DE102021103220A1

DE102021103220A1 - Positioning system for the three-dimensional positioning of an object and method for its operation

Info

Publication number: DE102021103220A1
Application number: DE102021103220.2A
Authority: DE
Inventors: Steffen Hesse; Christoph Schäffel; Michael Katzschmann; Bianca Leistritz; Stephan Gorges; Jorge Amado Gonzalez Whittinham
Original assignee: Imms Inst fur Mikroelektronik und Mechatronik Systeme Gemeinnuetzige Imms GmbH GmbH; Imms Institut fur Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme Gemeinnuetzige (imms Gmbh) GmbH
Current assignee: Imms Inst fur Mikroelektronik und Mechatronik Systeme Gemeinnuetzige Imms GmbH GmbH; Imms Institut fur Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme Gemeinnuetzige (imms Gmbh) GmbH
Priority date: 2021-02-11
Filing date: 2021-02-11
Publication date: 2022-08-11

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrodynamisches Positionierungssystem zur zumindest dreidimensionalen Positionierung eines Objektes. Das Positionierungssystem ist bevorzugt für eine nanometergenaue Positionierung im Millimeterbereich ausgebildet. Das Positionierungssystem umfasst einen in einer x-y-Ebene angeordneten Stator, welcher mittelbar elektrische Magnetspulen (01) trägt. Das Positionierungssystem umfasst zudem einen über dem Stator angeordneten Läufer mit Permanentmagneten. Durch eine Bestromung der Magnetspulen (01) sind Kraftwirkungen auf die Permanentmagnete erzeugbar, um den Läufer in einer zu der x-y-Ebene parallelen Ebene zu positionieren. Das Positionierungssystem umfasst weiterhin mindestens einen auf dem Stator sitzenden Positionierungsaktor zum Positionieren des Läufers in einer zu der x-y-Ebene senkrechten z-Richtung und mindestens einen auf dem Stator sitzenden Magnetspulenaktor (11) zum Positionieren der Magnetspulen (01) in der z-Richtung. Die Erfindung betrifft im Weiteren ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Positionierungssystems.The present invention relates to an electrodynamic positioning system for at least three-dimensional positioning of an object. The positioning system is preferably designed for nanometer-precise positioning in the millimeter range. The positioning system comprises a stator arranged in an x-y plane, which indirectly carries electric magnet coils (01). The positioning system also includes a rotor with permanent magnets arranged above the stator. By energizing the magnetic coils (01), forces can be generated on the permanent magnets in order to position the rotor in a plane parallel to the x-y plane. The positioning system also comprises at least one positioning actuator seated on the stator for positioning the rotor in a z-direction perpendicular to the x-y plane and at least one magnet coil actuator (11) seated on the stator for positioning the magnet coils (01) in the z-direction. The invention also relates to a method for operating the positioning system according to the invention.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrodynamisches Positionierungssystem zu einer in mindestens drei Dimensionen erfolgenden Positionierung eines Objektes. Die Positionierungen umfassen zumindest Translationen in die drei Raumrichtungen und bevorzugt auch Rotationen um die drei Raumrichtungen. Das Positionierungssystem ist bevorzugt für eine nanometergenaue Positionierung im Millimeterbereich ausgebildet. Die Erfindung betrifft im Weiteren ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Positionierungssystems.The present invention relates to an electrodynamic positioning system for positioning an object in at least three dimensions. The positioning includes at least translations in the three spatial directions and preferably also rotations about the three spatial directions. The positioning system is preferably designed for nanometer-precise positioning in the millimeter range. The invention also relates to a method for operating the positioning system according to the invention.

Die DE 100 54 376 A1 zeigt einen elektrodynamischen planaren x-y-φ-Direktantrieb mit einer Gesamtanordnung aus einem Stator, einem Läufer, einer Messsystemanordnung sowie Luftlagern. Der Stator besteht aus einem nahezu quadratischen Grundkörper mit jeweils paarig gegenüberliegenden 2n x-Spulen und jeweils paarig gegenüberliegend 2n y-Spulen. Die Messsystemanordnung besteht aus einer Justiereinrichtung mit angelenkter Maßverkörperung. Die Maßverkörperung weist eine Kreuzrasterplatte auf, deren Einzelflächen reflektierend und deren Freiflächen absorbierend/transmittierend oder deren Freiflächen reflektierend und deren Einzelflächen absorbierend/transmittierend sind. Die Maßverkörperung ist bezüglich der Unterseite des Läufers zurückgesetzt. Die Abtasteinheit besteht aus einem Sensormodul für die x-Koordinate und zwei in einem Basisabstand angeordneten Sensormodulen für die y-Koordinate, deren Sensorfelder in einer Linie angeordnet sind. Die Referenzsensoren der y-Sensormodule sind ebenfalls auf einer Linie angeordnet, zu welcher der Referenzsensor des x-Sensormoduls lotrecht liegt. the DE 100 54 376 A1 shows an electrodynamic planar xy-φ direct drive with an overall arrangement of a stator, a rotor, a measuring system arrangement and air bearings. The stator consists of an almost square base body with opposite pairs of 2n x-coils and opposite pairs of 2n y-coils. The measuring system arrangement consists of an adjustment device with an articulated material measure. The scale has a cross grid plate whose individual surfaces are reflective and whose free surfaces are absorbent/transmissive or whose free surfaces are reflective and whose individual surfaces are absorbent/transmissive. The scale is set back with respect to the underside of the slider. The scanning unit consists of a sensor module for the x-coordinate and two sensor modules for the y-coordinate which are arranged at a base distance and whose sensor fields are arranged in a line. The reference sensors of the y sensor modules are also arranged on a line to which the reference sensor of the x sensor module is perpendicular.

Die DE 10 2007 037 886 A1 lehrt einen feldgeführten planaren Präzisionsantrieb mit einem luftgelagerten Läufer und mit einer unterhalb des Läufers befindlichen Statorplatte. Der Läufer weist Permanentmagnetkreise auf. Auf der Statorplatte sind jeweils gegenüberliegende Antriebsspulenpaare vorgesehen, um je nach Bestromung der Antriebsspulenpaare Kraftwirkungen auf den Läufer mit den Permanentmagnetkreisen auszuüben. Die Antriebsspulenpaare sind symmetrisch in einem rechtwinkligen x-y-Koordinatensystem angeordnet. Die Statorplatte weist Linearführungen für jedes Antriebsspulenpaar auf, um eine Bewegung der Antriebsspulenpaare entlang der jeweiligen x- oder y-Achse des Koordinatensystems zu erreichen. Bei einer Verstellung des Läufers in x-Richtung liegt eine Kraftkomponente zum Mitziehen oder Mitbewegen derjenigen gegenüberliegenden Antriebsspulenpaare vor bzw. wird erzeugt, welche der Verstellung des Läufers in y-Richtung dienen.the DE 10 2007 037 886 A1 teaches a precision field-guided planar drive having an air-bearing runner and a stator plate located below the runner. The rotor has permanent magnet circuits. Opposite pairs of drive coils are provided on the stator plate in order to exert forces on the rotor with the permanent magnet circuits, depending on the energization of the pairs of drive coils. The drive coil pairs are arranged symmetrically in a rectangular xy coordinate system. The stator plate has linear guides for each drive coil pair in order to achieve movement of the drive coil pairs along the respective x or y axis of the coordinate system. When the runner is adjusted in the x-direction, a force component is present or generated to pull or move those opposing drive coil pairs that serve to adjust the runner in the y-direction.

Die US 5,040,431 zeigt eine Bewegungsführungsvorrichtung mit zwei parallelen stationären Führungen, die an einer Oberflächenplatte befestigt sind. Mehrere hydrostatische Gas- oder Lagerelemente sind für die Oberflächenplatte und die stationären Führungen vorgesehen. Ein Y-Läufer wird unter dem Einfluss dieser Lagerelemente in Richtung der Y-Achse bewegt. Zusätzliche hydrostatische Gas- oder Luftlagerelemente sind in Bezug auf die Oberflächenplatte und den Y-Läufer vorgesehen, um einen X-Läufer für die Bewegung in einer X-Achsenrichtung orthogonal zur Y-Achsenrichtung zu tragen. Die Führung des Y-Läufers in Richtung der X-Achse erfolgt durch die stationären Führungen auf der Oberflächenplatte, während die Führung in einer Richtung der Z-Achse senkrecht zu einer X-Y-Ebene durch die Oberflächenplatte erfolgt. Die Führung des X-Läufers in der Y-Achsenrichtung erfolgt durch den Y-Läufer, während die Führung in der Z-Achsenrichtung durch die Oberflächenplatte ähnlich dem Y-Läufer erfolgt.the U.S. 5,040,431 shows a motion guide device with two parallel stationary guides fixed to a surface plate. Several hydrostatic gas or bearing elements are provided for the surface plate and the stationary guides. A Y-slider is moved in the direction of the Y-axis under the influence of these bearing elements. Additional gas or air hydrostatic bearing elements are provided with respect to the surface plate and the Y-traveller to support an X-traveller for movement in an X-axis direction orthogonal to the Y-axis direction. Guidance of the Y-axis in the X-axis direction is provided by the stationary guides on the surface plate, while guidance in a Z-axis direction perpendicular to an XY plane is provided by the surface plate. The X-axis direction is guided by the Y-axis direction, while the Z-axis direction is guided by the surface plate similarly to the Y-axis direction.

Die WO 00/10242 A1 zeigt einen Planarmotor mit planar angeordneten Magnetpolen zur Erzeugung eines Magnetfeldes mit periodischer Wechselpolarität und mit einer planaren Spulenanordnung, die mit dem Magnetfeld zusammenwirkt. Die Spulenanordnung umfasst mehrere einzelne Spulen, die jeweils eine Spuleneinheit enthalten. Eine Kommutierungsschaltung ist jeweils dazu konfiguriert, elektrischen Strom an die jeweilige Spulenanordnung zu liefern. Die Spulenanordnung umfasst einen ersten Spulensatz mit einer ersten Spule und einen zweiten Spulensatz mit einer zweiten Spule. Der erste Spulensatz und der zweite Spulensatz sind jeweils dazu konfiguriert, eine erste elektromagnetische Kraft in einer ersten Hauptrichtung und eine zweite elektromagnetische Kraft in einer zweiten Hauptrichtung zu erzeugen. Jede Spuleneinheit umfasst einen elektrischen Leiter, welcher ein geschlossenes Band mit einer planaren geometrischen polygonalen Form definiert. Das geschlossene Band weist Innenkanten auf, die einen Hohlraum umschließen. Durch die Kommutierungsschaltung sind Drähte bestrombar, wodurch eine elektromagnetische Kraft in Z-Richtung auf die jeweilige Spule wirkt. Die Kraft in Z-Richtung bewirkt, dass die Spulenanordnung über der Magnetanordnung nach oben gedrückt wird.the WO 00/10242 A1 shows a planar motor with magnetic poles arranged in a planar manner for generating a magnetic field with periodic alternating polarity and with a planar coil arrangement which interacts with the magnetic field. The coil arrangement comprises a number of individual coils, each of which contains a coil unit. A commutation circuit is configured to provide electrical current to the respective coil assembly. The coil arrangement includes a first coil set with a first coil and a second coil set with a second coil. The first coil set and the second coil set are each configured to generate a first electromagnetic force in a first principal direction and a second electromagnetic force in a second principal direction. Each coil unit includes an electrical conductor that defines a closed band with a planar geometric polygonal shape. The closed band has inner edges that enclose a cavity. Wires can be energized by the commutation circuit, as a result of which an electromagnetic force acts on the respective coil in the Z direction. The Z-direction force causes the coil assembly to be pushed up over the magnet assembly.

Die DE 10 2005 030 161 A1 lehrt einen Vertikalantrieb mit einer entlang eines Führungselementes vertikal luftgeführt beweglichen Verschiebeeinheit. Diese Lösung soll eine reibungsfreie Gewichtskompensation bei einer hohen Feinpositionierungsgenauigkeit und einer variablen Nutzlast ermöglichen. Die Verschiebeeinheit bildet mit dem Führungselement eine Kammer, deren Volumen von einer Auslenkung der Verschiebeeinheit abhängt. Die Kammer ist mit Druckluft beaufschlagbar. Permanentmagnete und/oder Elektromagnete sind zum vertikalen elektrodynamischen Feinpositionieren an der Verschiebeeinheit und/oder an dem Führungselement angeordnet.the DE 10 2005 030 161 A1 teaches a vertical drive with a displacement unit that is vertically air-guided along a guide element. This solution should enable friction-free weight compensation with high fine positioning accuracy and a variable payload. The displacement unit forms a chamber with the guide element, the volume of which depends on a deflection of the displacement unit. The chamber can be charged with compressed air. permanent magnets and/or electromagnets are arranged on the displacement unit and/or on the guide element for vertical electrodynamic fine positioning.

5 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Positionierungssystems gemäß dem Stand der Technik. Mit diesem Positionierungssystem können eine Positionierung, eine Vermessung und eine Bearbeitung von Objekten mit einer Nanometerpräzision ausgeführt werden. Das Positionierungssystem ist als ein x-y-Tisch ausgebildet und umfasst Magnetspulen 01 und Permanentmagnete 02. Die Magnetspulen 01 und die Permanentmagnete 02 bilden einen Planarantrieb aus, welcher ein zu bewegendes Objekt (nicht gezeigt) in der Ebene bewegen kann. Die Position des bewegten Objektes (nicht gezeigt) kann berührungsfrei und nanometergenau mit Laserinterferometern 03 bestimmt werden. Das Positionierungssystem umfasst einen Stator 04 und einen beweglichen Läufer 06. Der Läufer 06 wird über eine aus drei Luftlagern 07 bestehende aerostatische Führung nahezu reibungsfrei gegenüber der ebenen Oberfläche des aus Granit bestehenden Stators 04 abgestützt. Dadurch kann sich der Läufer linear in die horizontalen Richtungen x und y sowie rotativ in die Richtung Φ_z frei bewegen. Im Betrieb wird die Bewegung in die Richtungen x, y und Φ_z aktiv geregelt. Die passive Bewegung in die Richtungen z, Φ_x und Φ_y wird durch die drei Luftlager 07 und somit hauptsächlich durch die Ebenheit der durch den Stator 04 gebildeten Granitbasis definiert. Die Magnetspulen 01 sind als Flachspulen ausgebildet, welche fest auf dem Stator 04 angeordnet sind. Aus der Kombination von drei durch die Magnetspulen 01 und die Permanentmagnete 02 gebildeten Linearantrieben ergibt sich ein Direktantriebssystem. Die drei Linearantriebe bestehen jeweils aus einem Paar der Magnetspulen 01 und einer entsprechenden Anordnung der Permanentmagnete 02 auf einer Unterseite des Läufers 06. Dadurch sind drei einzelne elektromagnetische Antriebskräfte erzeugbar, welche gleichzeitig auf den Läufer 06 einwirken und in eine beliebig gerichtete horizontale Antriebskraft, welche den Läufer 06 in die Richtungen x und y bewegt, und in ein Drehmoment um die z-Achse zur Steuerung der Drehung Φ_z resultieren. Zur Messung von Wegen und Winkeln können die Laserinterferometer 03 genutzt werden. Hierfür wird mit den Laserinterferometern 03 jeweils ein Abstand zu Planspiegeln 08 am Läufer 06 gemessen, sodass ein Feedbacksignal für x-, y- und Φ_z-Regelkreise (nicht gezeigt) zur Verfügung gestellt werden kann. Die Planspiegel 08 sind in der gleichen Größe wie der beabsichtigte Fahrbereich ausgeführt und fest mit dem Läufer 06 verbunden. Aufgrund des planaren Antriebsprinzips ergibt sich eine einfache und steife kinematische Struktur, die zusammen mit den reibungsfreien Luftlagern 07 eine nanometermetergenaue Positionierung ermöglicht. 5 FIG. 12 shows an exploded view of a positioning system according to the prior art. With this positioning system, positioning, measurement, and processing of objects can be performed with nanometer precision. The positioning system is designed as an xy table and includes magnetic coils 01 and permanent magnets 02. The magnetic coils 01 and the permanent magnets 02 form a planar drive which can move an object to be moved (not shown) in the plane. The position of the moving object (not shown) can be determined contact-free and with nanometer precision using laser interferometers 03. The positioning system comprises a stator 04 and a movable runner 06. The runner 06 is supported by an aerostatic guide consisting of three air bearings 07 with almost no friction relative to the flat surface of the stator 04, which is made of granite. As a result, the runner can move freely linearly in the horizontal directions x and y and rotationally in the direction Φ _z . During operation, the movement in the directions x, y and Φ _z is actively controlled. The passive movement in the directions z, Φ _x and Φ _y is defined by the three air bearings 07 and thus mainly by the flatness of the granite base formed by the stator 04. The magnet coils 01 are in the form of flat coils which are fixedly arranged on the stator 04 . The combination of three linear drives formed by the magnetic coils 01 and the permanent magnets 02 results in a direct drive system. The three linear drives each consist of a pair of magnetic coils 01 and a corresponding arrangement of permanent magnets 02 on the underside of rotor 06. This means that three individual electromagnetic drive forces can be generated, which act simultaneously on rotor 06 and result in a horizontal drive force directed in any direction, which Slider 06 is moved in the x and y directions, resulting in a torque about the z axis to control rotation Φ _z . The laser interferometer 03 can be used to measure distances and angles. For this purpose, a distance from the plane mirrors 08 on the rotor 06 is measured with the laser interferometers 03, so that a feedback signal for x, y and Φ _z control circuits (not shown) can be made available. The plane mirrors 08 are designed to be the same size as the intended driving area and are firmly connected to the runner 06. The planar drive principle results in a simple and rigid kinematic structure which, together with the friction-free air bearings 07, enables nanometer-precise positioning.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, ein Positionierungssystem und ein Verfahren zu dessen Betrieb zur Verfügung zu stellen, welche eine nanometergenaue Positionierung eines Objektes zur Vermessung, Kalibrierung und/oder Manipulation bzw. eine Bearbeitung des Objektes in allen drei Raumrichtungen ermöglichen, wobei ein Anheben des Objektes von beispielsweise mehr als 20 mm nicht zu einer erhöhten Verlustleistung und auch nicht zu anderen Veränderungen der Antriebseigenschaften der horizontalen Antriebe führen soll.Based on the prior art, the object of the present invention is to provide a positioning system and a method for its operation, which position an object with nanometer precision for measuring, calibrating and/or manipulating or processing the object in all three spatial directions allow, with a lifting of the object of, for example, more than 20 mm should not lead to increased power loss and not to other changes in the drive properties of the horizontal drives.

Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Positionierungssystem gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10. Said object is achieved by a positioning system according to appended claim 1 and by a method according to appended independent claim 10.

Das erfindungsgemäße Positionierungssystem dient zu einer in mindestens drei Dimensionen erfolgenden Positionierung eines Objektes. Die Positionierungen umfassen zumindest Translationen in die drei Raumrichtungen und bevorzugt auch Rotationen um die drei Raumrichtungen. Insoweit ist das Positionierungssystem bevorzugt zur sechsdimensionalen Positionierung des Objektes ausgebildet. Das Positionierungssystem ist bevorzugt für eine nanometergenaue Positionierung im Millimeterbereich ausgebildet. Bei dem Positionierungssystem handelt es sich bevorzugt um einen elektrodynamischen Präzisionsantrieb. Bei dem Objekt handelt es sich bevorzugt um ein Stufenhöhennormal, einen periodischen Standard zur Kalibrierung, ein Mikrobauteil, ein optisches Filterelement, ein planes optisches Bauelement, einen gekrümmten Spiegel, eine optische Linse, ein Linsenarray, eine Fresnel-Linse, eine Sphäre, eine Asphäre und/oder einen Wafer.The positioning system according to the invention serves to position an object in at least three dimensions. The positioning includes at least translations in the three spatial directions and preferably also rotations about the three spatial directions. In this respect, the positioning system is preferably designed for the six-dimensional positioning of the object. The positioning system is preferably designed for nanometer-precise positioning in the millimeter range. The positioning system is preferably an electrodynamic precision drive. The object is preferably a step height standard, a periodic standard for calibration, a microcomponent, an optical filter element, a planar optical component, a curved mirror, an optical lens, a lens array, a Fresnel lens, a sphere, an asphere and/or a wafer.

Das Positionierungssystem umfasst einen in einer x-y-Ebene angeordneten Stator. Bei der x-y-Ebene handelt es sich bevorzugt um eine horizontale Ebene mit einer Richtung in einer x-Achse und mit einer Richtung in einer zu der x-Achse senkrechten y-Achse. Der Stator ist zumindest in einer zu der x-y-Ebene parallelen Ebene angeordnet. Der Stator umfasst bevorzugt eine Statorplatte, welche in der x-y-Ebene bzw. in einer zu der x-y-Ebene parallelen Ebene liegt. Der Stator trägt mittelbar elektrische Magnetspulen, die zum elektrodynamischen Antreiben des Läufers dienen und somit Antriebsspulen darstellen. Die Magnetspulen sind bevorzugt paarig vorhanden. Die Magnetspulen sind bevorzugt als Flachspulen ausgeführt und in der x-y-Ebene bzw. in einer zu der x-y-Ebene parallelen Ebene verteilt angeordnet.The positioning system includes a stator arranged in an x-y plane. The x-y plane is preferably a horizontal plane having a direction in an x-axis and having a direction in a y-axis perpendicular to the x-axis. The stator is arranged at least in a plane parallel to the x-y plane. The stator preferably comprises a stator plate which lies in the x-y plane or in a plane parallel to the x-y plane. The stator indirectly carries electric magnet coils, which are used to drive the rotor electrodynamically and thus represent drive coils. The magnetic coils are preferably present in pairs. The magnetic coils are preferably in the form of flat coils and are distributed in the xy plane or in a plane parallel to the xy plane.

Über dem Stator ist ein Läufer mit Permanentmagneten beweglich angeordnet, welcher dazu ausgebildet ist, das zu positionierende Objekt zu tragen. Durch eine Bewegung des Läufers kann das Objekt positioniert werden. Die Permanentmagnete sind bevorzugt fest am Läufer angebracht. Die Permanentmagnete sind bevorzugt an einer Unterseite des Läufers angeordnet. Durch eine Bestromung der Magnetspulen sind Kraftwirkungen auf die Permanentmagnete erzeugbar, um den Läufer in einer zu der x-y-Ebene parallelen Ebene zu bewegen. Die Magnetspulen und die Permanentmagnete bilden elektrodynamische Direktantriebe aus, um den Läufer in der x-Richtung und in der y-Richtung antreiben zu können. Die Magnetspulen und die Permanentmagnete bilden einen Planarantrieb aus.A rotor with permanent magnets is movably arranged above the stator and is designed to carry the object to be positioned. This can be done by moving the runner object to be positioned. The permanent magnets are preferably fixed to the rotor. The permanent magnets are preferably arranged on an underside of the rotor. By energizing the magnet coils, forces can be generated on the permanent magnets in order to move the rotor in a plane parallel to the xy plane. The magnetic coils and the permanent magnets form electrodynamic direct drives in order to be able to drive the rotor in the x-direction and in the y-direction. The magnetic coils and the permanent magnets form a planar drive.

Das Positionierungssystem umfasst zudem mindestens einen auf dem Stator sitzenden Positionierungsaktor zum Positionieren des Läufers in einer zu der x-y-Ebene senkrechten z-Richtung. Während die Magnetspulen und die Permanentmagnete zum Bewegen des Läufers in der horizontalen x-y-Ebene dienen, dient der mindestens eine Positionierungsaktor zum Bewegen des Läufers in der vertikalen z-Richtung. Somit dient der Positionierungsaktor zum Heben und Senken des Läufers. Mit dem mindestens einen Positionierungsaktor ist eine in der z-Richtung ausgerichtete Kraft zwischen dem Stator und dem Läufer erzeugbar, um den Läufer in der z-Richtung zu positionieren.The positioning system also includes at least one positioning actuator seated on the stator for positioning the rotor in a z-direction perpendicular to the x-y plane. While the magnetic coils and the permanent magnets are used to move the runner in the horizontal x-y plane, the at least one positioning actuator is used to move the runner in the vertical z-direction. The positioning actuator is thus used to raise and lower the runner. With the at least one positioning actuator, a force aligned in the z-direction can be generated between the stator and the runner in order to position the runner in the z-direction.

Erfindungsgemäß umfasst das Positionierungssystem weiterhin mindestens einen auf dem Stator sitzenden Magnetspulenaktor zum Positionieren der Magnetspulen in der z-Richtung. Der mindestens eine Magnetspulenaktor dient also zum Heben und Senken der Magnetspulen. Mit dem mindestens einen Magnetspulenaktor ist eine in der z-Richtung ausgerichtete Kraft zwischen dem Stator und den Magnetspulen erzeugbar, um die Magnetspulen in der z-Richtung zu positionieren.According to the invention, the positioning system also includes at least one magnetic coil actuator seated on the stator for positioning the magnetic coils in the z-direction. The at least one magnet coil actuator is therefore used to raise and lower the magnet coils. With the at least one magnet coil actuator, a force aligned in the z-direction can be generated between the stator and the magnet coils in order to position the magnet coils in the z-direction.

Ein besonderer Vorteil des Positionierungssystems besteht darin, dass, wenn der Läufer durch den Positionierungsaktor angehoben wird, der Luftspalt zwischen den Magnetspulen und den Permanentmagneten dennoch konstant klein gehalten werden kann, da durch den Magnetspulenaktor auch die Magnetspulen angehoben werden können. Da auf diese Weise das Vergrößern des Luftspaltes zwischen den Magnetspulen und den Permanentmagneten verhindert wird, bedarf es keiner größeren Ströme in den Magnetspulen, um den Läufer in der x-y-Ebene bzw. in einer zu der x-y-Ebene parallelen Ebene zu bewegen. Entsprechend steigen die elektrische Verlustleistung und die daraus resultierende thermische Belastung durch das Heben des Läufers nicht an. Somit können auch translatorische Bewegungen in der z-Richtung von beispielsweise mehr als 10 mm oder sogar mehr als 25 mm ausgeführt werden, welche bei den Lösungen gemäß dem Stand der Technik zu einem mindestens fünffach höheren Leistungsbedarf für die Positionierung des Läufers in der x-y-Ebene führen.A particular advantage of the positioning system is that when the rotor is lifted by the positioning actuator, the air gap between the magnet coils and the permanent magnets can still be kept constantly small, since the magnet coils can also be lifted by the magnet coil actuator. Since this prevents the air gap between the magnetic coils and the permanent magnets from increasing, larger currents in the magnetic coils are not required to move the rotor in the x-y plane or in a plane parallel to the x-y plane. Accordingly, the electrical power loss and the resulting thermal load do not increase when the rotor is lifted. Thus, translational movements in the z-direction of, for example, more than 10 mm or even more than 25 mm can be performed, which in the solutions according to the prior art lead to at least five times the power requirement for positioning the runner in the x-y plane to lead.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des Positionierungssystems sind die Magnetspulen gemeinsam auf einem Magnetspulenträger angeordnet. Der Magnetspulenträger ist bevorzugt durch eine Platte, eine Halterung oder eine Trägerplatte gebildet. Die Magnetspulen sind in ihrer Anordnung auf dem Magnetspulenträger bevorzugt in mehrere Gruppen aufgeteilt. Die Gruppen sind bevorzugt um eine mittlere in der z-Richtung ausgerichtete Achse des Magnetspulenträgers herum gleich verteilt angeordnet. Die Gruppen umfassen bevorzugt jeweils eine gleiche Anzahl der Magnetspulen. Diese Anzahl beträgt bevorzugt zwei, sodass die Magnetspulen paarig aufgeteilt sind. Die Anzahl der Gruppen beträgt bevorzugt genau drei und alternativ bevorzugt mehr als drei. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform weist das Positionierungssystem genau einen Magnetspulenaktor auf. Dieser eine Magnetspulenaktor ist in einer mittleren in der z-Richtung ausgerichteten Achse des Magnetspulenträgers angeordnet. Dieser Magnetspulenaktor wirkt somit auf den Massenschwerpunkt des Magnetspulenträgers mit den darauf angeordneten Magnetspulen. In einer zweiten Ausführungsform weist das Positionierungssystem mehrere der Magnetspulenaktoren auf. Diese mehreren Magnetspulenaktoren sind um eine mittlere in der z-Richtung ausgerichtete Achse des Magnetspulenträgers herum gleich verteilt angeordnet. Dabei sind die mehreren Magnetspulenaktoren bevorzugt an einem Außenumfang des Magnetspulenträgers angeordnet. Die Anzahl der Magnetspulenaktoren beträgt bevorzugt genau drei und alternativ bevorzugt mehr als drei. Bei dieser Ausführungsform kann der Magnetspulenträger um die x-Achse und/oder um die y-Achse geneigt werden, indem die Magnetspulenaktoren den Magnetspulenträger unterschiedlich hoch anheben bzw. senken. Bei dieser Ausführungsform sind die Magnetspulenaktoren bevorzugt über Gelenke mit dem Magnetspulenträger und mit dem Stator verbunden.In preferred embodiments of the positioning system, the magnet coils are arranged together on a magnet coil carrier. The magnet coil carrier is preferably formed by a plate, a holder or a carrier plate. The magnet coils are preferably divided into several groups in their arrangement on the magnet coil carrier. The groups are preferably arranged in an evenly distributed manner around a central axis of the magnet coil support oriented in the z-direction. The groups preferably each include the same number of magnet coils. This number is preferably two, so that the magnetic coils are divided into pairs. The number of groups is preferably exactly three and alternatively preferably more than three. In a first preferred embodiment, the positioning system has precisely one magnetic coil actuator. This one magnet coil actuator is arranged in a central axis of the magnet coil carrier, which axis is aligned in the z-direction. This magnet coil actuator thus acts on the center of mass of the magnet coil carrier with the magnet coils arranged on it. In a second embodiment, the positioning system has several of the magnetic coil actuators. These several magnet coil actuators are arranged in a uniformly distributed manner around a central axis of the magnet coil carrier, which axis is aligned in the z-direction. In this case, the plurality of magnet coil actuators are preferably arranged on an outer circumference of the magnet coil carrier. The number of magnetic coil actuators is preferably exactly three and alternatively preferably more than three. In this embodiment, the magnetic coil support can be inclined about the x-axis and/or about the y-axis by the magnetic coil actuators raising or lowering the magnetic coil support to different heights. In this embodiment, the magnet coil actuators are preferably connected to the magnet coil support and to the stator via joints.

Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen sind die Magnetspulen in mehrere Gruppen aufgeteilt. Die Gruppen umfassen bevorzugt jeweils eine gleiche Anzahl der Magnetspulen. Diese Anzahl beträgt bevorzugt zwei, sodass die Magnetspulen paarig aufgeteilt sind. Die Anzahl der Gruppen beträgt bevorzugt genau drei und alternativ bevorzugt mehr als drei. Die Gruppen der Magnetspulen sind bevorzugt jeweils auf einem Magnetspulenträger angeordnet. Die Magnetspulenträger sind bevorzugt jeweils durch eine Platte, eine Halterung oder eine Trägerplatte gebildet. Das Positionierungssystem umfasst bevorzugt mehrere der Magnetspulenaktoren. Die Magnetspulenträger sind jeweils mit mindestens einem der Magnetspulenaktoren aktuierbar. Die Magnetspulenträger sind bevorzugt jeweils mit genau einem der Magnetspulenaktoren aktuierbar. Der jeweilige Magnetspulenaktor ist bevorzugt in einer mittleren in der z-Richtung ausgerichteten Achse des jeweiligen Magnetspulenträgers angeordnet.In alternatively preferred embodiments, the magnetic coils are divided into several groups. The groups preferably each include the same number of magnet coils. This number is preferably two, so that the magnetic coils are divided into pairs. The number of groups is preferably exactly three and alternatively preferably more than three. The groups of magnet coils are preferably each arranged on a magnet coil carrier. The magnet coil carriers are preferably each formed by a plate, a holder or a carrier plate. The positioning system preferably includes several of the magnetic coil actuators. The magnet coil supports can each be actuated with at least one of the magnet coil actuators. The magnet coil carriers are preferred respectively can be actuated with exactly one of the magnet coil actuators. The respective magnet coil actuator is preferably arranged in a central axis of the respective magnet coil carrier, which axis is aligned in the z-direction.

Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen ist der eine Magnetspulenträger bzw. sind die mehreren Magnetspulenträger jeweils in mindestens einer linearen mechanischen Führung, beispielsweise in mindestens einer linearen aerostatischen Führung gegenüber dem Stator in der z-Richtung geführt. Die eine Führung bzw. die mehreren Führungen führen den einen Magnetspulenträger bzw. die mehreren Magnetspulenträger für die Bewegung in der z-Richtung. Die eine Führung bzw. die mehreren Führungen weisen bevorzugt eine hohe Steifigkeit in der horizontalen Ebene, d. h. in der x-Richtung und in der y-Richtung auf. Daher lässt die eine Führung bzw. lassen die mehreren Führungen eine maximale translatorische Bewegung des Magnetspulenträgers bzw. der Magnetspulenträger in die x-Richtung und/oder in die y-Richtung gegenüber dem Stator zu, welche bevorzugt höchstens 10 µm und weiter bevorzugt höchstens 1 µm beträgt; insbesondere wenn eine maximale Antriebskraft durch eine Bestromung der Magnetspulen auf die Permanentmagnete wirkt.In alternatively preferred embodiments, the one magnet coil carrier or the several magnet coil carriers are each guided in at least one linear mechanical guide, for example in at least one linear aerostatic guide relative to the stator in the z-direction. The one guide or the multiple guides guide the one magnet coil carrier or the multiple magnet coil carriers for the movement in the z-direction. The one or more guides preferably have a high rigidity in the horizontal plane, i. H. in the x-direction and in the y-direction. Therefore, the one guide or the multiple guides allow a maximum translational movement of the magnet coil carrier or magnet coil carriers in the x-direction and/or in the y-direction relative to the stator, which is preferably at most 10 μm and more preferably at most 1 μm amounts to; in particular when a maximum driving force acts on the permanent magnets by energizing the magnetic coils.

Die eine lineare Führung bzw. die mehreren linearen Führungen sind bevorzugt jeweils durch eine lineare aerostatische Führung oder durch eine lineare Wälzlagerführung gebildet. Es sind aber auch andere Ausführungen der linearen Führungen möglich, insofern sie eine ausreichende Steifigkeit in der horizontalen Ebene ermöglichen.The one linear guide or the plurality of linear guides are preferably each formed by a linear aerostatic guide or by a linear roller bearing guide. However, other versions of the linear guides are also possible, insofar as they allow sufficient rigidity in the horizontal plane.

Die eine lineare Führung ist bevorzugt in einer mittleren in der z-Richtung ausgerichteten Achse des Magnetspulenträgers angeordnet. Dies ist ebenso der Fall, wenn mehrere der linearen Führungen vorhanden sind. Dann ist bevorzugt jeweils eine der linearen Führungen in einer mittleren in der z-Richtung ausgerichteten Achse des jeweiligen Magnetspulenträgers angeordnet.The one linear guide is preferably arranged in a central axis of the magnet coil carrier, which axis is aligned in the z-direction. This is also the case when there are several of the linear guides. One of the linear guides is then preferably arranged in a central axis of the respective magnet coil carrier, which axis is aligned in the z-direction.

Wenn mehrere der linearen Führungen vorhanden sind, sind diese bevorzugt um eine mittlere in der z-Richtung ausgerichtete Achse des Magnetspulenträgers herum gleich verteilt angeordnet.If several of the linear guides are present, these are preferably arranged in an evenly distributed manner around a central axis of the magnet coil support oriented in the z-direction.

Wenn mehrere der Magnetspulenträger vorhanden sind, sind diese bevorzugt jeweils durch eine der linearen Führungen linear geführt. Die jeweilige lineare Führung ist bevorzugt in einer mittleren in der z-Richtung ausgerichteten Achse des jeweiligen Magnetspulenträgers angeordnet.If several magnet coil carriers are present, they are each preferably linearly guided by one of the linear guides. The respective linear guide is preferably arranged in a central axis of the respective magnet coil support, which axis is aligned in the z-direction.

Der mindestens eine Magnetspulenaktor und die mindestens eine lineare Führung sind bevorzugt als eine mechanische Einheit ausgebildet. Jede dieser mechanischen Einheiten umfasst einen der Magnetspulenaktoren und eine der linearen Führungen.The at least one magnetic coil actuator and the at least one linear guide are preferably designed as a mechanical unit. Each of these mechanical units includes one of the solenoid actuators and one of the linear guides.

Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen ist der mindestens eine Magnetspulenaktor so aufgebaut, dass er die Funktion des linearen Führens des Magnetspulenträgers in der z-Achse bereits erfüllt, sodass es keiner zusätzlichen linearen Führung bedarf.In alternatively preferred embodiments, the at least one magnet coil actuator is constructed in such a way that it already fulfills the function of linearly guiding the magnet coil carrier in the z-axis, so that no additional linear guide is required.

Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der eine Magnetspulenaktor bzw. sind die mehreren Magnetspulenaktoren jeweils einerseits am Stator und andererseits am Magnetspulenträger befestigt, um den Magnetspulenträger gegenüber dem Stator in der z-Richtung bewegen zu können.In preferred embodiments, the one magnet coil actuator or the several magnet coil actuators are each fastened on the one hand to the stator and on the other hand to the magnet coil carrier in order to be able to move the magnet coil carrier in the z-direction relative to the stator.

Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der eine Magnetspulenaktor bzw. sind die mehreren Magnetspulenaktoren jeweils durch einen rotativen Motor mit einem Spindelgetriebe gebildet. Grundsätzlich sind aber auch andere Antriebsformen einsetzbar, insofern sie eine hohe Positioniergenauigkeit ermöglichen.In preferred embodiments, the one magnet coil actuator or the several magnet coil actuators are each formed by a rotary motor with a spindle gear. In principle, however, other forms of drive can also be used, insofar as they enable high positioning accuracy.

Die Magnetspulenaktoren bzw. die linearen Führungen sind bevorzugt so ausgeführt, dass sie keine parasitären magnetischen Wechselwirkungen mit den Permanentmagneten des Läufers verursachen. Die Magnetspulenaktoren bzw. die linearen Führungen bestehen entsprechend bevorzugt aus einem nicht ferromagnetischen Material oder weisen einen ausreichend großen Abstand zu den Permanentmagneten auf.The magnetic coil actuators or the linear guides are preferably designed in such a way that they do not cause any parasitic magnetic interactions with the permanent magnets of the rotor. Accordingly, the magnetic coil actuators or the linear guides preferably consist of a non-ferromagnetic material or are at a sufficiently large distance from the permanent magnets.

Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen sind die Magnetspulen so ausgebildet, dass es keines Magnetspulenträgers bedarf. In diesem Fall wirkt der mindestens eine Magnetspulenaktor und ggf. die lineare Führung unmittelbar auf die Magnetspulen.In alternatively preferred embodiments, the magnet coils are designed in such a way that no magnet coil carrier is required. In this case, the at least one magnetic coil actuator and possibly the linear guide act directly on the magnetic coils.

Die mehreren Magnetspulen sind bevorzugt gleich ausgeführt. Insofern die mehreren Magnetspulen in Gruppen, insbesondere in Paaren angeordnet sind, so sind die Gruppen, insbesondere die Paare bevorzugt gleich ausgeführt. Wenn mehrere der Magnetspulenträger vorhanden sind, sind diese bevorzugt gleich ausgeführt. Wenn mehrere der Magnetspulenaktoren vorhanden sind, sind diese bevorzugt gleich ausgeführt. Wenn mehrere der linearen Führungen vorhanden sind, sind diese bevorzugt gleich ausgeführt.The plurality of magnetic coils are preferably designed in the same way. Insofar as the plurality of magnetic coils are arranged in groups, in particular in pairs, the groups, in particular the pairs, are preferably of the same design. If there are several magnet coil carriers, they are preferably of the same design. If several of the magnetic coil actuators are present, they are preferably of the same design. If several of the linear guides are present, they are preferably of the same design.

Bevorzugte Ausführungsformen des Positionierungssystems umfassen einen ersten Abstandssensor zur Messung einer Position des Läufers in der x-Richtung. Der erste Abstandssensor ist bevorzugt fest mit dem Stator verbunden. Der erste Abstandssensor ist auf den Läufer gerichtet. Bevorzugte Ausführungsformen des Positionierungssystems umfassen weiterhin einen zweiten Abstandssensor zur Messung einer Position des Läufers in der y-Richtung. Der zweite Abstandssensor ist bevorzugt fest mit dem Stator verbunden. Der zweite Abstandssensor ist auf den Läufer gerichtet.Preferred embodiments of the positioning system include a first distance sensor for measuring a position of the runner in the x-direction. The first distance sensor is preferably permanently connected to the stator. Of the first distance sensor is aimed at the runner. Preferred embodiments of the positioning system also include a second distance sensor for measuring a position of the runner in the y-direction. The second distance sensor is preferably permanently connected to the stator. The second distance sensor is aimed at the runner.

Bevorzugte Ausführungsformen des Positionierungssystems umfassen weiterhin einen dritten Abstandssensor zur Messung einer Position des Läufers in der z-Richtung. Der dritte Abstandssensor ist bevorzugt fest mit dem Stator verbunden. Der dritte Abstandssensor ist auf den Läufer gerichtet.Preferred embodiments of the positioning system also include a third distance sensor for measuring a position of the runner in the z-direction. The third distance sensor is preferably permanently connected to the stator. The third distance sensor is aimed at the runner.

Die Abstandssensoren sind bevorzugt jeweils durch einen optischen Abstandssensor gebildet. Die Abstandssensoren sind besonders bevorzugt jeweils durch ein Laserinterferometer gebildet. Grundsätzlich können die Abstandssensoren auch auf anderen Messprinzipien beruhen, insofern diese eine ausreichende Messgenauigkeit erlauben.The distance sensors are preferably each formed by an optical distance sensor. The distance sensors are particularly preferably each formed by a laser interferometer. In principle, the distance sensors can also be based on other measuring principles, insofar as these allow sufficient measuring accuracy.

Der erste Abstandssensor ist bevorzugt auf ein erstes abzutastendes Element am Läufer gerichtet. Eine Verbindungslinie zwischen dem ersten Abstandssensor und dem ersten abzutastenden Element liegt bevorzugt in der x-Richtung. Der zweite Abstandssensor ist bevorzugt auf ein zweites abzutastendes Element am Läufer gerichtet. Eine Verbindungslinie zwischen dem zweiten Abstandssensor und dem zweiten abzutastenden Element liegt bevorzugt in der y-Richtung. Der dritte Abstandssensor ist bevorzugt auf ein drittes abzutastendes Element am Läufer gerichtet. Eine Verbindungslinie zwischen dem dritten Abstandssensor und dem dritten abzutastenden Element liegt bevorzugt in der z-Richtung. Insofern die Abstandssensoren durch Laserinterferometer gebildet sind, so liegen Messstrahlen der Laserinterferometer bevorzugt jeweils auf der jeweiligen Verbindungslinie. Diese Messstrahlen sind durch Laserstrahlen gebildet.The first distance sensor is preferably aimed at a first element to be scanned on the runner. A connecting line between the first distance sensor and the first element to be scanned preferably lies in the x-direction. The second distance sensor is preferably aimed at a second element to be scanned on the runner. A connecting line between the second distance sensor and the second element to be scanned preferably lies in the y-direction. The third distance sensor is preferably aimed at a third element to be scanned on the runner. A connecting line between the third distance sensor and the third element to be scanned preferably lies in the z-direction. Insofar as the distance sensors are formed by laser interferometers, the measuring beams of the laser interferometers are preferably each on the respective connecting line. These measuring beams are formed by laser beams.

Die abzutastenden Elemente sind bevorzugt jeweils durch eine Spiegelfläche gebildet, auf welche der jeweilige Abstandssensor, insbesondere in einer Ausführungsform als optischer Abstandssensor wie ein Laserinterferometer, gerichtet ist.The elements to be scanned are preferably each formed by a mirror surface onto which the respective distance sensor, in particular in an embodiment as an optical distance sensor such as a laser interferometer, is directed.

Das bevorzugt durch eine erste Spiegelfläche gebildete erste abzutastende Element liegt bevorzugt in einer Ebene, welche in der y-Richtung und der z-Richtung liegt. Das bevorzugt durch eine zweite Spiegelfläche gebildete zweite abzutastende Element liegt bevorzugt in einer Ebene, welche in der x-Richtung und der z-Richtung liegt. Das bevorzugt durch eine dritte Spiegelfläche gebildete dritte abzutastende Element liegt bevorzugt in einer Ebene, welche in der x-Richtung und der y-Richtung liegt. Die Anordnung der bevorzugt durch die Spiegelflächen gebildeten abzutastenden Elemente in den genannten Ebenen erlaubt eine genaue Messung der Positionen in der jeweiligen der drei Richtungen unabhängig von der aktuellen Verschiebung des Läufers in den beiden jeweils anderen Richtungen.The first element to be scanned, which is preferably formed by a first mirror surface, preferably lies in a plane which lies in the y-direction and the z-direction. The second element to be scanned, which is preferably formed by a second mirror surface, preferably lies in a plane which lies in the x-direction and the z-direction. The third element to be scanned, which is preferably formed by a third mirror surface, preferably lies in a plane which lies in the x-direction and the y-direction. The arrangement of the elements to be scanned, which are preferably formed by the mirror surfaces, in the said planes allows precise measurement of the positions in each of the three directions, independently of the current displacement of the runner in the other two directions.

Das bevorzugt durch eine erste Spiegelfläche gebildete erste abzutastende Element erstreckt sich in der y-Richtung bevorzugt mindestens so weit wie ein maximaler translatorischer Verfahrweg des Läufers in der y-Richtung. Das bevorzugt durch eine erste Spiegelfläche gebildete erste abzutastende Element erstreckt sich in der z-Richtung bevorzugt mindestens so weit wie ein maximaler translatorischer Verfahrweg des Läufers in der z-Richtung. Das bevorzugt durch eine zweite Spiegelfläche gebildete zweite abzutastende Element erstreckt sich in der x-Richtung bevorzugt mindestens so weit wie ein maximaler translatorischer Verfahrweg des Läufers in der x-Richtung. Das bevorzugt durch eine zweite Spiegelfläche gebildete zweite abzutastende Element erstreckt sich in der z-Richtung bevorzugt mindestens so weit wie ein maximaler translatorischer Verfahrweg des Läufers in der z-Richtung. Das bevorzugt durch eine dritte Spiegelfläche gebildete dritte abzutastende Element erstreckt sich in der x-Richtung bevorzugt mindestens so weit wie ein maximaler translatorischer Verfahrweg des Läufers in der x-Richtung. Das bevorzugt durch eine dritte Spiegelfläche gebildete dritte abzutastende Element erstreckt sich in der y-Richtung bevorzugt mindestens so weit wie ein maximaler translatorischer Verfahrweg des Läufers in der y-Richtung.The first element to be scanned, which is preferably formed by a first mirror surface, preferably extends in the y-direction at least as far as a maximum translatory travel path of the runner in the y-direction. The first element to be scanned, which is preferably formed by a first mirror surface, preferably extends in the z-direction at least as far as a maximum translatory travel path of the runner in the z-direction. The second element to be scanned, which is preferably formed by a second mirror surface, preferably extends in the x-direction at least as far as a maximum translatory travel path of the runner in the x-direction. The second element to be scanned, which is preferably formed by a second mirror surface, preferably extends in the z-direction at least as far as a maximum translatory travel path of the runner in the z-direction. The third element to be scanned, which is preferably formed by a third mirror surface, preferably extends in the x-direction at least as far as a maximum translatory travel path of the runner in the x-direction. The third element to be scanned, which is preferably formed by a third mirror surface, preferably extends in the y-direction at least as far as a maximum translatory travel path of the runner in the y-direction.

Bevorzugte Ausführungsformen des Positionierungssystems umfassen einen ersten Drehwinkelsensor zur Messung einer Rotation des Läufers um die x-Achse bzw. um eine zu der x-Achse parallele Achse. Der erste Drehwinkelsensor ist bevorzugt fest mit dem Stator verbunden. Der erste Drehwinkelsensor ist auf den Läufer gerichtet. Bevorzugte Ausführungsformen des Positionierungssystems umfassen weiterhin einen zweiten Drehwinkelsensor zur Messung einer Rotation des Läufers um die y-Achse bzw. um eine zu der y-Achse parallele Achse. Der zweite Drehwinkelsensor ist bevorzugt fest mit dem Stator verbunden. Der zweite Drehwinkelsensor ist auf den Läufer gerichtet. Bevorzugte Ausführungsformen des Positionierungssystems umfassen weiterhin einen dritten Drehwinkelsensor zur Messung einer Rotation des Läufers um die z-Achse bzw. um eine zu der z-Achse parallele Achse. Der dritte Drehwinkelsensor ist bevorzugt fest mit dem Stator verbunden. Der dritte Drehwinkelsensor ist auf den Läufer gerichtet.Preferred embodiments of the positioning system include a first rotation angle sensor for measuring a rotation of the rotor about the x-axis or about an axis parallel to the x-axis. The first angle of rotation sensor is preferably firmly connected to the stator. The first angle of rotation sensor is directed towards the runner. Preferred embodiments of the positioning system also include a second rotation angle sensor for measuring a rotation of the rotor about the y-axis or about an axis parallel to the y-axis. The second angle of rotation sensor is preferably firmly connected to the stator. The second angle of rotation sensor is aimed at the rotor. Preferred embodiments of the positioning system also include a third rotation angle sensor for measuring a rotation of the rotor about the z-axis or about an axis parallel to the z-axis. The third angle of rotation sensor is preferably firmly connected to the stator. The third angle of rotation sensor is aimed at the runner.

Der erste Abstandssensor, der zweite Abstandssensor und/oder der dritte Abstandssensor können so ausgeführt sein, dass sie auch den ersten Drehwinkelsensor, den zweiten Drehwinkelsensor und/oder den dritten Drehwinkelsensor bilden.The first distance sensor, the second distance sensor and / or the third distance sensor can be designed so that they also the first Form rotation angle sensor, the second rotation angle sensor and / or the third rotation angle sensor.

Bevorzugte Ausführungsformen des Positionierungssystems umfassen mindestens drei der Positionierungsaktoren. Die Positionierungsaktoren sind bevorzugt gleichverteilt um eine mittlere in der z-Richtung ausgerichtete Achse des Läufers angeordnet. Somit kann ein Kippen des Läufers beim Anheben des Läufers vermieden werden, wenn dies gewünscht ist. Bevorzugte Ausführungsformen des Positionierungssystems umfassen genau drei der Positionierungsaktoren; insbesondere wenn drei Paare der Magnetspulen vorhanden sind.Preferred embodiments of the positioning system include at least three of the positioning actuators. The positioning actuators are preferably arranged evenly distributed around a central axis of the runner oriented in the z-direction. Thus, tilting of the runner when lifting the runner can be avoided if this is desired. Preferred embodiments of the positioning system include exactly three of the positioning actuators; especially when there are three pairs of the magnetic coils.

Der mindestens eine Positionierungsaktor ist bevorzugt aerostatisch geführt ausgebildet. Derartige Aktoren werden auch als aerostatisch geführte Aktorsysteme (AFE) bezeichnet. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie ein nahezu leistungsloses Anheben des Läufers ermöglichen.The at least one positioning actuator is preferably designed to be aerostatically guided. Such actuators are also referred to as aerostatically guided actuator systems (AFE). They are characterized by the fact that they enable the runner to be lifted with almost no effort.

Der mindestens eine Positionierungsaktor weist bevorzugt eine entlang eines Führungselementes vertikal luftgeführt bewegliche Verschiebeeinheit auf. Die Verschiebeeinheit bildet mit dem Führungselement eine Kammer, deren Volumen von einer Auslenkung der Verschiebeeinheit abhängt. Die Kammer ist mit Druckluft beaufschlagbar. Vertikalantriebspermanentmagnete und/oder Vertikalantriebselektromagnete zum vertikalen, elektrodynamischen Positionieren sind an der Verschiebeeinheit und/oder an dem Führungselement angeordnet. Der mindestens eine Positionierungsaktor ist auch im Übrigen bevorzugt wie der in der DE 10 2005 030 161 A1 gezeigte Vertikalantrieb ausgeführt.The at least one positioning actuator preferably has a displacement unit that can be moved vertically along a guide element in an air-guided manner. The displacement unit forms a chamber with the guide element, the volume of which depends on a deflection of the displacement unit. The chamber can be charged with compressed air. Vertical drive permanent magnets and/or vertical drive electromagnets for vertical, electrodynamic positioning are arranged on the displacement unit and/or on the guide element. The at least one positioning actuator is also preferred in other respects like that in FIG DE 10 2005 030 161 A1 running shown vertical drive.

Der mindestens eine Positionierungsaktor ist bevorzugt einerseits am Stator und andererseits am Läufer befestigt, um den Läufer gegenüber dem Stator in der z-Richtung bewegen zu können.The at least one positioning actuator is preferably attached to the stator on the one hand and to the runner on the other hand, in order to be able to move the runner in the z-direction relative to the stator.

Bevorzugte Ausführungsformen des Positionierungssystems erlauben weite translatorische Verfahrwege in alle drei Raumrichtungen mit einer Genauigkeit im Nanometerbereich. Ein maximaler translatorischer Verfahrweg des Läufers in der x-Richtung beträgt bevorzugt mindestens 100 mm und besonders bevorzugt mindestens 200 mm. Ein maximaler translatorischer Verfahrweg des Läufers in der y-Richtung beträgt bevorzugt mindestens 100 mm und besonders bevorzugt mindestens 200 mm. Ein maximaler translatorischer Verfahrweg des Läufers in der z-Richtung beträgt bevorzugt mindestens etwa 2 mm, besonders bevorzugt mindestens 10 mm oder sogar mindestens 25 mm. Somit kann der Läufer deutlich höher als im Vergleich zum Stand der Technik angehoben werden, ohne dass die Positioniergenauigkeit abnimmt oder die Verlustleistung beim Bewegen des Läufers in einer zu der x-y-Ebene parallelen Ebene steigt.Preferred embodiments of the positioning system allow long translational displacement paths in all three spatial directions with an accuracy in the nanometer range. A maximum translational travel of the runner in the x-direction is preferably at least 100 mm and particularly preferably at least 200 mm. A maximum translational travel of the runner in the y-direction is preferably at least 100 mm and particularly preferably at least 200 mm. A maximum translational travel of the runner in the z-direction is preferably at least approximately 2 mm, particularly preferably at least 10 mm or even at least 25 mm. Thus, the runner can be lifted significantly higher than in the prior art without the positioning accuracy decreasing or the power dissipation increasing when moving the runner in a plane parallel to the x-y plane.

Das Positionierungssystem ist bevorzugt für eine nanometerpräzise Positionierung im Millimeterbereich ausgebildet. Entsprechend ist der Fehler der Positionierung des Läufers in den drei Raumrichtungen bevorzugt jeweils höchstens 10 nm und besonders bevorzugt höchstens 1 nm.The positioning system is preferably designed for nanometer-precise positioning in the millimeter range. Accordingly, the error in the positioning of the rotor in the three spatial directions is preferably at most 10 nm and particularly preferably at most 1 nm.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben des oben beschriebenen Positionierungssystems. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Positionierens des Läufers in der z-Richtung mit dem Positionierungsaktor. Es erfolgt zudem ein Betreiben des mindestens einen Magnetspulenaktors, um einen Abstand zwischen den Magnetspulen und den Permanentmagneten auf höchstens ein vordefiniertes Höchstmaß zu beschränken. Bei diesem Abstand handelt es sich um einen Luftspalt zwischen den Magnetspulen und den Permanentmagneten des Läufers. Würde der Magnetspulenaktor nicht betrieben werden, so würde der Luftspalt beim Heben des Läufers größer werden und es würde zu dem oben beschriebenen Anstieg der Verlustleistung beim Positionieren des Läufers in der x-y-Ebene kommen.The method according to the invention serves to operate the positioning system described above. The method includes a step of positioning the runner in the z-direction with the positioning actuator. In addition, the at least one magnet coil actuator is operated in order to restrict a distance between the magnet coils and the permanent magnets to a maximum predefined maximum. This distance is an air gap between the magnetic coils and the permanent magnets of the rotor. If the magnetic coil actuator were not operated, the air gap would increase when the rotor was lifted and the power loss would increase as described above when positioning the rotor in the x-y plane.

Das vordefinierte Höchstmaß beträgt bevorzugt höchstens 2 mm und besonders bevorzugt höchstens 1 mm.The predefined maximum dimension is preferably at most 2 mm and particularly preferably at most 1 mm.

Bevorzugt wird der Magnetspulenaktor so betrieben, dass die Magnetspulen und die Permanentmagneten nicht aufeinanderstoßen, während der Positionierungsaktor betrieben wird.The magnetic coil actuator is preferably operated in such a way that the magnetic coils and the permanent magnets do not collide while the positioning actuator is being operated.

Bevorzugt wird der Magnetspulenaktor so betrieben, dass der Abstand zwischen den Magnetspulen und den Permanentmagneten konstant bleibt, auch während der Läufer in Richtung der z-Achse mit dem Positionierungsaktor positioniert wird.The magnetic coil actuator is preferably operated in such a way that the distance between the magnetic coils and the permanent magnets remains constant, even while the runner is being positioned in the direction of the z-axis with the positioning actuator.

Das Positionieren des Läufers in der z-Richtung erfolgt bevorzugt so, dass bei einem Vermessen oder Bearbeiten des auf dem Läufer befindlichen Objektes das Abbesche Komparatorprinzip eingehalten wird. Hierdurch werden Kippfehler 1. Ordnung vermieden. Insofern Laserinterferometer als Abstandssensoren verwendet werden, treffen sich in diesem Fall die virtuell verlängerten Messstrahlen der drei Laserinterferometer in einem Abtast- bzw. Bearbeitungspunkt auf dem Objekt. Hierdurch kann auch bei einer Vermessung des Objektes das Abbesche Komparatorprinzip eingehalten werden.The positioning of the runner in the z-direction is preferably carried out in such a way that the Abbe comparator principle is observed when the object located on the runner is measured or processed. This avoids tilting errors of the first order. Insofar as laser interferometers are used as distance sensors, in this case the virtually extended measuring beams of the three laser interferometers meet at a scanning or processing point on the object. As a result, Abbe's comparator principle can also be observed when measuring the object.

Das Verfahren umfasst bevorzugt auch einen Schritt, in welchem der Läufer durch ein Bestromen der Magnetspulen in der x-Richtung und/oder in der y-Richtung positioniert wird.The method preferably also includes a step in which the runner is positioned by energizing the magnetic coils in the x-direction and/or in the y-direction.

Das Verfahren dient bevorzugt zum Betreiben einer der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des Positionierungssystems. Das Verfahren umfasst bevorzugt auch Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Positionierungssystem angegeben sind.The method preferably serves to operate one of the preferred embodiments of the positioning system described above. The method preferably also includes features that are specified in connection with the positioning system.

Weitere Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

1: eine abstrahierte Darstellung von Magnetspulen und Magnetspulenaktoren einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Positionierungssystems;
2: eine abstrahierte Darstellung von Magnetspulen und Magnetspulenaktoren einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Positionierungssystems;
3: eine abstrahierte Darstellung von Magnetspulen und eines Magnetspulenaktors einer dritten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Positionierungssystems;
4: eine abstrahierte Darstellung von Magnetspulen und eines Magnetspulenaktors einer vierten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Positionierungssystems; und
5: eine Explosionsdarstellung eines Positionierungssystems gemäß dem Stand der Technik.

Further details and developments of the invention result from the following description of preferred embodiments of the invention, with reference to the drawing. Show it:

1 : an abstract representation of magnetic coils and magnetic coil actuators of a first preferred embodiment of a positioning system according to the invention;
2 : an abstract representation of magnetic coils and magnetic coil actuators of a second preferred embodiment of the positioning system according to the invention;
3 : an abstract representation of magnetic coils and a magnetic coil actuator of a third preferred embodiment of the positioning system according to the invention;
4 : an abstract representation of magnetic coils and a magnetic coil actuator of a fourth preferred embodiment of the positioning system according to the invention; and
5 : an exploded view of a positioning system according to the prior art.

1 zeigt eine abstrahierte Darstellung von Magnetspulen 01 und Magnetspulenaktoren 11 einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Positionierungssystems. Das Positionierungssystem umfasst zudem die in 5 gezeigten Komponenten; nämlich den Stator 04, den Läufer 06 mit den Permanentmagneten 02 und den Planspiegeln 08 sowie die Interferometer 03. Ein Unterschied besteht darin, dass die in 5 gezeigten Luftlager 07 bei der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Positionierungssystems nicht lediglich als Luftlager sondern als aerostatisch geführte Positionierungsaktoren (nicht gezeigt) zum Positionieren des Läufers 06 (gezeigt in 5) in der z-Richtung ausgebildet sind. 1 shows an abstracted representation of magnetic coils 01 and magnetic coil actuators 11 of a first preferred embodiment of a positioning system according to the invention. The positioning system also includes the in 5 components shown; namely the stator 04, the rotor 06 with the permanent magnets 02 and the plane mirrors 08 as well as the interferometer 03. One difference is that the in 5 In the preferred embodiment of the positioning system according to the invention described here, the air bearings 07 shown are not just air bearings but also aerostatically guided positioning actuators (not shown) for positioning rotor 06 (shown in 5 ) are formed in the z-direction.

Das Positionierungssystem umfasst sechs der Magnetspulen 01, die paarig auf jeweils einem Magnetspulenträger 12 angeordnet sind. Jeder der Magnetspulenträger 12 wird durch einen der symbolisch dargestellten Magnetspulenaktoren 11 abgestützt, sodass der jeweilige Magnetspulenträger 12 mit den darauf angeordneten Magnetspulen 01 durch den jeweiligen Magnetspulenaktor 11 in die z-Richtung verschoben werden kann. Somit können die Magnetspulenträger 12 mit den darauf angeordneten Magnetspulen 01 einzeln durch die Magnetspulenaktoren 11 angehoben und abgesenkt werden.The positioning system comprises six of the magnetic coils 01, which are arranged in pairs on a respective magnetic coil carrier 12. Each of the magnet coil carriers 12 is supported by one of the magnet coil actuators 11 shown symbolically, so that the respective magnet coil carrier 12 with the magnet coils 01 arranged thereon can be displaced in the z-direction by the respective magnet coil actuator 11 . The magnet coil carriers 12 with the magnet coils 01 arranged thereon can thus be raised and lowered individually by the magnet coil actuators 11 .

Jeder der Magnetspulenaktoren 11 umfasst einen Motor 13 und ein Spindelgetriebe 14. Die Magnetspulenaktoren 11 sitzen auf dem Stator 04 (gezeigt in 5).Each of the magnetic coil actuators 11 comprises a motor 13 and a spindle gear 14. The magnetic coil actuators 11 are seated on the stator 04 (shown in 5 ).

Jeder der Magnetspulenträger 12 wird in einer vertikalen Linearführung 16 geführt. Die vertikalen Linearführungen 16 sind ebenfalls symbolisch dargestellt.Each of the magnet coil supports 12 is guided in a vertical linear guide 16 . The vertical linear guides 16 are also shown symbolically.

2 zeigt eine abstrahierte Darstellung der Magnetspulen 01 und der Magnetspulenaktoren 11 einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Positionierungssystems. Diese zweite Ausführungsform gleicht zunächst der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform sitzen die drei Paare der Magnetspulen 01 gemeinsam auf dem einzigen Magnetspulenträger 12. Die drei Magnetspulenaktoren 11 greifen den Magnetspulenträger 12 auf einem äußeren Umfang des Magnetspulenträgers 12 an. Die Magnetspulenaktoren 11 bilden jeweils mit der jeweiligen vertikalen Linearführung 16 eine Einheit, welche über Gelenke 17 mit dem Magnetspulenträger 12 und bis auf eine Ausnahme mit dem Stator 04 (gezeigt in 5) verbunden ist. Dadurch kann der Magnetspulenträger 12 mit den darauf angeordneten Magnetspulen 01 geneigt werden, wofür die Magnetspulenaktoren 11 unterschiedlich anzutreiben sind. Die drei durch die Magnetspulenaktoren 11 und vertikalen Linearführungen 16 gebildeten Einheiten sind um den äußeren Umfang des Magnetspulenträgers 12 gleich verteilt angeordnet; nämlich unter jeweils einem der Paare der Magnetspulen 01. 2 shows an abstracted representation of the magnetic coils 01 and the magnetic coil actuators 11 of a second preferred embodiment of the positioning system according to the invention. This second embodiment is initially similar to that in 1 shown first embodiment. In contrast to the first embodiment, the three pairs of magnet coils 01 sit together on the single magnet coil carrier 12. The three magnet coil actuators 11 engage the magnet coil carrier 12 on an outer circumference of the magnet coil carrier 12. The magnetic coil actuators 11 each form a unit with the respective vertical linear guide 16, which is connected via joints 17 to the magnetic coil carrier 12 and, with one exception, to the stator 04 (shown in 5 ) connected is. As a result, the magnet coil carrier 12 with the magnet coils 01 arranged thereon can be inclined, for which purpose the magnet coil actuators 11 have to be driven differently. The three units formed by the magnet coil actuators 11 and vertical linear guides 16 are distributed evenly around the outer circumference of the magnet coil carrier 12; namely under one of the pairs of magnetic coils 01.

3 zeigt eine abstrahierte Darstellung der Magnetspulen 01 und des Magnetspulenaktors 11 einer dritten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Positionierungssystems. Diese dritte Ausführungsform gleicht zunächst der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform. Im Unterschied zu der zweiten Ausführungsform sitzt der Magnetspulenträger 12 auf dem einzigen Magnetspulenaktor 11, welcher gemeinsam mit der einzigen vertikalen Linearführung 16 den Magnetspulenträger 12 in der Mitte des Magnetspulenträgers 12 angreift. Die aus dem Magnetspulenaktor 11 und der vertikalen Linearführung 16 gebildete Einheit greift unmittelbar ohne die Gelenke 17 (gezeigt in 2) am Magnetspulenträger 12 und am Stator 04 (gezeigt in 5) an. 3 shows an abstracted representation of the magnetic coils 01 and the magnetic coil actuator 11 of a third preferred embodiment of the positioning system according to the invention. This third embodiment is initially similar to that in 2 second embodiment shown. In contrast to the second embodiment, the magnetic coil carrier 12 sits on the single magnetic coil actuator 11 which, together with the single vertical linear guide 16, engages the magnetic coil carrier 12 in the middle of the magnetic coil carrier 12. The unit formed from the magnetic coil actuator 11 and the vertical linear guide 16 grips directly without the joints 17 (shown in 2 ) on the magnet coil carrier 12 and on the stator 04 (shown in 5 ) on.

4 zeigt eine abstrahierte Darstellung der Magnetspulen 01 und des Magnetspulenaktors 11 einer vierten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Positionierungssystems. Diese vierte Ausführungsform gleicht zunächst der in 3 gezeigten dritten Ausführungsform. Im Unterschied zu der dritten Ausführungsform sind drei der vertikalen Linearführungen 16 vorhanden, welche den Magnetspulenträger 12 an einem äußeren Umfang des Magnetspulenträgers 12 angreifen. Die drei vertikalen Linearführungen 16 sind um den äußeren Umfang des Magnetspulenträgers 12 gleich verteilt angeordnet; nämlich unter jeweils einem der Paare der Magnetspulen 01. 4 shows an abstracted representation of the magnetic coils 01 and the magnetic coil actuator 11 of a fourth preferred embodiment of the positioning system according to the invention. This fourth embodiment is initially similar to that in 3 shown third embodiment. In contrast to the third embodiment, three of the vertical linear guides 16 are present, which engage the magnet coil carrier 12 on an outer circumference of the magnet coil carrier 12 . The three vertical linear guides 16 are distributed evenly around the outer circumference of the magnet coil support 12; namely under one of the pairs of magnetic coils 01.

5 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Positionierungssystems gemäß dem Stand der Technik und ist bereits in der Beschreibungseinleitung näher beschrieben. 5 shows an exploded view of a positioning system according to the prior art and is already described in more detail in the introduction to the description.

BezugszeichenlisteReference List

0101: Magnetspulemagnetic coil
0202: Permanentmagnetpermanent magnet
0303: Laserinterferometerlaser interferometer
0404: Statorstator
0505: --
0606: Läuferrunner
0707: Luftlagerair bearing
0808: Planspiegelplane mirror
0909: --
1010: --
1111: MagnetspulenaktorSolenoid Actuator
1212: Magnetspulenträgermagnet coil carrier
1313: Motorengine
1414: Spindelgetriebespindle gear
1515: --
1616: vertikale Linearführungvertical linear guide
1717: Gelenkjoint

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 10054376 A1 [0002]
DE 102007037886 A1 [0003]
US5040431 [0004]
WO 0010242 A1 [0005]
DE 102005030161 A1 [0006, 0041]

Claims

Positioning system for at least three-dimensional positioning of an object; full: - A stator (04) arranged in an x-y plane, which indirectly carries electric magnet coils (01); - A rotor (06) with permanent magnets (02) arranged above the stator (04), it being possible for forces to be generated on the permanent magnets (02) by energizing the magnetic coils (01) in order to move the rotor (06) in one of the x-y position plane parallel plane; - at least one positioning actuator seated on the stator (04) for positioning the rotor (06) in a z-direction perpendicular to the x-y plane; and - At least one magnetic coil actuator (11) seated on the stator (04) for positioning the magnetic coils (01) in the z-direction.

positioning system claim 1 , characterized in that the magnetic coils (01) are arranged together on a magnetic coil carrier (12), the magnetic coil actuator (11) being arranged in a central axis of the magnetic coil carrier (12) aligned in the z-direction.

positioning system claim 1 , characterized in that the magnetic coils (01) are arranged together on a magnetic coil carrier (12), the positioning system comprising a plurality of the magnetic coil actuators (11) which are evenly distributed around a central axis of the magnetic coil carrier (12) aligned in the z-direction are arranged.

positioning system claim 1 , characterized in that the magnetic coils (01) are divided into several groups, wherein the groups of magnetic coils (01) are each arranged on a magnetic coil carrier (12), wherein the positioning system comprises a plurality of magnetic coil actuators (11), and wherein the magnetic coil carrier ( 12) can be actuated with at least one of the magnetic coil actuators (11).

Positioning system according to one of the claims 2 until 4 , characterized in that the one magnet coil carrier (12) or the plurality of magnet coil carriers (12) are guided in at least one linear guide (16) relative to the stator (04) in the z-direction.

positioning system claim 5 , characterized in that the linear guides (16) are arranged evenly distributed around a central axis of the magnetic coil support (12) aligned in the z-direction.

Positioning system according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the one magnetic coil actuator (11) or the plurality of magnetic coil actuators (11) are each formed by a rotary motor (13) with a spindle gear (14).

Positioning system according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that it comprises at least three of the positioning actuators, which are arranged evenly distributed around a central axis of the rotor (06) aligned in the z-direction.

Positioning system according to one of the Claims 1 until 8th , characterized in that a maximum travel path of the runner (06) in the z-direction is at least 10 mm.

Method for operating a positioning system according to one of Claims 1 until 9 , comprising the following steps: - positioning the runner (06) in the z-direction with the positioning actuator; and - operating the at least one magnetic coil actuator (11) in order to limit a distance between the magnetic coils (01) and the permanent magnets (02) to a predefined maximum.