WO2015158725A1 - Vorrichtung zum halten, positionieren und/oder bewegen eines objekts - Google Patents

Vorrichtung zum halten, positionieren und/oder bewegen eines objekts Download PDF

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WO2015158725A1
WO2015158725A1 PCT/EP2015/058092 EP2015058092W WO2015158725A1 WO 2015158725 A1 WO2015158725 A1 WO 2015158725A1 EP 2015058092 W EP2015058092 W EP 2015058092W WO 2015158725 A1 WO2015158725 A1 WO 2015158725A1
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carrier
sensor
motion
electromagnet
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PCT/EP2015/058092
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Christian Wolfgang EHMANN
Christof Klesen
Martin Aenis
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Mecatronix Ag
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Definitions

  • the present invention relates to a device for holding, positioning and / or moving an object, in particular of substrates. Furthermore, the invention relates to a method for holding, positioning and / or moving an object by means of a corresponding device and to a computer program for controlling such a device.
  • substrates for the production of semiconductor devices are subjected to various surface treatment processes.
  • the surfaces of such substrates are to be treated mechanically or chemically in order to form, for example, coatings or surface structures on the relevant substrate.
  • Several surface treatment processes are to be carried out under clean-room conditions or even under reduced pressure, in particular if surface treatment steps, such as, for example, sputtering, physical vapor deposition or chemical vapor deposition, possibly also plasma-assisted, are to be carried out. Since structures are sometimes to be formed on the substrates in the micrometer or even nanometer range, extremely precise positioning of those substrates both in the substrate plane and perpendicular thereto is required.
  • the motion sensor is so far formed for generating and providing a motion signal, which is equally fed to the control loop.
  • the motion signal or the motion signals of the motion sensor can be used in particular for the elimination and / or at least for the damping of vibration and resonance phenomena of the base and / or the carrier.
  • vibration and resonance phenomena but also other mechanical disturbances acting on the device, detected and used qualitatively and quantitatively for driving the magnetic bearing, in particular its electromagnet.
  • the counterpart in which the electromagnet is arranged on the carrier, the counterpart is located at the base.
  • the counterpart is typically ferromagnetic or permanent magnetic.
  • an attractive or even repulsive mechanical interaction between base and carrier can be generated.
  • the motion sensor is arranged together with the electromagnet of the magnetic bearing on the base or on the carrier. Consequently, in embodiments of the device in which the electromagnet of the magnetic bearing is arranged on the base, equally provided to arrange the motion sensor also at the base. In embodiments with an electromagnet arranged on the carrier, the motion sensor is likewise arranged on the carrier.
  • the joint arrangement of motion sensor and electromagnet on one of the base or carrier is advantageous in view of the technically practical implementation of the motion sensor.
  • the motion sensor is designed as an acceleration sensor or as a speed sensor.
  • the motion sensor is so far formed directly for the measurement of forces acting on the carrier and / or on the base.
  • Other acceleration sensors can, for example, have elastically mounted carrier masses which make a movement as a result of an acceleration acting on the sensor.
  • the storage of the inertial mass can be designed as a bending beam of a piezoelectric material and generate a measurable voltage during acceleration.
  • an acceleration or velocity sensor permanent magnets in a metal strip or in a metal ring can induce voltages that cause eddy currents. Velocity changes thereby change the magnetic field generated by the eddy currents, whereby corresponding measurable voltages are induced in sensor coils of the sensor.
  • the measurement signal of such a sensor thus provides immediate information about the actual speed or acceleration of the carrier or the base.
  • the motion sensor can be designed for example as a so-called Ferraris sensor.
  • the at least two motion sensors can also be arranged at a distance from one another on the base and / or carrier.
  • the local movements of the carrier and / or base can be detected separately at several locations of carrier or base. This allows conclusions to be drawn about any characteristic vibrational states or forces or disturbances acting externally on the carrier or base.
  • At least one of the base or carrier is arranged with at least three, four, five or even more motion sensors, which can be partly oriented differently as well as spatially separated from each other. There are at least as many motion sensors as movement degrees of freedom.
  • the device has a central control, which is connected to the at least two magnetic bearings and at least one movement. sensor is coupled.
  • the central control By means of the central control, the magnetic bearings coupled to the control can be controlled differently, in particular for the suppression or damping of oscillation or resonance phenomena.
  • the motion sensor is exclusively coupled to the central controller and thus indirectly coupled via the central control with the control circuit of the respective magnetic bearing.
  • the number of motion sensors is less than the number of magnetic bearings.
  • the signals of all motion sensors can be supplied to the central controller, which is also designed to control a plurality of magnetic bearings individually or separately as a function of the detected motion signals.
  • the central controller can either intervene directly in the controller of the individual control loops of each magnetic bearing or otherwise involved in the control loop of each magnetic bearing or be coupled herewith.
  • the central control damps the control mechanism of a control circuit of one or more magnetic bearings depending on the situation in order, for example, to prevent or counteract oscillation or resonance phenomena.
  • the invention further relates to a method for the contactless storage of an object by means of a device described above.
  • the electromagnet of a magnetic bearing of the device is driven in response to a distance signal provided by the distance sensor of the magnetic bearing.
  • the distance sensor 20 preferably arranged in the immediate vicinity of the electromagnet 12 in this case permanently measures a distance 6 from the counterpart 18 bzpw. to the carrier 50, on which the counterpart 18 is arranged.
  • the electromagnet 12 is arranged on the base 30 in the embodiment shown.
  • the distance measured by the distance sensor 20 is supplied to the setpoint generator 25 in the form of a distance signal.
  • This can be coupled, for example, with the central controller 40, which specifies, for example, an actual value for the distance 26 to be maintained between the base 30 and the carrier 50. Setpoint and actual value are compared in the controller 22 coupled to the setpoint generator 25.
  • electromagnet 12 magnetic counterpart 18 there are generally different arrangements of electromagnet 12 magnetic counterpart 18 conceivable.
  • the electromagnet 12 may be disposed on the base 30 and the counterpart 18 may be disposed on the carrier 50, and vice versa.
  • the motion sensor 28 can also be arranged outside the control loop 11. It is conceivable that the motion sensor 28 is exclusively coupled to the central controller 40. In this case, the central controller 40 typically has a corresponding vibration damping 23 for processing the motion signals of the at least one motion sensor 28.
  • FIG. 3 the mounting of the carrier 50 on a base 30 along a section perpendicular to the transport direction 31 is shown.
  • the base 30 is arranged here with its downwardly facing magnetic bearings 10 above the carrier 50.
  • objects 52 typically in the form of planar substrates 52, may be detachably arranged.
  • the respective magnetically interacting counterpart 18 with the two magnetic bearings 10 is not explicitly shown in FIGS. 3 to 6. It may accordingly be integrated into the carrier 50 or the carrier may also be provided in the regions interacting with the electromagnets 12 of the magnetic bearings 10 with suitably magnetically interacting materials.
  • the carrier 50 is merely held stationary on the base 30 or moved along a transport direction 31 on the base 30, due to the active bearing vibration states of the base 30 can be excited, which, as exaggerated in Fig. 4, to a Deformation of the base 30 may possibly also lead to a deformation of the carrier 50.
  • vibration states can be detected separately independently of the distance signals measurable by means of the distance sensors 20.
  • the motion sensors 28 are configured as acceleration or speed sensors, then any possible vibration excitations or other disturbances acting externally on the base 30 can be determined.
  • the motion signals generated by the motion sensors 28 may be independently and separately evaluated from the distance signals of the distance sensors 20 to provide effective vibration damping or vibration suppression.
  • a relative movement between the base 30 and the carrier 50 can be caused by the influence of external disturbances, such as unavoidable vibrations, such as in seismic regions, which are exclusively or predominantly caused by the external stimulus or impact on the base 30 is caused.
  • Such disturbances for example vibrations of the base 30, can be detected equally with the at least one motion sensor 28.
  • the distance signals of the distance sensors which at the same time are determined hereby, which likewise simulate such a vibration, can be correspondingly corrected in terms of control engineering due to the separate and independent detection of the movement of the base, so that the carrier 50 still has as little vibration as possible and stable contactless contact with the base Base can be stored.
  • the motion sensors 28 can be arranged in particular in the regions of natural vibration nodes of the base 30 and / or carrier 50. For targeted detection to hide vibration states or other disturbances ments or mechanical excitations of base 30 and / or carrier 50 is also conceivable to arrange individual or all motion sensors 28 outside of such natural vibration nodes of base 30 and / or carrier 50.
  • the motion sensors are designed in particular for the detection of movements, shock excitations or oscillations in a frequency range of 10 to 300 Hz, so that typically occurring in this frequency range
  • Fig. 7 it is a flow chart of the method for contactless storage of an object 52 by means of the device 1 described above.
  • the electromagnet 12 of the at least one magnetic bearing 10 is controlled in dependence on the distance signal AS provided by the distance sensor 20 for non-contact bearing of the carrier 50 on the base 30 such that the carrier 50 maintains a predetermined distance 26 to the base.
  • the distance 26 between carrier 50 and base 30, in particular in the immediate region of action of the respective magnetic bearing 10 by means of the magnetic bearing associated distance sensor 20 measured.

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Abstract

Vorrichtung zum Halten, Positionieren und/oder Bewegen eines Objekts (52), mit: - zumindest einem regelbaren Magnetlager (10), - einer Basis (30) und mit einem Träger (50), wobei der Träger (50) mittels des zumindest einen Magnetlagers (10) berührungslos an der Basis (30) gelagert ist, - wobei das Magnetlager (10) einen Elektromagnet (12) und ein mit dem Elektromagnet (12) magnetisch wechselwirkendes Gegenstück (18) sowie einen Regelkreis (11) mit einem Abstandssensor (20) und mit einem Regler (22) aufweist, wobei der Elektromagnet (12) mittels des Regelkreises (11) zur Einhaltung eines vorgegebenen Abstands (26) zwischen der Basis (30) und dem Träger (50) ansteuerbar ist, und - wobei der Regelkreis (11) mit zumindest einem an der Basis (30) oder am Träger (50) angeordneten Bewegungssensor (28) gekoppelt ist.

Description

Vorrichtung zum Halten, Positionieren und/oder Bewegen eines Objekts
B e s c h r e i b u n g
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Halten, Positionieren und/oder Bewegen eines Objekts, insbesondere von Substraten. Des Weiteren be- trifft die Erfindung ein Verfahren zum Halten, Positionieren und/oder Bewegen eines Objekts mittels einer entsprechenden Vorrichtung sowie ein Computerprogramm zur Steuerung einer derartigen Vorrichtung.
Hintergrund
Für die Bearbeitung von Substraten zur Fertigung von Halbleiterbauelementen, so etwa für Displayanwendungen, sind vergleichsweise großflächige Substrate diversen Oberflächenbehandlungsprozessen zu unterziehen. Beispielsweise sind die Oberflächen derartiger Substrate mechanisch oder chemisch zu behandeln, um zum Bei- spiel Beschichtungen oder Oberflächenstrukturen auf dem betreffenden Substrat zu bilden. Etliche Oberflächenbehandlungsprozesse sind hierbei unter Reinraumbedingungen oder sogar im Vakuum durchzuführen, insbesondere, wenn Oberflächenbehandlungsschritte, wie zum Beispiel Sputtern, physikalische Dampfabscheidung oder chemische Dampfabscheidung, ggf. auch plasmaunterstützt, durchzuführen sind. Da auf den Substraten mitunter Strukturen im Mikro- oder sogar Nanometerbereich auszubilden sind ist eine äußerst präzise Positionierung jener Substrate sowohl in der Substratebene, als auch senkrecht hierzu erforderlich. Die Anforderungen hinsichtlich Partikelfreiheit der Substratumgebung macht die Implementierung einer berührungsfreien Lagerung des Substrats sowie eines entsprechenden Halte-, Bewegungs- oder Verfahrantriebs erforderlich. Luftlager sind für hochreine Fertigungsumgebungen nur bedingt geeignet, da hierdurch ungewollten Luftströmungen in der Nähe des Substrats entstehen können, die unter Umständen der Einhaltung geforderter Genauigkeiten bei der Substratbehandlung zuwiderlaufen können.
Es existieren ferner sogenannte magnetische Wafer Stages bzw. magnetische Halteoder Positioniervorrichtungen mit einer Basis und einem ein Objekt tragenden Trä- ger. Zur berührungslosen Lagerung des Trägers an der Basis sind typischerweise mehrere Magnetlager mit jeweils einem Abstandssensor und einem Regelkreis vorgesehen, die den Träger in einem vorgegebenen Abstand zur Basis in einem
Schwebezustand halten. Eine gattungsgemäße Wafer Stage ist zum Beispiel aus der US 7 868 488 B2 bekannt.
Die Implementierung von aktiv geregelten und dementsprechend elektrisch ansteuerbaren Magnetlagern, führt im Betrieb mitunter zu Resonanz- und Schwingungs- Phänomenen, die zur Einhaltung geforderter Positionsgenauigkeiten zu unterdrücken sind. Zur Einhaltung eines vorgegebenen Abstands zwischen der Basis und dem berührungslos hieran gelagerten Trägers ist der jeweilige Elektromagnet des Magnetlagers in Abhängigkeit der von einem Abstandssensor ermittelbaren Abstandssignale dynamisch anzusteuern.
Zur Einhaltung eines geforderten und vorgegebenen Abstands sowie zur Einhaltung einer Relativposition des Trägers gegenüber der Basis weist der im Magnetlager implementierte Regelkreis typischerweise einen Sollwertgeber zur Vorgabe eines einzustellenden Abstandes auf. Ein Abstandssignal eines Abstandssensors wird mittels eines Reglers mit einem Sollwert verglichen. Aus dem Vergleich zwischen Soll- und Istwert generiert der Regler ein entsprechendes Steuersignal, mit welchem der Elektromagnet zur Einhaltung des vorgegebenen Abstandes beaufschlagt wird. Die Implementierung eines derartigen Regelkreises oder einer derartigen Regelschleife kann dazu führen, dass die Basis und/oder der Träger zu Schwingungen angeregt werden. So kann einerseits der als starrer Körper zu betrachtende Träger gegenüber der Basis schwingen. Andererseits können die Basis aber auch der Träger isoliert betrachtet zu Eigenschwingungen angeregt werden. Denn wenngleich insbe- sondere die Basis vergleichsweise solide und massereich ausgebildet ist, weist sie dennoch keine unendliche Steifigkeit auf. Je nach Ansteuerung und Betrieb der Magnetlager können letztlich Resonanz- und Eigenschwingungsphänomene des Trägers und/oder der Basis auftreten. Der am Magnetlager vorgesehene Abstandssensor ist jeweils nur in der Lage, den Abstand zwischen dem Träger und der Basis, mithin eine Relativposition zwischen Träger und Basis zu ermitteln. Mittels des Abstandssensors ist es hingegen nicht möglich zu unterscheiden, ob und inwieweit eine Messung eines sich ändernden AbStandes zwischen Basis und Träger von einem Resonanz- oder Schwingungsphä- nomen oder von einer tatsächlichen Änderung der Relativposition zwischen Träger und Basis ausgeht. Eine vom Abstandssensor detektierte Abstandsänderung führt jedoch unweigerlich zu einer entsprechenden Ansteuerung des Elektromagneten des betreffenden Magnetlagers, die zur Dämpfung des Schwingungs- oder Resonanzverhaltens von Träger oder Basis hinderlich sein können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Halten, Positionieren und/oder Bewegen eines Objekts bereitzustellen, die weitaus weniger störanfällig für Schwingungs- und Resonanzphänomene ist und mittels derer unweigerlich vorhandene Schwingungs- und Resonanzphänomene besonders einfach unter- drückt oder zumindest gedämpft werden können. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zum berührungslosen Lagern eines Objekts mittels Magnetlagern bereitzustellen. Ferner ist es Zielsetzung, ein Computerprogramm zur Ansteuerung einer derartigen Vorrichtung und zur Implementierung des betreffenden Verfahrens bereitzustellen. Die Vorrichtung, das Verfahren als auch das Computerprogramm sollen möglichst einfach und kostengünstig zu implementieren sein und sich ferner zum Nachrüsten bestehender Halte-, Positionier- oder Bewegungsvorrichtungen eignen. Erfindung und vorteilhafte Ausgestaltungen
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 , mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 14 sowie mit einem Computerprogramm gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind dabei Gegenstand abhän- giger Patentansprüche.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zum Halten, Positionieren und/oder Bewegen eines Objekt, typischerweise eines oder mehrerer Substrate vorgesehen. Die Vorrichtung weist zumindest ein regelbares, insbesondere aktiv regelbares Magnetlager sowie eine Basis und einen Träger auf. Die Basis ist typischerweise ortsfest installierbar und der Träger ist mittels des zumindest einen Magnetlagers berührungslos an der Basis in einem Schwebezustand haltbar.
Das zumindest eine Magnetlager weist einen Elektromagnet und ein mit dem Elekt- romagnet magnetisch wechselwirkendes Gegenstück auf. Das Magnetlager weist ferner einen Regelkreis mit einem Abstandssensor und mit einem Regler auf. Der Abstandssensor dient der Messung eines Abstandes zwischen Träger und Basis in Wirkrichtung des Elektromagneten. Im Betrieb stellt der Abstandssensor ein Abstandssignal bereit, welches dem Regler zuführbar ist.
Der Regler führt typischerweise einen Vergleich zwischen einem Soll- und einem Istwert durch und erzeugt entsprechend dem durchgeführten Vergleich ein Steuersignal zur Beaufschlagung des Elektromagneten. In diesem Sinne ist der Elektromagnet mittels des Regelkreises zur Einhaltung eines vorgegebenen Abstands zwischen der Basis und dem Träger ansteuerbar. Auf diese Art und Weise wird ein aktives Magnetlager bereitgestellt, welches weitgehend selbsttätig und autark einen vorgegebenen Abstand zwischen Basis und Träger einstellen kann. Neben dem Magnetlager weist die Vorrichtung zum Halten, Positionieren und/oder Bewegen eines Objekts zumindest einen an der Basis oder am Träger angeordneten Bewegungssensor auf, welcher mit dem Regelkreis gekoppelt ist. Der Bewegungssensor kann in den Regelkreis fest eingebunden und somit in diesen integriert sein. Es ist aber auch denkbar, dass der Bewegungssensor außerhalb des Magnetlagers am Träger oder an der Basis angeordnet ist. Mittels des Bewegungssensors lassen sich unterschiedliche Bewegungszustände von Basis und/oder Träger mithin die Dynamik von Basis und/oder Träger ermitteln. Insbesondere können mit dem Bewegungssensor Schwingungs- oder Resonanzphänomene von Träger und/oder Basis aber auch anderweitige mechanischen Störungen und/oder Anregungen, die beispielsweise auf Fremdeinwirkung beruhen ermittelt werden. Wenn nachfolgend von Schwingungs- oder Resonanzphänomenen die Rede ist sind hiermit auch stets extern angeregte, bspw. nicht harmonische, me- chanische Störungen und/oder Einwirkungen auf den Träger und/oder die Basis gemeint.
Der Bewegungssensor ist insoweit zur Erzeugung und Bereitstellung eines Bewegungssignals ausgebildet, welches gleichermaßen dem Regelkreis zuführbar ist. Das Bewegungssignal oder die Bewegungssignale des Bewegungssensors können insbesondere zur Beseitigung und/oder zumindest zur Dämpfung von Schwingungsund Resonanzphänomenen der Basis und/oder des Trägers verwendet werden. Insoweit können mittels des zumindest einen Bewegungssensors Schwingungs- und Resonanzphänomene, aber auch anderweitige mechanische Störungen, die auf die Vorrichtung einwirken, erfasst und qualitativ sowie quantitativ zur Ansteuerung des Magnetlagers, insbesondere seines Elektromagneten verwendet werden.
Der Bewegungssensor ist insbesondere als Sensor zur Ermittlung von Bewegungs- zuständen des Trägers und/oder der Basis ausgebildet. Der Bewegungssensor ist dabei insbesondere zur unmittelbaren Erfassung von Bewegungszuständen oder Bewegungsphänomenen der Basis oder des Trägers ausgebildet. Der Bewegungssensor ist insbesondere unabhängig als auch separat zum ohnehin vorhandenen Abstandssensor ausgestaltet. Der Bewegungssensor dient somit der unmittelbaren Bestimmung einer weiteren mechanischen Messgröße, vorzugsweise sämtlicher Be- wegungen von Träger oder Basis. Im Unterschied zum Abstandssensor, welcher lediglich eine momentane Relativposition von Basis und Träger bzw. einem momentanen Abstand zwischen Basis und Träger bestimmen kann, ist der Bewegungssensor von Vorteil als Sensor zur Absolutmessung von Bewegungszuständen des Trägers und/oder der Basis ausgestaltet.
Mittels des Bewegungssensors und der Auswertung seines Bewegungssignals kann folglich bestimmt werden, ob und inwieweit das vom Abstandssensor bereitgestellte Abstandssignal lediglich ein Schwingungs- und Resonanzphänomen von Träger und/oder Basis widerspiegelt, oder ob es sich tatsächlich um eine Bewegung des Trägers relativ zur Basis handelt.
Mittels des Bewegungssensors können somit die Abstandssignale des Abstandssensors qualitativ und quantitativ zur Identifizierung unterschiedlicher Bewegungszu- stände von Basis und/oder Träger verwendet werden. Das Erkennen und Zuordnen und der vom Abstandssensor bereitgestellte Abstandssignale ermöglicht es, entsprechenden Schwingungs- oder Resonanzphänomenen gezielt entgegenzuwirken. Im Endeffekt kann hierdurch die Positionier- und Bewegungsgenauigkeit der Vorrichtung gesteigert werden.
Ferner kann hierdurch die Realisierung einer Leichtbauweise von Träger und/oder Basis erleichtert werden. Zur Vermeidung von Resonanzphänomenen war es bislang nämlich üblich, den Träger und/oder die Basis vergleichsweise massereich auszugestalten, damit Resonanzfrequenzen oder Eigenfrequenzen der betreffenden Kompo- nenten außerhalb eines im Betrieb der Vorrichtung anregbaren Frequenzbereichs liegen.
Mittels des Bewegungssensors und seiner Kopplung mit dem Regelkreis des zumindest einen Magnetlagers sind fortan auch Realisierungen der Halte-, Positionier- oder Bewegungsvorrichtung in Leichtbauweise denkbar, wobei Resonanz- oder Eigenfrequenzen der Komponenten Träger oder Basis in einem vom Magnetlager anregbaren Frequenzbereich liegen können. Mittels des Bewegungssensors und einer geeigneten Verarbeitung der entsprechenden Bewegungssignale sind derartige Schwingungs- oder Resonanzphänomene gezielt unterdrückbar. Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der Bewegungssensor mit dem Regler des Regelkreises gekoppelt. Der Regler kann insoweit mit Abstandssignalen des Abstandssensors als auch mit Bewegungssignalen des Bewegungssensors beauf- schlagt sein. Der Regler ist dabei insbesondere dazu ausgelegt, die Abstandssignale des Abstandssensors unter Berücksichtigung der vom Bewegungssensor übermittelten Bewegungssignale derart auszuwerten, dass etwaige Schwingungs- oder Resonanzphänomene als auch anderweitig auf die Vorrichtung einwirkende mechanische Störungen unterdrückt, zumindest aber gedämpft werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Bewegungssensor mit einer Schwingungsdämpfung des Regelkreises gekoppelt. Die Schwingungsdämpfung kann dabei in den Regler des Regelkreises integriert sein. Es ist aber auch denkbar, dass die Schwingungsdämpfung als separate Baueinheit in den Regelkreis eingebunden ist. Es ist dabei insbesondere denkbar, dass die Schwingungsdämpfung als analoges elektronisches oder digitales elektronisches Bauteil verwirklicht ist. Alternativ ist denkbar, dass die Schwingungsdämpfung rein softwaretechnisch implementiert und beispielsweise in den Regler des Regelkreises eingebunden ist. Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der Elektromagnet des Magnetlagers an der Basis oder am Träger angeordnet. Das zugehörige und mit dem Elektromagnet wechselwirkende Gegenstück ist korrespondierend hierzu am Träger oder an der Basis angeordnet. Ist der Elektromagnet an der Basis angeordnet, so ist das Gegenstück am Träger angeordnet. Bei einer alternativen Ausgestaltung, bei welcher der Elektromagnet am Träger angeordnet ist, befindet sich das Gegenstück an der Basis. Das Gegenstück ist typischerweise ferromagnetisch oder permanentmagnetisch. Ferner kann je nach konkreter Ausgestaltung und Implementierung des Elektromagneten eine attraktive oder auch repulsive mechanische Wechselwirkung zwischen Basis und Träger erzeugt werden.
Elektromagnet und Gegenstück können beispielsweise zur Kompensation der Gewichtskraft des Trägers miteinander wechselwirken. Je nach Ausgestaltung der Vorrichtung zum Halten und/oder Bewegen des Objekts können natürlich auch mehrere in unterschiedliche Richtungen wirkende Paare von Elektromagneten und Gegenstü- cken vorgesehen sein. Auf diese Art und Weise kann der Träger nicht nur hinsichtlich eines, sondern auch hinsichtlich mehrerer unterschiedlicher Bewegungsfreiheitsgrade mittels mehrerer Magnetlager an der Basis gehalten, positioniert und/oder entlang der Basis bewegt werden. Der Elektromagnet kann in Form unterschiedlichster elekt- romagnetischer Aktoren ausgestaltet sein. Neben Zugmagneten sind auch beispielsweise Tauchspulmagnete, sogenannte Lorenz-Aktoren denkbar, die zur Ausübung einer Zugkraft als auch einer Druckkraft geeignet sind.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der Bewegungssensor gemeinsam mit dem Elektromagnet des Magnetlagers an der Basis oder am Träger angeordnet. Folglich ist bei Ausgestaltungen der Vorrichtung, bei welcher der Elektromagnet des Magnetlagers an der Basis angeordnet ist, gleichermaßen vorgesehen, den Bewegungssensor ebenfalls an der Basis anzuordnen. Bei Ausgestaltungen mit am Träger angeordnetem Elektromagnet ist der Bewegungssensor ebenfalls am Träger angeord- net. Die gemeinsame Anordnung von Bewegungssensor und Elektromagnet an einem von Basis oder Träger, ist im Hinblick auf die technisch praktische Implementierung des Bewegungssensors von Vorteil.
Insbesondere, wenn die Vorrichtung zum Bewegen oder Transportieren des Trägers der Basis ausgebildet und dementsprechend ausgelegt ist, kann ein Verkabelungsund Kopplungsaufwand zwischen Bewegungssensor, Elektromagnet und zugehörigem Regelkreis minimiert werden. Zudem können die Signalübertragungswege möglichst kurz gehalten werden, was sich ebenso als vorteilhaft erweist. Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der Bewegungssensor als Beschleunigungssensor oder als Geschwindigkeitssensor ausgestaltet. Der Bewegungssensor ist insoweit unmittelbar zur Messung von auf den Träger und/oder auf die Basis einwirkender Kräfte ausgebildet. Andere Beschleunigungssensoren können beispielsweise elastisch gelagerte Trägermassen aufweisen, die infolge einer auf den Sensor einwirkenden Beschleunigung eine Bewegung vollziehen. Die Lagerung der trägen Masse kann dabei als Biegebalken aus einem piezoelektrischem Material ausgeführt sein und bei Beschleunigung eine messbare Spannung erzeugen. Weitere infrage kommende Beschleuni- gungs- oder Geschwindigkeitssensoren können in der MEMS-Technologie (Mikro- Elektro-Mechanisches-System) ausgeführt sein. Masse und Lagerung sind dabei direkt aus einem Halbleiter, beispielsweise aus Silizium gefertigt. Eine sich infolge einer Beschleunigung bewegende Masse unterliegt dabei einer Positions- und Ab- Standsänderung zu einer Elektrode. Die betreffende Abstandsänderung kann dabei kapazitiv direkt von einer im Halbleiter vorgesehenen Auswerteelektronik erfasst und unmittelbar als Kraft- oder Beschleunigungssignal bereitgestellt werden.
In einem Beschleunigungs- oder Geschwindigkeitssensor können Permanentmagne- te in einem Metallstreifen oder in einem Metallring Spannungen induzieren, die Wirbelströme hervorrufen. Geschwindigkeitsveränderungen verändern dabei das von den Wirbelströmen erzeugte Magnetfeld, wodurch in Sensorspulen des Sensors entsprechende messbare Spannungen induziert werden. Das Messsignal eines derartigen Sensors gibt somit unmittelbar Aufschluss über die tatsächliche Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung des Trägers oder der Basis. Der Bewegungssensor kann beispielsweise als sogenannter Ferraris-Sensor ausgestaltet sein.
Der Bewegungssensor ist insoweit zur unmittelbaren Erfassung zumindest einer der Messgrößen Geschwindigkeit und Beschleunigung ausgebildet. Auch kann der Be- wegungssensor als Gierratensensor ausgestaltet sein.
Geschwindigkeitssensoren können einen oder mehrere Beschleunigungssensoren aufweisen, wobei ein Geschwindigkeitssignal beispielsweise durch zeitliches Aufintegrieren bereitstellbar ist. Für eine Schwingungsdämpfung kann insbesondere die Auswertung und Verarbeitung eines Geschwindigkeitssignals erforderlich und von Vorteil sein. Die Erzeugung eines Geschwindigkeitssignals auf der Basis einer Beschleunigungsmessung mittels Integration des gemessenen Beschleunigungssignals erweist sich gegenüber der Differenziation eines Abstandssignals als vorteilhaft. Während bei einer Differenziation eines Abstandssignals ein Rauschanteil des Sig- nals oftmals eine unerwünschte Verstärkung und das eigentliche Nutzsignal im Hinblick auf den gesteigerten Rauschpegel an Auflösung verliert, kann der Rauschpegel durch Integrieren eines entsprechenden Beschleunigungssignals in vorteilhafter Weise sogar begrenzt oder reduziert werden. Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Vorrichtung mehrere beabstandet voneinander angeordnete Magnetlager auf. Die Anzahl der Magnetlager ist insbesondere durch die Bewegungsfreiheitsgrade und durch eine mögliche Bewegung des Trägers entlang oder an der Basis vorgegeben. Es ist dabei insbesondere vorgesehen, dass sämtliche Elektromagnete der Vorrichtung entweder am Träger oder an der Basis angeordnet sind. Beispielsweise können sämtliche Elektromagnete an der Basis angeordnet sein, während sämtliche hiermit magnetisch wechselwirkende Gegenstücke korrespondierend hierzu am Träger angeordnet sind. Bei dieser Ausgestaltung ist es ferner von Vorteil, wenn auch der den Regler und den Abstandssensor umfassende Regelkreis ebenfalls an der Basis angeordnet ist.
Gleichermaßen kann hierbei ferner vorgesehen sein, dass der zumindest eine Bewegungssensor bzw. dass sämtliche Bewegungssensoren ebenfalls auf der Seite der Elektromagneten, vorliegend an der Basis angeordnet sind. Bei einer Anordnung sämtlicher Elektromagnete am Träger ist eine dementsprechende Anordnung der zugehörigen Regelkreise und Bewegungssensoren gleichermaßen am Träger vorgesehen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist jedem Magnetlager zumindest ein Bewe- gungssensor zugeordnet. Hierbei kann jedes der Magnetlager einen eigenen Bewegungssensor aufweisen. Es ist aber auch denkbar, dass ein Bewegungssensor mehreren Magnetlagern zugeordnet ist. Es ist insbesondere denkbar, pro Bewegungsfreiheitsgrad des Trägers jeweils zumindest einen Bewegungssensor bereitzustellen, welcher zum Beispiel die Bewegungen des Trägers oder der Basis im Hinblick auf den betreffenden Freiheitsgrad misst.
Die Position der Bewegungssensoren kann dabei im Wesentlichen mit den Positionen der Elektromagnete der betreffenden Magnetlager korrelieren. Es kann insbesondere vorgesehen sein, den Bewegungssensor in unmittelbarer Nähe zum Elekt- romagnet des betreffenden Magnetlagers anzuordnen. Auf diese Art und Weise kann ein hoher Grad an Kollokation, mithin ein hohes Maß an räumlicher Überdeckung von Magnetlager und zugehörigem Sensor erreicht werden, was sich in regelungstechnischer Hinsicht als vorteilhaft erweist. Nach einer weiteren Ausgestaltung sind an wenigstens einem von Basis oder Träger zumindest zwei Bewegungssensoren angeordnet. Durch Vorsehen von zumindest zwei Bewegungssensoren entweder an der Basis und/oder an dem Träger können die Bewegungen von Träger bzw. Basis bezüglich zumindest zweier Bewegungsfrei- heitsgrade ermittelt und qualitativ als auch quantitativ gemessen werden. Die Sensoren sind hierfür entsprechend den zu messenden Bewegungsfreiheitsgraden auszurichten. Die Sensoren können hierbei relative dicht beieinander angeordnet sein. Somit kann die Bewegung einer mit den Sensoren korrelierenden Stelle von Basis und/oder Träger bezüglich mehrerer Richtungen erfasst werden
Unabhängig hiervon können die zumindest zwei Bewegungssensoren auch voneinander beabstandet an Basis und/oder Träger angeordnet sein. Hierdurch können die lokalen Bewegungen von Träger und/oder Basis separat an mehreren Stellen von Träger oder Basis erfasst werden. Dies ermöglicht Rückschlüsse auf etwaige charak- teristische Schwingungszustände oder extern auf Träger oder Basis einwirkende Kräfte oder Störungen.
Somit können die Bewegungszustände der Basis oder des Trägers in den jeweiligen Bereichen separat und unabhängig voneinander gemessen werden. Mittels mehrerer an der Basis oder am Träger angeordneter Bewegungssensoren kann die Bewegung von Basis und/oder Träger weitaus präziser als mit nur einem einzigen Bewegungssensor ermittelt werden. Die voneinander beabstandet an der Basis oder am Träger angeordneten Bewegungssensoren können die Bewegungen von Basis und/oder Träger in unterschiedlichen Bewegungsrichtungen messen und dem Regelkreis dementsprechende Bewegungsinformationen bereitstellen.
Nach einem weiteren Aspekt sind an wenigstens einem von Basis oder Träger zumindest drei, vier, fünf oder noch mehr Bewegungssensoren angeordnet, die teils unterschiedlich ausgerichtet als auch räumlich voneinander beabstandet sein kön- nen. Es sind mindestens so viele Bewegungssensoren wie Bewegungsfreiheitsgrade vorzusehen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Vorrichtung eine zentrale Steuerung auf, die mit den zumindest zwei Magnetlagern und mit zumindest einem Bewegungs- sensor gekoppelt ist. Mittels der zentralen Steuerung können die mit der Steuerung gekoppelten Magnetlager unterschiedlich, insbesondere zur Unterdrückung oder Dämpfung von Schwingungs- oder Resonanzphänomenen angesteuert werden. Hierbei kann vorgesehen sein, dass der Bewegungssensor ausschließlich mit der zentralen Steuerung gekoppelt und somit über die zentrale Steuerung mittelbar mit dem Regelkreis der jeweiligen Magnetlager gekoppelt ist.
Die über den zumindest einen Bewegungssensor bereitgestellten Bewegungssignale können somit für eine separate und individuelle Ansteuerung beabstandet voneinan- der angeordneter Magnetlager verwendet werden. Auf diese Art und Weise können etwaige Schwingungs- oder Resonanz- sowie anderweitige externe Störungsphänomene effektiv gedämpft oder sogar vollständig unterdrückt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Anzahl der Bewegungssensoren geringer als die Anzahl der Magnetlager. Insbesondere können die Signale sämtlicher Bewegungssensoren der zentralen Steuerung zugeführt werden, welche ferner dazu ausgebildet ist, mehrere Magnetlager einzeln oder separat in Abhängigkeit der ermittelten Bewegungssignale anzusteuern. Die zentrale Steuerung kann entweder unmittelbar in den Regler der einzelnen Regelkreise eines jeden Magnetlagers eingreifen oder anderweitig in den Regelkreis eines jeden Magnetlagers eingebunden bzw. hiermit gekoppelt sein.
Es ist beispielsweise denkbar, dass die zentrale Steuerung den Regelungsmechanismus eines Regelkreises eines oder mehrerer Magnetlager situationsabhängig dämpft, um beispielsweise Schwingungs- oder Resonanzphänomenen vorzubeugen oder entgegenzuwirken.
Die Anzahl der Bewegungssensoren ist typischerweise durch die Anzahl an Bewegungsfreiheitsgraden der berührungslosen Lagerung des Trägers an der Basis vor- gegeben.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der zumindest eine Bewegungssensor im Bereich eines Eigenschwingungsknotens der Basis oder des Trägers angeordnet. Der Träger als auch die Basis können entsprechend ihrer Bauform einen oder mehrere Schwingungsknoten aufweisen, der bei einer Schwingungsanregung von Basis oder Träger kaum oder im Vergleich zu anderen Bereichen der Basis oder des Trägers zu Schwingungen angeregt werden. Durch Anordnung des zumindest einen Bewegungssensors im Bereich eines Eigenschwingungsknotens kann der betreffende Bewegungssensor sozusagen für
Schwingungs- oder Resonanzphänomene der Basis oder des Trägers sozusagen unempfindlich oder blind gemacht werden. Obwohl die Basis oder der Träger etwaigen Schwingungs- und Resonanzphänomenen unterworfen ist, werden diese Anre- gungen der Basis oder des Trägers aufgrund der Anordnung des Bewegungssensors im Bereich eines Eigenschwingungsknotens nicht oder nur in äußerst geringem Maße detektiert.
Der Bewegungssensor kann dabei ausschließlich zur Detektion und zur Messung von Starrkörperbewegungen oder Bewegungen des Schwerpunkts von Basis oder Träger verwendet werden. Je nach Signalverarbeitung der vom Bewegungssensor bereitgestellten Bewegungssignale kann der magnetlagerinterne Regelkreis beispielsweise lediglich auf solche Starrkörperbewegungen oder Schwerpunktsverlagerungen des Trägers relativ zur Basis reagieren, während Schwingungs- oder sonstige Störungsphänomene für die aktive Lagerung des Trägers an der Basis weitreichend ausgeblendet werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der zumindest eine Bewegungssensor außerhalb eines Eigenschwingungsknotens der Basis oder des Trägers angeordnet. Auf diese Art und Weise kann der Bewegungssensor insbesondere zur Erfassung von Schwingungs- und Resonanzphänomenen von Basis oder Träger verwendet werden. Es ist hierbei insbesondere denkbar, mehrere Bewegungssensoren vorzusehen, von denen zumindest einer im Bereich eines Eigenschwingungsknotens und ein anderer außerhalb eines Eigenschwingungsknotens von Basis oder Träger angeordnet ist. Auf die- se Art und Weise lassen sich Schwerpunkt oder Lageveränderungen einzelner Lagerstellen des Trägers gegenüber der Basis von Schwingungs- oder Resonanzphänomenen des Trägers oder der Basis unterscheiden. Die beschriebene Vorrichtung ist insbesondere als Transporteinrichtung zum Bewegen von Substraten entlang der Basis ausgelegt. Die Vorrichtung kann insbesondere als magnetische Stage, insbesondere für Wafer-, Display und Solarzellenanwendungen implementiert sein.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zum berührungslosen Lagern eines Objekts mittels einer zuvor beschriebenen Vorrichtung. In einem ersten Schritt wird dabei der Elektromagnet eines Magnetlagers der Vorrichtung in Abhängigkeit eines vom Abstandssensor des Magnetlagers bereitgestellten Abstandssignals angesteuert.
Das Ansteuern des Elektromagneten erfolgt dabei zum berührungslosen Lagern des Trägers an der Basis in einem vorgegebenen Abstand. In einem weiteren Schritt wird permanent oder in regelmäßigen Intervallen ein Bewegungszustand der Basis und/oder des Trägers mittels zumindest eines Bewegungssensors ermittelt. Der typischerweise als Beschleunigungssensor oder als Geschwindigkeitssensor ausgestaltete Bewegungssensor ist hierfür entweder an der Basis oder am Träger angeordnet.
Der Elektromagnet des Magnetlagers wird schließlich in Abhängigkeit des über den Bewegungssensor ermittelten Bewegungszustands von Basis oder Träger zur Einhaltung eines vorgegebenen Bewegungszustands von Basis oder Träger angesteuert. Ein mittels des Bewegungssensors detektierbarer, aber auch quantitativ erfassbarer Bewegungszustand kann beispielsweise ein Schwingungs- oder Resonanzzustand von Basis oder Träger beinhalten.
Der Elektromagnet wird hierbei in Abhängigkeit des ermittelten Bewegungszustands, insbesondere in Abhängigkeit eines vom Bewegungssensor bereitgestellten Bewegungssignals, etwa zur Dämpfung oder zur Eliminierung des Schwingungs- oder Resonanzzustands gezielt angesteuert.
Die Abstandssignale und die Bewegungssignale werden typischerweise gleichzeitig und permanent im Betrieb der Vorrichtung erfasst und zur Ansteuerung des zumindest einen, typischerweise mehrerer Magnetlager ausgewertet und verarbeitet. Das vorliegende Verfahren ist insbesondere von der zuvor beschriebenen Vorrichtung aus- und durchführbar. Insoweit gelten sämtliche in Hinblick auf die Vorrichtung genannten Merkmale, Effekte und Wirkungen gleichermaßen auch für das Verfahren; und umgekehrt.
Nach einem weiteren unabhängigen Aspekt ist schließlich ein Computerprogramm zur Ansteuerung einer zuvor beschriebenen Vorrichtung vorgesehen. Das Computerprogramm weist Programmmittel zum Ansteuern des Elektromagnets des zumindest einen Magnetlagers in Abhängigkeit eines vom Abstandssensor bereitgestellten Abstandssignals zum berührungslosen Lagern des Trägers an der Basis in einem vorgegebenen Abstand auf. Das Computerprogramm ist ferner mit Programmmitteln zum Ermitteln eines Bewegungszustands von Basis und/oder Träger versehen. Jene Programmmittel können den zumindest einen Bewegungszustand von Basis und/oder Träger mittels des zumindest einen Bewegungssensors bzw. durch Aus- wertung der vom Bewegungssensor bereitgestellten Bewegungssignale ermitteln.
Schließlich weist das Computerprogramm Programmmittel zum Ansteuern des Elektromagnets in Abhängigkeit des ermittelten Bewegungszustands auf. Die betreffenden Programmmittel sind dabei zur Einhaltung eines vorgegebenen Bewegungszu- Stands von Basis oder Träger ausgestaltet. Insbesondere können die Programmmittel dazu ausgebildet sein, etwaige Schwingungs- oder Resonanzzustände von Basis oder Träger zu dämpfen bzw. das zumindest eine oder mehrere Magnetlager derart anzusteuern, dass entsprechenden Schwingungs- und Resonanzphänomenen entgegengewirkt wird.
Das Computerprogramm dient insbesondere der computerimplementierten Umsetzung des Verfahrens zum berührungslosen Lagern eines Objekts mittels der zuvor beschriebenen Vorrichtung. Das Computerprogramm ist insbesondere in dem Regler des Regelkreises, in der Schwingungsdämpfung des Regelkreises sowie ergänzend oder optional in der zentralen Steuerung der Vorrichtung implementierbar. Sämtliche in Bezug auf die Vorrichtung und das Verfahren genannten Merkmale, Effekte und Wirkungen gelten gleichermaßen für das Computerprogramm; und umgekehrt. Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Aspekte der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezug- nähme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen: eine schematische Darstellung eines mit einem Regelkreis versehenen Magnetlagers, eine schematische Darstellung einer zum Transport eines Trägers ausgebildeten Vorrichtung zum Positionieren und/oder Bewegen eines Objekts, einen schematischen und vereinfacht dargestellten Querschnitt durch Basis und Träger, welcher mittels zwei Magnetlagern berührungslos an der Basis gehalten ist, eine übertrieben dargestellte Verformung oder Schwingung der Basis mit an der Basis angeordneten Bewegungssensoren, einen weiteren Zustand, bei welchem die Basis externen Störungen unterworfen ist und ein weiteres Ausführungsbeispiel mit am Träger angeordneten Elektromagneten und Bewegungssensoren und ein Flussdiagramm des Verfahrens zum berührungslosen Lagern eines Objekts.
Detaillierte Beschreibung
In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung 1 zum Halten, Positionieren und/oder Bewegen eines Objekts in einer Draufsicht von oben gezeigt. In dieser Ausgestaltung ist die Vorrichtung 1 insbesondere als Transportvorrichtung zum translatorischen Bewegen eines Trägers 50 entlang einer Basis ausgebildet. Die ortsfest installierte Basis 30 weist hier zwei sich parallel zueinander erstreckende Führungsabschnitte 32, 34 auf, entlang derer der berührungslos an der Basis 30 gelagerte Träger 50 in einer Transportrichtung 31 verfahrbar ist. Die Transportrichtung 31 erstreckt sich hierbei parallel zur Längsrichtung der beiden Führungsabschnitte 32, 34. An den Führungsabschnitten 32, 34 sind mehrere in Transportrichtung 31 voneinander beabstandete Magnetlager 10 angeordnet, die zum Halten bzw. zum berührungsfreien Lagern mit dem Träger 50 wechselwirken. Zudem kann optional ein Antrieb 35 mit mehreren in Transportrichtung 31 voneinan- der beabstandet angeordneten Antriebseinheiten 36 vorgesehen sein.
Der Antrieb 35 kann insbesondere als Linearmotor ausgestaltet sein, um die einzelnen, typischerweise jeweils zumindest eine Antriebsspule aufweisenden Antriebseinheiten 36 können hierbei an der Basis 30 angeordnet sein, während ein hiermit mag- netisch wechselwirkendes ferromagnetisches oder permanentmagnetisches, vorliegend nicht gezeigtes, Gegenstück korrespondierend hierzu am Träger 50 angeordnet ist. Mittels des Antriebs 35 ist der Träger 50 relativ zur Basis 30 entlang der Transportrichtung 31 bewegbar. Der Träger 50 gelangt dabei in oder außer Eingriff mit in Transportrichtung 31 voneinander beabstandet angeordneten Magnetlagern 10.
In Fig. 2 ist für den rechten Führungsabschnitt 34 der Basis 30 eine zentrale Steuerung 40 dargestellt, die mit sämtlichen am Führungsabschnitt 34 angeordneten Magnetlagern 10 datentechnisch gekoppelt ist. Die betreffenden Magnetlager 10, insbesondere ihre jeweiligen Elektromagnete 12 sind auf diese Art und Weise gesondert und separat von der zentralen Steuerung 40 ansteuerbar. An der Basis 30 ist zudem wenigstens ein Bewegungssensor 28 angeordnet, welcher ebenfalls mit der zentralen Steuerung 40 datentechnisch gekoppelt ist. Die vom Bewegungssensor 28 erzeugbaren Bewegungssignale können von der Steuerung zur Einhaltung vorgegebener bzw. einzuhaltender Bewegungszustände der Basis 30 und/oder des Trägers 50 verwendet werden.
Optional, vorliegend aber nicht gezeigt, ist ferner denkbar, auch die einzelnen Antriebseinheiten mit der zentralen Steuerung 40 zu koppeln. Ferner ist denkbar, die einzelnen den jeweiligen Elektromagneten 12 der Magnetlager 10 zugeführten und lokal im Magnetlager erzeugten Steuersignale ebenfalls an die zentrale Steuerung 40 zu übermitteln.
Für die Signalübertragung zwischen den einzelnen Magnetlagern, den Bewegungs- sensoren 28 und der zentralen Steuerung 40 kann eine beispielsweise in Form eines Datenbusses implementierte Datenübertragungseinrichtung 38 vorgesehen sein.
In Fig. 1 ist eines der hier vorgesehenen Magnetlager 10 schematisch dargestellt. Das Magnetlager 10 weist einen Regelkreis 1 1 auf, der einen Abstandssensor 20, einen Sollwertgeber 25, einen Regler 22, einen Verstärker 24 sowie einen Elektromagnet 12 miteinander koppelt. Der Elektromagnet 12 weist eine mit elektrischen Signalen beaufschlagbare Spule 16 sowie einen Ferrit- oder Eisenkern 14 auf. Die vom Regler 22 erzeugten Steuersignale werden mittels des Verstärkers 24 verstärkt und werden dementsprechend der Spule 1 6 zur Erzeugung einer auf ein Gegenstück 18 einwirkenden Kraft zugeführt.
Der bevorzugt in unmittelbarer Nähe zum Elektromagnet 12 angeordnete Abstandssensor 20 misst hierbei permanent einen Abstand 6 zum Gegenstück 18 bzpw. zum Träger 50, an welchem das Gegenstück 18 angeordnet ist. Der Elektromagnet 12 ist in der gezeigten Ausführungsform an der Basis 30 angeordnet. Der vom Abstandssensor 20 gemessene Abstand wird in Form eines Abstandssignals dem Sollwertgeber 25 zugeführt. Dieser kann beispielsweise mit der zentralen Steuerung 40 gekoppelt sein, die beispielsweise einen Istwert für den einzuhaltenden Abstand 26 zwischen Basis 30 und Träger 50 vorgibt. Soll- und Istwert werden im mit dem Sollwert- geber 25 gekoppelten Regler 22 verglichen.
Der Regler 22 erzeugt ein der Differenz von Soll-Wert und Ist-Wert entsprechendes Steuersignal. Das mittels des Verstärkers 24 verstärkte Steuersignal wird dem Elektromagnet 12, d.h. seiner Spule 1 6 zugeführt. Das Steuersignal ist derart berechnet und bestimmt, dass ein vorgegebener Abstand 26 eingehalten wird, und dass bei
Abweichungen von dem geforderten Abstand die vom Elektromagnet 12 ausgehende Kraft zur Einhaltung des vorgegebenen Abstands dynamisch angepasst wird. In der Ausgestaltung gemäß Fig. 1 ist ferner ein Bewegungssensor 28 vorgesehen. Dieser ist in der gezeigten Ausgestaltung in den Regelkreis 1 1 integriert. Der Bewegungssensor 28 ist insbesondere als Beschleunigungs- und/oder Geschwindigkeitssensor ausgestaltet. Mittels des Bewegungssensors 28 ist ein Bewegungszustand, insbesondere ein Schwingungs- oder Resonanzverhalten der Basis 30 und/oder des Trägers 50 bestimmbar, die in den Figuren 3 bis 6 in unterschiedlichen Konfigurationen gezeigt sind. Das von zumindest einem Bewegungssensor 28 erzeugbare Bewegungssignal kann ebenfalls dem Regler 22 des Regelkreises 1 1 zugeführt werden. Typischerweise dient das vom Bewegungssensor 28 erzeugte Bewegungssig- nal einer Dämpfung bzw. Schwingungsdämpfung der Lagerung des Trägers 50 an der Basis 30. Insoweit kann der Regler 22 mit einer Schwingungsdämpfung 23 versehen sein, die die Signale des Bewegungssensors 28 verarbeitet.
In Fig. 1 sind zwei Bewegungssensoren 28 gezeigt, von denen einer zusammen mit dem Elektromagnet 12 an einer von Basis 30 und Träger 50 und von denen ein anderer zusammen mit dem magnetischen Gegenstück 18 am anderen von Basis 30 und Träger 50 angeordnet ist. Der aufseiten des Elektromagneten 12 vorgesehene Bewegungssensor 28 ist mit einer Schwingungsdämpfung 23 des Reglers 22 gekoppelt während der aufseiten des magnetischen Gegenstücks 18 angeordnete Bewe- gungssensor 28 mit einer weiteren Schwingungsdämpfung 21 des Reglers 22 gekoppelt sein kann. Für die Verwirklichung der Erfindung kann die Implementierung bereits nur eines einzigen Bewegungssensors 28 ausreichend sein.
Eine datentechnische Kopplung beider aufseiten des Elektromagneten 12 und aufseiten des Gegenstücks angeordneter Bewegungssensoren 28 kann mit einem lokalen, für jedes Magnetlager 10 gesondert vorgesehenen Regler 22 erfolgen. Es ist aber auch denkbar, dass nur einer der Bewegungssensoren 28 mit dem Regler 22 und ein anderer der Bewegungssensoren 28 mit einer globalen Steuerung 40, wie in Fig. 2 gezeigt, gekoppelt ist.
Es sind generell unterschiedliche Anordnungen von Elektromagnet 12 magnetischen Gegenstück 18 denkbar. Der Elektromagnet 12 kann an der Basis 30 und das Gegenstück 18 kann am Träger 50 angeordnet sein, und umgekehrt. Abweichend von der in Fig. 1 gezeigten Ausgestaltung kann der Bewegungssensor 28 auch außerhalb des Regelkreises 1 1 angeordnet sein. Es ist denkbar, dass der Bewegungssensor 28 ausschließlich mit der zentralen Steuerung 40 gekoppelt ist. In diesem Fall weist die zentrale Steuerung 40 typischerweise eine entsprechende Schwingungsdämpfung 23 zur Verarbeitung der Bewegungssignale des zumindest einen Bewegungssensors 28 auf.
In Fig. 2 ist eine derartige Ausführungsform skizziert. Entlang der Transportrichtung 31 sind dort beispielsweise an dem Führungsabschnitt 34 mehrere in Transportrich- tung 31 voneinander beabstandete Bewegungssensoren 28 angeordnet, die sämtlichst mit der zentralen Steuerung 40 gekoppelt sind. Die Anordnung der Bewegungssensoren 28 an der Basis 30 ermöglichen eine qualitative sowie quantitative Bestimmung etwaiger Bewegungszustände, etwa von Schwingungs- oder Resonanzzuständen der Basis 30.
In Kenntnis entsprechender Bewegungssignale können einzelne Magnetlager 10 unterschiedlich und gesondert von der zentralen Steuerung 40 angesteuert werden, um beispielsweise das Schwingungsverhalten der Basis 30 zu reduzieren oder sogar gänzlich zu unterdrücken.
In der Querschnittsdarstellung gemäß Fig. 3 ist die Lagerung des Trägers 50 an einer Basis 30 entlang eines Schnittes senkrecht zur Transportrichtung 31 gezeigt. Die Basis 30 ist hier mit ihren nach unten weisenden Magnetlagern 10 oberhalb des Trägers 50 angeordnet. An der Unterseite des Trägers 50 können Objekte 52, typi- scherweise in Form von planaren Substraten 52, lösbar angeordnet sein. Das mit den beiden Magnetlagern 10 jeweils magnetisch wechselwirkende Gegenstück 18 ist in den Fig. 3 bis 6 nicht explizit dargestellt. Es kann demgemäß in den Träger 50 integriert sein bzw. der Träger kann auch in den mit den Elektromagneten 12 der Magnetlager 10 wechselwirkenden Bereichen mit geeignet magnetisch wechselwirkenden Materialien versehen sein.
Im normalen Betrieb der Vorrichtung 1 kann jedes der Magnetlager 10 weitreichend autark die jeweiligen Abstandssignale seines jeweiligen Abstandssensors 20 zur Einhaltung eines vorgegebenen Abstandes auswerten und dementsprechend den jeweils zugehörigen Elektromagnet 12 mit elektrischen Steuersignalen beaufschlagen.
In der schwebend hängenden Lagerung des Trägers 50 an der Basis ist von den Elektromagneten 12 jeweils eine magnetisch attraktive und nach oben, entgegen der Schwerkraft wirkende Haltekraft auf die betreffenden Gegenstücke 18 bzw. auf den Träger ausübbar.
Unabhängig davon, ob der Träger 50 an der Basis 30 lediglich ortsfest gehalten oder entlang einer Transportrichtung 31 an der Basis 30 bewegt wird, können aufgrund der aktiven Lagerung Schwingungszustände der Basis 30 angeregt werden, die, wie in Fig. 4 übertrieben dargestellt, zu einer Verformung der Basis 30 ggf. auch zu einer Verformung des Trägers 50 führen können. Indem an der Basis zumindest ein, typischerweise mehrere Bewegungssensoren 28 angeordnet sind, können derartige Schwingungszustände unabhängig von der mittels der Abstandssensoren 20 messbaren Abstandssignale separat erfasst werden. Insbesondere wenn die Bewegungssensoren 28 als Beschleunigungs- oder Geschwindigkeitssensoren ausgestaltet sind, können insoweit eine etwaige Schwin- gungsanregungen oder sonstige, extern auf die Basis 30 einwirkende Störungen ermittelt werden. Die mittels der Bewegungssensoren 28 erzeugten Bewegungssignale können unabhängig und separat von den Abstandssignalen der Abstandssensoren 20 ausgewertet werden, um eine effektive Schwingungsdämpfung bzw. Schwingungsunterdrückung bereitzustellen.
In solchen Fällen, in denen pro Magnetlager 10 ein Bewegungssensor 28 in unmittelbarer Nähe des Elektromagnets 12 des betreffenden Magnetlagers 10 angeordnet ist, können etwaige Schwingungsanregungen in diesem Bereich direkt mit dem vom Abstandssensor 20 gemessenen Abstandssignalen korreliert werden. Entsprechen die Abstandssignale weitreichend den vom Bewegungssensor 28 bereitgestellten Bewegungssignalen, ist dies ein Indiz dafür, dass der Träger 50 in Bezug zur Basis 30 weitreichend in Ruhe ist, und dass die zeitlich variierende, vom Abstandssensor 20 gemessene Abstandssignale lediglich die für die Ansteuerung der Elektromagnete 12 weitgehend unbeachtliche, aber unvermeintliche Schwingungsanregung der Basis 30 widerspiegeln.
In Fig. 5 ist eine im Vergleich zur Fig. 4 zumindest in konstruktiver Hinsicht weitrei- chend ähnliche oder identische Ausgestaltung der Vorrichtung 1 gezeigt. In der dort dargestellten Konfiguration kann die Basis 30 selbst Gegenstand von mechanischen Störungen oder Erschütterungen sein, was durch die federartige Aufhängung der Basis 30 symbolisiert ist. Beispielsweise kann der Aufstellort der Vorrichtung 1 , mithin die Installation der Basis 30 auf einem Untergrund nicht ausreichend stabil sein, oder aber die Basis 30 kann Gegenstand von externen Störungen, beispielsweise von Stoßanregungen sein.
Da die Basis 30 nicht unendlich steif an einer ortsfesten Umgebung befestigbar ist, kann durch Einwirkung externer Störungen, etwa von unvermeidbaren Erschütterun- gen, wie zum Beispiel in Erdbebengebieten, eine Relativbewegung zwischen Basis 30 und Träger 50 hervorgerufen werden, die ausschließlich oder überwiegend durch die externe Anregung oder Einwirkung auf die Basis 30 verursacht ist.
Derartige Störungen, beispielsweise Erschütterungen der Basis 30 können gleicher- maßen mit dem zumindest einen Bewegungssensor 28 detektiert werden. Die zeitgleich hiermit ermittelten Abstandssignale der Abstandssensoren, welche dann ebenfalls eine derartige Erschütterung abbilden, können in regelungstechnischer Hinsicht aufgrund der separaten und unabhängigen Erfassung der Bewegung der Basis entsprechend korrigiert werden, sodass der Träger 50 nach wie vor möglichst schwin- gungsarm und stabil berührungslos an der Basis gelagert werden kann.
In Fig. 6 ist schließlich eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung gezeigt, wobei die Elektromagnete 12 der Magnetlager 10 sämtlichst am Träger 50 angeordnet sind, während an der obenliegenden Basis 30 die hiermit magnetisch wechselwirkenden Gegenstücke 18 angeordnet sind. Auch in dieser Konfiguration sind die Bewegungssensoren 28 zusammen mit den Elektromagneten 12 trägerseitig angeordnet. Mittels der Bewegungssensoren 28 können etwaige Schwingungszustände des Trägers 50 absolut detektiert sowie quantitativ ausgewertet werden. Optional und wie ferner in Fig. 6 gezeigt können auch hier an der Basis 30 zumindest ein weiterer oder mehrere Bewegungssensoren 28 angeordnet sein.
Sollte beispielsweise, wie in Fig. 6 angedeutet, die Basis 30 infolge der berührungs- losen Lagerung des Trägers 50 zu Eigenschwingungen oder zu Resonanzphänomenen angeregt werden und sollten demzufolge die Abstandssensoren 20 der in Fig. 6 gezeigten Magnetlager 10 entsprechend zeitlich variierende Abstandssignale erzeugen, können diese durch ergänzende Auswertung der von den Bewegungssensoren 28 bereitgestellten Bewegungssignale derart verarbeitet werden, dass der Träger 50 weitreichend in Ruhe verbleibt.
Sollte beispielsweise ein dynamischer oder alternierender Anteil des von den Abstandssensoren 20 erzeugten Abstandssignals nicht mit dem von den Bewegungssensoren 28 erzeugten Bewegungssignal korrelieren, wäre dies ein deutliches Indiz dafür, dass die Basis 30 eine für die Ansteuerung der Magnetlager 10 im Wesentlichen unbeachtlichen Schwingung unterliegt.
Insbesondere bei Vorsehen mehrerer, etwa über die Fläche des Trägers 50 verteilt angeordneter Magnetlager 10 kann pro Magnetlager 10 ein Bewegungssensor 28 vorgesehen sein. Die Bewegungssignale sämtlicher Bewegungssensoren 28 können somit jeweils einem bestimmten Magnetlager 10 zugeordnet werden. Grundsätzlich ist aber auch denkbar, dass die Anzahl der insgesamt vorgesehenen Bewegungssensoren 28 geringer ist als die Anzahl der Magnetlager 10. Mittels der Bewegungssensoren 28 können etwa über eine datentechnische Kopplung mit einer zentralen Steuerung 40 unterschiedliche Bewegung, so etwa Schwingungszustände der Basis 30 und/oder des Trägers 50 ermittelt werden. Auf der Basis einer Auswertung sämtlicher Bewegungssignale können dann einzelne Steuersignale berechnet werden, mittels derer die Elektromagnete 12 betreffende Magnetlager 10 gesondert und gezielt, so etwa zur Schwingungsdämpfung von Basis 30 und/oder Träger 50 ansteuerbar sind.
Die Bewegungssensoren 28 können insbesondere in den Bereichen von Eigenschwingungsknoten von Basis 30 und/oder Träger 50 angeordnet sein. Für die gezielte Erfassung zum Ausblenden von Schwingungszuständen oder sonstigen Stö- rungen oder mechanischen Anregungen von Basis 30 und/oder Träger 50 ist ferner denkbar, einzelne oder sämtliche Bewegungssensoren 28 außerhalb solcher Eigenschwingungsknoten von Basis 30 und/oder Träger 50 anzuordnen. Die Bewegungssensoren sind insbesondere zur Detektion von Bewegungen, Stoßanregungen oder Schwingungen in einem Frequenzbereich von 10 bis 300 Hz ausgebildet, sodass die typischerweise in diesem Frequenzbereich auftretenden
Schwingungs- oder Resonanzphänomene von Basis 30 und/oder Träger 50 zuverlässig erfasst und quantitativ analysierbar sind.
In Fig. 7 ist er ein Flussdiagramm des Verfahrens zum berührungslosen Lagern eines Objekts 52 mittels der zuvor beschriebenen Vorrichtung 1 dargestellt. In einem ersten Schritt 100 wird der Elektromagnet 12 des zumindest einen Magnetlagers 10 in Abhängigkeit des vom Abstandssensor 20 bereitgestellten Abstandssignals AS zum berührungslosen Lagern des Trägers 50 an der Basis 30 derart angesteuert, dass der Träger 50 einen vorgegebenen Abstand 26 zur Basis einhält. Hierzu in einem Schritt 102 der Abstand 26 zwischen Träger 50 und Basis 30, insbesondere im unmittelbaren Wirkungsbereich des betreffenden Magnetlagers 10 mittels des dem Magnetlager zugehörigen Abstandssensors 20 gemessen.
Während dieses kontinuierlichen Ansteuerns des Elektromagnets 12 wird im Schritt 104 auch der Bewegungszustand der Basis 30 und/oder des Trägers 50 mittels zumindest eines Bewegungssensors 28 ermittelt. So werden die vom Bewegungssensor 28 erzeugten Bewegungssignale ebenfalls und gleichermaßen wie die Ab- Standssignale zur Ansteuerung des Elektromagnets 12 verwendet, um die Basis 30 und/oder den Träger 50 in einem vorgegebenen Bewegungszustand zu halten oder in einen vorgegebenen Bewegungszustand zu überführen.
Wird beispielsweise mittels des Bewegungssensors 28 eine Schwingungsanregung des Trägers 50 oder der Basis 30 gemessen, so findet diese Messung für die weitere Beaufschlagung des Elektromagnets 12 durch den Regelkreis 1 1 Berücksichtigung. Insbesondere werden die vom Bewegungssensor 28 bereitgestellten Bewegungssignale zur Schwingungsdämpfung des Regelkreises 1 1 verwendet. Die Ansteuerung des Elektromagnets 12 in Abhängigkeit des Abstandssignals als auch in Abhängig- keit des ermittelten Bewegungszustands von Basis 30 oder Träger 50 findet im stets Prozessschritt 100 statt, wobei das Verfahren die beiden Schleifen Schritte 100, 102, 100 und 100, 104, 100 quasi parallel durchläuft.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
10 Magnetlager
11 Regelkreis
12 Elektromagnet
14 Eisenkern
16 Spule
18 Gegenstück
20 Abstandssensor
21 Schwingungsdämpfung
22 Regler
23 Schwingungsdämpfung
24 Verstärker
25 Sollwertgeber
26 Abstand
28 Bewegungssensor
30 Basis
31 Transportrichtung
32 Führungsabschnitt
34 Führungsabschnitt
35 Antrieb
36 Antriebseinheit
38 Datenübertragungseinrichtung
40 Steuerung
50 Träger
52 Objekt

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Vorrichtung zum Halten, Positionieren und/oder Bewegen eines Objekts (52), mit: zumindest einem regelbaren Magnetlager (10), einer Basis (30) und mit einem Träger (50), wobei der Träger (50) mittels des zumindest einen Magnetlagers (10) berührungslos an der Basis (30) gelagert ist, wobei das Magnetlager (10) einen Elektromagnet (12) und ein mit dem Elektromagnet (12) magnetisch wechselwirkendes Gegenstück (18) sowie einen Regelkreis (1 1 ) mit einem Abstandssensor (20) und mit einem Regler (22) aufweist, wobei der Elektromagnet (12) mittels des Regelkreises (1 1 ) zur Einhaltung eines vorgegebenen Abstands (26) zwischen der Basis (30) und dem Träger (50) ansteuerbar ist, und wobei der Regelkreis (1 1 ) mit zumindest einem an der Basis (30) oder am Träger (50) angeordneten Bewegungssensor (28) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei der Bewegungssensor (28) mit dem Regler (22) des Regelkreises (1 1 ) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bewegungssensor (28) mit einer Schwingungsdämpfung (21 , 23) des Regelkreises (1 1 ) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektromagnet (12) an der Basis (30) oder am Träger (50) angeordnet ist und wobei das Gegenstück (18) korrespondierend hierzu am Träger (50) oder an der Basis (30) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bewegungssensor (28) gemeinsam mit dem Elektromagnet (12) an der Basis (30) oder am Träger (50) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bewegungssensor (28) als Beschleunigungssensor oder als Geschwindigkeitssensor ausgestaltet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche mehrere beabstandet voneinander angeordnete Magnetlager (10) aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei jedem Magnetlager (10) zumindest ein Bewegungssensor (28) zugeordnet ist oder wobei jedes Magnetlager (10) einen Bewegungsensor (28) aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an wenigstens einem von Basis (30) oder Träger (50) zumindest zwei Bewegungssensoren (10) angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, ferner mit einer zentralen Steuerung (40), die mit den zumindest zwei Magnetlagern (10) und mit zumindest einem Bewegungssensor (10) gekoppelt ist.
1 1 . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 10, wobei die Anzahl der Bewegungssensoren (28) geringer ist als die Anzahl der Magnetlager (10).
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Bewegungssensor (10) im Bereich eines Eigenschwingungsknotens der Basis (30) oder des Trägers (50) angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Bewegungssensor (10) außerhalb eines Eigenschwingungsknotens der Basis (30) oder des Trägers (50) angeordnet ist.
14. Verfahren zum berührungslosen Lagern eines Objekts (52) mittels einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten:
Ansteuern des Elektromagnets (12) des zumindest einen Magnetlagers (10) in Abhängigkeit eines vom Abstandssensor (20) bereitgestellten Abstandssignals zum berührungslosen Lagern des Trägers (50) an der Basis (30) in einem vorgegebenen Abstand (26),
Ermitteln eines Bewegungszustands von zumindest einem von Basis (30) und Träger (50) mittels des zumindest einen Bewegungssensors (28), und
Ansteuern des Elektromagnets (12) in Abhängigkeit des ermittelten Bewegungszustands zur Einhaltung eines vorgegebenen Bewegungszustandes von Basis (30) oder Träger (50).
15. Computerprogramm zur Ansteuerung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 1 1 , mit:
Programmmitteln zum Ansteuern des Elektromagnets (12) des zumindest einen Magnetlagers (10) in Abhängigkeit eines vom Abstandssensor (20) bereitgestellten Abstandssignals zum berührungslosen Lagern des Trägers (50) an der Basis (30) in einem vorgegebenen Abstand (26),
Programmmitteln zum Ermitteln eines Bewegungszustands von zumindest einem von Basis (30) und Träger (50) mittels des zumindest einen Bewegungssensors (28), und
Programmmitteln zum Ansteuern des Elektromagnets (12) in Abhängigkeit des ermittelten Bewegungszustands zur Einhaltung eines vorgegebenen Bewegungszustandes von Basis (30) oder Träger (50).
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