Gewicht von besonderer Bedeutung.
Der Trend zu immer kürzeren Zykluszeiten bei Montageaufgaben
benötigt eine höhere Dynamik in den primären Positionierachsen, die
typischerweise aus linearen Direktantrieben aufgebaut sind. Gelingt
es, die Masse des Mikro-Manipulators zu minimieren, verringert sich
der Temperaturanstieg in den Linearmotoren bei gleichem
Arbeitszyklus. Dies hilft, Probleme aufgrund von thermischer
Instabilität der Maschine zu vermeiden, wodurch die
Positioniergenauigkeit der gesamten Maschine stark beeinflusst wird.
Importantly, the long strokes for the linear axes, easy controllability
and high stability under production conditions are superior in comparison
to solutions based on piezo actuators.
Typically this device is used for fine positioning and is mounted on the
backside on high-speed coarse positioning axes. Here the low weight
is of particular importance. The trend to shorter assembly cycle times
is leading to more dynamic primary positioning axes, typically featuring
linear direct drive motors. If the mass of the micro-manipulator
can be minimised then the temperature increase of the linear motors is
less for the same duty cycle. This can, in turn, avoid problems due to
thermal instability of the machine, which can dramatically affect the
positioning accuracy of the machine.
Abb. / Fig. 7.1
7

Nanoverstellantrieb
Nanostage
Gegenwärtige Lösungen für Positioniersysteme für Anwendungen, die
eine Auflösung im Bereich einzelner Nanometer benötigen, beinhalten
einige deutliche Probleme. Die Idee der Erfindung des Nanoverstellers
basiert auf der Kombination konventioneller Servomotortechnik mit der
hohen Präzision von Festkörpergelenken. Dadurch ist das Verhalten
des Antriebs vertraut und kann einfach geregelt werden.
Die meisten Positioniersysteme mit einer Auflösung im Bereich weniger
Nanometer basieren auf dem piezoelektrischen Effekt. Durch den
Einsatz derartiger Techniken ergeben sich mehrere Nachteile:
- Positionsverlust bei einer Unterbrechung in der Spannungsversorgung
- Lokaler Verschleiß, insbesondere bei Inch-worm Antrieben
- Direktes Wegmess-System ist erforderlich
- Notwendigkeit eines kostenintensiven Reglers
- Überschwingen während dem Positionieren
- Kurzer Verstellweg im Vergleich zur Baugröße
Die Besonderheit des neuen Nanopositioniersystems - Nanostage - ist
die Kombination eines hochpräzisen und hochauflösenden
Exzentermechanismus mit der kinematischen Struktur von monolithischen
Festkörpergelenken. Der Exzentermechanismus wird aus der
Kombination von Schrittmotortechnik mit einem Micro Harmonic Drive ®
Getriebe gebildet. Diese Antriebseinheit bietet aufgrund des
Schrittmotors eine sehr einfache Steuerungstechnik und besitzt gleichzeitig
eine sehr hohe Auflösung aufgrund des extrem hohen Übersetzungsverhältnisses
von 1000:1.
Die Festkörpergelenke erfüllen folgende Funktionen:
Das Führungssystem wird aus zwei Parallelgelenken gebildet, die sich
für Bewegungen im Bereich einzelner Nanometer eignen. Ein zusätzlicher
Hebelmechanismus untersetzt die große Bewegung des
Exzentermechanismus und erzeugt dadurch eine Auflösung im Bereich
einstelliger Nanometer.
Current solutions of positioning systems for applications needing a
resolution in the range of some single nanometers involve some significant
problems. The idea of the invention of the nanostage is to use a
conventional servo motor technique in combination with high precision
compliant mechanisms. So the behaviour of the actuator is well
known and easy to control.
The most positioning systems with a resolution in the range of some
nanometers are based on piezo electrical effects. By using such a kind
of technique one has to deal with several drawbacks:
- Loss of position if there is an interruption in the power supply
- Local abrasion, particularly for inch-worm type drives
- A direct measurement system is necessary
- Necessity of a cost-intensive controller
- Overshooting during positioning
- Short travel range in correlation to the size
The particular feature of the new nano positioning system - nanostage
- is the combination of a high precision and high resolution eccentric
mechanism with the kinematic structure of a monolithic flexure hinge.
The eccentric mechanism is realised with a stepper motor combined
with a Micro Harmonic Drive ® gear system. This drive unit provides a
very simple controlling technique due to the stepper motor and simultaneously
a very high resolution due to the transmission ratio of
1000:1.
The flexure hinge fulfils the following functions:
The guidance system is realised with two parallel flexure hinges suitable
for movements in the range of single nanometres and an additional
reduction system transforming the big movement of the eccentric
mechanism to generate a resolution in the range of single-digit nanometres.
Leistungsdaten
Technical Data
Tabelle / Table 8.1
Einheit Wert
Unit Value
Abmessungen Dimensions mm 20x20x50
Verstellweg Travel range µm 40
Auflösung Halbschritte Resolution half step nm < 3
Lineargeschwindigkeit Linear speed µm/s 20
Kraft Forces N 10
Masse Mass g 50
Antrieb Actuator Stepper AM020
Getriebe Gear System MHD-10-1000-M
8

Die Festkörpergelenke besitzen einen monolithischen Aufbau. Dadurch
ist keine Montage erforderlich und Einflüsse von Montagefehlern, wie
beispielsweise asymetrische mechanische Spannungen in den
Gelenken, werden vermieden. Die kinematische Kette besteht aus folgenden
Komponenten:
- Mikroschrittmotor mit 20 Vollschritten (40 Halbschritten) pro
Umdrehung
- Hochübersetzende Micro Harmonic Drive ® Getriebebox mit einem
Übersetzungsverhältnis von 1000:1
- Exzentermechanismus mit 1 mm Exzentrizität aufgebaut mit
vorgespannten Kugellagern
- Monolithischer Festkörperhebel mit einer weiteren Untersetzung
von 50 : 1
The built up of the flexure hinges is done in a monolithic manner. Due
to this no assembly is necessary and therefore influences due to errors
of assembly can be avoided, such as asymmetric mechanical tension
in the hinges. The kinematic chain consists of the following components:
- a micro stepper motor with 20 full steps (40 half steps) per revolution
- a high ratio Micro Harmonic Drive ® gearbox with a transmission
ratio of 1000:1
- an eccentric mechanism with 1 mm eccentricity built up with pre
loaded ball bearings
- a monolithic lever as a compliant mechanism with a further reduction
ratio of 50 : 1
Abb. / Fig. 9.1
9

Bestellbezeichnungen
Ordering Code
Bestellbezeichnungen des Micro Linear Pushers
Ordering Code Micro Linear Pusher
Baureihe Baugröße Untersetzung Verstellweg Version Sonderausführung
Series Size Ratio Travel Range Version Special Design
Tabelle / Table 10.1
MLP 10 40
80
160
500
6
12
25
S - Stepper
D - DC Motor mit Encoder
S - Stepper
D - DC Motor with encoder
Nach Kundenanforderung
According to customer
requirements
MLP - 10 - 80 - 6 - S - SPMxxxx
Beispiel / Example
Bestellbezeichnungen des Exzenterantriebs
Ordering Code Eccenter Actuator
Tabelle / Table 10.2
Baureihe Baugröße Untersetzung Verstellweg Version Sonderausführung
Series Size Ratio Travel Range Version Special Design
S - Stepper
D - DC Motor mit Encoder
Nach Kundenanforderung
MEA 10 160
500
1000
1
2
S - Stepper
D - DC Motor with encoder
According to customer
requirements
MEA - 10 - 1000 - 2 - S - SPMxxxx
Beispiel / Example
Bestellbezeichnungen des 3-Achs Mikromanipulators Ordering Code 3-axis-micro-manipulator
Tabelle / Table 10.3
Baureihe Untersetzung Verstellweg Version Sonderausführung
Series Ratio Travel Range Version Special Design
x y theta
M3A 40 40 40 1000
S - Stepper
Nach Kundenanforderung
80 80 80 1500
D - DC Motor
According to customer
160 100 160
S - Stepper
requirements
500 500 500
D - DC Motor
M3A - 500 - 500 - 160 - 1000 - S - SPMxxxx
Beispiel / Example
10

Bestellbezeichnungen des Nanoverstellantriebs
Ordering Code Nanostage
Baureihe Baugröße Untersetzung Verstellweg Version Sonderausführung
Series Size Ratio Travel Range Version Special Design
Tabelle / Table 11.1
nS 10 500
1000
40 S Stepper
S Stepper
Nach Kundenanforderung
According to customer
requirements
nS - 10 - 1000 - 40 - S - SPMxxxx
Beispiel / Example
Typische Anwendungsbereiche
Die präzisen Mikropositioniersysteme basierend auf dem Micro
Harmonic Drive ® Getriebe stellen Schlüsselelemente für eine neue
Generation von miniaturisierten Produkten in einem breiten
Anwendungsbereich dar. Die Mikropositioniersysteme mit Micro
Harmonic Drive ® Technologie sind u. a. ideal geeignet für folgende
Anwendungsgebiete:
Typical Applications
The precise Micro Positioning Systems based on the Micro Harmonic
Drive ® gears are a key enabling technology for a new generation of
miniaturised products in a wide range of application areas. The Micro
Harmonic Drive ® is ideally suited to precise positioning applications in
the following fields:
Optik
Optics
Medizintechnik
Medical Equipment
Halbleiterfertigung
Semicon
Lasertechnik
Laser Technology
Luftfahrt
Aircraft
Raumfahrt
Spacecraft
11

Zu unseren Kunden gehören:
Some of Our Customers:
Micromotion GmbH
An der Fahrt 13
55124 Mainz-Gonsenheim
Germany
☎ + 49 - (0) 6131 - 6 69 27-0
+ 49 - (0) 6131 - 6 69 27-20
info@micromotion-gmbh.de
www.micromotion-gmbh.de
02/2007 MM 90 01 57
Technische Änderungen vorbehalten.
We reserve the right to make technical changes without prior notice.
Ein Unternehmen der Harmonic Drive Gruppe