DE19808738A1 - Contactless bearing and/or positioning device for precision product manufacture or measuring device - Google Patents

Contactless bearing and/or positioning device for precision product manufacture or measuring device

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    • F16C32/0438—Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part with a superconducting body, e.g. a body made of high temperature superconducting material such as YBaCuO

Abstract

The contactless bearing and/or positioning device uses a combination of superconductors and magnets, with at least 2 super conductive materials employed which have different characteristics within the working temperature range, e.g. bearing and vibration damping characteristics.

Description

Gegenstand der Anmeldung ist eine Vorrichtung zur berührungslosen Lagerung und/oder Positionierung von Gegenständen, Meßeinrichtungen, Fabrikationsaufbauten u. v. a. m.The application relates to a device for contactless storage and / or positioning of objects, measuring devices, Manufacturing structures u. v. a. m.

Eine berührungslose Lagerung bzw. Positionierung ist insbesondere in Anwendungsfällen von Bedeutung, in denen Abrieb, Verschleiß, Reibung oder Schwingung einen Einfluß z. B. auf die Qualität des Produktes oder die Genauigkeit bzw. Empfindlichkeit einer Meßvorrichtung haben.Non-contact storage or positioning is particularly important in Use cases of importance in which abrasion, wear, friction or Vibration an influence z. B. on the quality of the product or the Have accuracy or sensitivity of a measuring device.

Insbesondere die Herstellung von Präzisionsprodukten (z. B. Strukturierungen in der Halbleitertechnologie) und Präzisionsmessungen (z. B. optische Messungen, Elektronenmikroskopie, Wägungen) erfordern eine weitgehende Abkopplung von externen mechanischen Schwingungen sowohl bei stationärer Lagerung als auch bei Translationen. Bei translatorischen Prozessen ist bei Verwendung konventioneller, berührender Lager in diesem Zusammenhang der durch den Übergang von Haftreibung zu Gleitreibung hervorgerufene "slip-stick-Effekt" sehr bedeutend für die Präzision der Positionierung.In particular the manufacture of precision products (e.g. structuring in semiconductor technology) and precision measurements (e.g. optical measurements, Electron microscopy, weighing) require extensive decoupling of external mechanical vibrations both in stationary storage as well as translations. In translatory processes is in use conventional, touching bearing in this context by the Transition from static friction to sliding friction caused "slip-stick effect" very important for the precision of the positioning.

Berührungslos arbeitende Lager verschiedener Art haben aus diesen Gründen bereits Einzug in die Meß- und Fertigungstechnik gefunden. Diese Lager lassen sich nach ihrer Funktionsweise kategorisieren in:
Non-contact bearings of various types have already found their way into measurement and manufacturing technology for these reasons. These camps can be categorized into:

  • - Lager, welche auf der Verwendung eines Gasstroms beruhen- Bearings based on the use of a gas stream
  • - Lager, welche mittels elektromagnetischer Felder einen Schwebezustand herbeiführen.- Bearings, which are suspended by means of electromagnetic fields bring about.

Die Verwendung eines Gasstroms erfordert in der Regel einerseits eine Regelungstechnik, andererseits eine Reinigung des Gases insbesondere im Fall von Reinstraumanwendungen. Eine solche Lagerung ist nicht einsetzbar im Bereich der Vakuumtechnologie, welche in der Halbleiterfertigung eine zunehmende Bedeutung erlangt.The use of a gas stream generally requires one Control technology, on the other hand cleaning the gas, especially in the case of clean room applications. Such storage cannot be used in Area of vacuum technology, which in semiconductor manufacturing is becoming increasingly important.

Die elektromagnetische Lagerung/Positionierung ist inbesondere bekannt aus der Magnetschwebetechnik (z. B. Transrapid Magnetschwebebahn). Die wesentlichen Beschränkungen für eine derartige Lagerung liegen in der aufwendigen Regelungselektronik, welche zur Aufrechterhaltung des Schwebezustandes erforderlich ist, der Abstrahlung hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung sowie einem kontinuierlichen Energieverbrauch zur Aufrechterhaltung des Schwebezustandes.Electromagnetic storage / positioning is known in particular from magnetic levitation technology (e.g. Transrapid magnetic levitation railway). The main restrictions for such storage are  in the complex control electronics, which are used to maintain the Levitation is required, the radiation high-frequency electromagnetic radiation and a continuous Energy consumption to maintain the state of suspension.

Alle diese - bereits technisch eingesetzten - Lagersysteme erfordern eine Regelung und/oder sind in ihrem Einsatzbereich auf spezielle Umgebungsbedingungen angewiesen. Auch berührend arbeitende Lagerungssysteme verwenden zur Verbesserung der Schwingungsisolation aktive, elektronische Regelkreise, mit welchen externe Schwingungszustände erfaßt und über entsprechende Stellglieder kompensiert werden.All of these - already technically used - storage systems require one Regulation and / or are special in their area of application Environmental conditions. Also touching Bearing systems use active, to improve vibration isolation, electronic control loops with which external vibration states are recorded and be compensated for by corresponding actuators.

Die Entwicklung der Hochtemperatursupraleiter seit 1986 ermöglicht - bei geeigneter Kühlung - nunmehr die Erzeugung einer stabilen, berührungslosen Lagerung zwischen Magneten und Supraleitern ohne weitere Regelung und (im Idealfall der vollständigen thermischen Isolation) ohne Energieverluste bei der Aufrechterhaltung des Lagerungszustandes.The development of high-temperature superconductors since 1986 enables - at suitable cooling - now the generation of a stable, non-contact Storage between magnets and superconductors without further regulation and (in Ideal case of complete thermal insulation) without loss of energy in the Maintenance of the storage condition.

Bekannte Beispiele sind das Schweben eines Supraleiters über oder unter einem als Lagerungsaufnahme dienenden Magneten bzw. das Schweben eines Magneten über oder unter einem als Lagerungsaufnahme dienenden Supraleiter.Known examples are the floating of a superconductor above or below one serving as a bearing mount magnet or the levitation of a magnet above or below a superconductor serving as a storage fixture.

Eine derartige Kombination eines Magneten und eines Supraleiters erfordert keine Regelungselektronik zur Aufrechterhaltung des Schwebezustandes.Such a combination of a magnet and a superconductor requires no control electronics to maintain the floating state.

Im Falle der oben erwähnten, geregelten Lagerungstechniken wird die Regelungselektronik nicht nur zur einfachen Regelung des Schwebezustandes verwendet sondern vielfach auch zur Kompensation/Dämpfung äußerer Schwingungen.In the case of the regulated storage techniques mentioned above, the Control electronics not only for simple control of the floating state but also often used for compensation / attenuation of external Vibrations.

Das ungeregelte System aus einem Supraleiter und einem Magneten ist mit einem schwingungsfähigen, ungedämpften Feder-Masse-System zu vergleichen. Für viele Anwendungen ist jedoch ein dämpfend wirkendes, einfaches Lager ohne besondere Regelung wünschenswert.The unregulated system consisting of a superconductor and a magnet is combined with one compare oscillating, undamped spring-mass system. For however, many applications is a damping, simple bearing without special arrangement desirable.

Ziel der Erfindung war daher die Entwicklung eines auf Supraleitern basierenden Lagers, welches ohne äußere Regelung eine stabile, gedämpfte Lagerung ermöglicht.The aim of the invention was therefore to develop a superconductor-based one Bearing, which has a stable, damped bearing without external control enables.

Diese Zielsetzung wird erfindungsgemäß durch eine Kombination von Magneten und mindestens zwei unterschiedlichen Supraleitern/­ Supraleitermaterialien erreicht.According to the invention, this objective is achieved by a combination of  Magnets and at least two different superconductors / Superconducting materials achieved.

Vorteilhafterweise unterscheiden sich die Supraleitermaterialien in ihrer Eigenschaft, magnetische Flußlinien verankern zu können. Eine gute Verankerung dieser Flußlinien führt zu einer starken Federwirkung, während eine schlechte Verankerung in räumlich und/oder zeitlich veränderlichen Magnetfeldern Energieverluste zur Folge hat. Diese Energieverluste führen zu einer Dämpfung des schwingungsfähigen Systems.The superconductor materials advantageously differ in their Property of being able to anchor magnetic flux lines. A good Anchoring these river lines leads to a strong spring effect, while poor anchoring in spatially and / or temporally variable Magnetic fields result in energy losses. These energy losses lead to damping of the oscillatory system.

Insgesamt ergibt sich erfindungsgemäß somit die Möglichkeit ein in seinen Eigenschaften abstimmbares, schwingungsfähiges System bzw. Lager aus den folgenden Komponenten zu konstruieren:
Overall, according to the invention, there is the possibility of constructing an oscillatory system or bearing that can be tuned in terms of its properties from the following components:

  • - Feder (entsprechend Supraleiter 1)- spring (corresponding to superconductor 1 )
  • - Dämpfungsglied (entsprechend Supraleiter 2)- attenuator (corresponding to superconductor 2 )
  • - Masse (Magnet einschließlich zu lagernder Masse).- Mass (magnet including mass to be stored).

Da bei vielen Anwendungen eine starke Dämpfung von Schwingungen wünschenswert ist, erfolgt die geometrische Anordnung der Supraleitermaterialien zweckmäßigerweise derart, daß der dämpfend wirkende Supraleiter im Bereich stärker, z. B. durch die Schwingung hervorgerufener, räumlicher und/oder zeitlicher Magnetfeldänderungen positioniert wird. In diesem Fall sind die Energieverluste und damit die Dämpfung besonders groß. Durch die Positionierung dieses Supraleiters in Bereichen geringerer Feldstärkeänderungen läßt sich das Dämpfungsverhalten des Gesamtsystems variieren.Because in many applications there is a strong damping of vibrations is desirable, the geometric arrangement of the Superconductor materials expediently such that the damping Superconductors in the area stronger, e.g. B. caused by the vibration, spatial and / or temporal magnetic field changes is positioned. In this In this case, the energy losses and thus the damping are particularly large. Through the Positioning of this superconductor in areas with small changes in field strength the damping behavior of the overall system can be varied.

Vorteilhaft ist jedoch die Veränderung der Flußverankerungseigenschaften der Supraleiter z. B. durch lokale Erwärmung des Supraleiters, durch zusätzlich lokal erzeugte Magnetfelder im Supraleiter oder durch einen zusätzlich erzeugten Stromfluß durch den Supraleiter. Mit diesen Maßnahmen läßt sich sowohl der als Feder wirkende Supraleiter beeinflussen und so die Federkonstante des schwingungsfähigen Systems verändern und/oder der dämpfend wirkende Supraleiter beeinflussen um die Dämpfungseigenschaften des Systems zu variieren. However, the change in the river anchorage properties is advantageous the superconductor z. B. by local heating of the superconductor, by additional locally generated magnetic fields in the superconductor or by an additional one generated Current flow through the superconductor. With these measures, both affect the superconductor acting as a spring and thus the spring constant of the Vibration-capable system change and / or the damping Superconductors influence the damping properties of the system vary.  

AusführungsbeispielEmbodiment

Magnetisches Lager bestehend aus:
Magnetic bearing consisting of:

  • - YBa2Cu3O7-x Hohlzylinder (Innendurchmesser ca. 8 mm, Außendurchmesser 22 mm, Höhe 10 mm; handelsüblich, schmelztexturiert)- YBa2Cu3O7-x hollow cylinder (inner diameter approx. 8 mm, Outer diameter 22 mm, height 10 mm; commercially available, melt-textured)
  • - Bi2Sr2CaCu2O8 Vollzylinder (Durchmesser 8 mm, Höhe 10 mm; handelsüblich)- Bi2Sr2CaCu2O8 solid cylinder (diameter 8 mm, height 10 mm; commercially available)
  • - FeNdB Ringmagnet (Innendurchmesser X mm, Außendurchmesser Y mm, Höhe H mm, Remanente Magnetisierung ca. 0,5 Tesla; handelsüblich)- FeNdB ring magnet (inner diameter X mm, outer diameter Y mm, Height H mm, remanent magnetization approx. 0.5 Tesla; commercially available)
  • - Flüssigstickstoff (T = 77 K)- liquid nitrogen (T = 77 K)
  • - Thermisch isolierte Wanne mit mechanischer Aufnahmevorrichtung- Thermally insulated tub with mechanical holding device
  • - Abstandshalter (Scheibe mit Durchmesser D mm, Dicke 1-5 mm; unmagnetisch)- Spacers (disc with diameter D mm, thickness 1-5 mm; non-magnetic)
InbetriebnahmeInstallation

Der YBa2Cu3O7-x Hohlzylinder wird mit der Aufnahmevorrichtung in der thermisch isolierten Wanne befestigt und der Bi2Sr2CaCu2O8 Vollzylinder in die Öffnung des Hohlzylinders eingebracht. Der Ringmagnet wird koaxial mit den Achsen der supraleitenden Zylinder kurz oberhalb (Abstandshalter) positioniert. Das Gesamtsystem wird mit dem Flüssigstickstoff auf ca. 77 K abgekühlt. Nunmehr kann der Abstandshalter entfernt und das supraleitende Lager in Betrieb genommen werden.The YBa2Cu3O7-x hollow cylinder is mounted in the thermally insulated tub attached and the Bi2Sr2CaCu2O8 full cylinder in the Opening of the hollow cylinder introduced. The ring magnet is coaxial with the Axes of the superconducting cylinders positioned just above (spacers). The entire system is cooled to approx. 77 K with the liquid nitrogen. The spacer can now be removed and the superconducting bearing in operation be taken.

Im Vergleich zu einem nur aus YBa2Cu3O7-x Vollzylinder oder auch Hohlzylinder ohne eingebrachten Bi2Sr2CaCu2O8 Vollzylinder erkennt man bei ansonsten gleichem Aufbau bereits visuell deutliche Unterschiede im Schwingungs-/Dämpfungsverhalten.Compared to a solid cylinder only made of YBa2Cu3O7-x or also Hollow cylinders without inserted Bi2Sr2CaCu2O8 solid cylinders can be seen in otherwise the same structure already visually clear differences in Vibration / damping behavior.

Die hier dargestellte, rotationssymmetrische Anordnung läßt sich einfach auf Lager für Translationsbewegungen übertragen.The rotationally symmetrical arrangement shown here can be easily opened Transfer bearings for translational movements.

AnwendungsbeispielApplication example

Anwendungsbeispiele für die erfindungsgemäße Vorrichtung sind im Bereich stationärer Lagerung z. B. die Lagerung schwingungsempfindlicher Meßsysteme wie Präzisionswaagen, interferometrische Anordnungen, optische Mikroskope, elektronen-mikroskopische Anordnungen, sowie im Bereich translatorischer Lagerung Mikrostrukturierungsverfahren, welche auf die Vermeidung von slip­ stick Effekten sowie auf Vakuumbedingungen angewiesen sind und somit nicht mit gasphasenlevitieren Lagern betrieben werden können.Application examples for the device according to the invention are in the field stationary storage z. B. the storage of vibration-sensitive measuring systems such as precision scales, interferometric arrangements, optical microscopes, electron microscopic arrangements, as well as in the area of translational  Storage micro-structuring processes, which prevent slip stick effects and vacuum conditions are dependent and therefore not can be operated with gas phase levitating bearings.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur berührungslosen, schwingungsgedämpften Lagerung bestehend aus einer Kombination aus Supraleitern und Magneten, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Supraleitermaterialien verwendet werden, die sich bei der Anwendungstemperatur in mindestens einer ihrer Eigenschaften unterscheiden.1. Device for non-contact, vibration-damped mounting consisting of a combination of superconductors and magnets, characterized in that at least two superconductor materials are used which differ in at least one of their properties at the application temperature. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Supraleiter vorwiegend für die berührungslose Lagerung geeignete Eigenschaften und mindestens ein weiterer Supraleiter vorwiegend für die berührungslose Dämpfung geeignete Eigenschaften besitzt.2. Device according to claim 1, characterized in that at least one the superconductor is primarily suitable for contactless storage Properties and at least one other superconductor predominantly for the non-contact damping has suitable properties. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorwiegend die Dämpfung bewirkende Supraleiter im Bereich großer räumlicher und/oder zeitlicher Magnetfeldänderungen positioniert ist.3. Device according to claim 2, characterized in that the predominantly damping superconductors in the area of large spatial and / or temporal magnetic field changes is positioned. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorwiegend die berührungslose Lagerung bewirkende Supraleiter Verbindungen des (Ln, Y)-Ba- Cu-O-Systems und der vorwiegend die Dämpfung bewirkende Supraleiter Verbindungen des (Bi, Tl, Hg)-(Sr, Ca)-Cu-O-Systems enthalten.4. The device according to claim 2, characterized in that the predominantly the superconductor connections of (Ln, Y) -Ba- Cu-O system and the superconductor which mainly effects the damping Contain compounds of the (Bi, Tl, Hg) - (Sr, Ca) -Cu-O system. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenschaften der Supraleiter zusätzlich beeinflußt werden (z. B. durch lokales Erwärmen, Anlegen einer elektrischen Spannung, lokal erzeugtes Magnetfeld).5. The device according to claim 1, characterized in that the properties the superconductor can also be influenced (e.g. by local heating, Applying an electrical voltage, locally generated magnetic field).
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