NL9001909A

NL9001909A - Elektromagnetische ondersteuning met enkelzijdige regelstromen.

Info

Publication number: NL9001909A
Application number: NL9001909A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1990-08-30
Filing date: 1990-08-30
Publication date: 1992-03-16
Also published as: JPH04245407A; US5264982A; EP0473231A1

Description

"Elektromagnetische ondersteuning met enkelzijdige regelstromen."

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het positioneren van een lichaam in tenminste een ondersteuningsrichting, waarbij het lichaam tussen een paar in de ondersteuningsrichting gezien tegenover elkaar gelegen elektromagneten is ondersteund, terwijl met behulp van een positiesensor en een elektronische regelaar een elektrische stroom in de beide elektromagneten van het paar regelbaar is als functie van een verschil tussen een met de positiesensor gemeten positie van het lichaam ten opzichte van de elektromagneten en een gewenste positie.

Uit het tijdschrift Philips Technical Review, vol. 41, no. 11/12, 1983/84, bladz. 348-361, is een inrichting bekend van de in de aanhef genoemde soort, waarbij een as door middel van vijf paren elektromagneten zodanig is ondersteund dat alleen een rotatie van de as om de hartlijn van de as mogelijk is. Een door een elektromagneet op de as uitgeoefende kracht is nagenoeg evenredig met het kwadraat van de grootte van de stroom door de elektromagneet en nagenoeg omgekeerd evenredig met het kwadraat van de grootte van een luchtspleet tussen de elektromagneet en de as. Als gevolg van het genoemde verband tussen de elektromagnetische kracht en de grootte van de luchtspleet is de positie van de as ten opzichte van de elektromagneten zonder verdere maatregelen niet stabiel. Om bij de bekende inrichting een stabiele, gewenste positie van de as te handhaven wordt de positie van de as ten opzichte van elk paar elektromagneten gemeten met behulp van een positiesensor en wordt een door het verschil tussen de gemeten en de gewenste positie bepaalde regelstroom door de beide elektromagneten van het betreffende paar gestuurd. De grootte van de regelstroom wordt daarbij bepaald met een PID-regelaar.

De door een elektromagneet op de as uitgeoefende kracht is -altijd een aantrekkende kracht, onafhankelijk van de richting van de_ stroom door de elektromagneet. Om met behulp van de elektromagneten een ondersteuning van de as te verkrijgen is het noodzakelijk dat de elektromagnetische krachten van de beide elektromagneten van een paar verschillend in grootte zijn. Bij de bekende inrichting wordt daartoe door de beide elektromagneten van elk paar een gelijke basisstroom gestuurd. De regelstroom wordt bij een van de beide elektromagneten bij de basisstroom opgeteld en bij de andere elektromagneet van de basisstroom afgetrokken, zodat bij een door een belastingskracht veranderde spleetgrootte de door de betreffende elektromagneten uitgeoefende krachten verschillend in grootte zijn. Het toepassen van een basisstroom betekent, dat er door de basisstroom elektrische weerstands-verliezen in de elektromagneten ontstaan, hetgeen tot warmte-ontwikke-ling in de elektromagneten leidt. Dit is niet onder alle omstandigheden toelaatbaar.

Het doel van de uitvinding is een inrichting voor het positioneren van een lichaam te verschaffen, waarbij een basisstroom door de elektromagneten wordt vermeden, zodat de elektrische weer-standsverliezen klein zijn.

De uitvinding heeft daartoe tot kenmerk, dat tussen de regelaar en de beide met de regelaar geregelde elektromagneten een elektrische schakelaar is opgenomen, die in afhankelijkheid van de polariteit van een regelsignaal van de regelaar de stroom toelaat tot slechts een van de beide elektromagneten. Door toepassing van de elektrische schakelaar wordt bereikt, dat de door de regelaar in grootte bepaalde regelstroom slechts door een van de beide elektromagneten van het paar gaat, terwijl door de andere elektromagneet geen stroom loopt. Daarbij wordt door de polariteit van het regelsignaal bepaald welke elektromagneet van de regelstroom wordt voorzien en aldus een kracht uitoefent op het te ondersteunen en te positioneren lichaam. Doordat slechts door een van de beide elektromagneten een regelstroom gaat en een basisstroom vermeden wordt, zijn de elektrische weerstandsverliezen van de elektromagneten laag.

Een bijzondere uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding, die een elektrische schakelaar bezit met een nauwkeurig gedefinieerde nulovergang, heeft tot kenmerk, dat de elektrische _ schakelaar een schakeling is, waarbij tussen de regelaar en elk van de beide met de regelaar geregelde elektromagneten een voor de betreffende elektromagneet unieke elektronische gelijkrichter is geschakeld en waarbij de beide gelijkrichters elektrisch tegengesteld zijn gericht.

Op deze wijze wordt een nauwkeurige werking van de inrichting bereikt.

Een verdere uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding, die een compacte en eenvoudig uitwisselbare elektrische schakelaar bezit, heeft tot kenmerk, dat de elektrische schakelaar een digitale regelaar met een logische schakelfunctie is.

Een nog verdere uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding, waarbij een aanzienlijke besparing is bereikt op het aantal benodigde elektrische componenten, heeft tot kenmerk, dat de elektrische schakelaar een schakeling is, waarbij tussen een door de regelaar aangestuurde, voor de beide elektromagneten gemeenschappelijke versterkereenheid en elk van de beide elektromagneten een voor de betreffende elektromagneet unieke diode is geschakeld en waarbij de beide dioden elektrisch tegengesteld zijn gericht.

De uitvinding wordt in het volgende nader toegelicht aan de hand van de tekening, waarin:

Figuur 1 een zijaanzicht toont van een gemeenschappelijk deel van een eerste, een tweede en een derde uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding,

Figuur 2 een bovenaanzicht toont van het gemeenschappelijke deel volgens figuur 1,

Figuur 3 een dwarsdoorsnede toont van het gemeenschappelijke deel volgens de lijn III-III in figuur 2, ;

Figuur 4a op schematische wijze de eerste uitvoeringsvorm ' toont van de inrichting volgens de uitvinding met een eerste elektronisch regelcircuit,

Figuur 4b op schematische wijze een elektronische gelijk- ! richter toont zoals toegepast in de uitvoeringsvorm volgens figuur 4a,

Figuur 5 op schematische wijze een tweede uitvoeringsvorm toont van de inrichting volgens de uitvinding met een tweede elektronisch regelcircuit, en

Figuur 6 op schematische wijze een derde uitvoeringsvorm toont van de inrichting volgens de uitvinding met een derde elektronisch regelcircuit.

De met de figuren 1 tot en met 6 geïllustreerde inrichting bezit een rechtgeleiding met een zich evenwijdig aan een in figuur 1 als x-richting aangegeven, horizontale richting uitstrekkende stalen geleidebalk 1 die nabij zijn beide uiteinden is bevestigd aan een gestel 3» waarbij een tafel 5 in de x-richting verplaatsbaar is langs de geleidebalk 1. Met behulp van in de figuren 1 tot en met 3 niet nader weergegeven aandrijftaiddelen kan een op de tafel 5 bevestigd voorwerp 7 in de x-richting gepositioneerd worden.

De tafel 5 is voorzien van een ronde luchtvoet 9 van een uit de Nederlandse octrooiaanvrage 8902472 bekende soort. In bedrijf is de luchtvoet 9 met behulp van een met een onderdruk voorgespannen statisch gaslager van een op zichzelf gebruikelijke soort afgesteund op een granieten basisvlak 11, dat zich in een horizontaal vlak uitstrekt evenwijdig aan de x-richting en een dwars op de x-richting staande, horizontale y-richting (zie figuur 2). Door toepassing van de luchtvoet 9 in combinatie met het basisvlak 11 wordt een translatie van de tafel 5 in een dwars op het basisvlak 11 staande z-richting verhinderd, alsmede een rotatie van de tafel 5 om een evenwijdig aan de x-richting of de y-richting gerichte rotatie-as.

Een translatie van de tafel 5 evenwijdig aan de y-richting alsmede een rotatie van de tafel 5 om een evenwijdig aan de z-richting gerichte rotatie-as wordt voorkomen door toepassing van twee paren elektromagneten (13, 15) en (17, 19), waarbij de beide paren op enige afstand van elkaar zijn bevestigd in een lagerhuis 21 dat tussen de tafel 5 en de luchtvoet 9 is aangebracht en dat de geleidebalk 1 omgeeft (zie figuren 1 en 2). Zoals in figuur 2 is te zien, zijn de beide elektromagneten (13, 15) en (17, 19) van elk paar in y-richting gezien tegenover elkaar gelegen aan weerskanten van de geleidebalk 1.

Indien door de elektromagneten 13, 15, 17 en 19 een elektrische stroom gaat, zal elk van de elektromagneten 13, 15, 17 en 19 een aantrekkende, elektromagnetische kracht uitoefenen op de stalen geleidebalk 1. De grootte van deze kracht is nagenoeg evenredig met het kwadraat van de grootte van de stroom door de betreffende elektromagneet 13, 15, 17, 19 en nagenoeg omgekeerd evenredig met het kwadraat van de grootte van een luchtspleet 23 tussen de betreffende elektromagneet 13, 15, 17, 19 (zie figuur 2) en de geleidebalk 1. Als gevolg van het genoemde verband tussen de elektromagnetische kracht en de grootte van de luchtspleet 23 is een evenwichtsstand, waarin de aantrekkende krachten van de beide elektromagneten van elk paar (13, 15) en (17, 19) gelijk zijn, instabiel als de stroom door de elektromagneten 13, 15, 17, 19 een constante, ongeregelde stroom is. Indien namelijk de tafel 5 vanuit de evenwichtsstand over een kleine afstand wordt verplaatst evenwijdig aan de y-richting, zal de aantrekkende kracht van de elektromagneten, waarvan de luchtspleet 23 door de verplaatsing kleiner wordt, toenemen en zal de aantrekkende kracht van de elektromagneten, waarvan de luchtspleet 23 door de verplaatsing groter wordt, afnemen. Hierdoor ontstaat een resulterende kracht in de richting van de genoemde verplaatsing, zodat de verplaatsing verder zal toenemen.

Om een stabiele ondersteuning in de y-richting te verkrijgen is de stroom door de elektromagneten van de paren (13, 15) en (17, 19) geregeld door middel van respectievelijk elektronische regelcircuits 25a en 25b (zie figuur 2). De regelcircuits 25a en 25b zijn identiek. Elk van de beide paren elektromagneten (13, 15) en (17, 19) is voorzien van een kontaktloze capacitieve positiesensor 29, 31 van een op zichzelf gebruikelijke soort die is aangebracht in een der beide elektromagneten van het betreffende paar (13, 15), (17, 19) (zie figuur 2).

Elk van de positiesensoren 29, 31 meet in bedrijf de grootte van de luchtspleet 23 tussen de geleidebalk 1 en de elektromagneet 13, 17 waarin de betreffende positiesensor 29, 31 is aangebracht. Door de regelcircuits 25a, 25b wordt de gemeten grootte van de luchtspleten 23 vergeleken met een gewenste grootte en wordt een van het verschil tussen de gewenste en de gemeten grootte afhankelijke regelstroom door de elektromagneten 13, 15, 17, 19 gestuurd, zodat de gemeten grootte onder invloed van de op de geleidebalk 1 uitgeoefende elektromagnetische krachten gelijk wordt aan de gewenste grootte. In het volgende zal nader worden ingegaan op de werking en de eigenschappen van de regelcircuits 25a, 25b.

In figuur 4a is op schematische wijze een eerste uitvoeringsvorm van de elektronische regelcircuits 25a en 25b weergege- -ven. In elk regelcircuit 25a, 25b is een elektrische uitgang van de _ betreffende positiesensor 29, 31 verbonden met een eerste elektrische ingang van een als een comparator 33 functionerende sommeerschakeling. Door middel van de comparator 33 wordt een uitgangssignaal upos (spanningssignaal) van de positiesensor 29, 31, dat in grootte wordt bepaald door de grootte van de luchtspleet 23, vergeleken met een ingangssignaal ugew van een tweede elektrische ingang van de comparator 33, dat in grootte wordt bepaald door de gewenste grootte van de luchtspleet 23. Een uitgangssignaal ucom van de comparator 33 is gelijk aan het verschil ugew - upos van de beide ingangssignalen van de comparator 33. Het signaal ucom vormt een ingangssignaal voor een elektronische regelaar 35. De regelaar 35 is een op zichzelf bekende en gebruikelijke PID-regelaar met een proportionele, integrerende en differentiërende regelactie, die het signaal ucom omvormt tot een regelsignaal upid (spanningssignaal) dat bepalend is voor de grootte van de regelstroom door de elektromagneten 13 en 15.

Zoals in figuur 4a is weergegeven is een elektrische uitgang van de regelaar 35 via een eerste tak 37 van het regelcircuit 25 verbonden met de elektromagneet 15 en via een tweede tak 39 van het regelcircuit 25 verbonden met de elektromagneet 13. De tak 37 is voorzien van een elektronische gelijkrichter 41a, terwijl de tak 39 is voorzien van een elektronische gelijkrichter 41b en een invertor 43, die de polariteit van het signaal up£d in de tak 39 omkeert. De gelijkrichters 41a en 41b, die elk als een ideale diode werken, zijn van een op zichzelf gebruikelijke soort en zijn elk uitgevoerd als een operationele versterkerschakeling met een enkelzijdige gelijkrichtende werking (zie figuur 4b). Toepassing van een enkele diode in plaats van elk van de gelijkrichters 41a, 41b is niet mogelijk, omdat de drempelspanning van een dergelijke diode te groot is in verhouding tot het spanningssignaal upid’ Door toepassing van de gelijkrichters 41a, 41b volgens figuur 4b wordt een ideale diodefunctie bereikt met een nauwkeurige nulovergang. Door toepassing van de invertor 43 wordt verder bereikt, dat de gelijkrichters 41a en 41b ten opzichte van het signaal up^d elektrisch tegengesteld gericht zijn, zoals in figuur 4 op schematische wijze is weergegeven. De functie van de gelijkrichters 41a, 41b in het regelcircuit 25 wordt in het navolgende nog nader toegelicht.

Zoals verder in figuur 4a is weergegeven is de uitgang van -de regelaar 35 via de gelijkrichter 41a in tak 37 verbonden met een _- versterkereenheid 45 van een op zichzelf gebruikelijke soort, die is voorzien van een operationele versterker 47. Door middel van de versterkereenheid 45 wordt het spanningssignaal Upi<j versterkt tot een regelstroom i-| door de elektromagneet 15. Verder is de uitgang van de regelaar 35 via de gelijkrichter 41b in tak 39 verbonden met een versterkereenheid 49 die van eenzelfde soort is als de genoemde versterkereenheid 45 en voorzien is van een operationele versterker 51. Met behulp van de versterkereenheid 49 wordt het spanningssignaal Upj^ versterkt tot een regelstroon door de elektromagneet 13.

Door de in figuur 4a getoonde regelcircuits 25a en 25b worden alleen regelstromen i-j en ig door de elektromagneten 13, 15, 17, 19 gestuurd. Een basisstroom, zoals toegepast bij de in de inleiding beschreven bekende inrichting, wordt bij de in figuur 4a weergegeven inrichting niet toegepast. Een dergelijke regeling zonder basisstroom is mogelijk door toepassing van de reeds genoemde gelijkrichters 41a, 41b en de invertor 43 in de regelcircuits 25a, 25b. Door de gelijkrichters 41a, 41b en de invertor 43 op de in figuur 4a aangegeven wijze op te nemen in de regelcircuits 25a, 25b wordt bereikt, dat bij een statische belasting van de tafel 5 alleen elektromagneet 13 van een regelstroom 12 wordt voorzien en i-j gelijk aan nul is indien de gemeten grootte van de luchtspleet 23 groter is dan de gewenste grootte. Bij | een dergelijke belasting wordt alleen elektromagneet 15 van een regelstroom ii voorzien en is i2 gelijk aan nul als de gemeten grootte van j de luchtspleet 23 kleiner is dan de gewenste grootte. Aldus functioneren de gelijkrichters 41a, 41b in combinatie met de invertor 43 als een elektrische schakelaar die de regelstroom toelaat tot slechts een van de beide elektromagneten 13, 15. Door de polariteit van het signaal Upid wordt daarbij bepaald welk van de beide elektromagneten 13, 15 van de regelstroom wordt voorzien en aldus een kracht uitoefent op de geleidebalk 1, zodat altijd een verschil in de door de elektromagneten 13, 15 uitgeoefende krachten wordt bereikt.

Doordat een basisstroom door de elektromagneten 13, 15 1 i ontbreekt en slechts een der beide elektromagneten 13, 15 een regel- i stroom ontvangt, zijn de elektrische weerstandsverliezen van de elektromagneten 13, 15 laag. In een onbelaste toestand van de tafel 5 zijn de weerstandsverliezen zelfs verwaarloosbaar klein.

In figuur 5 is op schematische wijze een tweede uitvoerings^ vorm van de regelcircuits 25a, 25b weergegeven. In deze uitvoeringsvorm wordt in plaats van de in de uitvoeringsvorm volgens figuur 4a toegepaste gelijkrichters 41a, 41b en de convertor 43 een digitale regelaar 53 met een logische schakelfunctie toegepast. Naast een besparing van het aantal componenten in de regelcircuits 25a, 25b wordt ook een eenvoudige en snelle uitwisselbaarheid van de componenten bereikt.

In figuur 6 is op schematische wijze een derde uitvoeringsvorm van de regelcircuits 25a, 25b weergegeven. In deze uitvoeringsvorm wordt slechts één versterkereenheid 55 toegepast, die gemeenschappelijk is voor de beide elektromagneten 13, 15. De versterkereenheid 55 is van eenzelfde soort als de in de uitvoeringsvormen volgens de figuren 4a en 5 toegepaste versterkereenheden 45, 49 en is voorzien van een operationele versterker 57. In de takken 37 en 39 zijn respectievelijk dioden 59 en 61 opgenomen. De dioden 59 en 61 zijn elektrisch tegengesteld gericht ten opzichte van de regelstroom i, zodat de regelstroom in afhankelijkheid van de richting van de regelstroom, slechts in een van de beide elektromagneten 13, 15 wordt toegelaten. Toepassing van de dioden 59, 61 is in deze uitvoeringsvorm mogelijk, omdat een uitgangsspanning van de versterkereenheid 55 groot is in verhouding tot de drempelspan-ning van de dioden 59, 61.

Opgemerkt wordt, dat de in het voorgaande beschreven inrichting bij uitstek geschikt is om als elektromagnetisch lager te worden toegepast in een optisch lithografische positioneerinrichting voor de vervaardiging van maskers toegepast in de fabricage van geïntegreerde schakelingen. Bij dergelijke positioneerinrichtingen en ook bij andere precisiemachines met elektromagnetische lagers kunnen maatonnauwkeurig-heden ontstaan ten gevolge van warmte-ontwikkeling in de elektromagneten. Door toepassing van een inrichting volgens de figuren 4a, 5 of 6 kunnen dergelijke onnauwkeurigheden worden voorkomen.

Verder wordt opgemerkt, dat bij de in figuur 5 weergegeven uitvoeringsvorm in plaats van de regelaar 35 en de digitale schakelaar 53 een digitale regelaar kan worden toegepast, waarin de functies van de regelaar 35 en de digitale schakelaar 53 zijn geïntegreerd.

Tevens wordt opgemerkt, dat ten gevolge van het kwadratische verband tussen de elektromagnetische kracht en de stroom de inrichting in een onbelaste toestand van de tafel 5 een stijfheid heeft die nihil is. Als gevolg hiervan kan de tafel 5 in onbelaste toestand een geringe trilling (enkele tienden van een micrometer) uitvoeren. Bij vele toepassingen is deze trilling echter niet bezwaarlijk, temeer omdat de grootte en de frequentie van de trilling in een ontwerpstadium bepaald kunnen worden.

Tenslotte wordt opgemerkt, dat bij de inrichtingen volgens de figuren 1 tot en met 6 twee vrijheidsgraden van de tafel 5 worden onderdrukt door middel van twee paren elektromagneten (13, 15) en (17, 19), namelijk een translatie evenwijdig aan de y-richting en een rotatie om een evenwijdig aan de z-richting gerichte rotatie-as. Door toepassing van meer paren elektromagneten bij een dergelijke inrichting kunnen uiteraard ook meer dan twee vrijheidsgraden van het te ondersteunen lichaam onderdrukt worden. In de inrichtingen volgens de figuren 1 tot en met 6 zijn de elektromagneten 13, 15 tegenover elkaar aan weerskanten van de geleidebalk 1 aangebracht. De beide elektromagneten van een paar kunnen uiteraard ook op een andere wijze opgesteld zijn, namelijk met de U-vormige zijden van elkaar af. In dit geval bevindt het paar 13, 15 zich tussen een eerste en een tweede deel van de geleidebalk, waarbij de beide delen evenwijdig zijn.

i i

J

Claims

1. Inrichting voor het positioneren van een lichaam in ten- __ minste een ondersteuningsrichting, waarbij het lichaam tussen een paar in de ondersteuningsrichting gezien tegenover elkaar gelegen elektromagneten is ondersteund, terwijl met behulp van een positiesensor en een elektronische regelaar een elektrische stroom in de beide elektromagneten van het paar regelbaar is als functie van een verschil tussen een met de positiesensor gemeten positie van het lichaam ten opzichte van de elektromagneten en een gewenste positie, met het kenmerk, dat tussen de regelaar en de beide met de regelaar geregelde elektromagneten een elektrische schakelaar is opgenomen, die in afhankelijkheid van de polariteit van een regelsignaal van de regelaar de stroom toelaat tot slechts een van de beide elektromagneten.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de elektrische schakelaar een schakeling is, waarbij tussen de regelaar en elk van de beide met de regelaar geregelde elektromagneten een voor de betreffende elektromagneet unieke elektronische gelijkrichter is geschakeld en waarbij de beide gelijkrichters elektrisch tegengesteld zijn gericht.

3. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de elektrische schakelaar een digitale regelaar met een logische schakelfunctie is.

4. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de elektrische schakelaar een schakeling is, waarbij tussen een door de regelaar aangestuurde, voor de beide elektromagneten gemeenschappelijke versterkereenheid en elk van de beide elektromagneten een voor de betreffende elektromagneet unieke diode is geschakeld en waarbij de beide dioden elektrisch tegengesteld zijn gericht.