WO2012146709A2 - Hochauflösende positioniereinrichtung - Google Patents

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WO2012146709A2
WO2012146709A2 PCT/EP2012/057752 EP2012057752W WO2012146709A2 WO 2012146709 A2 WO2012146709 A2 WO 2012146709A2 EP 2012057752 W EP2012057752 W EP 2012057752W WO 2012146709 A2 WO2012146709 A2 WO 2012146709A2
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positioning device
stator
array
coil
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Christoph SCHÄFFEL
Michael Katzschmann
Hans-Ulrich Mohr
Carolin WALENDA
Rainer GLÖß
Christian RUDOLF
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Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg
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Publication of WO2012146709A3 publication Critical patent/WO2012146709A3/de
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    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
    • H02K41/031—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors of the permanent magnet type
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings
    • H02K7/09—Structural association with bearings with magnetic bearings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/18—Machines moving with multiple degrees of freedom

Definitions

  • the invention relates to a high-resolution positioning device comprising a stator and a rotor, a coil array arranged on the stator with at least three groups of flat coils, each group having at least two individual coils and the coil array enclosing a clearance on the stator, further with, on or in the rotor located permanently magnetically excited circles, which form a magnet array, which also includes a space, the free spaces a
  • Recording position measuring system which has a measuring head with sensors and a surface scale, according to claim 1.
  • at least two oppositely polarized permanent magnets are ferromagnetic on a ferromagnetic base plate and a ferromagnetic one is respectively provided over the oppositely polarized permanent magnets
  • Rear part arranged.
  • These coil heads are located in a trained as a table top part with the force effective coil strands of the center of the table.
  • at least three rectangular coils with their respective pairs of permanent magnets are disposed at an angle of preferably 120 °, with the non-energetic coil ends of the center of the table facing.
  • a planar motor which has a stator and a rotor.
  • the stator comprises an array of several
  • segmented magnets with periodic polarization which interact with energizable coils to effect the desired positioning movement.
  • the local solution is characterized by a coarse positioning, which cooperates with a Feinpositionier worn to one hand, to cover larger travel distances quickly and on the other hand to achieve the desired positioning accuracy.
  • the generic DE 10054376 AI shows an electrodynamic planar x-y (
  • Control system is u.a. able to identify both the size and position of the load mass.
  • the drive according to DE 10054376 A1 is one in which stator and rotor are positioned relative to each other for air bearing. On the stator are pairs of opposing coils applied and fixed.
  • the rotor consists of a rotor frame, in the center of which a measuring system arrangement is provided. Of the
  • Rotor frame has at its corners in each case an air bearing mounting, each receiving an air bearing nozzle, and has between the
  • the permanent magnetically excited circles each comprise two individual magnets, which are bridged with a yoke yoke.
  • the rotor has on its underside in its center a recess for receiving a material measure, e.g. formed by a surface scale. Directly below the material measure is located in the center of the stator, a scanning unit, the sampling grid plate in the
  • Each of the sensor arrays of sensor modules consisting of transmitters and receivers, the one
  • Irradiation by a sampling grid on the material measure and back again by the sampling grid to allow the receiver detects the modulated during relative movement between measuring scale and sampling grid light radiation and converts these into electrical signals.
  • the intended optical scanning can be movements in the xy direction and also determine twisting movements. The detection of tilting movements and / or movements in the vertical, ie z-direction, is not possible.
  • the local direct drive is also equipped with a measuring system.
  • the runner which is a mobile platform, should be free of electrical wiring.
  • the positioning accuracy and thus the motion resolution should be in the lower nanometer range and preferably ⁇ 20 nm.
  • the object of the invention is achieved by the positioning device according to the feature combination according to claim 1, wherein the dependent claims comprise at least expedient refinements and developments.
  • the invention is therefore based on a purely magnetically guided and driven movement system, wherein the rotor movement takes place without any mechanical contact between the stator and rotor on the basis of magnetic field forces.
  • the measuring system used according to the invention detects all degrees of freedom of movement translationally in the x, y and z directions as well as rotationally about the axes x, y and z. That's it
  • Measuring system able to detect the vertical rotor position and the rotor tipping.
  • the inventive construction creates a level
  • Reference surface at least the size of the flat travel range of Runner.
  • Measuring scale is arranged to minimize measurement errors close to the moving or measuring object.
  • the proposed positioning device has a coil array arranged on the stator with at least three groups of flat coils, each group having at least two individual coils.
  • the coil array includes a clearance on the stator or the stator surface.
  • On or in the rotor permanently magnetically excited circles are located, which form a magnet array.
  • This magnet array also includes a clearance.
  • the above-mentioned free spaces accommodate the position measuring system, which has a measuring head with sensors and a surface scale. The free spaces are chosen such that an area is available which corresponds essentially to the size of the flat travel area.
  • the positioning device is designed as a free-floating, purely magnetically guided, six-dimensional drive, wherein the measuring head is located in the coil array free space and the area scale in the magnetic array free space.
  • the rotor itself is free of drive-relevant and sensor-relevant electrical or electronic and in this respect live parts.
  • the measuring head has a on the
  • Coil array clearance adapted, taking advantage of the available space surface shape.
  • the measuring head has optical increment sensors and capacitive sensors.
  • the capacitive sensors are arranged in a preferred embodiment in the surface edge region of the measuring head and further at least one optical sensor in the center of the measuring head. With the help of the capacitive sensors, a movement in z-direction with a resolution of approx. 1 nm can be detected. Similarly, tilt angles and related movements can be detected.
  • the optical increment sensors detect the horizontal movements in the x- and y-direction and rotational or rotational movements of the rotor to z.
  • the capacitive sensors each consist of a sensor pair, which detect the respective distance to the surface of the surface scale in order to detect therefrom angular positions u, v and movements in the z-direction.
  • the measuring head has the shape of a triangle.
  • the corner regions of the triangle are in this preferred embodiment, the paired capacitive
  • the optical sensors are arranged in the center of the triangular measuring head.
  • the above measures ensure the required high dynamics and the desired resolution in all degrees of freedom.
  • the respective coil groups as part of the coil array are designed as a unit with cooling tubes forming a sandwich arrangement.
  • the permanent magnetically excited circles each consist of a multi-segment Halbach array.
  • Permanent magnets understood that allows the magnetic flux almost alshebt on one side of the configuration, but reinforced on the other side.
  • a Halbach array is composed of segments of permanent magnets whose magnetization direction
  • the respective coil group can have an enclosure with means for supplying and removing a cooling medium.
  • a cooling of the coil groups is also possible by means of a heat pipe. Due to the compact arrangement of cooling tube and coil unwanted temperature gradients over the surface area of the
  • the rotor is designed as a carrier body with cavities in one embodiment of the invention.
  • electro- and / or permanent magnetic means may be provided.
  • Ausgestaltend can runners and driving range overlapping
  • ferromagnetic plates are connected to the stator and formed with the ferromagnetic plates interacting electromagnets, wherein between the ferromagnetic plates and the
  • Electromagnets is an air gap distance and the ferromagnetic plates at each position of the rotor, the pole faces of the electromagnets, preferably completely cover.
  • Reference sensors are provided for a defined start or rest position of the rotor relative to the stator in a position provided for this purpose.
  • the coil array is preferably embedded in the stator and terminates substantially flush with the stator surface.
  • a stator material for example, a natural or artificial stone, in particular granite block is used.
  • Fig. 1 is a sectional view of the invention
  • Fig. 2 is a plan view of the inventive arrangement with
  • Fig. 3a shows an arrangement of magnetic bridges, consisting of
  • Fig. 3b is an illustration of a permanent magnetic circuit in shape
  • FIG. 5 shows a perspective view from above with a view of the rotor and recognizable stator plates together with the coil array
  • FIG. 7 representations for weight compensation of the rotor according to
  • FIG. 8 shows a further variant of an arrangement for weight compensation of the rotor with ferromagnetic plates on the rotor and located above, fixed to the stator electromagnet in plan view, perspective view and partial sectional view A-A along the line A-A according to the plan view.
  • the positioning device is based on a planar coil array, which is preferably arranged and fastened on a stator plate.
  • the coil array consists of, for example, six flat coils, which are arranged offset in a star-shaped symmetrical manner in three pairs.
  • a free space which is used for the arrangement of a measuring head for the detection of six degrees of freedom, which measuring head is in turn defined on the stator plate or positioned there can be calibrated.
  • the coil array includes at least one magnet array, which consists of at least three rows of mutually polarized magnets, which are arranged in the center position of the rotor in each case centrally to a coil pair of the coil array.
  • the rows of magnets are such as e.g. recognizable in Fig. 2, executed in the form of a triangular arrangement, at the center of which there is another free space.
  • This free space is preferably used for the arrangement of a 6D surface scale for the surface dimensional standardization of the 6D measuring system.
  • Force components F x or F Y are for horizontal
  • the runner When decommissioning the control, not shown in the figures, the runner can be parked on sliding feet.
  • the sliding feet also serve to start up the control for sliding the rotor on the stator during the scanning of existing reference marks of the 6D measuring system.
  • the solution according to the invention requires carrying and defined high-precision 6D positioning of the rotor in space
  • the sectional view taken along the line A-A of FIG. 2 shows a schematic representation of the high-resolution positioning.
  • the coil array 1 is here arranged and fixed on a stator 9.
  • the coil array 1 consists of six flat coils, which are arranged in three pairs, star-shaped offset by 120 ° (see Fig. 2).
  • Each coil pair of the coil array 1 comprises a first coil 12 and a second coil 13.
  • the coils 12 and 13 may be embedded in a corresponding recess of the stator and terminate flush with this surface.
  • the space 6 is used for the arrangement of the 6D measuring head 8, which in turn is arranged and fixed on the stator plate 9.
  • FIG. 1 furthermore shows the rotor 3 with magnet array 2.
  • the slide 4 and the 6D surface scale 7 are shown.
  • 3a shows the magnet array 2 associated with the coil array 1.
  • the magnet array 2 is formed from three rows of mutually polarized magnets together with a magnetic bridge 11.
  • the magnetic bridges 11 are each arranged centrally to the coil pairs of the coil array 1.
  • FIG. 3b shows an embodiment of a magnet array 2 in the form of a Halbach array 14, consisting of alternating polarized magnets with a rotating magnetization vector (indicated by the arrow representations).
  • the Halbach arrays 14 are each arranged centrally in the middle position of the rotor 3 to the coil pairs of the coil array 1.
  • FIGS. 4 and 5 show, in perspective, three rows of magnets each, which assume the shape of a triangle. In the center of the arrangement is the free space 5, which is used according to the invention for the arrangement of the 6D surface scale 7.
  • the reference numeral 10 denotes the already mentioned sliding feet.
  • the view from below of FIG. 4 omitting the stator 9 represents a magnetic array comprising three Halbach arrays 14. It should be made clear at this point that the
  • Reference numeral 1 e.g. 2, 4 or 5 is not a single coil pair is characterized, but hereunder the arrangement of the three coil pairs, each comprising the individual coils 12 and 13, forming the coil array to understand.
  • Fig. 6 shows a first embodiment of an arrangement for
  • ferromagnetic plates 17 covering the rotor and travel region are fastened to the stator and electromagnets 16 are located on the rotor 3.
  • the third embodiment for weight compensation of the rotor with ferromagnetic plates 15 on the rotor and located above it, attached to the stator electromagnet 16 show the illustrations of FIG. 8.
  • Magnetarrays 2 each horizontal and vertical forces and moments are impressed on the rotor 3.
  • the force vectors are shown as arrows in FIGS. 3a and 3b above the magnetic bridges or the Halbach arrays.
  • the vertical components of the forces are used to support the runner weight and for vertical positioning.
  • the horizontal force components allow horizontal acceleration and positioning.
  • the rotor 3 When decommissioning the scheme, the rotor 3 is parked on the sliding feet 10. These sliding feet 10 are used in the commissioning of the scheme for sliding of the rotor 3 on the stator, in particular during the
  • FIGS. 2, 4 and 5 For carrying and for the defined high-precision 6D positioning of the rotor in space, as shown in FIGS. 2, 4 and 5, six actuator elements are implemented, which are combined as a combination of the coil array 1 and the magnet array 2.
  • the proposed positioning device with six-dimensional drive can be used for a wide variety of industrial and scientific purposes, but also for inspection systems.
  • the range of motion of the rotor is horizontal at about 100 mm and it is the deflection in the z direction about 100 ⁇ at a positioning accuracy of about 5 nm.
  • S1TI2C017 magnets come with one
  • the measuring head comprises in a realized solution 3D optical increment sensors with a

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine hochauflösende Positioniereinrichtung mit einem Stator und einem Läufer, einem auf dem Stator angeordneten Spulenarray mit wenigstens drei Gruppen von Flachspulen, wobei jede Gruppe mindestens zwei Einzelspulen aufweist und das Spulenarray einen Freiraum auf dem Stator einschließt, weiterhin mit auf, an oder in dem Läufer befindlichen permanentmagnetisch erregten Kreisen, welche ein Magnetarray bilden, das ebenfalls einen Freiraum einschließt, wobei die Freiräume ein Positionsmesssystem aufnehmen, das einen Messkopf mit Sensoren und einen Flächenmaßstab besitzt. Erfindungsgemäß ist die Einrichtung als freischwebender, magnetisch geführter sechsdimensionaler Antrieb ausgebildet, wobei sich der Messkopf im Spulenarray-Freiraum und der Flächenmaßstab im Magnetarray-Freiraum befinden sowie der Läufer frei von antriebsrelevanten elektrischen oder elektronischen und diesbezüglich stromführenden Teilen ist.

Description

Hochauflösende Positioniereinrichtung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine hochauflösende Positioniereinrichtung mit einem Stator und einem Läufer, einem auf dem Stator angeordneten Spulenarray mit wenigstens drei Gruppen von Flachspulen, wobei jede Gruppe mindestens zwei Einzelspulen aufweist und das Spulenarray einen Freiraum auf dem Stator einschließt, weiterhin mit auf, an oder in dem Läufer befindlichen permanentmagnetisch erregten Kreisen, welche ein Magnetarray bilden, das ebenfalls einen Freiraum einschließt, wobei die Freiräume ein
Positionsmesssystem aufnehmen, das einen Messkopf mit Sensoren und einen Flächenmaßstab besitzt, gemäß Patentanspruch 1.
Aus der DE 3037648 AI ist ein Zweikoordinatenschrittmotor vorbekannt, bei dem Spulen oder Dauermagnete in einem beweglichen Teil angeordnet sind, welches u.a. durch Magnetschwebung in einer Ebene gelagert ist. Weiterhin sind Rasterplatten, Interferometerspiegel oder andere inkrementelle
Geberplatten senkrecht zueinander zur inkrementellen Signalgewinnung und Lageregelung vorhanden. In jeder Bewegungskoordinate des Zweikoordinatenmotors sind mindestens zwei entgegengesetzt polarisierte Dauermagneten auf einer ferromagnetischen Grundplatte und jeweils über den entgegengesetzt polarisierten Dauermagneten ein ferromagnetisches
Rückschlussteil angeordnet. In dem Luftspalt zwischen Dauermagneten und Rückschlussteil befindet sich mindestens eine rechteckige Spule mit weit über die Magnetpolbreite ragenden Spulenköpfen. Diese Spulenköpfe befinden sich in einem als Tischplatte ausgebildeten Teil mit den kraftwirksamen Spulensträngen der Tischmitte zugewandt. In der Tischplatte sind neben den der Tischmitte zugewandten Spulensträngen Aussparungen mindestens in der Größe von Verfahrweg und Querschnitt des Rückschlussteils und in der Tischmitte ein Objektträgerteil aus strahlungsdurchlässigem Werkstoff, z.B. Glas vorgesehen. Bei einer Ausführungsform sind mindestens drei rechteckige Spulen mit ihren zugehörigen Paaren von Dauermagneten unter einem Winkel von vorzugsweise 120°, mit den nichtkraftwirksamen Spulenköpfen der Tischmitte zugewandt, angeordnet. Mit dem vorbekannten Zweikoordinatenschrittmotor sollen kleinste Schrittweiten bis unter 1 μιτι erreicht werden und ein günstiges dynamisches Verhalten gegeben sein. Bei dem Positioniersystem für eine Lithografieeinrichtung nach EP 1 243972 AI findet ein Planarmotor Anwendung, welcher einen Stator sowie einen Läufer aufweist. Der Stator umfasst eine Anordnung von mehreren
segmentierten Magneten mit periodischer Polarisation, wobei diese mit Strom beaufschlagbaren Spulen wechselwirken, um die gewünschte Positionierbewegung zu bewirken. Darüber hinaus ist die dortige Lösung durch eine Grobpositioniereinheit gekennzeichnet, welche mit einer Feinpositioniereinrichtung zusammenwirkt, um einerseits größere Verfahrwege schnell zurücklegen zu können sowie andererseits die gewünschten Positioniergenauigkeiten zu erreichen.
Die gattungsbildende DE 10054376 AI zeigt einen elektrodynamischen planaren x-y-(|)-Direktantrieb in flacher Bauweise, welcher geringe
Normalkraft- und Tangentialkraftschwankungen aufweist. Ein dortiges
Regelsystem ist u.a. in der Lage, sowohl die Größe als auch die Position der Lastmasse zu identifizieren. Bei dem Antrieb nach DE 10054376 AI handelt es sich um einen solchen, bei dem Stator und Läufer zueinander Luftlager- positioniert sind. Auf dem Stator sind paarig gegenüberliegend Spulen aufgebracht und fixiert. Der Läufer besteht aus einem Läuferrahmen, in dessen Zentrum eine Messsystemanordnung vorgesehen ist. Der
Läuferrahmen weist an seinen Ecken jeweils eine Luftlagerbefestigung auf, die jeweils eine Luftlagerdüse aufnimmt, und besitzt zwischen den
Luftlagerbefestigungen Rahmenstege, die ihrerseits jeweils
Rahmenaufnahmen beinhalten, in denen jeweils ein permanentmagnetisch erregter Kreis aufgenommen ist. Die permanentmagnetisch erregten Kreise umfassen jeweils zwei Einzelmagneten, die mit einem Rückschlussjoch gebrückt sind. Der Läufer besitzt an seiner Unterseite in seinem Zentrum eine Aussparung zur Aufnahme einer Maßverkörperung, z.B. gebildet durch einen Flächenmaßstab. Direkt unterhalb der Maßverkörperung befindet sich im Zentrum des Stators eine Abtasteinheit, deren Abtastrasterplatte im
vorhandenen Abstand die Maßverkörperung abtastet. Jedes der Sensorfelder von Sensormodulen, bestehend aus Sendern und Empfängern, die eine
Bestrahlung durch ein Abtastraster auf die Maßverkörperung und wieder zurück durch das Abtastraster auf die Empfänger gestatten, detektiert die bei Relativbewegung zwischen Maßverkörperung und Abtastraster modulierte Lichtstrahlung und wandelt diese in elektrische Signale um. Durch die vorgesehene optische Abtastung lassen sich Bewegungen in x-y-Richtung und auch Verdrehbewegungen bestimmen. Das Erfassung von Kippbewegungen und/oder Bewegungen in vertikaler, d.h. z-Richtung, ist nicht möglich.
Zum Stand der Technik sei noch auf die DE 195 11973 AI verwiesen, die einen planaren Direktantrieb zeigt, welcher aus Antriebsgrundelementen aufgebaut ist, die aus zwei entgegengesetzt polarisierten Magneten bestehen, welche über ferromagnetische Joche und einen ferromagnetischen Stator einen kurzen Magnetkreis bilden. Weiterhin sind Flachspulen auf dem Stator dem Magnetkreis jeweils zugeordnet, wobei Magnete und Joche im Läufer mitbewegt werden. Der Stator der vorbekannten Anordnung trägt
symmetrisch gegenüberliegende Paare von Flachspulen, die entsprechend der Position des Läufers kommutiert werden. Eine gegenphasige Bestromung jeweils gegenüberliegender Spulen gestattet die Erzeugung eines
Antriebsmoments bezüglich des Massenschwerpunkts des Läufers. Auch der dortige Direktantrieb ist mit einem Messsystem ausgestattet.
Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte hochauflösende Positioniereinrichtung mit einem Stator und einem Läufer anzugeben, welche eine Positionierung in sechs Freiheitsgraden ermöglicht. Der Läufer, der eine bewegliche Plattform darstellt, soll frei von elektrischer Verdrahtung sein. Die Positioniergenauigkeit und damit die Bewegungsauflösung soll im unteren Nanometerbereich liegen und vorzugsweise <20 nm sein.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Positioniereinrichtung gemäß der Merkmalskombination nach Anspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
Die Erfindung geht demnach von einem rein magnetisch geführten und angetriebenen Bewegungssystem aus, wobei die Läuferbewegung ohne jeglichen mechanischen Kontakt zwischen Stator und Läufer auf der Basis magnetischer Feldkräfte erfolgt. Das erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Messsystem erfasst alle Bewegungsfreiheitsgrade translatorisch in x-, y- und z-Richtung sowie rotatorisch um die Achsen x, y und z. Damit ist das
Messsystem in der Lage, die vertikale Läuferposition und die Läuferkipplage zu erfassen. Die erfindungsgemäße Ausbildung schafft eine ebene
Referenzfläche mindestens in der Größe des ebenen Verfahrbereichs des Läufers. Die Referenzfläche bzw. der Flächenmaßstab bzw. die
Maßverkörperung ist zur Minimierung von Messfehlern nahe zum bewegenden oder zum vermessenden Objekt angeordnet.
Die vorgeschlagene Positioniereinrichtung besitzt ein auf dem Stator angeordnetes Spulenarray mit wenigstens drei Gruppen von Flachspulen, wobei jede Gruppe mindestens zwei Einzelspulen aufweist. Das Spulenarray schließt einen Freiraum auf dem Stator bzw. der Statoroberfläche ein. Weiterhin sind auf, an oder in dem Läufer permanentmagnetisch erregte Kreise befindlich, welche ein Magnetarray bilden. Dieses Magnetarray schließt ebenfalls einen Freiraum ein. Die vorerwähnten Freiräume nehmen das Positionsmesssystem auf, welches einen Messkopf mit Sensoren und einen Flächenmaßstab besitzt. Die Freiräume sind derart gewählt, dass eine Fläche zur Verfügung steht, die im Wesentlichen der Größe des ebenen Fahrbereichs entspricht.
Die Positioniereinrichtung ist erfindungsgemäß als freischwebender, rein magnetisch geführter sechsdimensionaler Antrieb ausgebildet, wobei sich der Messkopf im Spulenarray-Freiraum und der Flächenmaßstab im Magnetarray- Freiraum befinden. Der Läufer selbst ist frei von antriebsrelevanten und sensorrelevanten elektrischen oder elektronischen und diesbezüglich stromführenden Teilen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung besitzt der Messkopf eine an den
Spulenarray-Freiraum angepasste, den zur Verfügung stehenden Platz ausnutzende Flächenform.
Weiterhin weist der Messkopf optische Inkrement-Sensoren sowie kapazitive Sensoren auf.
Die kapazitiven Sensoren sind bei einer bevorzugten Ausführungsform im Flächenrandbereich des Messkopfes und weiterhin mindestens ein optischer Sensor im Zentrum des Messkopfes angeordnet. Mit Hilfe der kapazitiven Sensoren kann eine Bewegung in z-Richtung mit einer Auflösung von ca. 1 nm erfasst werden. Ebenso können Kippwinkel und diesbezügliche Bewegungen erfasst werden. Die optischen Inkrement-Sensoren erfassen die Horizontalbewegungen in x- und y-Richtung sowie Dreh- oder Rotationsbewegungen des Läufers um z.
Die kapazitiven Sensoren bestehen jeweils aus einem Sensorpaar, welche den jeweiligen Abstand zur Oberfläche des Flächenmaßstabs erfassen, um hieraus Winkellagen u, v und Bewegungen in z-Richtung zu erfassen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Messkopf die Form eines Dreiecks auf. In den Eckbereichen des Dreiecks befinden sich bei dieser bevorzugten Ausführungsform die paarweise ausgebildeten kapazitiven
Sensoren. Bevorzugt im Zentrum des dreieckförmigen Messkopfes sind die optischen Sensoren angeordnet. Vorstehende Maßnahmen sichern die aufgabengemäß geforderte hohe Dynamik und die gewünschte Auflösung in allen Freiheitsgraden.
Die jeweiligen Spulengruppen als Bestandteil des Spulenarrays sind als Baueinheit mit Kühlrohren, eine Sandwichanordnung bildend, ausgeführt.
Die permanentmagnetisch erregten Kreise bestehen aus jeweils einem mehrere Segmente umfassenden Halbach-Array.
Unter Halbach-Array wird eine spezielle Konfiguration von
Permanentmagneten verstanden, die es ermöglicht, dass sich der magnetische Fluss an einer Seite der Konfiguration fast aufhebt, an der anderen Seite jedoch verstärkt. Diesbezüglich setzt sich ein Halbach-Array aus Segmenten von Permanentmagneten zusammen, deren Magnetisierungsrichtung
gegeneinander jeweils um 90° in Richtung der Längsachse des Arrays gekippt ist. Hierdurch rücken die Feldlinien auf der Seite, in deren Richtung der Direktor des Feldes gekippt wird, enger zusammen. Letzteres bewirkt eine Erhöhung der magnetischen Flussdichte. Auf der gegenüberliegenden Seite liegen die Feldlinien weniger eng als im ungestörten Magneten. Hierdurch wird das Feld schon in geringem Abstand abgeschwächt oder hebt sich auf, da sich Nord- und Südpole jeweils abwechseln. Durch ein Halbach-Array lässt sich die Länge an magnetischem Material bezogen auf die gewünschten Kraftwirkungen reduzieren. Dies wiederum führt zu einer gewünschten
Reduzierung der Masse des Läufers, in dem die Magnete integriert bzw.
untergebracht sind. Die jeweilige Spulengruppe kann bei einer weiteren Ausgestaltung eine Einhausung mit Mitteln zur Zu- und Abführung eines Kühlmediums aufweisen. Eine Kühlung der Spulengruppen ist auch mittels Wärmerohr (heat pipe) möglich. Durch die kompakte Anordnung von Kühlrohr und Spule werden unerwünschte Temperaturgradienten über die Flächenausdehnung des
Spulenarrays bzw. der jeweiligen Spulenpaare wirksam verhindert.
Zur Aufnahme des Magnetarrays ist bei einer Ausgestaltung der Erfindung der Läufer als Tragkörper mit Hohlräumen ausgebildet.
Zur Gewichtskompensation des Läufers können elektro- und/oder permanentmagnetische Mittel vorgesehen werden. Hier besteht bei einer Ausgestaltung die Möglichkeit, Läufer und Fahrbereich überdeckende ferromagnetische Platten mit dem Stator und permanentmagnetisch erregte Magnetkreise mit dem Läufer zu verbinden und zwischen den ferromagnetischen Platten und den permanentmagnetisch erregten Magnetkreisen einen Luftspaltabstand vorzusehen, wobei die ferromagnetischen Platten bei jeder Lage des Läufers die Polflächen der permanentmagnetisch erregten Magnetkreise vorzugsweise vollständig überdecken.
Ausgestaltend können Läufer- und Fahrbereich überdeckende
ferromagnetische Platten mit dem Stator verbunden sein und mit den ferromagnetischen Platten wechselwirkende Elektromagnete ausgebildet werden, wobei zwischen den ferromagnetischen Platten und den
Elektromagneten ein Luftspaltabstand besteht und die ferromagnetischen Platten bei jeder Lage des Läufers die Polflächen der Elektromagnete, vorzugsweise vollständig, überdecken.
Für eine definierte Start- oder Ruhelage des Läufers relativ zum Stator in eine hierfür vorgesehene Position sind Referenzsensoren vorhanden.
Das Spulenarray ist bevorzugt im Stator eingebettet und schließt mit der Statoroberfläche im Wesentlichen bündig ab. Als Statormaterial kommt beispielsweise ein Natur- oder Kunststein, insbesondere Granitblock, zur Anwendung. Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen
Positioniereinrichtung längs der Linie A-A gemäß Fig. 2;
Fig. 2 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Anordnung mit
erkennbarem Stator, Spulenarray sowie Läufer und darin
vorgesehenen Magneten;
Fig. 3a eine Anordnung von Magnetbrücken, bestehend aus
Magnetelementen und Joch sowie darunter befindlichen Spulen mit angedeuteten Bestromungsrichtungen sowie Kraftvektoren und Polaritäten;
Fig. 3b eine Darstellung eines permanentmagnetischen Kreises in Form
eines Halbach-Arrays und zugehörigen entsprechend positionierten Spulen mit entsprechenden Bestromungsrichtungen, Kraftvektoren und Polaritäten;
Fig.4 eine perspektivische Ansicht der Anordnung von unten unter
Weglassung des Statorkörpers bzw. der Statorplatte;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht von oben mit Blick auf den Läufer und erkennbaren Statorplatten nebst Spulenarray;
Fig. 6 Draufsicht und perspektivische Ansicht der Positioniereinrichtung mit
Anordnung zur Gewichtskompensation des Läufers sowie Teilschnitt längs der Linie A-A der Draufsicht;
Fig. 7 Darstellungen zur Gewichtskompensation des Läufers gemäß
weiterer Ausführungsform mit Läufer- oder Fahrbereich
überdeckenden ferromagnetischen Platten, befestigt am Stator, und auf dem Läufer befindlichen Elektromagneten in Draufsicht, perspektivischer Darstellung und Teilschnittdarstellung B-B
senkrecht der Linie B gemäß Draufsicht und
Fig.8 eine weitere Variante einer Anordnung zur Gewichtskompensation des Läufers mit ferromagnetischen Platten auf dem Läufer und darüber befindlichen, am Stator befestigten Elektromagneten in Draufsicht, perspektivischer Darstellung und Teilschnittdarstellung A-A längs der Linie A-A gemäß der Draufsicht.
Die Positioniereinrichtung gemäß Erfindung und Ausführungsbeispiel geht von einem planaren Spulenarray aus, welches vorzugsweise auf einer Statorplatte angeordnet und befestigt ist. Das Spulenarray besteht aus beispielsweise sechs Flachspulen, die in drei Paaren sternförmig symmetrisch versetzt angeordnet sind.
Im Zentrum der Anordnung befindet sich ein Freiraum, der für die Anordnung eines Messkopfes für die Erfassung von sechs Freiheitsgraden genutzt wird, wobei dieser Messkopf wiederum auf der Statorplatte definiert positioniert ist oder dort kalibrierbar positioniert werden kann.
Zum Spulenarray gehört wenigstens ein Magnetarray, das aus mindestens drei Reihen von wechselseitig polarisierten Magneten besteht, die bei Mittellage des Läufers jeweils mittig zu einem Spulenpaar des Spulenarrays angeordnet sind.
Die Magnetreihen sind, wie z.B. in Fig. 2 erkennbar, in Form einer Dreieckanordnung ausgeführt, an deren Zentrum sich ein weiterer Freiraum befindet.
Dieser Freiraum wird vorzugsweise für die Anordnung eines 6D-Flächenmaß- stabs zur flächenhaften Maßverkörperung für das 6D-Messsystem genutzt.
Bei entsprechender Bestromung und Kommutierung eines Spulenpaars des Spulenarrays der Anordnung können durch die magnetische Wechselwirkung in der zugehörigen Reihe des Magnetarrays jeweils horizontale und vertikale Kräfte als auch Momente auf den Läufer eingeprägt werden. Die Kraftvektoren sind gemäß den Fig. 3a und 3b als Pfeile oberhalb der Magnetbrücken bzw. des Halbach-Arrays dargestellt.
Die vertikalen Komponenten Fz der Kräfte dienen zum Tragen des
Läufergewichts und der vertikalen Positionierung. Die horizontalen
Kraftkomponenten Fx oder FY (nicht gezeigt) dienen zur horizontalen
Beschleunigung und Positionierung.
Bei Außerbetriebnahme der in den Figuren nicht dargestellten Regelung kann der Läufer auf Gleitfüßen abgestellt werden. Die Gleitfüße dienen ebenso bei der Inbetriebnahme der Regelung zum Gleiten des Läufers auf dem Stator während des Abscannens vorhandener Referenzmarken des 6D-Messsystems.
Nach dem Abscannen der Referenzmarken wird die 6D-Regelung in Betrieb genommen. Die erfindungsgemäße Lösung benötigt zum Tragen und zur definierten hochpräzisen 6D-Positionierung des Läufers im Raum
vorteilhafterweise nur sechs Aktorelemente, die als Kombination des
Spulenarrays und des Magnetarrays zusammengefasst sind.
Die Schnittdarstellung längs der Linie A-A nach Fig. 2 zeigt eine prinzipielle Darstellung der hochauflösenden Positioniereinrichtung. Das Spulenarray 1 ist hier auf einem Stator 9 angeordnet und befestigt. Das Spulenarray 1 besteht aus sechs Flachspulen, die in drei Paaren, sternförmig um jeweils 120° versetzt angeordnet sind (siehe Fig. 2). Jedes Spulenpaar des Spulenarrays 1 umfasst eine erste Spule 12 und eine zweite Spule 13. Die Spulen 12 und 13 können in einer entsprechenden Ausnehmung des Stators eingebettet sein und mit diesem oberflächenbündig abschließen.
Im Zentrum des Spulenarrays 1 befindet sich ein Freiraum 6, in der
Beschreibung auch als Spulenarray-Freiraum bezeichnet.
Der Freiraum 6 wird für die Anordnung des 6D-Messkopfes 8 genutzt, der wiederum auf der Statorplatte 9 angeordnet und befestigt ist.
Die Fig. 1 lässt weiterhin den Läufer 3 mit Magnetarray 2 erkennen. Dargestellt sind darüber hinaus der Objektträger 4 und der 6D-Flächenmaßstab 7. Die Fig. 3a zeigt das zum Spulenarray 1 zugehörige Magnetarray 2. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3a wird das Magnetarray 2 aus drei Reihen wechselseitig polarisierter Magnete nebst Magnetbrücke 11 gebildet. Bei Mittellage des Läufers 3 sind die Magnetbrücken 11 jeweils mittig zu den Spulenpaaren des Spulenarrays 1 angeordnet.
Die Fig. 3b zeigt eine Ausführungsform eines Magnetarrays 2 in der Form eines Halbach-Arrays 14, bestehend aus wechselpolarisierten Magneten mit rotierendem Magnetisierungsvektor (angedeutet durch die Pfeildarstellungen).
Die Halbach-Arrays 14 sind bei Mittellage des Läufers 3 jeweils mittig zu den Spulenpaaren des Spulenarrays 1 angeordnet.
Die Fig. 4 und 5 zeigen perspektivisch dargestellt je drei Magnetreihen, die die Form eines Dreiecks einnehmen. Im Zentrum der Anordnung befindet sich der Freiraum 5, welcher erfindungsgemäß für die Anordnung des 6D- Flächenmaßstabs 7 genutzt wird. Mit dem Bezugszeichen 10 sind die bereits erwähnten Gleitfüße bezeichnet. Die Ansicht von unten nach Fig. 4 unter Weglassung des Stators 9 stellt ein Magnetarray umfassend drei Halbach- Arrays 14 dar. Es sei an dieser Stelle klargestellt, dass mit dem
Bezugszeichen 1 z.B. gemäß Fig. 2, 4 oder 5 nicht ein einzelnes Spulenpaar gekennzeichnet ist, sondern hierunter die Anordnung der drei Spulenpaare, umfassend jeweils die Einzelspulen 12 und 13, das Spulenarray bildend, zu verstehen ist.
Die Fig. 6 zeigt eine erste Ausführungsform einer Anordnung zur
Gewichtskompensation des Läufers 3 mit Läufer- und Fahrbereich
überdeckenden ferromagnetischen Platten 17, befestigt am Stator 9, und auf dem Läufer 3 befindlichen permanentmagnetisch erregten Magnetkreisen 18.
Bei der zweiten Ausführungsform zur Gewichtskompensation, dargestellt anhand der Fig. 7, sind Läufer- und Fahrbereich überdeckende ferro- magnetische Platten 17 am Stator befestigt und auf dem Läufer 3 befinden sich Elektromagnete 16. Die dritte Ausführungsform zur Gewichtskompensation des Läufers mit ferromagnetischen Platten 15 auf dem Läufer und darüber befindlichen, am Stator befestigten Elektromagneten 16 zeigen die Abbildungen gemäß Fig. 8.
Bei entsprechender Bestromung und Kommutierung des Spulenpaars können durch die magnetische Wechselwirkung in der zugehörigen Reihe des
Magnetarrays 2 jeweils horizontale und vertikale Kräfte als auch Momente auf den Läufer 3 eingeprägt werden.
Die Kraftvektoren sind bei den Fig. 3a und 3b oberhalb der Magnetbrücken bzw. der Halbach-Arrays als Pfeile dargestellt.
Die vertikalen Komponenten der Kräfte dienen zum Tragen des Läufergewichts und zur vertikalen Positionierung. Die horizontalen Kraftkomponenten ermöglichen die horizontale Beschleunigung und Positionierung.
Bei Außerbetriebnahme der Regelung wird der Läufer 3 auf den Gleitfüßen 10 abgestellt. Diese Gleitfüße 10 dienen bei der Inbetriebnahme der Regelung zum Gleiten des Läufers 3 auf dem Stator, insbesondere während des
Abscannens von auf dem 6D-Messsystem vorhandenen Referenzmarken.
Zum Tragen und zur definierten hochpräzisen 6D-Positionierung des Läufers im Raum sind, wie in den Fig. 2, 4 und 5 dargestellt, sechs Aktorelemente ausgeführt, die als Kombination des Spulenarrays 1 und des Magnetarrays 2 zusammengefasst sind. Die vorgeschlagene Positioniereinrichtung mit sechs- dimensionalem Antrieb kann für unterschiedlichste industrielle und wissenschaftliche Zwecke, aber auch für Inspektionssysteme genutzt werden.
Dadurch, dass der Läufer in seiner Bewegung nicht durch z.B. Stromzuführungen oder Ähnliches behindert wird, werden störende Krafteinflüsse ausgeschlossen. Der Läufer selbst ist frei zugänglich, was ebenso auch für den auf dem Läufer befindlichen Objektträger gilt.
Bei einer technisch umgesetzten Positioniereinrichtung liegt der Bewegungsbereich des Läufers horizontal bei ca. 100 mm und es beträgt die Auslenkung in z-Richtung ca. 100 μιτι bei einer Positioniergenauigkeit von ca. 5 nm. Für das Halbach-Array kommen speziell S1TI2C017 Magnete mit einem
Magnetisierungsgrad von ca. 28 zum Einsatz. Die einzelnen Segmente wurden verklebt. Die Gesamtanordnung ist UV-tauglich. Der Messkopf umfasst bei einer realisierten Lösung 3D-optische Inkrement-Sensoren mit einer
Auflösung von 5 nm in x-y- sowie in Verdrehungsrichtung w. Die eingesetzten kapazitiven Sensoren zur Erfassung von Winkelbewegungen u und v sowie der Auslenkung in vertikaler, d.h. z-Richtung sind paarweise ausgeführt und ermöglichen Auflösungen bis hinunter zu einem Nanometer.

Claims

Patentansprüche
1. Hochauflösende Positioniereinrichtung mit einem Stator und einem Läufer, einem auf dem Stator angeordneten Spulenarray mit wenigstens drei Gruppen von Flachspulen, wobei jede Gruppe mindestens zwei Einzelspulen aufweist und das Spulenarray einen Freiraum auf dem Stator einschließt, weiterhin mit auf, an oder in dem Läufer befindlichen permanentmagnetisch erregten Kreisen, welche ein Magnetarray bilden, das ebenfalls einen Freiraum einschließt, wobei die Freiräume ein Positionsmesssystem aufnehmen, das einen Messkopf mit Sensoren und einen Flächenmaßstab besitzt,
dadurch gekennzeichnet, dass
diese als freischwebender, magnetisch geführter sechsdimensionaler Antrieb ausgebildet ist, wobei sich der Messkopf im Spulenarray-Freiraum und der Flächenmaßstab im Magnetarray-Freiraum befinden sowie der Läufer frei von antriebsrelevanten elektrischen oder elektronischen und diesbezüglich stromführenden Teilen ist.
2. Positioniereinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Messkopf eine an den Spulenarray-Freiraum angepasste, den zur
Verfügung stehenden Platz ausnutzende Flächenform besitzt.
3. Positioniereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Messkopf optische Inkrement-Sensoren und kapazitive Sensoren aufweist.
4. Positioniereinrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die kapazitiven Sensoren im Flächenrandbereich und mindestens ein optischer Sensor im Zentrum des Messkopfes angeordnet sind.
5. Positioniereinrichtung nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die kapazitiven Sensoren jeweils aus einem Sensorpaar bestehen, welches den jeweiligen Abstand zur Oberfläche des Flächenmaßstabs erfasst, um hieraus Winkellagen und Bewegungen in z-Richtung zu erfassen.
6. Positioniereinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die optischen Sensoren in Verbindung mit dem Flächenmaßstab Bewegungen in x- und y-Richtung und Dreh- oder Gierbewegungen um die z-Richtung erfassen.
7. Positioniereinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Messkopf eine Dreieckform aufweist.
8. Positioniereinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die jeweilige Spulengruppe als Baueinheit mit Kühlrohren, eine
Sandwichanordnung bildend, ausgeführt ist.
9. Positioniereinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die permanentmagnetisch erregten Kreise aus jeweils einem mehrere
Segmente umfassenden Halbach-Array bestehen.
10. Positioniereinrichtung nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die jeweilige Spulengruppe eine Einhausung mit Mitteln zur Zu- und
Abführung eines Kühlmediums aufweist.
11. Positioniereinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Läufer als Tragkörper mit Hohlräumen zur Aufnahme des Magnetarrays ausgebildet ist.
12. Positioniereinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
elektro- und/oder permanentmagnetische Mittel zur Gewichtskompensation des Läufers vorgesehen sind.
13. Positioniereinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spulenarray drei Spulenpaare aufweist, die dreieckförmig und vorzugsweise um jeweils 120° versetzt zueinander angeordnet sind und das Magnetarray drei Magnetreihen aufweist, wobei die Reihen von Magneten bei Mittellage des Läufers in Bezug auf den Stator jeweils mittig zu einem
Spulenpaar befindlich sind.
14. Positioniereinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Gewichtskompensation des Läufers Läufer- und Fahrbereich überdeckende ferromagnetische Platten mit dem Stator und permanentmagnetisch erregte Magnetkreise mit dem Läufer verbunden sind und zwischen den
ferromagnetischen Platten und den permanentmagnetisch erregten
Magnetkreisen ein Luftspaltabstand besteht, wobei die ferromagnetischen Platten bei jeder Lage des Läufers die Polflächen der permanentmagnetisch erregten Magnetkreise, vorzugweise vollständig, überdecken.
15. Positioniereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Gewichtskompensation des Läufers Läufer- und Fahrbereich überdeckende ferromagnetische Platten mit dem Stator verbunden sind und mit den ferromagnetischen Platten wechselwirkende Elektromagnete, mit Läufer verbunden, vorgesehen sind, wobei zwischen den ferromagnetischen Platten und den Elektromagneten ein Luftspaltabstand besteht und die
ferromagnetischen Platten bei jeder Lage des Läufers die Polflächen der Elektromagnete, vorzugsweise vollständig, überdecken.
16. Positioniereinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
für eine definierte Start- oder Ruhelage des Läufers relativ zum Stator eine hierfür vorgesehene Position mittels Referenzsensoren kontrolliert anfahrbar ist.
17. Positioniereinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Spulenarray im Stator eingebettet ist und mit der Statoroberfläche im Wesentlichen bündig abschließt.
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