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Die
Erfindung betrifft eine Präzisionsplanarpositionieranordnung
mit einem luftgelagerten Läufer, welcher Magnetkreise,
umfassend Permanentmagnete auf Eisenrückschluss, aufweist,
weiterhin mit einer unterhalb des Läufers befindlichen
Statorplatte, Antriebsspulen, um je nach Bestromung der Antriebsspulen
Kraftwirkungen auf den Läufer mit Magnetkreisen auszuüben,
sowie mit einer integrierten Messeinrichtung zur Bestimmung der
momentanen Lage des Läufers, gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Aus
der
DE 30 37 648 C2 ist
ein Zweikoordinatenmotor, insbesondere zur genauen Positionierung
räumlicher und flächenhafter Objekte in der Gerätetechnik
vorbekannt.
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Gemäß der
dortigen Lehre wird zur Erzeugung der gewünschten Verstellmomente
bei geringer Spulenzahl von einer Anordnung von jeweils zwei Spulen
mit zugeordneten Dauermagneten in zwei parallelen Kraftwirkungslinien
ausgegangen, und zwar bezogen auf jede der Koordinaten x und y.
Die Stromstärke wird in den Spulen entsprechend der vorhandenen
Bewegungsaufgabe geregelt. Eine ferromagnetische Grundplatte und
die Tischplatte selbst ist vorzugsweise kreuzförmig ausgebildet,
wobei sogenannte Rasterplatten in der Nähe der Tischmitte
befindlich sind. Die Stromregelung in den Spulen erfolgt dann durch
einen Lageregler derart, dass je nach der vorhandenen Bewegungsaufgabe
eine zentrisch wirkende Summenkraft oder ein Drehmoment auf die Tischplatte,
die das Werkstück trägt, ausgeübt wird.
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Bei
der Grundkonstruktion dieses vorbekannten Zweikoordinatenmotors
ist auf dem Stator die Antriebsspulenanordnung befindlich. Der Läufer mit
Permanentmagneten befindet sich entsprechend gelagert oberhalb des
Stators. Zum Erhalt eines magnetischen Rückschlusses ist
noch ein Rückschlussdeckel nach Art eines Topfes oberhalb
des Stators befindlich.
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Bei
einer derartigen Zweikoordinatenmotor-Ausführung, bei dem
die Spulenpaare mit ihren gegenüberliegenden, in Reihe
befindlichen Permanentmagnetblöcken nicht seitlich, rechtwinklig
ausgerichtet, neben dem zentral angeordneten Mess- und Luftführungssystem,
sondern parallel oberhalb der letztgenannten Systeme angeordnet
sind, kommt es bei einer Erweiterung des Verfahrbereichs zu einer
Erhöhung der Verlustleistung des Motors mit einer unzulässigen
starken Erwärmung mit der Folge von Einflüssen
auf das Lagemesssystem und damit auf die Betriebsweise des gesamten
Antriebs.
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Um
eine derartige unerwünschte Erwärmung der Positionieranordnung
zu verhindern, ist es beispielsweise aus der
US 6,313,550 B1 vorbekannt,
die Spulenanordnungen zu kapseln und innerhalb der Kapseln Kühlkanäle
vorzusehen, die ein Kühlfluid aufnehmen.
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In
eine ähnliche Lösungsrichtung geht die
EP 0 517 060 B1 .
Dort besitzt der Stator eines Linearmotorsystems einen hohl ausgebildeten
Bereich, welcher durch Trennwände in eine Vielzahl von
Abteilen unterteilt ist und wobei die Trennwände Öffnungen aufweisen
derart, dass ein Kühlmittel aufgenommen werden kann, um
eine Oberflächenabkühlung zu bewirken.
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Das
Kühlproblem wird gemäß der
JP 2001/298940 A durch
eine gesteuerte Kühlvorrichtung gelöst, um eine Überhitzung
zu vermeiden. Hierfür sind separate Temperatursensoren
und ein elektromotorischer Lüfter vorhanden.
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Gemäß der
WO 00/03301 sind die Antriebsspulen
eines Planarmotors gegenüber der Umgebung vakuumisoliert.
Keramikplatten zwischen den Antriebsspulen und der Statoroberfläche
sollen den Wärmefluss reduzieren.
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Aus
dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte
Präzisionsplanarpositionieranordnung anzugeben, welche
bei reduzierter Verlustleistung einen größeren
Verfahrbereich realisiert und die sicherstellt, dass systemschädliche
Abwärme bei Betrieb der Positionieranordnung in einfacher
Weise abgeführt werden kann und nicht in schädigender
Weise auf das in der Anordnung vorhandene und notwendige Messsystem und
die damit verbundene Messeinrichtung einwirkt.
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Die
Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Präzisionsplanarpositionieranordnung
gemäß der Merkmalskombination des Patentanspruchs
1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige
Ausgestaltungen und Weiterbildungen aufweisen.
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Es
wird demnach von einer Präzisionsplanarpositionieranordnung
mit einem luftgelagerten Läufer ausgegangen, welcher Magnetkreise,
umfassend Permanentmagnete auf Eisenrückschluss, aufweist.
Weiterhin besitzt die Präzisionsplanarpositionieranordnung
eine unterhalb des Läufers befindliche Statorplatte, Antriebsspulen,
um je nach Bestromung der Antriebsspulen Kraftwirkungen auf den Läufer
mit Magnetkreisen auszuüben, und eine integrierte Messeinrichtung
zur Bestimmung der momentanen Lage des Läufers bzw. eines
mit dem Läufer verbundenen Werkstückträgers.
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Erfindungsgemäß ist
oberhalb der Statorplatte ein zu dieser Platte beabstandeter Hilfsstator vorgesehen,
an dessen Unterseite die Antriebsspulen befindlich sind, welche
mit den Magnetkreisen des Läufers in Wirkverbindung stehen.
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Der
Hilfsstator besitzt Mittel zum Ableiten der bei der Bestromung der
Antriebsspulen entstehenden Abwärme. Durch diese vorstehend
beschriebenen technischen Maßnahmen ergibt sich ein Sandwichaufbau
der Konstruktion Statorplatte, Läufer und Hilfsstator.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform sind die Mittel zum Ableiten
der Abwärme als Durchtrittsöffnungen im Hilfsstator
ausgebildet.
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Die
Messeinrichtung ist unterhalb des Läufers in Richtung Statorplatte
befindlich und damit thermisch entkoppelt von den Antriebsspulen.
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Der
Läufer kann als thermische Blende oder Abschattungseinrichtung
bezogen auf die Messeinrichtung ausgebildet werden.
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Die
Mittel zur Ableitung der Abwärme sind so ausgeführt,
dass ein Kamineffekt bewirkt wird.
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Die
Antriebsspulen-Längsachsen verlaufen parallel zu den Längsachsen
der Magnetkreise, wobei die Antriebsspulen jeweils als planar gegenüberliegende
Spulenpaare ausgebildet sind.
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Der
Hilfsstator besteht bei einer bevorzugten Ausführungsform
aus einem gut wärmeleitenden Material.
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Es
ist dafür Sorge getragen, dass zwischen den Antriebsspulen
und dem Hilfsstator der Wärmeübergangswiderstand
reduziert, d. h. minimiert ist.
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Die
Messeinrichtung am Läufer kann ein optisch abgetastetes
Kreuzraster und/oder Reflektoren zur interferometrischen Auswertung
aufweisen.
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Am
oder auf dem Läufer ist ein Positionierrahmen befestigt,
der wiederum mit dem Werkstückträger verbunden
ist oder einen Teil desselben bildet.
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Der
Positionierrahmen ist über Präzisionslinearsteller
mit dem Läufer zum Zweck einer Feinpositionierung verbunden.
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Die
Präzisionslinearsteller können als Piezoantrieb
bzw. Piezoaktoren ausgebildet werden.
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Die
Präzisionssteller sind so angeordnet, dass eine Feinpositionierung
in x- und y-Richtung unabhängig voneinander vorgenommen
werden kann.
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Bei
der erfindungsgemäßen Präzisionsplanarpositionieranordnung
besteht jeder Magnetkreis aus zwei Hochleistungs-Permanentmagneten
auf einem Eisenrückschluss. Dieses Konzept bewegter Magneten
sichert eine hohe Steifigkeit der Luftlager, die auf dem mit hoher
Ebenheit gefertigten Stator gleiten.
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Flache,
insbesondere rechteckige Antriebsspulen sind symmetrisch für
die x- und y-Achsen auf dem Hilfsstator, der plattenförmig
ausgeführt ist, befestigt.
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Die
gegenüberliegenden Spulenpaare erzeugen eine Kraft in der
zur Spulenanordnung senkrechten Richtung. Durch eine unterschiedliche
Bestromung gegenüberliegender Spulen wird ein Drehmoment
erzeugt, so dass eine Verdrehung des Läufers um die z-Achse
in geregelter Weise möglich ist.
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Der
Läufer kann ein Kreuzraster auf dem Positionierrahmen tragen,
welches einen Bestandteil der Messeinrichtung bildet. Ein entsprechendes Messsystem
tastet das Kreuzraster ab, so dass die Positionen in x-, y- und
die Drehung φz erfasst werden können.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels
sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert
werden.
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Hierbei
zeigen:
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1 eine
dreidimensionale Darstellung des Gesamtsystems und
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2 einen
Schnitt durch die Präzisionsplanarpositionieranordnung.
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Wie
aus der 1 ersichtlich, sind die Antriebsspulenpaare 4, 4a in
ihren jeweiligen Achsen x und y oberhalb des Läufers 3 an
einem Hilfsstator 2 fixiert, wobei der Hilfsstator 2 mittels
Verbinder 2a mit dem eigentlichen Stator 1 in
Kontakt steht.
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Oberseitig
des Läufers 3 sind symmetrisch zu den Spulen 4, 4a die
Magnetkreise befindlich, und zwar bestehend aus Hochleistungs-Permanentmagneten 5 auf
Eisenrückschluss 6.
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Die
Messeinrichtung befindet sich auf der Unterseite des luftgeführten
Läufers 3 und ist z. B. als Interferometer-Messsystem 9 und
Messstrahl 9a ausgeführt.
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Durch
diese Anordnung auf der Unterseite des luftgeführten Läufers 3 kann
die durch Abwärme von den Spulen 4, 4a entstehende
Warmluft nicht in das Messsystem eindringen und dieses beeinflussen,
sondern wird durch Öffnungen im Hilfsstator 2 nach
oben kamineffektartig abgeleitet.
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Zwischen
dem Läufer 3 und einem Positionierrahmen 8 sind
in x- und y-Richtung Koppelbausteine 3a mit Präzisionslinearstellern
befindlich, um die Sollposition im Sinne einer Feinpositionierung
zu gewährleisten.
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Die
Positionierung der Anordnung erfolgt zunächst durch Anfahren
des Feinpositionierbereichs mittels entsprechender Ansteuerung des
luftgeführten Läufers 3 im Mikrometerbereich.
Im Anschluss wird eine Feinpositionierung des Positionierrahmens 8 im
Submikrometerbereich mittels Präzisionslinearsteller, z.
B. Piezoaktoren, vorgenommen, wobei die Läuferposition
selbst erhalten bleibt.
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Unterseitig
am Läufer 3, zwischen Luftlager 7 und
der nicht gezeigten Luftführung des Systems sind bei Verwendung
eines interferometrischen Messsystems Spiegelecken 10 und
Laserinterferometer-Baugruppen sowie der Werkstückträger 11 angeordnet.
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Es
liegt im Sinne der Erfindung, anstelle eines interferometrischen
Messsystems auch andere Systeme, wie Präzisionslichtschranken-Messsysteme,
Messrasterplattenanordnungen und optoelektronische Abtastsysteme
einzusetzen.
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2 zeigt
einen Längsschnitt durch das in 1 isometrisch
dargestellte System.
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Auf
dem plattenförmigen Stator 1 sind die Verbinder 2a zwischen
Stator 1 und dem darüber befindlichen Hilfsstator 2 angeordet.
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Auf
der Unterseite des Hilfsstators 2 befinden sich rechteckförmige,
flache Antriebsspulenanordnungen, und zwar symmetrisch für
die x- und y-Achsen.
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Gegenüberliegende
Spulenpaare erzeugen eine Kraft in der zur Spulenanordnung 4 senkrechten Richtung.
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Der
mittels Luftlager 7 geführte Läufer 3 trägt oberseitig
zu der Spulenanordnung 4 rechtwinklig und symmetrisch angeordnete
Magnetkreise, bestehend aus den bereits erwähnten Permanentmagneten 5 auf
Magnetbrücken 6.
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Das
hier gezeigte Konzept bewegter Magneten sichert eine hohe Steifigkeit
der Luftlager 7, die auf dem mit hoher Ebenheit gefertigten
Stator 1 gleiten.
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Zwischen
Läufer 3 und Positionierrahmen 8 sind
in x- und y-Richtung die Koppelsysteme 3a angeordnet, die,
wie erwähnt, die Aufgabe haben, mittels Präzisionslinearsteller
die Sollposition des Positionierrahmens 8 im Submikrometerbereich
nachzustellen. Der Positionierrahmen 8 trägt den
Werkstückträger 11 mit einem darauf befestigbaren
Werkstück 12.
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Mit
der vorgestellten Präzisionsplanarpositionieranordnung
kann gegenüber den Lösungen des Standes der Technik
mit festen Statorspulen auf der Statorplatte die dort vorhandene
Bauartprinzip-bedingte thermische Beeinflussung der Messeinrichtung
vermieden werden. Erfindungsgemäß ist eine thermische
Trennung zwischen Abwärme erzeugendem Magnetantrieb und
der Messeinrichtung Sorge getragen. Damit gelingt eine Reduzierung
schädlicher thermischen Einflüsse auf die Messeinrichtung und
es lässt sich die Genauigkeit der Positionierung verbessern.
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Weiterhin
ergibt sich eine platzsparende Bauweise, d. h. die Spulenanordnungen
können bei vergleichbaren Motortypen mit Blick auf den
Stand der Technik enger angeordnet werden, was zu einer Energieeinsparung
und damit auch grundsätzlich zu einer Verringerung der
Abwärme führt. Letztendlich geht mit der vorgestellten
Lösung eine Materialeinsparung einher.
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Der
luftgeführte Läufer trennt das Abwärme produzierende
Antriebssystem, das Teilkomponenten auf der Läuferoberseite
aufweist, vom unterseitig angeordneten eigentlichen Messsystem,
mit dem die Präzisionspositionierung detektiert wird. Die
die Messgenauigkeit beeinflussende Wärmeströmung wird
direkt vom Antrieb nach oben abgeleitet und kommt damit nicht mit
dem Messsystem bzw. der Messeinrichtung in Berührung.
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- 1
- Stator
- 2
- Hilfsstator
- 2a
- Verbinder
oder Verbindungseinrichtung zwischen Hilfsstator und Stator
- 3
- Läufer
- 3a
- Koppelsystem
mit Präzisionslinearsteller
- 4,
4a
- Spulenanordnung
bzw. Spulenanordnung im rechten Winkel zur Basisanordnung 4
- 5
- Permanentmagnete
- 6
- Magnetbrücken
- 7
- Luftlager
- 8
- Positionierrahmen
- 9
- Interferometer-Messsystem
- 9a
- Messstrahl
- 10
- Spiegelecke
- 11
- Werkstückträger
- 12
- Werkstück
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3037648
C2 [0002]
- - US 6313550 B1 [0006]
- - EP 0517060 B1 [0007]
- - JP 2001/298940 A [0008]
- - WO 00/03301 [0009]