DE102013006322B4

DE102013006322B4 - Magnetischer Antrieb für Vakuumanlagen

Info

Publication number: DE102013006322B4
Application number: DE102013006322.1A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Braun
Original assignee: Createc Fischer and Co GmbH
Current assignee: Createc Fischer and Co GmbH
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2015-10-08
Anticipated expiration: 2033-04-13
Also published as: DE102013006322A1

Abstract

Magnetischer Antrieb (100) für ein Bauteil in einer Vakuumanlage (200), umfassend: – ein Gehäuse (10) mit einer Gehäusewand (11) aus einem nicht-magnetischen Material, wobei das Gehäuse (10) druckdicht mit der Vakuumanlage (200) koppelbar ist, – eine Antriebseinrichtung (20), die außerhalb des Gehäuses angeordnet ist, und – eine Aktoreinrichtung (30), die im Gehäuse (10) angeordnet und von einer Innenfläche (12) der Gehäusewand (11) gestützt wird, wobei – mindestens eine der Antriebseinrichtung (20) und der Aktoreinrichtung (30) zur Erzeugung eines Magnetfeldes (B) eingerichtet ist, das eine Magnetfeldrichtung senkrecht zu der Gehäusewand (11) aufweist, und die Antriebseinrichtung (20) und die Aktoreinrichtung (30) durch das Magnetfeld (B) magnetisch gekoppelt sind, – die Antriebseinrichtung (20) für eine Verschiebung des Magnetfeldes (B) in der Antriebsrichtung eingerichtet ist, und – die Aktoreinrichtung (30) unter der Wirkung der Verschiebung des Magnetfeldes (B) auf der Innenfläche (12) des Gehäuses (10) eine Rollbewegung ausführen kann, dadurch gekennzeichnet, dass – die Innenfläche (12) für die Aktoreinrichtung (30) eine in der Antriebsrichtung stufenlose, ebene Abrollfläche bildet, wobei – die Aktoreinrichtung (30) mehrere magnetische oder magnetisierbare innere Stützrollen (31), die auf der Innenfläche (12) aufliegen, und ein Aktorteil (32) umfasst, das auf den inneren Stützrollen (31) aufliegt, – die Antriebseinrichtung (20) für eine Modulation des Magnetfeldes (B) entlang der Antriebsrichtung und/oder entlang einer Transversalrichtung quer zu der Antriebsrichtung derart eingerichtet ist, dass sich im Gehäuse (10) jeweils in der Antriebsrichtung oder der Transversalrichtung Abschnitte mit erhöhter Feldstärke des Magnetfeldes (B) und Abschnitte mit verringerter Feldstärke des Magnetfeldes (B) abwechseln, – die inneren Stützrollen (31) in ihrer Umfangsrichtung und in ihrer Axialrichtung Abschnitte (34, 35) mit abwechselnd verschiedener Magnetisierung oder Magnetisierbarkeit aufweisen, und – das Aktorteil (32) auf seiner zu den inneren Stützrollen (31) weisenden Seite Abschnitte (36) mit abwechselnd verschiedener Magnetisierung oder Magnetisierbarkeit aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Antrieb für ein Bauteil in einer Vakuumanlage, mit einer Antriebseinrichtung und einer Aktoreinrichtung, die jeweils außerhalb und innerhalb eines mit der Vakuumanlage koppelbaren Gehäuses angeordnet und magnetisch verbunden sind. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vakuumanlage, die mit einem derartigen magnetischen Antrieb ausgestattet ist. Anwendungen der Erfindung sind in der Vakuumtechnik, insbesondere beim Betrieb von Vakuumanlagen, wie z. B. Beschichtungseinrichtungen, gegeben, bei denen Bauteile in der Vakuumanlage bewegt werden.
Vakuumanlagen, insbesondere Beschichtungseinrichtungen zur Schichtabscheidung unter Vakuum, wie z. B. Molekularstrahlepitaxie-Anlagen (MBE-Anlagen) sind üblicherweise mit Mechanismen ausgestattet, die Bewegungen von Bauteilen im Vakuum ermöglichen und diese von außen in die Vakuumanlage oder umgekehrt übertragen. Ein derartiger Mechanismus ist z. B. ein Antrieb zur Bewegung eines Abschirmelements (Shutter) einer Verdampferzelle. Insbesondere in Vakuumanlagen, die mit Ultrahochvakuum betrieben werden, bestehen an die Teile eines Antriebs innerhalb der Vakuumanlage besondere Anforderungen hinsichtlich der Vermeidung von Ausgasungen, welche den Druck in der Vakuumanlage beeinträchtigen könnten. Daher können typischerweise keine Schmiermittel, Kunststoffe oder andere Substanzen mit messbarem Dampfdruck innerhalb der Vakuumanlage verwendet werden.
Die Vermeidung von Schmiermitteln erfordert einen Antrieb, dessen Teile in der Vakuumanlage konstruktiv eine Gleitreibung minimieren oder komplett vermeiden. Beispielsweise ist aus der gattungsgemäßen DE 10 2011 013 245 A1 ein Mechanismus bekannt, bei dem bewegte Teile nicht gleiten, sondern abrollen. Zur Führung der rollenden Teile sind Schneide-Kerbe-Eingriffe vorgesehen. Beispielsweise rollt ein Aktor mit einer Schneiden-Struktur auf seiner äußeren Oberfläche unter der Wirkung eines äußeren Magnetfeldes auf einer Kerben-Struktur auf der Innenwand eines Gehäuses ab. Die Rollbewegung des Aktors läuft entlang einer in sich geschlossenen Kreisbahn.
Der herkömmliche Antrieb mit einem Schneide-Kerbe-Eingriff kann Nachteile aufgrund von Verschleißerscheinungen zwischen den Schneide- und Kerbe-Strukturen haben. Bei dem dauerhaften Abrollen auf der geschlossenen Kreisbahn summieren sich kleinste Abweichungen zwischen der Periode der Schneiden-Struktur und der Periode der Kerben-Struktur, was insbesondere beim Dauerbetrieb zu einem erhöhten Verschleiß führt. Durch den Verschleiß können sich die Abweichungen sogar noch verschlimmern, was bis zu einem Ausfall des Antriebs führen kann.
Aus DE 40 29 182 C1 ist eine Magnetkupplung bekannt, bei der durch ein gekrümmtes Spaltblech voneinander getrennte, Permanentmagnete aufweisende Kupplungshälften mit auf dem Spaltblech abrollbaren Permanentmagneten versehen sind.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten magnetischen Antrieb für ein Bauteil in einer Vakuumanlage, bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Techniken überwunden werden. Der magnetische Antrieb soll insbesondere einen verminderten Verschleiß aufweisen und/oder eine erhöhte Zuverlässigkeit, insbesondere bei Dauerbetrieb, besitzen. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine verbesserte Vakuumanlage bereitzustellen, die mit einem derartigen magnetischen Antrieb ausgestattet ist.
Die genannten Aufgaben werden jeweils durch einen magnetischen Antrieb und durch eine Vakuumanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird die Aufgabe durch einen magnetischen Antrieb für ein Bauteil in einer Vakuumanlage, gelöst, der insbesondere ein Gehäuse, eine Antriebseinrichtung außerhalb des Gehäuses und eine Aktoreinrichung innerhalb des Gehäuses aufweist. Das Gehäuse ist mit einer Gehäusewand aus einem nicht-magnetischen Material aufgebaut und druckdicht mit der Vakuumanlage koppelbar. Die Gehäusewand aus dem nicht-magnetischen Material hat eine Innenfläche, die eine Abrollfläche für die Aktoreinrichtung bildet.
Die Antriebseinrichtung ist außerhalb des Gehäuses, insbesondere an einer der Innenfläche gegenüber liegende Außenfläche der Gehäusewand angrenzend angeordnet. Die Aktoreinrichtung ist im Gehäuse so angeordnet, dass sie auf der Innenfläche des Gehäuses in einer vorbestimmten Antriebsrichtung eine Rollbewegung ausführen kann. Mindestens eine Lauffläche der Aktoreinrichtung wird durch die Innenfläche gestützt. Die Antriebseinrichtung und die Aktoreinrichtung sind durch ein Magnetfeld magnetisch gekoppelt. Unter der Wirkung des Magnetfeldes wird eine Antriebskraft der Antriebseinrichtung auf die Aktoreinrichtung übertragen, so dass diese die Rollbewegung ausführen kann.
Zur Erzeugung des Magnetfeldes ist mindestens eine von der Antriebseinrichtung und der Aktoreinrichtung konfiguriert, d. h. mindestens eine der Antriebseinrichtung und der Aktoreinrichtung enthält magnetische Komponenten, während zur Herstellung der magnetischen Kopplung die jeweils andere der Antriebseinrichtung und der Aktoreinrichtung magnetisierbare Komponenten enthält. Die Antriebseinrichtung und/oder die Aktoreinrichtung ist zur Erzeugung des Magnetfelds derart eingerichtet, dass das Magnetfeld im Gehäuse mit einer Magnetfeldrichtung senkrecht zur Innenfläche ausgerichtet ist. Die Magnetfeldrichtung verläuft parallel zur Normalen der Innenfläche.
Des Weiteren ist die Antriebseinrichtung für eine Verschiebung des Magnetfeldes in der Antriebsrichtung eingerichtet. Die Verschiebung des Magnetfeldes umfasst eine mechanische Verschiebung von Magneten oder von magnetisierbaren Elementen, die über das Magnetfeld mit der beweglichen Aktoreinrichtung gekoppelt sind oder eine elektrische Feldverschiebung mittels einer Spuleneinrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes. Die Aktoreinrichtung ist so konfiguriert und angeordnet, dass sie unter der Wirkung der Verschiebung des Magnetfeldes auf der Innenfläche des Gehäuses eine Rollbewegung in der Antriebsrichtung ausführen kann.
Gemäß der Erfindung bildet die Innenfläche des Gehäuses in der Antriebsrichtung eine stufenlose Abrollfläche. Die Innenfläche des Gehäuses und die mindestens eine Lauffläche der Aktoreinrichtung sind abweichend von der Schneiden- oder Kerbenstruktur eines herkömmlichen magnetischen Antriebs so geformt, dass die Aktoreinrichtung während der Rollbewegung frei von Eingriffen der mindestens einen Lauffläche mit der Innenfläche des Gehäuses ist. Die Innenfläche des Gehäuses und/oder die mindestens eine Lauffläche können lokal Strukturen aufweisen, die so geformt und angeordnet sind, dass kein Eingriff zwischen der Innenfläche und der mindestens einen Lauffläche erfolgt und die Rollbewegung in der Antriebsrichtung ausschließlich durch die magnetischen Kräfte des Magnetfeldes geführt wird. Vorteilhafterweise zeichnet sich der erfindungsgemäße magnetische Antrieb durch einen minimierten oder sogar kompletten Ausschluss von Gleitreibung und eine vollständige (oder praktisch vernachlässigbare) Vermeidung von Verschleiß bei der Rollreibung aus. Die Bereitstellung der stufenlosen Abrollfläche ermöglicht vorteilhafterweise, dass die aufeinander ablaufenden Teile nicht exakt aufeinander abgestimmt sein müssen. Abweichungen im Umfang abrollender Teile der Aktoreinrichtung führen nicht zu Verschleiß. Eine Abnutzung, insbesondere bei Teilen der Aktoreinrichtung und der Innenfläche wird vermieden oder minimiert, so dass der dauerhafte Betrieb des magnetischen Antrieb verbessert wird.
Der Erfinder hat festgestellt, dass mit dem Magnetfeld magnetische Kräfte erzeugt werden, welche nicht nur die Bewegung der Aktoreinrichtung, sondern auch eine Führung der abrollenden Teile der Aktoreinrichtung zumindest in der Transversalrichtung senkrecht zur Antriebsrichtung und zur Magnetfeldrichtung, bewirken.
Vorteilhafterweise wird mit der Erfindung ein Mechanismus zur Übertragung und Führung einer Bewegung durch eine druckdichte Gehäusewand mittels magnetischer Kräfte bereitgestellt. Dabei tritt keine Gleitreibung auf. Vielmehr werden lediglich Rollbewegungen von Zylinderflächen oder Abschnitten von Zylinderflächen auf ebenen oder gekrümmten, insbesondere zylindrisch gekrümmten, Flächen ausgeführt. Die Antriebseinrichtung und die Aktoreinrichtung werden durch magnetische Kräfte zusammengehalten. Die Aktoreinrichtung kann in Magnetfeldrichtung spielfrei geführt und in Antriebsrichtung entlang der Innenfläche durch die Verschiebung des Magnetfeldes positioniert und/oder bewegt werden. Eine reproduzierbare Winkelpositionierung abrollender Teile kann durch eine optional vorgesehene Modulation des Magnetfeldes in der Antriebsrichtung und/oder der Transversalrichtung erreicht werden.
Vorzugsweise ist eine glatte (oder unstrukturierte oder kontinuierliche) Innenfläche des Gehäuses vorgesehen, auf der die Aktoreinrichtung die Rollbewegung ausführt. Die Abrollfläche ist in diesem Fall mindestens in der Antriebsrichtung frei von Eingriffselementen. Mit der glatten Innenfläche kann die mindestens eine Lauffläche der Aktoreinrichtung ebenfalls glatt oder ersatzweise in der Antriebsrichtung strukturiert sein. Alternativ kann die mindestens eine Lauffläche der Aktoreinrichtung eine glatte Oberfläche haben, während die Innenfläche des Gehäuses in der Antriebsrichtung strukturiert sein kann. Schließlich können sowohl die mindestens eine Lauffläche als auch Innenfläche des Gehäuses strukturiert sein, wobei die jeweiligen Strukturen jedoch nicht ineinander passen, so dass die Aktoreinrichtung die ausschließlich durch magnetische Kräfte geführte Rollbewegung in Antriebsrichtung ausführt.
Gemäß einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die genannte Aufgabe durch eine Vakuumanlage gelöst, die mit mindestens einem magnetischen Antrieb gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung ausgestattet ist. Die Vakuumanlage umfasst eine Vakuumkammer, mit der das Gehäuse des mindestens einen magnetischen Antriebs druckdicht gekoppelt ist. Der Innenraum des Gehäuses ist gemeinsam mit dem Innenraum der Vakuumkammer evakuierbar. Vorteilhafterweise kann mit der Antriebseinrichtung des erfindungsgemäßen magnetischen Antriebs die Aktoreinrichtung im Gehäuse und mit dieser ein Bauteil in der Vakuumkammer bewegt werden. Die Bewegung der Aktoreinrichtung erfolgt verschleißfrei und mit einer durch die magnetischen Kräfte bewirkten Führung mit hoher Präzision und dauerhafter Zuverlässigkeit.
Vorteilhafterweise bestehen verschiedene Möglichkeiten, die Gestalt der Innenfläche, insbesondere in Abhängigkeit von der gewünschten Bewegungsart der Aktoreinrichtung und dem zur Verfügung stehenden Platz, zu wählen. Gemäß der Erfindung ist die Innenfläche des Gehäuses, auf der die Aktoreinrichtung die Rollbewegung ausführt, eine ebene Fläche. Die Innenfläche bildet eine ebene Abrollfläche, auf der die Aktoreinrichtung vorteilhafterweise eine lineare Translationsbewegung ausführen kann. Gemäß einer Variante (keine Ausführungsform der Erfindung) kann die Innenfläche des Gehäuses, auf der die Rollbewegung der Aktoreinrichtung ausgeführt wird, eine gekrümmte Fläche, insbesondere eine Zylinderfläche. Die Innenfläche des Gehäuses bildet eine Abrollfläche in Gestalt eines Hohlzylinders. Vorteilhafterweise werden damit rotierende Rollbewegungen der Aktoreinrichtung und damit Rotationsbewegungen ermöglicht. Bei Kombination von mehreren Aktoreinrichtungen ermöglicht jedoch auch die genannte Variante Translationsbewegungen von Bauteilen in der Vakuumanlage.
Die Aktoreinrichtung des erfindungsgemäßen magnetischen Antriebs umfasst mehrere innere Stützrollen, die auf der Innenfläche des Gehäuses aufliegen, und ein Aktorteil, das von den inneren Stützrollen getragen wird. Die ebene Abrollfläche ist z. B. horizontal oder relativ zur Horizontalen geneigt angeordnet. Die inneren Stützrollen sind aus einem magnetischen oder einem magnetisierbaren Material hergestellt. Im ersten Fall wird das Magnetfeld zur Kopplung zwischen den Antriebs- und Aktoreinrichtungen durch die inneren Stützrollen erzeugt, während es im zweiten, in der Praxis bevorzugten Fall durch die Antriebs-einrichtung erzeugt wird. Die inneren Stützrollen umfassen Walzen in Gestalt gerader Zylinder, wobei die Oberflächen der Stützrollen in Umfangsrichtung und/oder in Axialrichtung der geraden Zylinder abschnittsweise von der Zylinderform abweichen und/oder verschiedene magnetische Eigenschaften haben können. Die Stützrollen sind mit zueinander parallelen Axialrichtungen mit gegenseitigen Abständen in einer Reihe auf der Innenfläche des Gehäuses angeordnet, wobei sie in der Antriebsrichtung, d. h. senkrecht zur Magnetfeldrichtung, durch die magnetischen Kräfte zwischen der Antriebseinrichtung und der Aktoreinrichtung in Position gehalten werden.
Das Aktorteil liegt auf den inneren Stützrollen auf. Wenn die Stützrollen bei Betätigung der Antriebseinrichtung eine Rollbewegung in Antriebsrichtung ausführen, wird das Aktorteil aufgrund der Haftreibung gegenüber den inneren Stützrollen und/oder durch zusätzliche magnetische Kräfte mitgenommen. Vorteilhafterweise wird die Rollbewegung der inneren Stützrollen in eine lineare Translationsbewegung des Aktorteils umgesetzt, so dass die Aktoreinrichtung als ganze eine Translationsbewegung ausführt. Das Aktorteil kann die Gestalt eines Stabes oder einer Platte jeweils mit einer ebenen, zu den inneren Stützrollen weisenden Oberfläche aufweisen.
Gemäß der Erfindung weisen die inneren Stützrollen in ihrer Umfangsrichtung und/oder in ihrer Axialrichtung, d. h. senkrecht zu der Magnetfeldrichtung und zu der Antriebsrichtung, Abschnitte mit abwechselnd verschiedener Magnetisierung oder Magnetisierbarkeit auf. Vorteilhafterweise wird dadurch eine Führung der inneren Stützrollen in Bezug auf die Antriebsrichtung und/oder in der Transversalrichtung senkrecht zur Antriebsrichtung durch die Wirkung der magnetischen Kräfte zwischen der Antriebseinrichtung und der Aktoreinrichtung erzielt. Des Weiteren umfasst das Aktorteil auf seiner zu den inneren Stützrollen weisenden Oberfläche in der Antriebsrichtung und/oder in der Transversalrichtung Abschnitte mit abwechselnd verschiedener Magnetisierung oder Magnetisierbarkeit auf. Vorteilhafterweise wird damit die Führung der inneren Stützrollen auf das Aktorteil übertragen. Dies ermöglicht eine genaue Positionierung des Aktorteils in der Vakuumanlage ohne mechanische Führungselemente, wodurch der Verschleiß beim Betrieb des magnetischen Antriebs vermindert wird.
Die Abschnitte verschiedener Magnetisierung oder Magnetisierbarkeit können bereitgestellt werden, indem die inneren Stützrollen und/oder das Aktorteil aus Materialien mit verschiedenen magnetischen Eigenschaften zusammengesetzt sind. Beispielsweise können an den Oberflächen der inneren Stützrollen und/oder des Aktorteils abwechselnd Abschnitte mit einem ferromagnetischen Material und mit einem nicht-magnetischen Material vorgesehen sein. Alternativ können die Abschnitte verschiedener Magnetisierung oder Magnetisierbarkeit durch Ausschnitte in der Oberfläche der inneren Stützrollen und/oder des Aktorteils gebildet werden. Beispielsweise können die Oberflächen der inneren Stützrollen in Axialrichtung und in Umfangsrichtung abwechselnd Vertiefungen aufweisen, die so geformt und angeordnet sind, dass sich die Achsen der inneren Stützrollen während der gesamten Rollbewegung entlang von Geraden bewegen.
Wenn beim magnetischen Antriebs das Gehäuse die Gestalt eines Hohlzylinders hat, der sich entlang einer Zylinderachse erstreckt und dessen Innenfläche die Abrollfläche der Aktoreinrichtung bildet, wird das Magnetfeld in radialer Richtung senkrecht zur Zylinderachse ausgerichtet (keine Ausführungsform der Erfindung). Die Antriebsrichtung des magnetischen Antriebs ist in diesem Fall gleich der Azimutalrichtung der Innenfläche relativ zur Zylinderachse. Die Aktoreinrichtung rollt auf der Innenfläche unter der Wirkung des radial ausgerichteten, in Azimutalrichtung verschobenen Magnetfeldes ab.
Gemäß dieser Variante des magnetischen Antriebs umfasst die Aktoreinrichtung einen magnetischen oder magnetisierbaren Innenrotor, der direkt auf der Innenfläche des Gehäuses aufliegt. Der Innenrotor hat die Gestalt eines geraden Kreiszylinders, der um die Zylinderachse des Gehäuses drehbar ist. Vorteilhafterweise zeichnet sich diese Variante mit einem einzigen Innenrotor durch einen besonders einfachen Aufbau des magnetischen Antriebs aus. Durch Betätigung der Antriebseinrichtung kann im Inneren der Vakuumanlage eine Rotationsbewegung eines Bauteils bewirkt werden, das mit dem Innenrotor gekoppelt ist. Wenn der Innenrotor aus einem magnetischen Material hergestellt ist, so wird das Magnetfeld mit dem Innenrotor erzeugt und durch eine Verschiebung der Antriebseinrichtung in Azimutalrichtung variiert. Wenn der Innenrotor aus einem magnetisierbaren Material hergestellt ist, wird das Magnetfeld mit der Antriebseinrichtung erzeugt und die magnetische Kraft durch die Wechselwirkung des Magnetfeldes mit dem Material des Innenrotors bewirkt.
Alternativ kann die Aktoreinrichtung den magnetischen oder magnetisierbaren Innenrotor und mindestens zwei magnetische oder magnetisierbare innere Stützrollen umfassen (keine Ausführungsform der Erfindung). Die inneren Stützrollen liegen mit einem gegenseitigen Abstand und einer Axialrichtung parallel zur Zylinderachse des Gehäuses auf der Innenfläche auf, während der Innenrotor auf den inneren Stützrollen aufliegt. Der Innenrotor und die inneren Stützrollen sind so bemessen, dass bei der Rollbewegung der inneren Stützrollen auf der Innenfläche der Innenrotor eine Rotation um die Zylinderachse ausführt. Die Aktoreinrichtung bildet ein Planetengetriebe mit dem Innenrotor als Sonnenrohr und den Stützrollen als Planetenrollen. Das Planetengetriebe wird durch die Wirkung der magnetischen Kräfte zwischen der Antriebseinrichtung und der Aktoreinrichtung zusammengehalten.
Bei der genannten Variante wird die Aktoreinrichtung in Radialrichtung durch die Wirkung des Magnetfeldes zwischen der Antriebseinrichtung und der Aktoreinrichtung auf der Innenfläche des Gehäuses geführt. Vorteilhafterweise kann zusätzlich eine Führung der Aktoreinrichtung in Umfangsrichtung der Innenfläche und/oder in Axialrichtung des Gehäuses vorgesehen sein. Bei dieser Variante umfassen der Innenrotor und/oder die inneren Stützrollen der Aktoreinrichtung in der Umfangsrichtung und/oder in der Axialrichtung Abschnitte mit abwechselnd verschiedener Magnetisierung oder Magnetisierbarkeit. Diese Abschnitte verschiedener magnetischer Eigenschaften können, wie oben unter Bezug auf den erfindungsgemäßen magnetischen Antrieb erwähnt, durch abwechselnd verschiedene Materialien an der Oberfläche des Innenrotors und/oder der inneren Stützrollen und/oder durch Ausnehmungen an der Oberfläche des Innenrotors und/oder der inneren Stützrollen bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren Variante kann der Innenrotor der Aktoreinrichtung mit einem Abtriebszylinder verbunden sein, der aus dem Gehäuse ragt. Bei Kopplung des Gehäuses mit der Vakuumanlage ragt der Abtriebszylinder in die Vakuumanlage. Die Bewegung des Innenrotors wird über den Abtriebszylinder auf ein Bauteil in der Vakuumanlage übertragen. Das Bauteil kann ein Rotationselement sein, dessen Drehung durch den Abtriebszylinder gewünscht ist. Alternativ kann das Bauteil ein Translationselement sein, das mit dem Abtriebszylinder so gekoppelt ist, dass bei Drehung des Innenrotors mit dem Abtriebszylinder eine lineare Translationsbewegung des Translationselement ausgeführt wird. Das Translationselement kann beispielsweise auf einem oder mehreren Abtriebszylindern aufliegen und bei deren Drehung und der Wirkung der Haftreibung und/oder zusätzlicher magnetischer Kräfte translatorisch bewegt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Gestaltung des erfindungsgemäßen magnetischen Antriebs ist die Antriebseinrichtung außerhalb des Gehäuses für die Erzeugung des Magnetfeldes konfiguriert. Zu diesem Zweck umfasst die Antriebseinrichtung des erfindungsgemäßen magnetischen Antriebs mindestens einen Magneten, insbesondere mindestens einen Permanent- oder Elektromagneten, der auf einer Außenseite des Gehäuses in der Antriebsrichtung beweglich angeordnet ist. Vorzugsweise sind mehrere Magneten voneinander beabstandet angeordnet, die ein in der Antriebsrichtung variiertes, senkrecht zur Innenfläche gerichtetes Magnetfeld erzeugen. Entsprechend wird durch die Magneten eine Führung der Aktoreinrichtung in der Antriebsrichtung bereitgestellt.
Vorzugsweise ist ein Magnethalter vorgesehen, der auf der Außenseite des Gehäuses angeordnet ist und der den mindestens einen Magneten, vorzugsweise die Vielzahl von Magneten trägt. Der Magnethalter kann unter der Wirkung eines äußeren Antriebs, z. B. eines manuellen Antriebs oder eines Stellmotors in der Antriebsrichtung bewegt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Magnethalter mit äußeren Stützrollen auf der Außenseite des Gehäuses abgestützt. Der Magnethalter wird durch die Wirkung der magnetischen Anziehung zwischen dem mindestens einem Magneten, vorzugsweise der Vielzahl von Magneten und der Aktoreinrichtung in Position gehalten. Im Falle der oben genannten Variante des magnetischen Antriebs bildet der Magnethalter einen Außenrotor, der auf den äußeren Stützrollen auf der Außenseite des Gehäuses abrollen kann und dabei die Aktoreinrichtung, insbesondere den einzigen Innenrotor oder die Kombination eines Innenrotors mit inneren Stützrollen, auf der Innenseite des Gehäuses mitnimmt (keine Ausführungsform der Erfindung). Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass der Magnethalter aus einem magnetisierbaren Material hergestellt ist. Vorteilhafterweise kann in diesem Fall der mindestens eine Magnet, vorzugsweise die Vielzahl von Magneten, mittels magnetischer Anziehung an dem Magnethalter fixiert sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Magnethalter aus einem permanentmagnetischen Material hergestellt sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Ausdehnung der Aktoreinrichtung, insbesondere der inneren Stützrolle(n) 31, und der Antriebseinrichtung, insbesondere der Magneten 21 in einer Transversalrichtung quer zur Antriebsrichtung verschieden sein. Vorteilhafterweise erlaubt dies eine Verbesserung der Führung der Aktoreinrichtung in der Transversalrichtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält die Antriebseinrichtung eine ortsfeste Spuleneinrichtung, die auf der Außenseite des Gehäuses angeordnet und zur Erzeugung des in der Antriebsrichtung veränderlichen Magnetfeldes eingerichtet ist.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1: eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform des magnetischen Antriebs gemäß der Erfindung;
2: eine schematische Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform des magnetischen Antriebs gemäß der Erfindung;
3: eine schematische Perspektivansicht einer Stützrolle mit Abschnitten verschiedener Magnetisierbarkeit;
4: eine schematische Schnittansicht einer Variante des magnetischen Antriebs (keine Ausführungsform der Erfindung);
5 und 6: schematische Schnittansichten abgewandelter Varianten des magnetischen Antriebs (keine Ausführungsformen der Erfindung);
7 und 8: schematische Illustrationen der magnetischen Führung der Aktoreinrichtung in einer Transversalrichtung quer zur Antriebsrichtung (keine Ausführungsform der Erfindung);
9 und 10: schematische Illustrationen der Umsetzung von Rotationsbewegungen in Translationsbewegungen (keine Ausführungsform der Erfindung); und
11: eine schematische Perspektivansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumanlage.
Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter beispielhaftem Bezug auf die Eigenschaften der Antriebs- und Aktoreinrichtungen des magnetischen Antriebs beschrieben. Die Antriebs- und Aktoreinrichtungen können in Abhängigkeit von der Anwendung des magnetischen Antriebs zur Erzeugung einer Rotations- und/oder Translationsbewegung von Bauteilen insbesondere in einer Vakuumanlage konfiguriert sein. Einzelheiten von Bauteilen in der Vakuumanlage, wie z. B. Abschirmelementen oder anderen beweglichen Komponenten, werden nicht beschrieben, da diese an sich aus der herkömmlichen Vakuumtechnik bekannt sind.
Es wird beispielhaft auf Ausführungsformen Bezug genommen, bei denen eine glatte Innenfläche des Gehäuses und eine glatte Lauffläche der Aktoreinrichtung vorgesehen sind. Alternativ sind andere Bauformen möglich, bei denen z. B. die Innenfläche oder die Lauffläche der Aktoreinrichtung strukturiert sind.
1 zeigt die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen magnetischen Antriebs 100 in schematischer Schnittansicht. Der magnetische Antrieb 100 umfasst ein Gehäuse 10 (teilweise dargestellt), eine Antriebseinrichtung 20 und eine Aktoreinrichtung 30. Das Gehäuse 10 weist eine Gehäusewand 11 auf, deren Innenfläche 12 eine ebene, unstrukturierte Abrollfläche für die Aktoreinrichtung 30 bildet. Die übrigen Teile des Gehäuses 10 sind so gebildet, dass ein vakuumdichter Innenraum bereitgestellt wird, der bei Kopplung des Gehäuses 10 über eine Kopplungseinrichtung, z. B. einen Vakuumflansch, mit einer Vakuumanlage (siehe 11) evakuierbar ist.
Die Antriebseinrichtung 20 umfasst mehrere Magneten 21, die voneinander beabstandet auf der Außenseite des Gehäuses 10 angeordnet sind. Die Magneten 21 werden mit einem Magnethalter 40 (siehe auch 12) aus einem magnetisierbaren Material, z. B. aus magnetisierbarem Edelstahl, insbesondere vom Typ 1.2085, oder aus einem nicht-magnetischen Material, z. B. aus nicht-magnetischem Edelstahl, insbesondere vom Typ 1.4301, in Position gehalten, wobei ein Spalt zwischen den Magneten 21 und der Außenfläche 13 der Gehäusewand 11 gebildet wird. Die Magnetfeldrichtung B verläuft senkrecht zur Innenfläche 12 der Gehäusewand 11. Der Magnethalter 40 ist auf der Außenseite des Gehäuses 10 in einer vorbestimmten Antriebsrichtung, z. B. unter Verwendung eines Stellmotors oder durch einen manuellen Antrieb, verschiebbar.
Die Aktoreinrichtung 30 umfasst innere Stützrollen 31, die voneinander beabstandet auf der Innenfläche 12 der Gehäusewand 11 aufliegen. Unter der Wirkung des Magnetfeldes der Magneten 21 ordnen sich die inneren Stützrollen 31 den Positionen der Magneten 21 gegenüberliegend auf der Innenfläche 12 an. Die inneren Stützrollen 31 sind aus einem magnetisierbaren Material, z. B. aus magnetisierbarem Edelstahl, insbesondere vom Typ 1.2085, hergestellt. Sie haben die Gestalt massiver Walzen mit zylindrischen Oberflächen. Die Oberflächen der inneren Stützrollen 31 bilden glatte Laufflächen der Aktoreinrichtung 30. Gemäß einer abgewandelten Variante (siehe 2, 3) kann die Oberfläche der inneren Stützrollen 31 abwechselnde Abschnitte verschiedener Magnetisierbarkeit aufweisen. Des Weiteren umfasst die Aktoreinrichtung 30 ein Aktorteil 32, z. B. in Gestalt einer ebenen Platte aus einem nicht-magnetischen Material, z. B. aus nicht-magnetischem Edelstahl, insbesondere vom Typ 1.4301, oder aus einem magnetisierbaren Material, z. B. aus magnetisierbarem Edelstahl, insbesondere vom Typ 1.2085. Das Aktorteil 32 liegt auf den inneren Stützrollen 31 auf.
Zur Ausführung einer Translationsbewegung des Aktorteils 32 wird auf das in 1 beispielhaft gezeigte kartesische Koordinatensystem Bezug genommen, dessen x- und y-Richtungen in der Zeichenebene liegen, während die z-Richtung senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Der Magnethalter 40 mit den Magneten 21 ist in x-Richtung beweglich, welche die Antriebsrichtung der Antriebseinrichtung 20 präsentiert. Die Magneten 21 sind Permanentmagneten, deren lokalen Magnetfelder jeweils hauptsächlich in y-Richtung, d. h. senkrecht zur Innenfläche 12 ausgerichtet sind. Die Innenfläche 12 des Gehäuses 10 erstreckt sich in der x-z-Ebene. Die Achsen der inneren Stützrollen 31 verlaufen parallel zur z-Richtung. Bei der Bewegung des Magnethalters 40 in positiver x-Richtung werden die inneren Stützrollen 31 mitgenommen, wobei sie in Uhrzeigerrichtung abrollen. Gleichzeitig wird von den Stützrollen 31 das Aktorteil 32 mit doppelter Geschwindigkeit in positiver x-Richtung mitgenommen. Bei Umkehr der Bewegungsrichtung des Magnethalters 40 in negativer x-Richtung erfolgt die entsprechende Umkehr der Translationsbewegung des Aktorteils 32.
Der magnetische Antrieb 100 gemäß 1 kann in Abhängigkeit von den konkreten Anwendungsbedingungen abgewandelt werden. Beispielsweise kann die ebene Innenfläche 12 gegenüber der Horizontalen geneigt sein. Auch im Fall einer geneigten Fläche kann, wenn für eine ausreichende Kraftübertragung von den inneren Stützrollen 31 auf das Aktorteil 32 gesorgt wird, eine Translationsbewegung des Aktorteils 32 erzeugt werden. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass das Aktorteil 32 ebenfalls aus magnetisierbaren Material besteht und so ebenfalls von den Magneten 21 angezogen wird. Des Weiteren wird betont, dass 1 nur beispielhaft einen Ausschnitt eines magnetischen Antriebs 100 zeigt. Es können nur zwei oder mehr als drei Magneten 21 und innere Stützrollen 31 vorgesehen sein.
Die 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des magnetischen Antriebs 100 gemäß der Erfindung. Der magnetische Antrieb 100 umfasst, wie unter Bezug auf 1 beschrieben, eine Gehäuse, eine Antriebseinrichtung 20 und eine Aktoreinrichtung 30. Das Gehäuse weist eine ebene, horizontal ausgerichtete Gehäusewand 11 (teilweise dargestellt) mit einer ebenen Innenfläche 12 und einer ebenen Außenfläche 13 auf. Die Antriebseinrichtung 20 umfasst äußere Stützrollen 22, die aus einem magnetischen Material hergestellt und in einem Magnethalter 40 angeordnet sind. Die Aktoreinrichtung 30 umfasst innere Stützrollen 31, die aus einem magnetisierbaren Material hergestellt sind, und ein Aktorteil 32, wie z. B. eine ebene Platte.
Die äußeren Stützrollen 22 sind mit ihren Axialrichtungen senkrecht zur gewünschten Antriebsrichtung drehbar im Magnethalter 40 gelagert. Durch die magnetischen Kräfte zwischen den magnetischen äußeren Stützrollen 22 und den magnetisierbaren inneren Stützrollen 31 wird der Magnethalter 40 mit den äußeren Stützrollen 22 an der Außenfläche 13 des Gehäuses 10 gehalten. Bei der Bewegung der Antriebseinrichtung 20 in Antriebsrichtung (x-Richtung), z. B. durch einen manuellen Antrieb oder einen Stellmotor, rollen die äußeren Stützrollen 22 auf der Außenfläche 13 des Gehäuses 10 ab, wobei sie unter der Wirkung der magnetischen Kräfte die inneren Stützrollen 31 zu einer Rollbewegung auf der Innenfläche 12 des Gehäuses 10 veranlassen. Vermittelt durch die Haftreibung und zusätzliche magnetische Kräfte zwischen den magnetisierbaren inneren Stützrollen 31 und dem magnetisierbaren Aktorteil 32 wird dieses bei der Rollbewegung der inneren Stützrollen 31 in Antriebsrichtung translatorisch bewegt.
2 zeigt schematisch eine Unterteilung der äußeren Stützrollen 22 in Abschnitte (23, 24) verschiedener Magnetisierung, eine Unterteilung der inneren Stützrollen 31 in Abschnitte (34, 35) verschiedener Magnetisierbarkeit und die Bereitstellung von Abschnitten 36 verschiedener Magnetisierung an der Seite des Aktorteils 32, die zu den inneren Stützrollen 31 weist. Weitere Einzelheiten der Bereitstellung der Abschnitte verschiedener Magnetisierung bzw. Magnetisierbarkeit an den äußeren und inneren Stützrollen 22, 31 sind in 3 gezeigt.
3 illustriert in schematischer Perspektivansicht eine äußere oder innere Stützrolle 22, 31 (teilweise dargestellt), die im magnetischen Antrieb 100 (2) mit ihrer Axialrichtung (z-Richtung) senkrecht zur Antriebsrichtung (x-Richtung) ausgerichtet ist. Jede der Stützrollen 22, 31 hat eine Zylinderform, deren Oberfläche in Umfangsrichtung (Azimutalrichtung der Stützrollen) durch Ausnehmungen oder ein nicht-magnetisches Material in Gestalt von Zylinderausschnitten 23, 34 unterbrochen ist. In Umfangsrichtung wechseln sich die Zylinderausschnitte 23, 34 mit Zylinderlaufflächen 24, 35 ab. Um ein stufenfreies Abrollen der äußeren Stützrollen 22 auf der Außenfläche 13 und der inneren Stützrollen 31 auf der Innenfläche 12 zu gewährleisten (siehe 2), ist die Folge der Zylinderausschnitte 23, 34 und Zylinderlaufflächen 24, 35 in axialer Richtung der Stützrollen 22, 31 zueinander versetzt angeordnet. In axialer Richtung der Stützrollen 22, 31 wechseln sich die Zylinderausschnitte 23, 34 und die Zylinderlaufflächen 24, 35 ab. Da die Magnetisierbarkeit im Bereich der Zylinderausschnitte 23, 34 geringer als im Bereich der Zylinderlaufflächen 24, 35 ist und die Zylinderausschnitte 23, 34 und die Zylinderlaufflächen 24, 35 in azimutaler Richtung abgegrenzt sind, ergibt sich eine Modulation der Magnetisierbarkeit der Stützrollen 22, 31 in ihrer azimutalen Richtung.
Die Unterteilung der äußeren und inneren Stützrollen 22, 31 in Abschnitte verschiedener Magnetisierung bzw. Magnetisierbarkeit erzeugt eine Modulation der magnetischen Kräfte beim Abrollen der Antriebseinrichtung 20 und der Aktoreinrichtung 30 derart, dass die Zylinderausschnitte 34 und Zylinderlaufflächen 35 der inneren Stützrollen 31 in Bezug auf die Zylinderausschnitte 23 und Zylinderlaufflächen 24 der äußeren Stützrollen 22 ausgerichtet und somit in Antriebsrichtung geführt werden. Hierzu haben die inneren und äußeren Stützrollen 31, 22 die gleichen Durchmesser und die Abschnitte 34, 35 und 23, 24 jeweils die gleichen Dimensionen.
Passend zu der Ausdehnung der Abschnitte verschiedener Magnetisierbarkeit (34, 35) der inneren Stützrollen 31 in der Antriebsrichtung sind in das Aktorteil 23 Permanentmagnete eingelassen, welche die Abschnitte 36 erhöhter Magnetisierung bereitstellen. Durch die in Umfangsrichtung der inneren Stützrollen 31 modulierten magnetischen Kräfte wird durch die Wechselwirkung der inneren Stützrollen 31 mit dem Aktorteil 32 eine Führung des Aktorteils 32 in Antriebsrichtung erzielt.
4 zeigt in schematischer Querschnittsansicht eine Variante des magnetischen Antriebs 100 mit einem zylinderförmigen Gehäuse 10 (keine Ausführungsform der Erfindung). Auf der Außenseite des Gehäuses 10 ist die Antriebseinrichtung 20 mit einem einzigen Magneten 21 angeordnet. Auf der Innenfläche 12 des Gehäuses 10 ist die Aktoreinrichtung 30 in Gestalt eines Innenrotors 33 angeordnet. Das Gehäuse 10 hat die Gestalt eines Hohlzylinders, der vakuumdicht über eine Kopplungseinrichtung, wie z. B. einen Vakuumflansch mit dem Vakuumraum einer Vakuumanlage koppelbar ist (siehe 11). Der Innenrotor 33 hat ebenfalls die Gestalt eines Hohlzylinders, dessen Außendurchmesser geringer als der Innendurchmesser des Gehäuses 10 ist. Die äußere Oberfläche des Innenrotors 33 bildet die glatte Lauffläche der Aktoreinrichtung 30 auf der Innenfläche 12. Der Innenrotor 33 kann in Axialrichtung aus dem Gehäuse 10 heraus, z. B. in die Vakuumkammer einer Vakuumanlage ragen. Das Gehäuse 10 und die Aktoreinrichtung 30 bilden zwei ineinander abrollende Rohre, wobei der Innenrotor 33 aus einem magnetisierbaren Material, z. B. magnetisierbarem Edelstahl, insbesondere vom Typ 1.2085, und das Gehäuse 10 aus einem nicht-magnetischen Material, z. B. nicht-magnetischem Edelstahl, insbesondere vom Typ 1.4301, hergestellt ist. Beispielsweise weist der Innenrotor 33 keine remanente Magnetisierung auf, damit die magnetische Haltekraft während der Abrollbewegung konstant bleibt. Die Gehäusewand 11 des Gehäuses 10 stellt die Vakuumgrenze dar. Innerhalb des Gehäuses 10 herrscht Vakuum, während außerhalb des Gehäuses 10 Umgebungsbedingungen vorhanden sind.
Der Magnet 21 der Antriebseinrichtung 20 ist ein Permanentmagnet mit einer Magnetisierungsrichtung (Pfeil B), die in Bezug auf die Axialrichtung des Gehäuses 10 und des Innenrotors 33 radial ausgerichtet ist. Der Magnet 21 ist mit einem Magnethalter (nicht dargestellt) in einer Ebene senkrecht zur Axialrichtung des Gehäuses 10 und des Innenrotors 33 entlang der Außenfläche 13 des Gehäuses 10 beweglich. Dabei kann der Magnet 21 in Abhängigkeit von der Gestaltung des Magnethalters einen Spalt gegenüber der Außenfläche 13 bilden. Die magnetische Kraft zwischen dem Magneten 21 und dem magnetisierbaren Innenrotor 33 ergibt eine Anziehung des Innenrotors 33 auf die Innenfläche 12 des Gehäuses.
Die Bewegung des Antriebs 100 gemäß 4 wird mit Polarkoordinaten beschrieben. Die Magnetfeldrichtung B des Magneten 21 verläuft in Bezug auf die Axialrichtung (z-Richtung) des Gehäuses 10 und des Innenrotors 33 in Radialrichtung. Die Antriebsrichtung des Magneten 21 ist durch die Azimutalrichtung relativ zur Axialrichtung des Gehäuses 10 gegeben. Bei Bewegung des Magneten 21 in Azimutalrichtung um das Gehäuse 10 wird der Innenrotor 33 mitgenommen, so dass dieser auf der Innenfläche 12 abrollt. Die Rollbewegung des Innenrotors 33 spart einen in 4 schraffiert gezeigten Durchführungsbereich 14 aus, der vorteilhafterweise zur Durchführung von mechanischen Teilen, elektrischen und/oder optischen Leitungen und/oder elektromagnetischen Wellen, z. B. Laser, Infrarotstrahlung, usw. genutzt werden kann.
Der Innenrotor 33 und das Gehäuse 10 bilden ein Getriebe, bei dem der Innenrotor eine zur Rotation des Magneten 21 gleichsinnige Rotationsbewegung ausführt. Dabei wird die Übersetzung des Getriebes durch das Verhältnis des Innendurchmessers des Gehäuses 10 und des Außendurchmessers des Innenrotors 33 bestimmt. Eine schnelle Rotation des Innenrotors 33 im Verhältnis zur Rotation des Magneten 21 kann dabei auf Kosten einer größeren Kreisbewegung der Längsachse des Innenrotors 33 und einer Verringerung des freien Durchführungsbereiches 14 erreicht werden. Der Innenrotor 33 berührt die Innenfläche 12 des Gehäuses 10 entlang einer dem Magneten 21 am nächsten liegenden Kontaktlinie und führt ausschließlich eine Rollbewegung aus, wodurch eine Gleitreibung vermieden wird. Aufgrund der stufenlosen, unstrukturierten Form der Innenfläche 12 wird ein Verschleiß während der Rollbewegung ausgeschlossen.
Der in 4 schematisch gezeigte Magnet 21 kann ein einziger kompakter Permanentmagnet sein, der z. B. auf der Außenfläche 13 in Bezug auf die z-Richtung in der Mitte des Gehäuses 10 angeordnet ist. Alternativ kann ein Stabmagnet vorgesehen sein, der sich in z-Richtung entlang der Außenfläche 13 des Gehäuses 10 erstreckt. Gemäß einer weiteren Alternative können mehrere Permanentmagneten vorgesehen sein, die in einer Reihe in z-Richtung verteilt angeordnet sind (siehe 11) (keine Ausführungsformen der Erfindung).
Abgewandelte Varianten des magnetischen Antriebs 100 sind in schematischer Schnittansicht in den 5 und 6 gezeigt (keine Ausführungsformen der Erfindung). Bei diesen Varianten hat das Gehäuse 10 wie in 4 eine Rohrform mit einer zylinderförmigen Innenfläche 12. Die Antriebseinrichtung 20 umfasst mehrere Magneten 21, die in Umfangsrichtung des Gehäuses 10 verteilt angeordnet sind. Die Magneten 21 werden mit einem ringförmigen Magnethalter 40 (siehe 5) positioniert und sind mit diesem in einer Ebene senkrecht zur Axialrichtung des Gehäuses um dieses beweglich.
Die Aktoreinrichtung 30 umfasst innere Stützrollen 31 aus einem magnetisierbaren Material, z. B. magnetisierbarem Edelstahl, insbesondere vom Typ 1.2085, und einen Innenrotor 33, der ebenfalls aus einem magnetisierbaren Material, z. B. magnetisierbarem Edelstahl, insbesondere vom Typ 1.2085, hergestellt ist. Die inneren Stützrollen 31 rollen auf der Innenfläche 12 ab. Die Oberflächen der inneren Stützrollen 31 bilden die Laufflächen der Aktoreinrichtung. Wiederum sollen die Stützrollen 31 und der Innenrotor 33 keine remanente Magnetisierung aufweisen, um eine gleichmäßige Kraftübertragung zu gewährleisten. Die Aktoreinrichtung 30 bildet ein Planetengetriebe, bei dem der Innenrotor 33 das Sonnenrohr und die Stützrollen 31 Planetenrollen bilden. Während der Rollbewegung der Aktoreinrichtung 30 dreht sich das Sonnenrohr schneller als die Planetenrollen, die über die Magneten 21 angetrieben werden.
Durch die magnetischen Kräfte, die von den Magneten 21 auf die inneren Stützrollen 31 und den Innenrotor 33 wirken, werden die Antriebseinrichtung 20 und die Aktoreinrichtung 30 zusammengehalten. Bei der Bewegung der Magneten 21 in Umfangsrichtung des Gehäuses 10 führt die Aktoreinrichtung 30 eine Rollbewegung auf der Innenfläche 12 des Gehäuses aus. Die Rollbewegung zeichnet sich durch eine exakte Rotation des Innenrotors 33 um die Längsachse des Gehäuses 10 aus.
Wegen des im Vergleich zu der Variante gemäß 4 vergrößerten Abstandes des Innenrotors 33 von den Magneten 21 sind die Halte- und Führungskräfte bei den Varianten gemäß den 5 und 6 trotz der Führung der Magnetfeldlinien durch die Stützrollen 31 geringer als bei der Variante gemäß 4 ohne Stützrollen. Demgegenüber haben die Varianten gemäß den 5 und 6 jedoch den besonderen Vorteil, dass sich der Innenrotor 33 um eine ortsfeste Achse dreht. Dadurch wird insbesondere eine Umsetzung der Rotationsbewegung des Innenrotors 33 in eine Translationsbewegung im Inneren der Vakuumanlage erleichtert (siehe 10, 11).
Abweichend von der in 5 gezeigten Variante mit zwei Magneten 21 und zwei Stützrollen 31 können weitere Magnete und Stützrollen, z. B. drei, vier oder mehr Magneten und Stützrollen vorgesehen sein, die allerdings in der Ebene senkrecht zur Längsachse des Gehäuses 10 einen Winkelbereich von höchstes 180° aufspannen dürfen, da andernfalls eine unerwünschte Aufhebung von radialen magnetischen Haltekräften auftreten würde (6, keine Ausführungsform der Erfindung). Bei der Verwendung von drei oder mehr Stützrollen 31 (und entsprechend drei oder mehr Magneten 21) wirken sich vorteilhafterweise eventuelle Variationen der Durchmesser der Stützrollen 31 nicht nachteilig aus, da die magnetischen Kräfte auch über eventuelle Spalte wirken und in jeder aktuellen Phase der Rollbewegung selbstjustierend wirken.
Wenn die Längsachse des Gehäuses in horizontaler Richtung verläuft, so dass der Innenrotor immer in der selben Richtung belastet wird, z. B. durch Gravitation, können abweichend von der zuletzt genannten Einschränkung in der Ebene senkrecht zur Längsrichtung des Gehäuses der Vollkreis von 360° mit Stützrollen gefüllt werden. Der Innenrotor liegt in diesem Fall immer auf der selben Seite an, und ein Springen des Innenrotors wird durch die näherungsweise radial kräftefreie Balance der magnetischen Kräfte vermieden. In diesem Fall kann der Innenrotor auch aus einem nicht-magnetischen Material hergestellt sein.
Die in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen magnetischen Antriebs 100 können des Weiteren in Bezug auf die Erzeugung des Magnetfelds mit der Antriebseinrichtung variiert werden. Anstelle der erwähnten Permanentmagneten können die Magnete 21 Elektromagneten umfassen. Es können schaltbare Elektromagneten vorgesehen sein, die mit dem Magnethalter in der gewünschten Antriebsrichtung beweglich sind. Ersatzweise kann auf der Außenfläche des Gehäuses eine Spulenanordnung angeordnet werden, mit der durch Beaufschlagung mit wandernden elektrischen Wechselfeldern die gewünschte Verschiebung des Magnetfelds in Antriebsrichtung bereitgestellt wird.
Die Kopplung der im Gehäuse, d. h. im Vakuum, befindlichen Teile der Aktoreinrichtung mit der Antriebseinrichtung erfolgt unter Verwendung der Permanentmagneten, Elektromagneten und/oder Spulenanordnungen durch die Gehäusewand 11 hindurch, die aus einem nicht-magnetischen Material hergestellt ist. Die Kopplung ist schematisch in 7A illustriert, die eine Schnittdarstellung in der y-z-Ebene (erste Ausführungsform) oder in einer Radialebene parallel zur z-Richtung (keine Ausführungsform der Erfindung) präsentiert.
Der Magnet 21 ist gemäß 7A mit einem Magnethalter (nicht dargestellt) so angeordnet, dass ein Spalt zwischen dem Magneten 21 und der Außenfläche 13 der Gehäusewand 11 bleibt. Die Magnetfeldrichtung B verläuft senkrecht zur Innenfläche 12 der Gehäusewand 11, d. h. bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung in radialer Richtung. Der Magnet 21 wird während der Bewegung in der Antriebsrichtung so geführt, dass die Magnetfeldrichtung jederzeit radial zur Längsachse des Gehäuses 10 zeigt und der Abstand zur Außenfläche 13 so gering wie möglich ist, ohne diese zu berühren. Die Breite des Spalts zwischen dem Magneten 21 und der Außenfläche 13 beträgt z. B. 300 μm. Durch die Kombination der senkrecht zur Innenfläche 12 weisenden Magnetfeldrichtung und die Minimierung des Spaltes zwischen dem Magneten 21 und der Außenfläche 13 wird die magnetische Kraft zwischen dem Magneten 21 und der Aktoreinrichtung, z. B. der inneren Stützrolle 31 maximiert.
Wird der Magnethalter des Magneten 21 aus einem Material hergestellt, das identisch mit dem Material der inneren Stützrolle 31 ist oder eine höhere magnetische Permeabilität als das Material der inneren Stützrolle 31 aufweist, so hält sich der Magnet 21 am Magnethalter 40 durch die eigene magnetische Kraft, da diese bei der direkten Auflage immer größer ist als über dem Luftspalt zur Außenfläche 13 des Gehäuses 10 und die Dicke des nicht-magnetischen Materials der Gehäusewand 11 ist.
7 zeigt, dass der Magnet 21 und die innere Stützrolle 31 in einer Transversalrichtung z quer zur Antriebsrichtung (senkrecht zur Zeichenebene) bestimmte Längsausdehnungen aufweisen. Gemäß 7A ist die Längsausdehnung des Magneten 21 und der inneren Stützrolle 31 in der Transversalrichtung für beide Bauteile gleich. Die Führung der inneren Stützrolle 31 in der Transversalrichtung ist bei dieser Bauweise durch den gemeinsamen Querschnitt beider Bauteile in der Antriebsrichtung gegeben. Weicht die inneren Stützrolle 31 in der Transversalrichtung von der in 7A gezeigten Position ab, so erzeugen die vom Magnetfeld gebildeten magnetischen Kräfte eine Rückstellkraft, welche die innere Stützrolle 31 in die gezeigte, zum Magneten 21 symmetrisch ausgerichtete Position zurückführt. Lediglich in dieser Position ist die Kopplung in Transversalrichtung z kräftefrei.
Die Führung in der Transversalrichtung quer zur Antriebsrichtung kann verbessert werden, indem die Ausdehnung der inneren Stützrolle 31 und des Magneten 21 in der Transversalrichtung verschieden sind, wie beispielhaft in den 7B und 7C illustriert ist. Vorteilhafterweise wird damit die Positioniergenauigkeit in der Transversalrichtung erhöht. Auch wenn die magnetische Kraft, die in der Transversalrichtung maximal generierbar ist, bei Bauteilen mit verschiedenen Längen geringer als im Fall von 7A ist, so ergibt sich ein steilerer Gradient der Rückstellkraft in Transversalrichtung und damit eine erhöhte Genauigkeit der Führung der inneren Stützrolle 31 in der Transversalrichtung.
Die Rückstellkraft in Transversalrichtung in Abhängigkeit von der gegenseitigen Verschiebung des Magneten 21 und der inneren Stützrolle 31 kann erhöht werden, indem das Magnetfeld in der Transversalrichtung moduliert wird. Vorteilhafterweise wird damit die Führung der inneren Stützrolle 31 in der Transversalrichtung verbessert. Die Modulation des Magnetfeldes kann, wie in 8 schematisch gezeigt wird, durch die Verwendung von mehreren Magneten 21 bereitgestellt werden, die in der Transversalrichtung in einer Reihe voneinander beabstandet angeordnet sind. Die innere Stützrolle 31 wird durch eine Profilierung oder durch die Verwendung von Materialien verschiedener Magnetisierbarkeiten so modifiziert, dass jedem Magneten 21 jeweils ein Abschnitt 36 erhöhter Magnetisierbarkeit gegenüberliegt. Die n-fache Unterteilung der Magneten 21 der Antriebseinrichtung (n: Anzahl der Magneten) und die entsprechende Unterteilung der inneren Stützrolle 31 in Abschnitte verschiedener Magnetisierbarkeiten ergibt bei gleicher Überlappung des Magnetfelds und der inneren Stützrolle näherungsweise eine n-fache Rückstellkraft in Transversalrichtung.
Auch bei der Variante gemäß 8 können die Magnete 21 und die Abschnitte 36 erhöhter Magnetisierbarkeit in der Transversalrichtung relativ zueinander verschoben sein. Vorteilhafterweise ergibt sich dabei, wie oben unter Bezug auf die 7B und 7C erwähnt, eine Versteifung der Führung durch die Rückstellkraft. Wenn die Magneten 21 und die Abschnitte 36 erhöhter Magnetisierbarkeit zueinander versetzt angeordnet sind, ergibt sich ein steilerer Gradient der Rückstellkraft in Transversalrichtung als für die in 8 gezeigte symmetrische Anordnung.
Bei der Variante des magnetischen Antriebs gemäß 4 kann zusätzlich zu der Führung in Transversalrichtung eine azimutale Führung (tangentiale Führung) realisiert werden (keine Ausführungsform der Erfindung). Vorteilhafter kann damit die Rotationsposition der im Vakuum befindlichen Teile relativ zu den Magneten 21 der Antriebseinrichtung 20 eingestellt werden. Beispielsweise werden die inneren Stützrollen 31 der zweiten Ausführungsform des magnetischen Antriebs 100 gemäß den 5 und 6 mit Abschnitten abwechselnder Magnetisierung oder Magnetisierbarkeit aufgebaut, wie oben unter Bezug auf 3 beschrieben wurde. Wenn Stützrollen gemäß 3 als innere Stützrollen 31 (Planetenrollen) verwendet werden und der Innenrotor 33 (Sonnenrolle) eine passende, ganzzahlige Unterteilung der Lauffläche in Abschnitte verschiedener Magnetisierungen oder Magnetisierbarkeiten hat, treffen jeweils Zylinderlaufflächen und Zylinderausschnitte aufeinander. Bei einer gegenseitigen Abweichung der Abschnitte erhöhter Magnetisierung oder Magnetisierbarkeit von den Positionen der äußeren Magneten wird eine Rückstellkraft in tangentialer Richtung erzeugt.
Für diesen Zweck ist das mit der Antriebseinrichtung 20 erzeugte Magnetfeld an die Gestalt der inneren Stützrollen 31 angepasst. Hierzu sind beim Betrieb mit Permanentmagneten vorzugsweise rotierende Permanentmagnete vorgesehen, deren Magnetisierungsrichtungen so angeordnet sind und die so rotiert werden, dass bei der Rollbewegung die Nord- und Südpole der Permanentmagneten auf die Mittelpunkte der Zylinderlaufflächen der inneren Stützrollen 31 treffen. Beispielsweise können auch bei der Variante des magnetischen Antriebs 100 gemäß 4 die Magneten 21 in Gestalt äußerer Antriebsrollen bereitgestellt werden, wie sie in 2 gezeigt sind. Die äußeren Antriebsrollen haben dann eine mit den inneren Stützrollen identische Form, jedoch einen geringfügig größeren Durchmesser, um einen Phasenversatz aufgrund der Dicke der Gehäusewand 11 und des sich daraus ergebenden Verhältnis der Innen- und Außendurchmesser der Gehäusewand 11 zu vermeiden.
Der magnetische Antrieb gemäß den 4 bis 6 erzeugt zunächst eine Rotationsbewegung der Aktoreinrichtung, insbesondere des Innenrotors 33 (keine Ausführungsform der Erfindung). Diese Rotationsbewegung kann in eine quasi-lineare Translationsbewegung umgesetzt werden, wie in den 9 und 10 illustriert ist (keine Ausführungsformen der Erfindung). Gemäß den 9A und 9B ist am Innenrotor 33 eine Aktoreinrichtung, z. B. gemäß den 4 bis 6 ein Abtriebszylinder 37 befestigt. Der Abtriebszylinder 37 erstreckt sich in axialer Verlängerung z. B. in das Innere einer Vakuumanlage (siehe 11). Der Abtriebszylinder 37 kann einen größeren (9A) oder einen kleineren (9B) Durchmesser als der Innenrotor 33 aufweisen, wobei sich die beiden in den 9A und 9B gezeigten Bewegungsformen ergeben. Auf dem Abtriebszylinder 37 liegt eine ebene Platte 50 auf, die durch ihre Gewichtskraft auf den Abtriebszylinder 37 gedrückt wird. Durch die Rotation des Innenrotors 33 wird die ebene Platte 50 in eine Translationsbewegung versetzt, die aufgrund der Drehbewegung des Innenrotors 33 mit einer Modulationsbewegung senkrecht zur Ausdehnung der ebenen Platte 50 überlagert ist.
In den 9A und 9B zeigen die gekrümmten Pfeile exemplarisch eine Abrollrichtung des Innenrotors 33 und die geraden Pfeile exemplarisch die dazugehörigen Momentanbewegungen der ebenen Platte 50. Durch verschieden Durchmesser des Innenrotors 33 und des Abtriebszylinders 37 können verschiedene Übersetzungsverhältnisse und lokale Bewegungsrichtungen realisiert werden.
Durch die Kombination von mehreren magnetischen Antrieben, die linear in einer Reihe angeordnet und mit einer vorbestimmten Phasenversetzung angesteuert werden, kann eine in Bezug auf eine Translationsrichtung lineare Translationsbewegung der ebenen Platte 50 in der Vakuumanlage bereitgestellt werden, wie schematisch in 10 gezeigt ist. Gemäß 10 sind zwei Gruppen von Abtriebszylindern 37, 38 vorgesehen, die einander abwechselnd mit einer Phasenverschiebung von 180° angeordnet sind und je nach der aktuellen Position der Rollbewegung des zugehörigen magnetischen Antriebs zur Translationsbewegung der ebenen Platte 50 beitragen oder nicht. Alternativ können auch drei Gruppen von Abtriebszylindern mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 120° oder allgemein n Gruppen von Abtriebszylindern mit einer Phasenverschiebung von 360°/n vorgesehen sein.
11 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vakuumanlage 200, die mit einem erfindungsgemäßen magnetischen Antrieb 100 ausgestattet ist. Die Vakuumanlage 200 umfasst eine Vakuumkammer 210, die aufgebaut ist, wie es von herkömmlichen Vakuumanlagen, z. B. für Beschichtungseinrichtungen, insbesondere MBE-Einrichtungen, bekannt ist. Die Vakuumkammer 210 ist insbesondere mit einer Vakuumpumpe, einer Heizeinrichtung, Versorgungseinrichtungen und Zugriffsschleusen ausgestattet (nicht dargestellt). Der magnetische Antrieb 100 ist mit der Vakuumkammer 210 gekoppelt. Hierzu besteht eine Flanschverbindung des zylinderförmigen Gehäuses 10 mit der Vakuumkammer 210, so dass der Innenraum des Gehäuses 10 gemeinsam mit der Vakuumkammer 210 evakuiert werden kann.
Der magnetische Antrieb 100 umfasst das Gehäuse 10, auf dessen Außenseite einen Magnethalter 40 mit den Magneten 21 und in dessen Inneren die Aktoreinrichtung 30 mit dem Innenrotor 33 angeordnet sind. Der Magnethalter 40 bildet einen Außenrotor mit einem Träger 41, der auf äußeren Stützrollen 42 auf der Außenfläche 13 des Gehäuses 10 und einem Ablaufring 43 gelagert ist. Der Träger 41 positioniert die Magneten 21 in einer geraden Reihe in einer Richtung z parallel zur Axialrichtung des Gehäuses 10 (Transversalrichtung quer zur Antriebsrichtung). Die Antriebseinrichtung (hier durch die Magneten 21 gebildet) und die Aktoreinrichtung 30 ziehen sich gegenseitig an, da der Innenrotor 33 aus magnetisierbarem Stahl hergestellt ist und der Außenrotor einen Kamm von Permanentmagneten trägt. Vorteilhafterweise müssen die Magnete 21 des Außenrotors nicht zusätzlich befestigt werden, da auch der Außenrotor aus dem magnetisierbaren Stahl gefertigt ist, wie der Innenrotor 33.
Die Gehäusewand 11 des Gehäuses 10 ist für eine maximale Haltekraft der Magnete 21 auf die geringst mögliche Wandstärke gedreht, die notwendig, dem Atmosphärendruck gegenüber dem Vakuum zu widerstehen. Die Wandstärke beträgt z. B. 1 mm. Die Innenfläche 12 und die Außenfläche 13 des Gehäuses 10 sind zylindrische Flächen mit einer glatten Oberfläche. Der Innenrotor 33 hat im Inneren des Gehäuses 10 (in 11 nicht erkennbar) eine in Axialrichtung modulierte Außenfläche wie in 8 gezeigt ist. Der Innenrotor 33 und der Magnethalter bestehen z. B. aus Edelstahl 1.2085, während die Magneten 21 Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagneten mit einer Größe von 10·10·6 mm³ umfassen. In diesem Fall ergibt sich eine axiale Haltekraft von 100 g pro Magnet und Rotorring. Der Durchmesser des Abtriebszylinders beträgt z. B. 40 mm.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in Ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims

Magnetischer Antrieb (100) für ein Bauteil in einer Vakuumanlage (200), umfassend: – ein Gehäuse (10) mit einer Gehäusewand (11) aus einem nicht-magnetischen Material, wobei das Gehäuse (10) druckdicht mit der Vakuumanlage (200) koppelbar ist, – eine Antriebseinrichtung (20), die außerhalb des Gehäuses angeordnet ist, und – eine Aktoreinrichtung (30), die im Gehäuse (10) angeordnet und von einer Innenfläche (12) der Gehäusewand (11) gestützt wird, wobei – mindestens eine der Antriebseinrichtung (20) und der Aktoreinrichtung (30) zur Erzeugung eines Magnetfeldes (B) eingerichtet ist, das eine Magnetfeldrichtung senkrecht zu der Gehäusewand (11) aufweist, und die Antriebseinrichtung (20) und die Aktoreinrichtung (30) durch das Magnetfeld (B) magnetisch gekoppelt sind, – die Antriebseinrichtung (20) für eine Verschiebung des Magnetfeldes (B) in der Antriebsrichtung eingerichtet ist, und – die Aktoreinrichtung (30) unter der Wirkung der Verschiebung des Magnetfeldes (B) auf der Innenfläche (12) des Gehäuses (10) eine Rollbewegung ausführen kann, dadurch gekennzeichnet, dass – die Innenfläche (12) für die Aktoreinrichtung (30) eine in der Antriebsrichtung stufenlose, ebene Abrollfläche bildet, wobei – die Aktoreinrichtung (30) mehrere magnetische oder magnetisierbare innere Stützrollen (31), die auf der Innenfläche (12) aufliegen, und ein Aktorteil (32) umfasst, das auf den inneren Stützrollen (31) aufliegt, – die Antriebseinrichtung (20) für eine Modulation des Magnetfeldes (B) entlang der Antriebsrichtung und/oder entlang einer Transversalrichtung quer zu der Antriebsrichtung derart eingerichtet ist, dass sich im Gehäuse (10) jeweils in der Antriebsrichtung oder der Transversalrichtung Abschnitte mit erhöhter Feldstärke des Magnetfeldes (B) und Abschnitte mit verringerter Feldstärke des Magnetfeldes (B) abwechseln, – die inneren Stützrollen (31) in ihrer Umfangsrichtung und in ihrer Axialrichtung Abschnitte (34, 35) mit abwechselnd verschiedener Magnetisierung oder Magnetisierbarkeit aufweisen, und – das Aktorteil (32) auf seiner zu den inneren Stützrollen (31) weisenden Seite Abschnitte (36) mit abwechselnd verschiedener Magnetisierung oder Magnetisierbarkeit aufweist.
Magnetischer Antrieb gemäß Anspruch 1, bei dem – die Antriebseinrichtung (20) mindestens einen Magneten (21), insbesondere mindestens einen Permanent- oder Elektromagneten, umfasst, der zur Verschiebung des Magnetfeldes (B) auf einer Außenfläche (13) des Gehäuses (10) in der Antriebsrichtung beweglich angeordnet ist.
Magnetischer Antrieb gemäß Anspruch 2, der umfasst: – einen Magnethalter (40), der auf der Außenseite des Gehäuses (10) angeordnet ist und den mindestens einen Magneten (21) trägt, wobei der Magnethalter (40) unter der Wirkung eines äußeren Antriebs in der Antriebsrichtung beweglich ist.
Magnetischer Antrieb gemäß Anspruch 3, bei dem – der Magnethalter (40) mit äußeren Stützrollen (42) auf der Außenseite des Gehäuses (10) abgestützt ist und mittels magnetischer Anziehung zwischen dem mindestens einen Magneten (21) und der Aktoreinrichtung (30) gehalten wird, und/oder – der Magnethalter (40) aus einem magnetisierbaren Material hergestellt ist und der mindestens eine Magnet (21) mittels magnetischer Anziehung an dem Magnethalter (40) gehalten wird, und/oder – der Magnethalter (40) aus einem permanentmagnetischen Material hergestellt ist.
Magnetischer Antrieb gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem – die Ausdehnung der Aktoreinrichtung (30) und der Antriebseinrichtung (20) in einer Transversalrichtung quer zur Antriebsrichtung verschieden sind.
Magnetischer Antrieb gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem – die Antriebseinrichtung (20) mindestens eine ortsfeste Spuleneinrichtung umfasst, die auf einer Außenseite des Gehäuses (10) angeordnet und zur Verschiebung des Magnetfeldes (B) eingerichtet ist.
Vakuumanlage (200), die mit mindestens einem magnetischen Antrieb (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestattet ist.
Verwendung eines magnetischen Antriebs (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Bewegung von Bauteilen in einer Vakuumanlage (200).