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Die
Erfindung betrifft einen Vertikalantrieb mit einer entlang eines
Führungselements
vertikal luftgeführt
beweglichen Verschiebeeinheit.
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Mittels
eines derartigen Vertikalantriebs können Objekte wie Sensoren,
optische Elemente oder Baugruppen als Nutzlasten in vertikaler Richtung feinpositioniert
werden. Ein oder mehrere Objekte sind dazu in der Regel starr an
der Verschiebeeinheit montiert.
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Im
Stand der Technik ist beispielsweise aus der
JP 2002100666 A ein Vertikalantrieb
mit einem Hubantrieb und einer vertikalen Luftführung für eine Verschiebeeinheit bekannt.
Die Luftführung
ist mit einem Luftlager ausgeführt,
welches die Verschiebeeinheit in einem Vertikalführungsspalt mit Hilfe von Druckluft
reibungsfrei vertikal verschiebbar führt.
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Beim
Feinpositionieren im Mikro- oder Nanometerbereich sind jedoch die
Gewichtskräfte
der vertikal zu verschiebenden Teile problematisch. Die Gewichtskräfte wirken
auf die Antriebseinrichtungen und führen dort zu unkontrollierbaren,
zumeist elastischen Verformungen und zu Verlustleistungen an den
elektrischen Antrieben. Aufgrund der Verformungen ist die Genauigkeit
des Feinpositionierens begrenzt. Wegen der zu hebenden Masse der
Verschiebeeinheit müssen
die elektrischen Antriebe ein hohes Drehmoment beziehungsweise eine
hohe Kraft bereitstellen.
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Um
die Genauigkeit der Feinpositionierung zu erhöhen und das zum Verschieben
nötige
Drehmoment beziehungsweise die nötige
Kraft zu verringern, wird in
JP 2003084087 A vorgeschlagen, die Verschiebeeinheit über Umlenkrollen
mit einem Gegengewicht zu verbinden und so die Antriebsteile vom
Gewicht der Verschiebeeinheit zu entlasten. Dabei ist das Gegengewicht
vertikal geführt
verschiebbar.
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Nachteilig
ist daran, dass sowohl die Führung
des Gegengewichts als auch die Umlenkrollen Reibungsquellen darstellen,
die die Genauigkeit der Positionierung beeinträchtigen und das erforderliche Drehmoment
beziehungsweise die erforderliche Kraft des Antriebs vergrößern.
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Zur
Lösung
dieses Problems schlägt
die
US 4 726 689 für einen
Substrathalter einer Ionenimplantationskammer eine lineare vertikale
Führung
auf Basis eines modifizierten Luftlagers entlang des Schafts des
Substrathalters vor. Dabei wirkt die statische Druckdifferenz zwischen
dem Vakuum der Ionenimplantationskammer einerseits und der Umgebungsatmosphäre andererseits
entgegen der Schwerkraft auf den Schaft des Substrathalters und
kompensiert so das Gewicht des Substrathalters und dessen Schaft.
So sind durch einen externen Linearantrieb nur noch Kräfte zum
Beschleunigen und Abbremsen des Substrathalters erforderlich.
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Die
vorgeschlagene Gewichtskompensation setzt jedoch aufwendigerweise
ausdrücklich
voraus, dass der Schaftdurchmesser sowie alle beweglichen Massen
entsprechend der statischen Druckdifferenz ausgewählt werden.
Dies bedeutet eine starke Einschränkung der Verwendbarkeit hinsichtlich
der Nutzlast. Zudem bedeutet die Verwendung eines externen Linearantriebs
eine relativ große
Ungenauigkeit der Positionierung des Substrathalters durch einen
toten Gang und andere mechanische Ursachen wie Verformungen. Zum
Erzeugen des Vakuums sind zudem aufwendige Vakuumpumpen erforderlich.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten
Vertikalantrieb der eingangs genannten Art anzugeben, welcher eine
reibungsfreie Gewichtskompensation bei hoher Feinpositionierungsgenauigkeit
und variabler Nutzlast ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Vertikalantrieb, der die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale
aufweist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Selbstverständlich kann
die Erfindung anstelle von Luft mit jedem kompressiblen Fluid verwendet
werden. Dies gilt für
die vertikale Luftführung und/oder
die Kammer-Druckluft und/oder die horizontale Luftlagerung.
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Als
Elektromagnete im Sinne der Erfindung gelten auch Motorspulen.
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Erfindungsgemäß gelingt
eine reibungsfreie Gewichtskompensation, indem die Verschiebeeinheit mit
dem Führungselement
eine Kammer bildet, deren Volumen von einer Auslenkung der Verschiebeeinheit
abhängt,
wobei die Kammer mit Druckluft beaufschlagbar ist, und zudem Permanentmagnete und/oder
Elektromagnete zum vertikalen, elektrodynamischen Feinpositionieren
an der Verschiebeeinheit und/oder an dem Führungselement angeordnet sind.
Da sowohl die Gewichtskompensation als auch die Kraftübertragung
zum Positionieren reibungsfrei erfolgen, ist die Genauigkeit der
Feinpositionierung hoch und die erforderliche Hubkraft gering. Die
Permanentmagnete und/oder Elektromagnete sind zweckmäßigerweise
an der Verschiebeeinheit beziehungsweise komplementär dazu am
Führungselement
angebracht. Andere Anordnungen sind möglich. Durch Ändern des
Drucks der Druckluft kann die Gewichtskompensation mit geringem
Aufwand verschiedenen Massen der Verschiebeeinheit bei unterschiedlichen
Nutzlasten angepasst werden. Zudem ist Druckluft mit deutlich geringerem
Aufwand als ein Vakuum erzeugbar.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Kammer mit einer Druckregelvorrichtung
verbunden, die den Innenluftdruck der Kammer automatisch dem Gewicht
der Verschiebeeinheit anpasst. Die Druckluft kann so permanent und
reibungsfrei das Gewicht der Verschiebeeinheit tragen. Es ist lediglich
Hubkraft beziehungsweise Drehmoment für eine externe Positionierung
der Verschiebeeinheit erforderlich.
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Vorteilhafterweise
ist ein Kühlkörper für einen
oder mehrere Elektromagnete vorgesehen, um deren Abwärme zu entfernen.
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In
einer möglichen
Ausgestaltung begrenzt ein Teil der vertikalen Luftführung die
Kammer. Dabei strömt
vorzugsweise von der vertikalen Luftführung entweichende Luft in
die Kammer.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
sieht vor, dass die Kammer im Bereich eines oberen Endes des Führungselements
angeordnet ist. Dadurch wirkt das Führungselement als Kolben, gegen
den die Verschiebeeinheit abgestützt
wird.
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In
einer ersten Variante ist die Kammer durch eine Öffnung in der Verschiebeeinheit
mit der Druckluft beaufschlagbar. Dies ermöglicht den einfachen Anschluss
von Druckluftleitungen.
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In
einer zweiten Variante ist die Kammer durch eine im Führungselement
angeordnete Leitung mit der Druckluft beaufschlagbar. Auf diese
Weise kann auf mit der Verschiebeeinheit verbundene Druckluftleitungen
verzichtet werden, die potentiell die Bewegungsfreiheit der Verschiebeeinheit
einschränken
und eine Reibungsquelle darstellen.
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Eine
erste alternative Ausgestaltung sieht vor, dass das Führungselement
als Vollzylinder ausgebildet ist und die Luftführung durch ein als Hohlzylinder
oder mindestens ein als Hohlzylindersegment ausgebildetes Luftführungselement
gebildet wird, das den Vollzylinder umschließt.
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Eine
zweite alternative Ausgestaltung sieht vor, dass das Führungselement
als Rohr ausgebildet ist und die Luftführung durch mehrere, das Rohr
innen und außen
umgebende Luftführungselemente gebildet
wird.
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Vorteilhafterweise
ist der Vertikalantrieb mit einer Längenmessvorrichtung zum Messen
der Auslenkung der Verschiebeeinheit versehen. Die Längen messvorrichtung
ist dabei vorzugsweise innerhalb der Kammer angeordnet.
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In
einer besonderen Ausführungsform
ist der Vertikalantrieb mit einem Luftlager zum horizontal reibungsfreien
Verschieben des Vertikalantriebs ausgestattet. Dies ermöglicht die
reibungsfreie horizontale Positionierbarkeit des Vertikalantriebs.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
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Dazu
zeigen:
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1 einen
Vertikalantrieb im Längsschnitt,
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2 einen
weiteren Vertikalantrieb im Längsschnitt
und
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3 einen
dritten Vertikalantrieb im Längsschnitt.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
einen Vertikalantrieb, bestehend aus einem Gehäuse 6, in dem ein
Führungszylinder als
Führungselement 2 vertikal
angeordnet ist, und einer an dem Führungselement 2 vertikal
verschieblichen Verschiebeeinheit 14 mit Montagebasis.
Auf oder an der Montagebasis können
Objekte wie Sensoren, optische Elemente oder andere in Vertikalrichtung
feinzupositionierende Baugruppen als Nutzlast angeordnet werden.
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Die
Verschiebeeinheit 14 wird an dem Führungselement 2 von
einer Luftlagerung geführt,
die als ein einzelnes, hohlzylindrisches, den Führungszylinder umschließendes Luftführungselement 3 ausgebildet
ist. Zusätzlich
können
weitere Luftführungselemente 3 vorgesehen
sein. Eines oder mehrere Luftführungselemente 3 können als
Hohlzylindersegmente anstelle eines Hohlzylinders ausgeführt sein.
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Das
Gehäuse 6 ist
mit innenseitig festen Spulen als Elektromagneten 5 versehen.
Komplementär
dazu sind an der Verschiebeeinheit 14 Permanentmagnete 4 befestigt.
Die einander gegenüberliegenden
Elektromagnete 5 und Permanentmagnete 4 dienen
als reibungsloser Linearantrieb zum feinen Verschieben der Verschiebeeinheit 14 gegenüber dem
Führungselement 2 und
damit gegenüber dem
Gehäuse 6.
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Die
Verschiebeeinheit 14 bildet mit dem Führungselement 2 und
dem Luftführungselement 3 eine Kammer 13 im
Bereich des oberen Endes des Führungselements 2.
Das Volumen der Kammer 13 nimmt mit der Auslenkung der
Verschiebeeinheit 14 nach oben zu, wobei die Kammer 13 über einen
als Öffnung 1 ausgebildeten
Luftanschluss in der Verschiebeeinheit 14 mit Druckluft
beaufschlagbar ist.
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Über den
Luftanschluss wird der Kammer 13 der Verschiebeeinheit 14 mittels
einer Druckregelvorrichtung 7 dosiert Luft zugeführt, die
entsprechend des Gewichts der in Vertikalrichtung an der Verschiebeeinheit 14 zu
führenden
Baueinheiten reibungsfrei die Gewichtsentlastung durch den Innenluftdruck
p1 in der Kammer 13 einstellt.
Der Innenluftdruck p1 ist dabei stets kleiner
als der im Vertikalführungsspalt 16 herrschende
Druck p2 der aus dem Luftführungselement 3 abfließenden Luft.
Dadurch strömt
außerdem Druckluft,
die von dem Luftführungselement 3 entweicht,
in die Kammer 13.
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Im
Inneren der Kammer 13 ist axial zwischen Führungselement 2 und
Verschiebeeinheit 14 ein Längenmesssystem 15 zur
Messung der relativen Vertikalposition der Verschiebeeinheit 14 installiert.
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In
der Bodenlagerung 8a des Vertikalantriebs ist eine vorzugsweise
vakuumvorgespannte Luftlagerung angeordnet, bestehend aus einem
Vakuumanschluss 9 und einer Vakuumkammer 11 sowie
einem ringförmigen
Luftlager 8 mit Luftanschluss 10. Dadurch wird
ein reibungsfreies Verschieben des Verti kalantriebs in der horizontalen
Führungsebene gegenüber der
Führungsbasis 12 ermöglicht.
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In 2 ist
eine zweite Ausgestaltungsvariante eines Vertikalantriebs dargestellt.
Sie entspricht im wesentlichen der in 1 gezeigten
Variante. Die Kammer 13 ist jedoch, anders als oben gezeigt, durch
eine Druckluftleitung 17 mit Druckluft beaufschlagbar,
die durch das als Führungszylinder
ausgebildete Führungselement 2 hindurchgeführt ist. Dadurch
braucht keine die Bewegungsfreiheit einschränkende Druckluftleitung an
die Verschiebeeinheit 14 angeschlossen zu sein. Das Längenmesssystem 15 ist
in diesem Beispiel außerhalb
der Kammer 13 zwischen dem Gehäuse 6 und der Verschiebeeinheit 14 angebracht.
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3 zeigt
eine weitere Ausgestaltungsvariante der Erfindung. Ein ringförmiges Gehäuse 6 mit innenseitig
befestigtem Kühlring 18 trägt ein als
Führungsrohr
ausgebildetes Führungselement 2,
wobei konzentrisch außen
und innen um dieses Führungsrohr
jeweils ein ringförmiges
Luftlagerelement 3, 3a angeordnet ist.
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Das äußere ringförmigen Luftlagerelement 3 ist
an einem topfförmigen
Trägerelement 19 und
das innere ringförmige
Luftlagerelement 3a an der Verschiebeeinheit 14 befestigt,
wobei die Verschiebeeinheit 14 und das Trägerelement 19 oberhalb
der Luftlagerelemente 3, 3a miteinander verbunden
sind. Die Verschiebeeinheit 14 und das Trägerelement 19 ergeben
so einen Hohlraum, der bei Betrieb der Luftführungselemente 3, 3a als
Kammer 13 dient, die die Basis eines erfindungsgemäßen Mechanismus
zur Gewichtsentlastung der vertikal geführten Teile beziehungsweise
Baugruppen durch Druckluft ist. Die Kammer 13 ist zu diesem
Zweck mit einem einstellbaren Druckbegrenzungsventil versehen, so
dass der Innenluftdruck p1 der Kammer 13 während der Druckluftzufuhr
von den Luftführungselementen 3, 3a konstant
und stets geringer als der Luftdruck p2 im Vertikalführungsspalt
ist. Das Druckbegrenzungsventil wird dazu entsprechend dem Gewicht
der Verschiebeeinheit 14 einschließlich der Nutzlast eingestellt.
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Außen am topfförmigen Trägerelement 19 sind
Permanentmagnete 4 des elektrodynamischen Antriebs befestigt.
Gegenüber
der Kombination aus Gehäuse 6 und
Kühlring 18 sind
zur Funktion als Linearantrieb die entsprechenden Spulenelemente
innenseitig in Form von Motorspulen als Elektromagnete 6 positioniert.
Das innere, an der Verschiebeeinheit befestigte ringförmige Luftlagerelement 3a kann durch
ein vorzugsweise einstellbares, spaltbildendes Dichtelement 20 ersetzt
werden, mit welchem der Vertikalführungsspalt 16 zwischen
gestellfestem Führungselement 2 und
geführter
Verschiebeeinheit 14 einstellbar ist. Dies dient der Abdichtung
des inneren Luftlagerelementes 3a mit einem variablen Spalt von
etwa 3 μm
bis 10 μm.
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Prinzipiell
ist es bei allen Ausführungsformen der
Erfindung möglich,
auf einen separaten Linearantrieb zu verzichten, indem die vertikale
Verschiebung mittels des Drucks der der Kammer 13 zugeführten Druckluft
eingestellt oder geregelt wird. Beispielsweise wird zum Aufwärtsverschieben
der Verschiebeeinheit der Innenluftdruck p1 erhöht und zum
Abwärtsverschieben
verringert.
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- 1
- Öffnung
- 2
- Führungselement
- 3
- Luftführungselement
- 4
- Permanentmagnete
- 5
- Elektromagnet
- 6
- Gehäuse
- 7
- Druckregelvorrichtung
- 8
- Luftlager
- 8a
- Bodenlagerung
- 9
- Vakuumanschluss
- 10
- Luftanschluss
- 11
- Vakuumkammer
- 12
- Führungsbasis
- 13
- Kammer
- 14
- Verschiebeeinheit
- 15
- Längenmesssystem
- 16
- Vertikalführungsspalt
- 17
- Druckluftleitung
- 18
- Kühlring
- 19
- Trägerelement
- 20
- Einstellbares
Dichtelement
- p1
- Innenluftdruck
der Kammer
- p2
- Luftdruck
im Vertikalführungsspalt