NL8902473A - Lineaire motor, alsmede positioneerinrichting voorzien van ten minste een lineaire motor. - Google Patents

Description

N.V. Philips· Gloeilampenfabrieken te Eindhoven "Lineaire motor, alsmede positioneerinrichting voorzien van ten minste een lineaire motor."

De uitvinding heeft betrekking op een lineaire motor omvattende twee volgens een motoras onderling verplaatsbare motordelen, waarvan een eerste motordeel is voorzien van een spoeldrager met een spoelstelsel met dwars op de motoras georiënteerde windingen en een tweede motordeel is voorzien van een magneetdrager met ten minste een paar althans gezien langs de motoras op een afstand van elkaar geplaatste, een tussenruimte vormende en over een luchtspleet met het spoelstelsel samenwerkende magneten.

De uitvinding heeft voorts betrekking op een positioneerinrichting, welke een frame, een positioneertafel en ten minste een lineaire motor omvat.

Een dergelijke positioneerinrichting is bekend uit US-A-4,485,339 (herewith incorporated by reference). De bekende inrichting bezit een basisplaat, waarop een eerste en een tweede spoel op afstand van elkaar zijn aangebracht. De bekende inrichting bezit voorts een eerste tegenover de eerste spoel opgestelde magneet en een tweede tegenover de tweede spoel opgestelde magneet, alsmede een verbindings-lichaam, dat de beide magneten magnetisch met elkaar verbindt en dat is voorzien van een draagvlak voor een te positioneren object. De basisplaat, de magneten en het verbindingslichaam vormen gezamenlijk een magnetisch circuit en vormen met de spoelen een lineaire aandrijfeen-heid voor het verbindingslichaam.

De bekende positioneerinrichting is voorzien van een detectie-eenheid voor het detecteren van de positie van het verbindingslichaam en van een regeleenheid voor het regelen van de grootte en de richting van de electrische stroom door beide spoelen, teneinde de magneten en het verbindingslichaam ten opzichte van de basisplaat te verplaatsen volgens een rechte baan, welke parallel loopt aan de in eikaars verlengde liggende spoelassen van de spoelen.

Een bezwaar van de bekende lineaire aandrijfeenheid is, dat in verhouding tot de afmetingen van de motor, met name de afmeting gezien in een richting volgens de spoelassen, slechts een kleine slag veroorzaakt kan worden, waardoor de positioneerinrichting relatief groot en zwaar moet worden uitgevoerd, teneinde een vooraf gedefinieerde verplaatsing te kunnen uitvoeren. Een verder bezwaar van de bekende lineaire motor is, dat tijdens bedrijf relatief grote, stroomvoerende gedeelten van de spoelen geen effectieve bijdrage leveren aan het genereren van aandrijvende Lorentzkrachten, waardoor onnodige dissipatie van energie optreedt.

De uitvinding heeft ondermeer tot doel, een lineaire motor van de in de aanhef genoemde soort te verschaffen, welke bij een kleine lengte-afmeting een relatief grote slag kan leveren.

De lineaire motor volgens de uitvinding heeft daartoe als kenmerk, dat het spoelstelsel van het eerste motordeel een set van drie, gezien langs de motoras achter elkaar geplaatste spoelen omvat, zijnde twee randspoelen en een middenspoel, waarvan de middenspoel een spoellengte heeft, welke althans nagenoeg gelijk is aan de genoemde afstand tussen het paar magneten van het tweede motordeel, waarbij in een neutrale positie van de motordelen ten opzichte van elkaar de middenspoel zich althans nagenoeg geheel tegenover de tussenruimte tussen de magneten bevindt.

Bij een geschikte aansturing kunnen de spoelen van de lineaire motor volgens de uitvinding uiterst effectief gebruikt worden voor het opwekken van een aandrijfkracht, en kan een grote onderlinge verplaatsing van de motordelen bereikt worden. Een voordeel daarvan is, dat de afmetingen van de motor, althans wat betreft de afmeting in de richting volgens de motoras, klein kan zijn in verhouding tot de gewenste slag in die richting. Een bijkomend voordeel is, dat onnodige energiedissipatie wordt tegengegaan, hetgeen de warratehuishouding van de motor ten goede komt.

Een uitvoeringsvorm van de lineaire motor volgens de uitvinding, welke is voorzien van middelen voor het detecteren van de onderlinge positie van beide motordelen en van middelen voor het in afhankelijkheid van de onderlinge positie van beide motordelen regelen van de stroomrichting in genoemde windingen van het spoelstelsel, heeft het kenmerk, dat de genoemde middelen zodanig zijn ingericht, dat tijdens bedrijf de stroomrichting in de windingen van de ene randspoel tegengesteld is aan de stroomrichting in de windingen van de andere randspoel , waarbij de stroomrichting in de windingen van de zich uit de neutrale positie en daarmede zich althans ten dele tegenover een van de magneten bevindende middenspoel gelijk is aan de stroomrichting in de windingen van de zich tegenover de desbetreffende magneet bevindende randspoel. In het door de lineaire motor volgens de uitvinding en de genoemde middelen gevormde systeem kan een optimaal gebruik van het aanwezige set van spoelen gemaakt worden, waardoor op efficiënte wijze een op zichzelf verrassend grote slag veroorzaakt kan worden.

De uitvinding heeft voorts tot doel, een positioneerinrich-ting te verschaffen, welke in staat is, om een object over eenzelfde afstand en met minstens dezelfde nauwkeurigheid te verplaatsen als met de bekende inrichting mogelijk is, doch welke kleiner van afmetingen kan zijn.

De positioneerinrichting volgens de uitvinding omvat daartoe een frame, een positioneertafel en ten minste een lineaire motor volgens de uitvinding, waarbij de spoeldrager van de lineaire motor is bevestigd aan het frame en de magneetdrager van de lineaire motor is bevestigd aan de positioneertafel, en waarbij voorts het frame als fluxgeleider is uitgevoerd. De magneetdrager kan ook deel uitmaken van de positioneertafel.

In de positioneerinrichting volgens de uitvinding behoeft de positioneertafel als gevolg van de gunstige eigenschappen van de toegepaste lineaire motor slechts beperkt van afmetingen te zijn. Daardoor kan de massa en de massatraagheid van de positioneertafel klein gehouden worden, hetgeen zowel gunstig is voor het vereiste aandrijfvermogen als voor de bandbreedte van het regelsysteem van de positioneerinrichting.

Een uitvoeringsvorm van de positioneerinrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat de inrichting vier lineaire motoren volgens de uitvinding omvat, welke onderling paarsgewijze zijn gerangschikt, waarbij de motoras van de motoren van het ene paar dwars georiënteerd is ten opzichte van de motoras van de motoren van het andere paar. Een voordeel van deze uitvoeringsvorm is, dat op de in twee coördinaatrichtingen (X, Y) van een orthogonaal coördinatenstelsel verplaatsbare positioneertafel in beide richtingen even grote aandrijf-krachten door het samenstel van vier lineaire motoren uitgeoefend kunnen worden. Een bijzonder voordeel is bovendien, dat ten behoeve van een rotatie van de positioneertafel om een rotatie-as volgens een derde coördinaatrichting (Z) een aansturing van de spoelen mogelijk is, die afhankelijk is van de momentane belasting van de spoelen, waardoor de afzonderlijke motoren zo effectief mogelijk gebruikt kunnen worden.

Een verdere uitvoeringsvorm van de positioneerinrichting volgens de uitvinding waarbij de twee magneten van elk van de motoren in tegengestelde zin zijn gemagnetiseerd, heeft het kenmerk, dat aangrenzende magneten van twee dwars op elkaar gepositioneerde motoren in gelijkgerichte zin zijn gemagnetiseerd. Een voordeel van deze magneet-opstelling is, dat een eventuele overlapping van de magnetische circuits van de verscheidene motoren wordt tegengegaan, waardoor ongewenste interactie wordt voorkomen.

De uitvinding zal nu nader, bij wijze van voorbeeld, aan de hand van de tekening worden toegelicht, waarin: de Figuren IA t/m 1F schematisch de lineaire motor volgens de uitvinding in verschillende situaties voorstellen,

Figuur 2 een perspectivisch aanzicht van een deel van de positioneerinrichting volgens de uitvinding toont,

Figuur 3 een bovenaanzicht van de positioneerinrichting van figuur 2 toont,

Figuur 4 een doorsnede volgens de lijn III-III in figuur 3 toont,

Figuur 5 een zijaanzicht van de positioneerinrichting van figuur 2 toont, en

Figuur 6 een blokschema van de besturing van een lineaire motor volgens de uitvinding toont.

De schematisch in de figuren 1A t/m 1F getoonde lineaire motor volgens de uitvinding omvat een stilstaand motordeel 102 en een volgens een motoras 104 verplaatsbaar motordeel 106. Het stilstaande motordeel 102 is voorzien van een zacht-magnetische spoeldrager 108, waaromheen twee randspoelen 110 en 112 en een door beide randspoelen ingesloten middenspoel 114 zijn aangebracht. De spoelen 110, 112 en 114 zijn voorzien van windingen 110a, 112a respectievelijk 114a, welke liggen in althans nagenoeg loodrecht op de motoras 102 georiënteerde vlakken. De randspoelen 110 en 112 kunnen, afhankelijk van hun onderlinge wikkelzin in serie of in tegenserie electrisch met elkaar verbonden zijn.

Het motordeel 104 is voorzien van twee onderling in tegen- gestelde richting gemagnetiseerde permanente magneten 116 en 118 met elk een naar het motordeel 102 toegekeerde magneetpool, aangeduid met N respectievelijk S, voor het over een luchtspleet 120 samenwerken met de spoelen 110, 112 en 11-4. De magneten zijn bevestigd op een, bijvoorbeeld als tafel of slede uitgevoerde magneetdrager 124, welke, bijvoorbeeld met behulp van een statisch gaslager, is gelagerd op een magnetisch geleidende basis 126.

De middenspoel 114 heeft een lengte 1, welke overeenkomt met de afstand d tussen de magneten 116 en 118. In de in figuur 1A weergegeven situatie, waarbij door de windingen 110a, 112a en 114a geen electrische stroom loopt, neemt het motordeel 106 ten opzichte van het motordeel 102 een neutrale positie in, waarbij de middenspoel 114 zich precies tegenover de tussenruimte 122 tussen de magneten 116 en 118 bevindt. Vanuit deze positie kan het motordeel 106 ten opzichte van het motordeel 102 een verplaatsing in X-richting of een verplaatsing in -X-richting uitvoeren.

In de in figuur 1B getoonde situatie wordt op het motordeel 106 een aandrijfkracht (Lorentzkracht) F^ in X-richting gegenereerd en heeft het motordeel 106 ten opzichte van de neutrale stand een bepaalde verplaatsing in X-richting uitgevoerd. Daarbij worden de randspoelen 110 en 112 zodanig aangestuurd, dat de stroomrichting in de windingen 110a tegengesteld is aan de stroomrichting in de windingen 112a. De middenspoel 114 wordt in deze situatie zodanig aangestuurd, dat de stroomrichting in de windingen 114a gelijk is aan de stroomrichting in de windingen 110a, waardoor onder andere een grote verplaatsing in X-richting, en daarmede een grote slag, bereikbaar is. In de figuren is de stroomrichting in de windingen 110a, 112 en 114a aangeduid met + en - tekens. De grootte van de electrische stromen door de drie spoelen kunnen in absolute zin gelijk aan elkaar zijn.

Voor het vanuit een met de aansturing volgens figuur 1B bereikte positie opwekken van een aandri jfkracht F-[_ in -X richting, wordt door commutatie gelijktijdig de stroomrichting in enerzijds de spoelen 110 en 114 en anderzijds de randspoel 112 omgekeerd, waardoor de in figuur 1E weergegeven stroomrichtingen ontstaan. Met deze aansturing kan de neutrale positie, zoals getoond in figuur 1D, worden bereikt. Na het bereiken van de neutrale positie kan de middenspoel 114 worden uitgeschakeld.

Wordt vanuit de neutrale positie van figuur 1D een aandrijvende kracht Fj in -X richting gewenst, dan worden de randspoelen 110 en 112 gelijktijdig aangestuurd op een wijze zoals in figuur IC is aangeduid, en wordt de middenspoel na het in beweging komen van het motor-deel 106 aangestuurd, waarbij de stroomrichting in de windingen 114a gelijk is aan de stroomrichting in de windingen 112a. In een praktische uitvoeringsvorm zullen in deze situatie de spoelen 110, 112 en 114 gelijktijdig bekrachtigd worden.

Om vanuit een positie, bereikt met de aansturing volgens figuur 1C het motordeel 106 in X-richting te verplaatsen, worden de spoelen 110, 112 en 114 gelijktijdig aangestuurd op een wijze zoals in figuur 1F is aangegeven.

De in de figuren 2 tot en met 5 getoonde positioneerinrich-ting 1 volgens de uitvinding omvat een frame 2 met een horizontaal opgestelde vlakke basis 3 van een magnetisch geleidende materiaal, bijvoorbeeld een ijzer-kobalt legering, waarover een ronde voet 5 is geleid. In bedrijf is de voet 5 op de basis 3 afgesteund met behulp van een aerostatisch lager. Zoals in het bijzonder blijkt uit de figuren 2 en 3 zijn op de basis 3 vier hoeksteunen 7, 9, 11 en 13 bevestigd. In de hoeksteunen zijn oplegvlakken gevormd voor een viertal spoelstelsels 15, 17, 19 en 21, waarvan in figuur 2 het spoelstelsel 15 geheel en het spoelstelsel 19 voor de helft zichtbaar is, terwijl in figuur 3 alleen de spoelstelsels 15, 17, 19 en 21 met stippellijnen zijn aangegeven. De spoelstelsels 15, 17, 19 en 21 zijn via (gelamelleerde) spoelkernen of spoeldragers afgesteund op de genoemde oplegvlakken. Van deze oplegvlakken zijn in figuur 2 slechts de oplegvlakken 23 en 25 van de spoelstelsels 17 en 21, alsmede het oplegvlak 27 van het spoelstelsel 19 zichtbaar. Van de genoemde spoeldragers zijn in figuur 2 slechts twee spoeldragers 28 en 29 van het spoelstelsel 15 respectievelijk 19 zichtbaar. De spoeldrager 28 steunt op de oplegvlakken 23 en 25, terwijl bij het spoelstelsel 19 nog juist de op het oplegvlak 27 afgesteunde spoeldrager 29 kan worden onderscheiden. Elk van de spoelstelsels 15, 17, 19 en 21 bevat twee randspoelen en een middenspoel, zoals de spoelen 31, 32 en 33 van het spoelstelsel 15. Van het spoelstelsel 19 zijn slechts één randspoel 35 en een halve middenspoel 34 in figuur 2 zichtbaar. Tegenover en onder elk spoelstelsel bevindt zich een aan de voet 5 bevestigd magneetstelsel, dat samen met het betreffende spoelstelsel een electrische lineaire motor volgens de uitvinding vormt voor verplaatsingen in X- of Y-richtingen volgens een in figuur 2 aangeduid orthogonaal assenstelsel.

Zoals uit figuur 3 blijkt, zijn tegenover de spoelstelsels 15, 17, 19 en 21 respectievelijk magneetstelsels 37, 39, 41 en 43 opgesteld in de luchtvoet 5, welke als magneetdrager fungeert. Elk van de magneetstelsels 37, 39, 41 en 43 bevat twee evenwijdig aan de Z-coördinaatrichting volgens het aangeduide assenstelsel in tegengestelde zin gemagnetiseerde permanente magneten. Tot de magneetstelsels 37, 39, 41 en 43 behoren respectievelijk de paren permanente magneten (45, 47), (49, 51), (53, 55) en (57, 59). De magneten zijn ten opzichte van elkaar zodanig gepositioneerd, dat de magneten in de paren gevormd door de magneten (43, 45), (47, 49), (51, 53) en (55, 57) een tegengestelde magnetisatierichting vertonen. In figuur 2 zijn van de paren permanente magneten (45, 47), (49, 51), (53, 55) en (57, 59) de magneet 59 tegenover het spoelstelsel 21, de magneten 49 en 51 tegenover het spoelstelsel 39 en de magneet 53 tegenover het spoelstelsel 41 zichtbaar. Het magnetisch circuit van elk van de beschreven lineaire motoren, welke qua werking geheel overeenkomen met de aan de hand van de figuren 1A tot en met 1F beschreven motor, wordt gevormd door het zich tussen de magneten van een magneetpaar uitstrekkende ijzer-kobalt legering, de permanente magneten en de spoelkernen van de spoelstelsels. De dikte van de luchtspleet in het magnetisch circuit tussen de spoelstelsels en de permanente magneten wordt volledig bepaald door de dikte van de luchtspleet tussen de basis 3 en de luchtvoet 5 in het aerostatisch lager. Doordat de magnetische kortsluiting tussen de permanente magneten van een magneetstelsel via de basis 3 plaatsvindt, wordt een magnetisch voorspanning van het aerostatisch lager verkregen.

Ten behoeve van het genoemde lager is de luchtvoet 5 voorzien van kanalen die zich in radiale richting uitstrekken. In de figuren 2 en 4 zijn een kanaal 61 en een kanaal 63 zichtbaar. Via op de kanalen 61 en 63 aangesloten dwarskanalen 65 en 67, die uitmonden in de luchtspleet tussen de voet 5 en de basis 3, bereikt de lucht in het aerostatisch lager de lagerplaatsen waar een drukberg wordt opgebouwd. De voorspanning van het aerostatisch lager wordt tevens bepaald door het gewicht van de voet 5. Verder kan door middel van een vacuum het centrale deel var de voet 5 een extra voorspanning leveren. Het door een cilinder 69 gevormde centrale deel van de voet moet dan worden afgesloten van het buitenste deel van de voet waar 2ich het lager bevindt. De cilinder 69 dient als tafel in de positioneerinrichting. Via de cilinder 69 worden ook de kanalen 61 en 63 aangesloten op een luchtbron.

Aan de van de magneetstelsels afgekeerde zijden staan de spoelstelsels. 15, 17, 19 en 21 in thermisch contact met een koeler 71 die gemeenschappelijk is voor alle spoelstelsels.

Door de spoelstelsels 15 en 19 van de lineaire electro-motoren voor de verplaatsing van de voet 5 evenwijdig aan de X-coördi-naatrichting op een wijze zoals aan de hand van de figuren 1A t/m 1F is beschreven te bekrachtigen met identieke stromen wordt een zuivere translatie van de voet 5 verkregen. Dit is op analoge wijze ook het geval voor de Y-coördinaatrichting. Bij de in de figuren 2 en 3 aangegeven neutrale stand van de tafel 69, waarbij het verplaatsbare deel van elke lineaire motor zich in de neutrale positie bevindt ten opzichte van het stilstaande, niet-verplaatsbare deel, ligt een middelpunt M van de tafel op de Z-as van het coördinaatsysteem. Een rotatie z van de tafel 69 om de Z-as zonder translaties van het middelpunt M kan worden verkregen door of de beide lineaire electromotoren van de X-coördinaatrichting in tegengestelde zin te bekrachtigen met in grootte gelijke stromen of door een daaraan analoge bekrachtiging van de lineaire motoren van de Y-coördinaatrichting. Voor een rotatie kunnen ook alle lineaire motoren worden bekrachtigd. Translaties en rotaties van het middelpunt M kunnen ook simultaan worden uitgevoerd.

De beschreven positioneerinrichting volgens de uitvinding is bij uitstek geschikt voor de vervaardiging van maskers toegepast in de fabricage van geïntegreerde schakelingen. Deze maskers moeten bij de vervaardiging een of meer belichtingen ondergaan volgens een zeer nauwkeurig patroon. De maskers worden naarna gebruikt in een optisch lithografische inrichting voor het belichten van halfgeleider-plakken (wafers). Ook in een dergelijke optisch lithografische inrichting (waferstepperj kan gebruik worden gemaakt van de in het voorgaande beschreven positioneerinrichting. Ook andere toepassingen zijn uiteraard mogelijk.

Het in de lineaire motor volgens de uitvinding toegepaste besturingssysteem wordt toegelicht aan de hand van figuur 6. Aan een digitale commutatiemodule I wordt een van een of meer positie-opnemers omvattende deteetie-eenheid II afkomstig signaal xa toegevoerd, alsmede een van een digitale signaal processor III afkomstig stuursignaal s.

Het signaal xa bevat informatie betreffende de actuele of momentane positie van het bewegende motordeel ten opzichte van zijn neutrale positie (x=0). Vanuit de module I, waarin signaal s in afhankelijkheid van signaal xa wordt gecommuteerd, wordt een signaal m naar een digitaal-analoog omzetter IV geleid, welke een uitgangsspanning Vu4 aan een spanningsgestuurde stroomversterker V levert, waarvanuit een middenspoel 114 (zie ook de figuren 1A-1F) wordt aangestuurd. Het van de processor III afkomstige stuursignaal s wordt tevens aan een D/A omzetter VI toegevoerd, welke een uitgangsspanning Vug levert. De uitgang van de D/A omzetter VI is electrisch verbonden met de ingang van een spanningsgestuurde stroomversterker VII voor het aansturen van de randspoelen 110 en 112 (zie ook de figuren 1A-1F).

Volledigheidshalve wordt nog opgemerkt, dat de uitvinding niet beperkt is tot de getoonde uitvoeringsvoorbeelden. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk, ter verdere vermindering van de energie-dissipatie in de motor, elk van de randspoelen te vervangen door een paar gemodificeerde, elk afzonderlijk bekrachtigbare randspoelen, waarbij gezien volgens de motoras, een van de spoelen van het paar gemodificeerde randspoelen even lang is als de tegenover liggende magneet, en de andere spoel een lengte heeft, die overeenkomt met de halve slag van de motor. De gemodificeerde randspoelen worden in afhankelijkheid van hun positie ten opzichte van de magneten selectief aangestuurd.

Claims (5)

1. Lineaire motor omvattende twee volgens een motoras onderling verplaatsbare motordelen, waarvan een eerste motordeel is voorzien van een spoeldrager met een spoelstelsel met dwars op de motoras georiënteerde windingen en een tweede motordeel is voorzien van een magneet-drager met ten minste een paar althans gezien langs de motoras op een afstand van elkaar geplaatste, een tussenruimte vormende en over een luchtspleet met het spoelstelsel samenwerkende magneten, met het kenmerk, dat het spoelstelsel van het eerste motordeel een set van drie, gezien langs de motoras achter elkaar geplaatste spoelen omvat, zijnde twee randspoelen en een middenspoel, waarvan de middenspoel een spoellengte heeft, welke althans nagenoeg gelijk is aan de genoemde afstand tussen het paar magneten van het tweede motordeel, waarbij in een neutrale positie van de motordelen ten opzichte van elkaar de middenspoel zich althans nagenoeg geheel tegenover de genoemde tussenruimte bevindt.

2. Lineaire motor volgens conclusie 1, voorzien van middelen voor het detecteren van de onderlinge positie van beide motordelen en van middelen voor het in afhankelijkheid van de onderlinge positie van beide motordelen regelen van de stroomrichting in genoemde windingen van het spoelstelsel, met het kenmerk, dat de genoemde middelen zodanig zijn ingericht, dat tijdens bedrijf de stroomrichting in de windingen van de ene randspoel tegengesteld is aan de stroomrichting in de windingen van de andere randspoel, waarbij de stroomrichting in de windingen van de zich uit de neutrale positie en daarmede zich althans ten dele tegenover een van de magneten bevindende middenspoel gelijk is aan de stroomrichting in de windingen van de zich tegenover de desbetreffende magneet bevindende randspoel.

3. Positioneerinrichting, omvattende een frame, een positio-neertafel en ten minste een lineaire motor volgens conclusie 1 of 2, waarbij de spoeldrager van de lineaire motor is bevestigd aan het frame en de magneetdrager van de lineaire motor is verbonden met de positio-neertafel, en waarbij voorts het frame als fluxgeleider is uitgevoerd.

4. Positioneerinrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de inrichting vier lineaire motoren volgens conclusie 1 of 2 omvat, welke paarsgewijze zijn gerangschikt, waarbij de motoras van de motoren van het ene paar dwars is georiënteerd ten opzichte van de motoras van de motoren van het andere paar.

5. Positioneerinrichting volgens conclusie 4, waarbij de twee magneten van elk van de motoren in tegengestelde zin zijn gemagnetiseerd, met het kenmerk, dat aangrenzende magneten van twee dwars op elkaar gepositioneerde motoren in gelijkgerichte zin zijn gemagnetiseerd .