NL2005602C2

NL2005602C2 - HYBRID ACTUATOR FOR USE IN A VIBRATION INSULATION SYSTEM OF PRECISION MACHINES.

Info

Publication number: NL2005602C2
Application number: NL2005602A
Authority: NL
Inventors: Jan Eijk; Dick Laro; Leo Sanders
Original assignee: Mi Partners B V
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2012-05-02

Description

Hybride actuator voor toepassing in een trillingsisolatiesysteem van precisiemachines BESCHRIJVING: 5Hybrid actuator for application in a vibration isolation system of precision machines DESCRIPTION: 5

Gebied van de uitvindingFIELD OF THE INVENTION

De uitvinding heeft betrekking op een hybride actuator omvattende een op ten minste één plaats onderbroken magnetisch juk, alsmede ten minste één spoel 10 aanwezig om een deel van het juk, een verplaatsbaar lichaam aanwezig ter plaatse van de onderbreking tussen de naar elkaar toegekeerde uiteinden van het juk, en ten minste één permanente magneet die aanwezig is binnen het juk en met een uiteinde is verbonden met het juk en met het andere uiteinde naar het verplaatsbare lichaam is toegekeerd.The invention relates to a hybrid actuator comprising a magnetic yoke interrupted in at least one location, as well as at least one coil 10 present around a part of the yoke, a movable body present at the location of the interruption between the facing ends of the yoke, and at least one permanent magnet present within the yoke and connected at one end to the yoke and facing the movable body with the other end.

15 Meer in het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een hybride actuator voor toepassing in een trillingsisolatiesysteem voor het isoleren van een plateau in een precisiemachine van externe verstoringen zoals vloervibratie en gelijktijdig onderdrukken van reactiekrachten afkomstig van het positioneersysteem van de machine zelf.More in particular, the invention relates to a hybrid actuator for use in a vibration isolation system for isolating a plateau in a precision machine from external disturbances such as floor vibration and simultaneously suppressing reaction forces from the positioning system of the machine itself.

20 Bij toepassing van de actuator in een dergelijk trillingsisolatiesysteem is het verplaatsbare lichaam via een zogenaamde stinger verbonden met het geïsoleerde plateau van de precisiemachine. Op dit plateau werken reactiekrachten van een positioneringssysteem dat een op het plateau aanwezige drager voor een substraat verplaatst.When the actuator is used in such a vibration isolation system, the movable body is connected via a so-called stinger to the isolated platform of the precision machine. Reaction forces of a positioning system act on this plateau, which displaces a substrate present on the plateau.

25 Voor de isolatiefunctie van het trillingsisolatiesysteem is een actuator met een lage stijfheid vereist. De actuator dient voorts grote reactiekrachten te kunnen genereren om de grote positioneerkrachten die door het positioneersysteem worden gegenereerd te kunnen compenseren. Verder mag de actuator slechts weinig energie dissiperen en dus weinig warmte produceren om de thermische belasting op de machine 30 onderdelen laag te houden.The isolation function of the vibration isolation system requires an actuator with a low rigidity. The actuator must furthermore be able to generate large reaction forces in order to be able to compensate for the large positioning forces generated by the positioning system. Furthermore, the actuator may only dissipate little energy and therefore produce little heat to keep the thermal load on the machine parts low.

Stand van de techniek 2State of the art 2

Een dergelijke actuator is bekend uit de publicatie: X. Lu, “Electromagnetically-Driven Ultra-Fast tool Servos for Diamond Turning”, PhD thesis Macssachusetts Institute of Technology, 2005. De permanente magneet creëert een biasflux en de stationaire spoelen wekken een actuatieflux op om de kracht op het 5 verplaatsbare lichaam te manipuleren. Deze actuator heeft een zeer grote efficiency en een grote krachtdichtheid. Nadeel van deze bekende actuator is dat deze een grote negatieve stijfheid heeft tengevolge van de aantrekkingskrachten tussen het juk en het verplaatsbare lichaam, waardoor verstoringen worden doorgegeven.Such an actuator is known from the publication: X. Lu, "Electromagnetically-Driven Ultra-Fast Servos for Diamond Turning Tool", PhD thesis MacSachusetts Institute of Technology, 2005. The permanent magnet creates a bias flux and the stationary coils generate an actuation flux to manipulate the force on the movable body. This actuator has a very high efficiency and a large power density. The drawback of this known actuator is that it has a large negative stiffness due to the attraction forces between the yoke and the movable body, whereby disturbances are transmitted.

10 Samenvatting van de uitvindingSummary of the invention

Een doel van de uitvinding is het verschaffen van een actuator van de in de aanhef omschreven soort waarbij het hierboven vermelde nadeel zich niet voordoet. Hiertoe is de actuator volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat de actuator ten minste 15 één veer omvat die met een uiteinde is verbonden met het juk en met het andere uiteinde is bevestigd aan het verplaatsbare lichaam. Door toepassing van een veer wordt de negatieve stijfheid van de actuator gecompenseerd door de positieve stijfheid van de veer.An object of the invention is to provide an actuator of the type described in the preamble, wherein the above-mentioned disadvantage does not occur. To this end, the actuator according to the invention is characterized in that the actuator comprises at least one spring which is connected at one end to the yoke and is attached to the movable body at the other end. By applying a spring, the negative stiffness of the actuator is compensated by the positive stiffness of the spring.

De veer is bij voorkeur een blad- of staafveer. Bij voorkeur omvat de 20 actuator ten minste één verdere veer, waarbij de veren aan tegenover elkaar aanwezige zijden van het juk aanwezig zijn en via een brugstuk zijn verbonden met het verplaatsbare lichaam.The spring is preferably a leaf or rod spring. The actuator preferably comprises at least one further spring, wherein the springs are present on opposite sides of the yoke and are connected via a bridge piece to the displaceable body.

Beknopte omschrijving van de tekeningen 25Brief description of the drawings 25

Hieronder zal de uitvinding nader worden toegelicht aan de hand van in de tekeningen weergegeven uitvoeringsvoorbeelden van de actuator volgens de uitvinding. Hierbij toont:The invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments of the actuator according to the invention shown in the drawings. Hereby shows:

Figuur 1 een schematische weergave van een passief 30 trillingsisolatiesysteem;Figure 1 is a schematic representation of a passive vibration isolation system;

Figuur 2 een eerste uitvoeringsvorm van de actuator volgens de uitvinding die toegepast kan worden in het in figuur 1 weergegeven trillingsisolatiesysteem; en 3Figure 2 shows a first embodiment of the actuator according to the invention that can be used in the vibration isolation system shown in Figure 1; and 3

Figuur 3 een tweede uitvoeringsvorm van de actuator volgens de uitvinding.Figure 3 shows a second embodiment of the actuator according to the invention.

Gedetailleerde omschrijving van de tekeningen 5Detailed description of the drawings 5

In figuur 1 is een passief trillingsisolatiesysteem voor het isoleren van een plateau van een precisiemachine schematisch weergegeven. Het plateau 1 van de precisiemachine is via een passief trillingsisolatiesysteem 3, gevormd door een mechanische ophanging / ondersteuning met een lage frequentie, aanwezig op een vloer 10 5. Nadeel van een dergelijk passief trillingisolatiesysteem is de gevoeligheid voor reactiekrachten afkomstig van een positioneersysteem 7 aanwezig op het geïsoleerde plateau. Dit positioneersysteem verplaatst een drager voor een te bewerken substraat in de precisiemachine en wekt daarbij reactiekrachten op het plateau op die oscillaties veroorzaken. Met actieve trillingsisolatiesystemen kunnen deze reactiekrachten worden 15 geneutraliseerd. Hierbij wordt de absolute beweging van het plateau gemeten en door een actuator gecompenseerd met behulp van een actieve terugkoppeling.Figure 1 schematically shows a passive vibration isolation system for isolating a plateau from a precision machine. The platform 1 of the precision machine is present on a floor 10 via a passive vibration isolation system 3, formed by a mechanical suspension / support with a low frequency. The disadvantage of such a passive vibration isolation system is the sensitivity to reaction forces originating from a positioning system 7. the isolated plateau. This positioning system displaces a support for a substrate to be processed in the precision machine and thereby generates reaction forces on the plateau that cause oscillations. With active vibration isolation systems, these reaction forces can be neutralized. The absolute movement of the platform is hereby measured and compensated by an actuator with the aid of an active feedback.

Op het plateau bevindt zich een versnellingsmeter 9, die via een terugkoppeling de actuator 11 aanstuurt. In figuur 2 is een eerste uitvoeringsvorm van deze actuator 11 volgens de uitvinding weergegeven. De actuator 11 heeft een op één 20 plaats onderbroken C-vormig magnetisch juk 13. Om het juk zijn twee spoelen 15 en 17 met een verschillend aantal wikkelingen aanwezig. Tussen de naar elkaar toegekeerde uiteinden 13A en 13B van het juk is een verplaatsbaar lichaam 19 van zacht magnetisch materiaal aanwezig. Binnen het juk 13 is een permanente magneet 21 aanwezig, die met een uiteinde 21A is verbonden met het juk en met het andere uiteinde 21B naar het 25 verplaatsbare lichaam 19 is toegekeerd.On the plateau there is an accelerometer 9 which controls the actuator 11 via feedback. Figure 2 shows a first embodiment of this actuator 11 according to the invention. The actuator 11 has a C-shaped magnetic yoke 13 interrupted at one location. Two coils 15 and 17 with a different number of windings are present around the yoke. A movable body 19 of soft magnetic material is present between the ends 13A and 13B of the yoke facing each other. A permanent magnet 21 is present inside the yoke 13, which magnet is connected at one end 21A to the yoke and faces the movable body 19 at the other end 21B.

Met de spoel 17 met het kleinste aantal wikkelingen kunnen kleine krachten op het verplaatsbare lichaam 19 uitgeoefend worden waarmee het effect van kleine vloertrillingen geëlimineerd kan worden. De spoel 15 met het grootste aantal wikkelingen kan gebruikt worden om het effect van de grotere reactiekrachten te 30 neutraliseren.With the coil 17 with the smallest number of windings, small forces can be exerted on the movable body 19, with which the effect of small floor vibrations can be eliminated. The coil 15 with the largest number of windings can be used to neutralize the effect of the greater reaction forces.

De actuator heeft twee plaatveren 23, die aan tegenover elkaar aanwezige zijden van het juk 13 aanwezig zijn en via brugstukken 15 A en 15B zijn verbonden met het verplaatsbare lichaam 15. De positieve stijfheid van de veren is in absolute waarde 4 even groot als de negatieve stijfheid van de actuator zonder veren, waardoor een actuator met stijfheid nul is verkregen.The actuator has two plate springs 23, which are present on opposite sides of the yoke 13 and are connected to the movable body 15 via bridge pieces 15A and 15B. In absolute value 4 the positive stiffness of the springs is equal to the negative stiffness of the actuator without springs, whereby an actuator with zero stiffness is obtained.

In figuur 3 is een tweede uitvoeringsvorm van de actuator volgens de uitvinding weergegeven in bovenaanzicht. Deze actuator 25 heeft twee permanente 5 magneten 27 en 29 die tussen de op afstand van elkaar aanwezige uiteinden 31A en 31B van het juk 31 ter plaatse van de onderbreking aanwezig zijn en vier spoelen 33 en 35. De veren bevinden zich onder het verplaatsbare lichaam 37 en zijn in dit aanzicht niet zichtbaar.Figure 3 shows a second embodiment of the actuator according to the invention in top view. This actuator 25 has two permanent magnets 27 and 29 which are present between the spaced apart ends 31A and 31B of the yoke 31 at the location of the interruption and four coils 33 and 35. The springs are located under the movable body 37 and are not visible in this view.

Hoewel in het voorgaande de uitvinding is toegelicht aan de hand van de 10 tekeningen, dient te worden vastgesteld dat de uitvinding geenszins tot de in de tekeningen getoonde uitvoeringsvormen is beperkt. De uitvinding strekt zich mede uit tot alle van de in de tekeningen getoonde uitvoeringsvormen afwijkende uitvoeringsvormen binnen het door de conclusies gedefinieerde kader. Zo kan de actuator ook een rotatie symmetrische vorm hebben. Een dergelijke actuator is 15 efficiënter maar is daarentegen moeilijker te vervaardigen.Although in the foregoing the invention has been elucidated with reference to the drawings, it must be stated that the invention is by no means limited to the embodiments shown in the drawings. The invention also extends to all embodiments deviating from the embodiments shown in the drawings within the scope defined by the claims. The actuator can thus also have a rotationally symmetrical shape. Such an actuator is more efficient but, on the other hand, is more difficult to manufacture.

Claims

1. Hybrid actuator for use in a vibration isolation system in precision machines, which actuator comprises a magnetic yoke interrupted in at least one location, as well as at least one coil present around a part of the yoke, a movable body present at the interruption between the mutually facing ends of the yoke, and at least one permanent magnet present within the yoke and connected at one end to the yoke and with the other end facing the movable body, characterized in that the actuator comprises at least comprises one spring connected at one end to the yoke and at the other end attached to the movable body.

Actuator according to claim 1, characterized in that the spring is a leaf, plate or rod spring.

3. Actuator according to claim 1 or 2, characterized in that the actuator comprises at least one further spring, the springs being parallel to and spaced apart.