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Die
Erfindung betrifft einen feldgeführten planaren Präzisionsantrieb
mit einem luftgelagerten Läufer, welcher Permanentmagnetkreise
aufweist, weiterhin mit einer unterhalb des Läufers befindlichen
Statorplatte, auf der Statorplatte jeweils gegenüberliegend
vorgesehenen Antriebsspulenpaaren, um je nach Bestromung der Antriebsspulenpaare Kraftwirkungen
auf den Läufer mit den Permanentmagnetkreisen auszuüben,
wobei die Antriebsspulenpaare symmetrisch in einem rechtwinkligen x-y-Koordinatensystem
angeordnet sind, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Aus
der
DE 30 37 648 C2 ist
ein Zweikoordinatenmotor zum Verschieben eines Objektträgers
mit für jede Bewegungskoordinate mindestens einer Spule
und einem relativ dazu beweglichen Dauermagneten mit Eisenrückschluss
vorbekannt. In jeder Bewegungskoordinate x und y sind mindestens
zwei entgegengesetzt polarisierte Dauermagneten auf einer ferromagnetischen
Grundplatte und jeweils über den entgegengesetzt polarisierten
Dauermagneten ein ferromagnetisches Rückschlussteil angeordnet. Im
Luftspalt zwischen Dauermagneten und Rückschlussteil befindet
sich mindestens eine mit einer Tischplatte verbundene Spule mit
zwei den entgegengesetzt polarisierten Dauermagneten zugeordneten,
kraftwirksamen Spulenseiten und mit weit über die Magnetpolbreite
ragenden Spulenköpfen. Weiterhin sind in der vorerwähnten
Tischplatte Aussparungen für das Rückschlussteil
und in der Tischmitte der Objektträger aus strahlungsdurchlässigem
Werkstoff vorgesehen.
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Mit
diesem Präzisionsantrieb soll es gelingen, das dynamische
Verhalten zu verbessern, wobei auch kleinste Schrittweiten realisierbar
sind. Regelabweichungen werden optoelektronisch ermittelt, wobei
auf der Tischplatte nur z. B. Laserinterferometerspiegel oder andere
inkrementale Geberplatten angeordnet sind, so dass sich keine zusätzliche
Massebelastung ergibt.
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Zur
Vergrößerung der erzeugten Kraft, zur Kompensation
bzw. zur Erzeugung von Drehmomenten oder zur Verhinderung bzw. Erzeugung
von Drehbewegungen geringer Größe werden mindestens vier
Spulen mit den kraftwirksamen Spulensträngen zur Tischmitte
in zwei parallelen Kraftwirkungslinien für jede Koordinate
x, y in der Tischplatte und die entsprechenden Dauermagnetpaare
auf einer ferromagnetischen Grundplatte oder entsprechenden ferromagnetischen
Teilstücken der Grundplatte angeordnet. Die Stromstärke
in den Spulen wird dann durch einen vorhandenen Lageregler so eingestellt,
dass je nach der vorhandenen Bewegungsaufgabe eine zentrisch wirkende
Summenkraft oder aber auch ein Drehmoment auf die Tischplatte ausübbar
ist.
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Eine
Weiterentwicklung der in der
DE 30 37 648 C2 beschriebenen Ausführungsform
ist in der
DE 195
11 973 A1 erläutert. Demnach soll auf mechanische
Führungselemente verzichtet werden und eine besonders flache
Bauweise für einen feldgeführten planaren Präzisionsantrieb
erreicht werden. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass
der Planarantrieb gemäß
DE 195 11 937 A1 aus Antriebsgrundelementen
besteht, die zwei entgegengesetzt polarisierte Magneten umfassen,
welche über ferromagnetische Joche und einen ferromagnetischen
Stator einen kurzen Magnetkreis bilden, wodurch relativ dünne
und damit massearme ferromagnetische Joche verwendbar sind, die
im Läufer mitbewegt werden.
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Die
Realisierung eines großen Verfahrbereichs soll mit Hilfe
einer Kaskadierung von Antriebsgrundelementen und vorzugsweise einer
elektronischen Kommutierung erreicht werden. Eine gegenphasige Bestromung
jeweils gegenüberliegender Spulen oder Spulenpaare gestattet
die Erzeugung eines Antriebsmoments bezüglich des Massenschwerpunkts
des dort vorgesehenen Läufers. Der Läufer ist mittels
aerostatischer Führungselemente an vier Aufnahmepunkten
auf insgesamt vier Lagerflächen in z-Richtung abgestützt
und trägt die vorerwähnten Dauermagnetkreise,
die jeweils paarweise symmetrisch gegenüberliegend für
jede Koordinate x und y angeordnet sind. Zum Erreichen eines entsprechend großen
Verstellwegs ist die Ausdehnung der Antriebsspulenpaare in Längsrichtung
wesentlich größer als die Breite der dortigen
Permanentmagnetkreise mit der Folge, dass der Aufwand für
die Herstellung der Spulen größer und das Gesamtgewicht
der Anordnung erhöht ist.
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Aus
dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten
feldgeführten planaren Präzisionsantrieb mit einem
luftgelagerten Läufer anzugeben, welcher über
einen großen Verfahrbereich verfügt, und zwar
ohne dass die Verlustleistung des Antriebs und die damit verbundenen Probleme,
wie z. B. die Erwärmung zunehmen.
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Die
Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch einen feldgeführten
planaren Präzisionsantrieb mit luftgelagertem Läufer,
welcher Permanentmagnetkreise aufweist, gemäß der
Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche
mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen
umfassen.
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Ausgehend
von einem luftgelagerten Läufer, welcher Permanentmagnetkreise
aufweist und wobei unterhalb des Läufers eine Statorplatte
vorhanden ist, welche jeweils gegenüberliegend vorgesehene Antriebsspulenpaare
besitzt, um je nach Bestromung der Antriebsspulenpaare Kraftwirkungen
auf den Läufer mit dort vorhandenen Permanentmagnetkreisen
auszuüben, wobei die Antriebsspulenpaare symmetrisch in
einem rechtwinkligen x-y-Koordinatensystem angeordnet sind, weist
die Statorplatte Linearführungen für jedes Antriebsspulenpaar
auf, um eine Bewegung der Antriebsspulenpaare entlang der jeweiligen
x- oder y-Achse des Koordinatensystems zu erreichen.
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Bei
einer Verstellung des Läufers in x-Richtung liegt eine
Kraftkomponente zum Mitziehen oder Mitbewegen derjenigen gegenüberliegenden
Antriebsspulenpaare vor oder wird erzeugt, welche der Verstellung
des Läufers in y-Richtung dient. Bei einer Verstellung
des Läufers in y-Richtung liegt eine Kraftkomponente zum
Mitziehen oder Mitbewegen derjenigen gegenüber liegenden
Antriebsspulenpaare vor oder wird erzeugt, welche der Verstellung
des Läufers in x-Richtung dienen.
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Es
lässt sich die Erfindung derart zusammenfassen, dass das
Lösungsprinzip darin besteht, die Antriebsspulenpaare in
der jeweils anderen, d. h. nicht angesteuerten Richtung x oder y
präzisionsgeführt über den gesamten Bewegungsbereich
der aktiven Achse mitzuziehen, d. h. ebenfalls zu bewegen. Erfolgt
dann eine Bestromung der entsprechenden Antriebsspulenpaare, die
sich auf der mitgezogenen Achse befinden, liegt eine optimale Position
der Permanentmagnetkreise vor mit der Folge, dass die erzeugte Kraft
in optimaler Weise auf den Läufer zum Zweck der Verstellung
zur Einwirkung bringbar ist. Damit kann der Nachteil des Standes
der Technik beseitigt werden, der bei festen Statorspulen vorliegt. Mit
zunehmender Spulenlänge, die an sich zur Vergrößerung
des Verfahrwegs notwendig ist, nimmt nämlich bekanntermaßen
die Verlustleistung derart zu, dass ergänzend zu den thermischen
Problemen am Planarmotor Energie- und Fertigungskosten derart steigen,
dass ein wirtschaftlicher Betrieb nicht mehr möglich erscheint.
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Bei
der erfindungsgemäßen Variante eines planaren
Präzisionsantriebs mit den mitbewegten Antriebsspulenpaaren
können erfindungsgemäß sehr viel kürzere
Spulen eingesetzt werden, die kostengünstiger herstellbar
sind und darüber hinaus Einsparungen beim Gesamtgewicht
der Anordnung ermöglichen.
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Die
Kraftkomponente zum Mitziehen oder Mitbewegen kann durch einen an
dem jeweiligen Antriebsspulenpaar fixierten Stift oder Bolzen bewirkt werden,
welcher in einer Nut, einer Schiene oder einem Langloch des Läufers
geführt wird.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform kann die Kraftkomponente
zum Mitwegen der jeweiligen Antriebsspulenpaare durch einen separaten
Antrieb erzeugt werden, welcher von einer übergeordneten Regelung
des Präzisionsantriebs entsprechende Steuerinformationen
erhält.
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Dieser
separate Antrieb kann in die jeweilige Linearführung integriert
sein und z. B. einen Piezoaktor aufweisen.
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Die
Permanentmagnetkreise des erfindungsgemäßen feldgeführten
planaren Präzisionsantriebs bestehen aus einer Vielzahl
von in einer Reihe angeordneten Einzelmagneten, wobei bevorzugt
zwei beabstandete Magnete ein Joch zur Bildung eines Eisenrückschlusses
aufweisen.
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Die
Permanentmagnetkreise sind symmetrisch, sich in x- und y-Richtung
erstreckend, auf dem Läufer angeordnet und mit diesem verbunden.
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Der
Läufer ist als ein Planartisch ausbildbar, an dessen Unterseite
die Permanentmagnetkreise befindlich sind.
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Bei
einer Variante der erfindungsgemäßen Lösung
sind die Permanentmagnetkreise entlang der Außenränder
der Unterseite des Planartisches, der z. B. eine quadratische oder
Rechteckform aufweist, angeordnet.
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Die
Linearführungen, die auf dem Stator angeordnet sind, können
einen Wagen zur Aufnahme eines jeweiligen Antriebsspulenpaars tragen.
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Die
Längsausdehnung der Antriebsspulenpaare ist erfindungsgemäß nur
unwesentlich größer als die Breite der Permanentmagnetkreise
mit der vorerwähnten Folge reduzierter Kosten bei der Herstellung
kürzerer Spulen und einer Gewichtseinsparung.
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Die
Linearführungen sind jeweils in einem rechten Winkel zueinander
stehend ausgeführt, wobei bevorzugt die Linearführungen
kreuzförmig symmetrisch angeordnet sind.
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Die
Führungen, welche jeweils ein Antriebsspulenpaar aufnehmen,
können als geschlossene Gleit-Prismenführung,
als offene prismatische Kugelwälzführung, als
geschlossene Gleit-Zylinderführung, aber auch als Luftführung,
d. h. areostatische Führung, ausgebildet werden. Die Geradlinigkeit
der Bewegung wird primär durch die geometrische Ausführung
der gepaarten Oberflächen bestimmt, so dass eine entsprechend
sorgfältige Bearbeitung dieser Oberflächenteile
erforderlich ist. Zur Vermeidung parasitärer Effekte sind
die jeweiligen Führungen möglichst reibungsarm
auszugestalten. Von Vorteil sind hier prismatische Luftführungen,
die eine äußerst geringe Reibung bei Bewegung
und Stillstand aufweisen und bei denen es keinen Stick-Slip-Effekt gibt.
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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
perspektivische Darstellung eines feldgeführten planaren
Präzisionsantriebs mit luftgelagertem Läufer,
an dessen Unterseite Permanentmagnetkreise befindlich sind, und
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2 bis 4 Darstellungen
verschiedener Verschiebepositionen des Präzisionsantriebs, wobei
aus Gründen der Übersichtlichkeit der Läufer in
Form eines Planartisches nicht gezeigt ist.
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Die
Ausführungsform eines feldgeführten planaren Präzisionsantriebs
gemäß der Darstellung nach 1 geht von
einem Läufer 1 aus, der als im Wesentlichen rechteckiger
oder quadratischer Planartisch 1 realisierbar ist. Luftlager 2 ermöglichen
eine Bewegung des Planartisches 1 mindestens in x- und y-Richtung
gemäß dem in den 2 bis 4 angedeuteten
Koordinatensystem.
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Der
aerostatisch geführte Planartisch 1 als Läufer
weist an seiner Unterseite symmetrisch angeordnete Permanentmagnetkreise 4 auf,
wobei jeder Permanentmagnetkreis aus zwei Hochleistungs-Permanentmagneten
auf einem Eisenrückschluss besteht. Das Prinzip bewegter
Magneten sichert eine hohe Steifigkeit der Luftlager, die auf dem
mit hoher Ebenheit gefertigten Stator 6 gleiten.
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Der
Stator 6 weist eine Anordnung von Führungen 5 auf,
die als Linear- oder Geradführung realisiert sind.
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Zur
Erfassung der Position des Planartisches 1 kann dieser
ein nicht dargestelltes Kreuzraster auf einem justierbaren Rahmen
umfassen, welches durch ein ebenfalls nicht gezeigtes, mittig auf dem
Stator befestigtes Messsystem abtastbar ist, um die Positionen des
Planartisches 1 in x- und y-Richtung oder aber auch eine
Drehung zu erfassen.
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Im
Gegensatz zu bekannten Ausführungsformen von Planarmotoren
ist nunmehr vorgeschlagen, an sich bekannte flache, rechteckförmige
Antriebsspulenpaare für die x- und y-Achsen nicht fest
auf dem Stator 6 zu befestigen, sondern diese Antriebsspulenpaare 3 mit
Hilfe der Führungen 5 in der jeweiligen Achsrichtung
beweglich, d. h. verschiebbar zu gestalten.
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Wird
hierzu die Folge der 2 und 3 betrachtet,
findet eine Verschiebebewegung des Planartisches mit den Permanentmagnetkreisen
in x-Richtung statt. Die für eine Verschiebebewegung in y-Richtung
erforderlichen Antriebsspulenpaare 3 werden von den entsprechenden
Permanentmagnetkreisen mitgezogen. Hierfür kann an dem
jeweiligen Antriebsspulenpaar oder einem vorgesehenen Spulenwagen
ein Stift oder Bolzen vorgesehen sein, der in Wirkverbindung mit
einer Nut oder einer Führungsschiene an der Unterseite
des Planartisches, d. h. des Läufers tritt.
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Alternativ
besteht auch die Möglichkeit, die Kraftkomponente zum Mitziehen
oder Mitbewegen der jeweiligen Antriebsspulenpaare durch einen separaten
Antrieb zu erzeugen, welcher von einer übergeordneten Regelung
des Präzisionsantriebs Steuerinformationen bzw. Steuersignale
erhält. Dieser separate Antrieb kann in die jeweilige Linearführung
integriert werden.
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4 zeigt
eine vollzogene Bewegung des Planartisches 1 mit den Permanentmagnetkreisen 4 in
-y-Richtung. Bei dieser Bewegung erfolgt ein Mitziehen der Antriebsspulenpaare 3,
die für eine Bewegung des Planartisches 1, d.
h. des Läufers in x-Richtung verantwortlich zeichnen.
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In
allen Verschiebepositionen des Planartisches 1 ergibt sich
jeweils eine optimale Position zwischen den Permanentmagnetkreisen 4 und
den zugehörigen Antriebsspulenpaaren 3 unter gleichzeitiger
Sicherung eines großen Verstell- oder Verfahrwegs, der
an sich lediglich abhängig ist von der räumlichen
Ausdehnung der Führungen 5 auf dem Stator 6.
Wie ebenfalls aus den 2 bis 4 ersichtlich ist,
bestehen die Permanentmagnetkreise aus einer Vielzahl von in einer
Reihe angeordneten Einzelmagneten, wobei bevorzugt jeweils zwei
Einzelmagnete über ein Joch zur Bildung eines Eisenrückschlusses verfügen.
Die Permanentmagnetkreise sind symmetrisch, sich in x- und y-Richtung
erstreckend, auf dem Planartisch 1 angeordnet.
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Dabei
befinden sich die Permanentmagnetkreise 4 bevorzugt entlang
der Außenränder der Unterseite des Planartisches 1.
Die Linearführungen 5 stehen in einem rechten
Winkel zueinander und sind bevorzugt kreuzförmig symmetrisch
angeordnet. Aus der figürlichen Darstellung ist weiterhin
deutlich werdend, dass die Planarmotorvariante mit bewegten Antriebsspulenpaaren
den Einsatz kürzerer Spulen ermöglicht, die preiswerter
herstellbar sind.
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Ohne
den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen, kann das Mitbewegen
der Antriebsspulenpaare dadurch erreicht werden, dass entweder die betreffenden
Antriebsspulenpaare auf der Linearführung mit einem eigenen
Antrieb montiert sind, wobei dieser jeweilige Linearantrieb von
der Zentralregelung des Planarmodus mit Antriebsinformationen versorgt
wird, oder es können aber, wie dargelegt, die Spulenanordnungen
kollinear über den Planartisch 1 mechanisch gekoppelt
werden, wobei in diesem Fall für eine verfahrwiderstandsfreie
Linearführung, z. B. in Form einer aerostatischen Führung,
zu sorgen ist.
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- 1
- Planartisch
- 2
- Luftlager
- 3
- Antriebsspulenpaar
- 4
- Magnetkreis
- 5
- Führung,
insbesondere Linearführung
- 6
- Stator
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3037648
C2 [0002, 0005]
- - DE 19511973 A1 [0005]
- - DE 19511937 A1 [0005]