WO2023213900A1 - Schwingungsisolator mit einer schraubenfeder und einem aktor - Google Patents

Schwingungsisolator mit einer schraubenfeder und einem aktor Download PDF

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WO2023213900A1
WO2023213900A1 PCT/EP2023/061704 EP2023061704W WO2023213900A1 WO 2023213900 A1 WO2023213900 A1 WO 2023213900A1 EP 2023061704 W EP2023061704 W EP 2023061704W WO 2023213900 A1 WO2023213900 A1 WO 2023213900A1
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vibration isolator
isolator according
coil
magnet
inner housing
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PCT/EP2023/061704
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English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes HARTGERS
Arndt Evers
Simon Schadt
Original Assignee
Integrated Dynamics Engineering Gmbh
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/02—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems
    • F16F15/03—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using magnetic or electromagnetic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2234/00—Shape
    • F16F2234/02—Shape cylindrical
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2238/00—Type of springs or dampers
    • F16F2238/02—Springs
    • F16F2238/022—Springs leaf-like, e.g. of thin, planar-like metal
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2238/00—Type of springs or dampers
    • F16F2238/02—Springs
    • F16F2238/026—Springs wound- or coil-like
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/02—Details
    • H01J2237/0216—Means for avoiding or correcting vibration effects

Definitions

  • the invention generally relates to an active vibration isolator with a coil spring which is effective in the vertical direction.
  • the invention relates to a vibration isolator that can be used in a stationary vibration isolation system for supporting machines, systems or devices, in particular in the field of the semiconductor industry, such as systems or devices in the field of lithography, optical inspection devices or wafer handling devices.
  • the invention also relates to a method for actively damping vibrations of a stored load, for example a stored machine, system or device.
  • Vibration isolation systems with a mechanical spring for example a coil spring
  • a load to be isolated from the ground for example a system in the field of lithography
  • three or more vibration isolators which are effective at least in a vertical direction.
  • Mechanical coil springs enable passive vibration isolation in a very simple way, especially in the case of relatively large or heavy loads. Vibration isolation can be achieved above the natural frequency of the spring-mass system.
  • vibration isolation systems particularly when they are used to support sensitive machines, for example in the semiconductor industry, can be improved by designing the vibration isolation system as an active vibration isolation system.
  • the mechanical spring systems used are designed for the weight of the load to be supported. This is necessary because a mechanical spring is in the limit area Load no longer behaves linearly and thus the damping properties become less favorable. In addition, the vibration isolator can also be damaged.
  • the gap dimensions between the magnets involved can change, which can have an unfavorable effect on performance.
  • damage to the magnets can also occur.
  • the actuator is designed as a separate component and is arranged spatially separated from the vibration isolator in order to be able to safely exclude any damage, for example when adjusting the mechanical spring system.
  • the vibration isolator should have the smallest possible installation space in order to be able to be used flexibly.
  • the vibration isolator should also be usable for higher loads, in particular for loads that have a weight of 500 kg or more, preferably 1,000 kg or more.
  • the subject of the invention is therefore a vibration isolator, comprising an inner housing with a cavity for receiving and holding a helical spring, which is arranged in the cavity of the inner housing and is effective in a vertical direction, an outer housing which at least partially surrounds the inner housing, and an outer housing in a vertical direction effective actuator, which is arranged at least in sections between the inner housing and the outer housing.
  • the vibration isolator can be part of a vibration isolation system that is set up in a stationary manner and which can be used, for example, to store devices in the semiconductor industry.
  • Such a vibration isolation system can, for example, comprise a table or frame mounted in a vibration-isolated manner, on which the corresponding devices are mounted.
  • “horizontal” and “vertical” are understood to mean the main direction of the vibration isolator in the installed state.
  • the vertical direction corresponds to the orientation of the center axis of the coil spring in the operating state, i.e. the axial direction.
  • the vibration isolator is effective in this direction.
  • the outer housing can be designed with appropriate fastening means to create a firm connection to the ground.
  • fastening means for example, screw connections can be provided in order to firmly and releasably connect the vibration isolator, for example, to corresponding receptacles on the floor.
  • the outer housing can accommodate the inner housing in its interior, at least in some areas.
  • the outer housing can surround the inner housing along its outer wall, so that the inner wall of the outer housing and the outer wall of the inner housing face each other.
  • the outer and inner housings can be cylindrical, which can be beneficial in terms of uniform force distribution and insulation.
  • the outer and inner housings as well as the coil spring are advantageously arranged coaxially with one another.
  • the outer housing and the inner housing are also rigidly connected to one another in the horizontal direction.
  • the inner housing is preferably movable in the vertical direction within the outer housing.
  • the inner housing with the coil spring can be in the axial or vertical direction compared to the Outer housing can be moved, but is rigidly connected to the outer housing in the radial or horizontal direction.
  • the horizontally rigid coupling of the inner housing can be achieved by at least one spring element, preferably at least one leaf spring, which can be connected in parallel to the actuator.
  • the leaf spring can be arranged in the working space of the vibration isolator and connect the inner housing to the outer housing.
  • the vibration isolator preferably comprises at least two leaf springs spaced apart from one another in the axial direction. In this way, tilting of the inner housing relative to the outer housing can be counteracted particularly well and the connection can be rigid in the horizontal direction.
  • the leaf spring can be part of a leaf spring package.
  • segmented leaf springs made from ring segments are conceivable.
  • a particularly preferred embodiment provides two leaf spring packages arranged axially spaced apart from one another, which are arranged approximately in the area of the end face of the inner and outer housing.
  • the coil spring is mechanically rigidly coupled to the inner housing in the horizontal direction and therefore insulates in the vertical direction.
  • the inner housing can be designed to accommodate and hold the coil spring with appropriate means, for example spring plates, which allow the coil spring to be firmly seated in the horizontal and vertical directions.
  • an actuator effective in the vertical direction is provided, which can be arranged in the working space of the vibration isolator.
  • the actuator is designed as a magnetic actuator, comprising at least one coil and a magnet, which form a magnet-coil pair.
  • the coil and magnet can be arranged between the inner housing and the outer housing, for which purpose a corresponding cavity or working space can be provided.
  • the working space can, for example, include recesses on the inner wall of the outer housing and/or recesses on the outer wall of the inner housing.
  • the actuator thus enables additional vibration isolation in the vertical direction.
  • the actuator serves in particular for active vibration isolation.
  • the vibration isolator according to the invention can therefore also be referred to as an active vibration isolator.
  • the at least one pair of magnetic coils surrounds the coil spring at least in sections.
  • the coil and/or magnet are arranged at least in sections around the coil spring.
  • the at least one pair of magnetic coils is annular or is based on annular segments.
  • the coil spring can be partially or preferably completely enclosed. This enables a particularly uniform introduction of force through the actuator into the vibration isolator. In particular, in this way it can be prevented that the actuator causes a tilting movement of the inner housing as a result of an uneven, one-sided introduction of force.
  • the at least one coil of the actuator runs around the inner housing and is therefore arranged on the outer wall of the inner housing.
  • the at least one coil can, for example, be pressed or glued onto the inner housing.
  • the associated magnet in particular a permanent magnet, can be assigned to the outer housing and run on the inner wall. It can also be glued.
  • the magnet and the associated coil are preferably arranged opposite each other, with a gap between the magnet and the coil.
  • this gap can be made particularly narrow and, for example, have a width of less than 5 mm, preferably less than 1 mm and particularly preferably less than 0.5 mm in the radial direction. On the one hand, this makes it possible to make the working space correspondingly small, so that the vibration isolator can be kept compact overall. On the other hand, comparatively high forces can be generated.
  • reverse arrangements can also be provided, i.e. an arrangement of the magnet on the outer wall of the inner housing and the coil on the inner wall of the outer housing.
  • the vibration isolator comprises a plurality of actuators, preferably magnetic actuators, which are arranged next to one another in the axial direction.
  • the vibration isolator comprises at least two or particularly preferably three or more actuators, in particular magnetic actuators, arranged next to one another. This allows higher forces to be generated in a compact installation space.
  • winding direction of adjacent coils and the magnetization direction of the magnets between the adjacent pairs of magnet coils are preferably designed to alternate.
  • the middle magnet coil pair can be dimensioned larger than the outer magnet coil pairs in order to achieve a higher force introduction with the same current make possible.
  • This configuration advantageously reduces the saturation of the magnetic field between the different sets of magnets, ultimately resulting in a higher magnetic inductance (B) in the gap with the coil.
  • the middle pair of magnetic coils can, for example, have twice the number of coil windings compared to the two outer pairs of magnetic coils.
  • the external magnet coil pairs can have the same number of coil windings. In this way, it is particularly easy to form two magnetic fields lying next to one another in the axial direction, via which a vertical movement of the inner housing relative to the outer housing can be effected.
  • adjacent magnetic coil pairs can be at a distance of approximately between 1 and 5 mm from one another, with a magnetic shield being provided between them.
  • the vibration isolator further comprises a preferably elongated insert which serves to accommodate the load.
  • This insert can at least partially protrude into the coil spring.
  • the insert can be firmly connected to the inner housing and include an upper receptacle for receiving the coil spring, for example an upper spring plate.
  • the insert can also be designed as part of the inner housing.
  • the insert can be designed at least partially in the area protruding into the coil spring with a cavity that is open at the top and can serve to accommodate a load.
  • the load support can be firmly connected to a bottom area of the insert in the lower area of the cavity in the axial and radial directions. The load holder is therefore held at the bottom of the insert, while in the upper area it can be freely arranged in the cavity, so that movement in the radial or horizontal direction is possible.
  • the load holder can be designed particularly favorably as a bending bar or articulated pendulum and its upper end can be connected to a load to be insulated. Suitable recordings can be provided for this purpose. A force acting in the horizontal direction on the load to be insulated can therefore be absorbed via the load support.
  • the invention comprises a method for isolating a load to be supported, wherein at least one vibration isolator according to the invention is used as described above.
  • the method can provide that sensors are arranged on the load to be isolated and/or the floor, and at least one actuator of the vibration isolator can then be controlled via a control loop, which actively counteracts any vibrations that occur.
  • the sensor can be designed, for example, as a motion or acceleration sensor.
  • the invention comprises a device, in particular a lithography device or system, an optical inspection device, a system or device for handling wafers or substrates, the device comprising at least one vibration isolator as described above for vibration isolation.
  • a device in particular a lithography device or system, an optical inspection device, a system or device for handling wafers or substrates, the device comprising at least one vibration isolator as described above for vibration isolation.
  • such devices can include at least three such vibration isolators for three-point mounting.
  • the vibration isolator according to the invention is characterized by a small installation space and can therefore be used very flexibly.
  • vibration isolator according to the invention can also be used for higher loads, in particular for loads that have a weight of 500 kg or more, for example 1,000 kg or more or even 1,500 kg or more.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a vibration isolator according to the invention in section
  • FIG. 3 shows a schematic side view of a vibration isolation system
  • Fig. 5 shows a section comprising the side wall of the vibration isolator according to the invention in section
  • Fig. 6 shows a magnetic field that arises during operation in the area of the side wall from Fig. 5.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a vibration isolator 10 according to the invention in section.
  • the vibration isolator 10 shown comprises an inner housing 20 with a cavity 21 for receiving and holding a coil spring 50, which is arranged in the cavity 21 of the inner housing 20 and is effective in a vertical direction, an outer housing 30 which at least partially surrounds the inner housing 20, and an actuator 40 which is effective in a vertical direction and which is arranged between the inner housing 20 and the outer housing 30.
  • the vibration isolator 10 can be part of a vibration isolation system 1, which is set up in a stationary manner and which can be used, for example, to store devices in the semiconductor industry.
  • Such a vibration isolation system 1 can, for example, comprise a table 4 or frame mounted in a vibration-isolated manner, on which the corresponding devices are mounted, for example a scanning electron microscope 5.
  • a vibration isolation system 1 is shown purely schematically in a side view in FIG.
  • the table 4 and a device 5 located on it as a load to be stored can be isolated from the floor 2 by means of the vibration isolators 10.
  • a total of four such vibration isolators 10 are provided.
  • the outer housing 30 can be designed with appropriate fastening means in order to create a firm connection to the floor or a receiving plate 3.
  • screw connections 31 can be provided in order to connect the vibration isolator firmly and releasably, for example with corresponding receptacles.
  • the outer housing 30 can accommodate the inner housing 20 in its interior, at least in areas or sections, and is also designed with a cavity for this purpose, which is also referred to below as the working space 32.
  • the outer housing 30 surrounds the inner housing 20 almost completely, so that the inner wall 33 of the outer housing 30 and outer wall 23 of the inner housing 20 face each other. It is not absolutely necessary that the outer housing 30 completely covers the inner housing 20 in the axial direction encloses.
  • the inner housing 20 can, for example, also protrude, which, however, can lead to a decrease in stability, particularly in the horizontal direction.
  • the outer and inner housings are cylindrical, which is advantageous for evenly absorbing the load and damping and has proven to be suitable. This makes it possible to arrange the outer and inner housings 20, 30 and the coil spring 50 coaxially with respect to the center line 51, which is very useful for even weight distribution and homogeneous load distributions.
  • the outer housing 30 and the inner housing 20 are mechanically rigidly connected to one another in the horizontal direction.
  • the inner housing 20 is movably mounted within the outer housing 30 in the vertical direction.
  • the inner housing 20 with the coil spring 50 can be moved in the axial or vertical direction relative to the outer housing 30.
  • the horizontally rigid coupling of the inner housing 20 is carried out by two leaf spring packages 34 as vertically acting spring elements, which are connected in parallel to the actuator 40.
  • the leaf spring packages 34 are arranged in the working space 32 of the vibration isolator 10 and connect the inner housing 20 to the outer housing 30.
  • the vibration isolator 10 comprises two leaf spring packages 34 which are spaced apart from one another in the axial direction and which are arranged on the respective end faces of the inner and outer housings 20, 30 and thus offer the greatest possible stability in the horizontal direction. In this way, tilting of the inner housing 20 relative to the outer housing 30 can be counteracted, so that a rigid connection in the horizontal direction is achieved.
  • a leaf spring package 34 includes several leaf springs. Instead of leaf springs, other spring elements are also conceivable and possible, for example disc springs.
  • the leaf spring packages 34 are arranged so that they can be easily replaced.
  • a clamping ring 35 is provided on each end face, with which the leaf spring assemblies 34 can be firmly and releasably connected to the outer housing 30 and thereby hold the leaf spring assemblies 34.
  • the coil spring 50 is mechanically rigidly coupled to the inner housing 20 in the horizontal direction and therefore insulates in the vertical direction.
  • the inner housing 20 is designed to accommodate and hold the coil spring 50 with appropriate means, in the example with a lower spring plate 24, which allows the coil spring 50 to be firmly seated in the horizontal and vertical directions.
  • the spring plate 24 can be moved in the axial direction by means of an adjustment 52 in order to make a height adjustment.
  • an actuator which is effective in the vertical direction is provided, which is arranged in the working space of the vibration isolator and has the reference number as a whole
  • the actuator 40, 40a is designed as a linear motor with a straight path of movement and enables a particularly uniform introduction of force into the vibration isolator 10.
  • the actuator 40, 40a is designed as a magnetic actuator, comprising coils
  • Coil 41 and magnet 42 are arranged in the working space 32 between inner housing 20 and outer housing 30 and form a pair of magnet coils.
  • recesses are formed on the inner wall of the outer housing 30 and/or recesses on the outer wall of the inner housing 20 for receiving the magnets 42 or coils 41.
  • the coils are pressed or glued onto the outer wall of the inner housing 20.
  • the inner housing 20 is advantageously made of an iron-containing material, preferably steel.
  • the magnets 42 are inserted and glued into precisely matching recesses on the inner wall of the outer housing 30.
  • the actuator 40, 40a thus enables additional vibration isolation in the vertical direction parallel to the coil spring 50.
  • the actuator 40, 40a represents the active element of the vibration isolator 10.
  • a total of three magnetic coil pairs are provided, which completely surround the coil spring 50 and extend in the axial direction approximately along the length of the coil spring 50, which represents a favorable arrangement with regard to a compact design of the vibration isolator 10 while at the same time offering high stability .
  • the magnet coil pairs are ring-shaped. In this way, the coil spring 50 can be completely enclosed. This enables a particularly uniform introduction of force by the actuator 40, 40a into the vibration isolator 10. In particular, this can prevent the actuator 40, 40a from causing a tilting movement of the inner housing 20 as a result of an uneven, one-sided introduction of force.
  • the windings of the coils 41 of the actuator 40, 40a run around the outer wall of the inner housing 20.
  • the associated magnet 42 a permanent magnet in the exemplary embodiment, is assigned to the outer housing 30 and arranged on the inner wall at a short distance from the coil 41.
  • the magnets 42 and the associated coils 41 are arranged opposite each other, with a gap between the magnet 42 and the coil 41.
  • the gap Due to the horizontally rigid connection between the inner and outer housings 20, 30, this gap is correspondingly particularly narrow.
  • the gap has a width of less than 5 mm, preferably less than 1 mm and particularly preferably less than 0.5 mm.
  • this makes it possible to make the working space 32 correspondingly small, so that the vibration isolator 10 can be kept compact overall.
  • comparatively high forces can be generated.
  • a reverse arrangement of magnet 42 and coil 41 is also possible and conceivable.
  • the vibration isolator 10 comprises three actuators 40, 40a connected in parallel, in the example magnetic actuators or magnetic coil pairs, which are arranged next to one another in the axial direction.
  • embodiments are possible and conceivable which include more than one actuator 40, 40a, for example two or four or five or more actuators 40, 40a arranged next to one another, in particular magnetic actuators.
  • the middle magnet coil pair marked with the reference number 40a in the example shown, is dimensioned larger than the outer magnet -Coil pairs or actuators 40 to enable the same or higher force introduction with the same current.
  • the middle magnet coil pair 40a with the coil 41a and the magnet 42a includes twice the number of coil windings of the coil 41a compared to the two outer magnet coil pairs. It is also possible to choose a different, in particular larger, cable cross-section or a combination of a changed cable cross-section and a changed number of windings.
  • the outer magnet coil pairs are designed to be the same in terms of performance parameters.
  • adjacent pairs of magnetic coils have a certain distance from one another, which in the exemplary embodiment is between 1 and 5 mm.
  • a shielding intermediate piece 43 is provided between adjacent pairs of magnet coils in the exemplary embodiment.
  • the vibration isolator 10 further comprises an elongated insert 25, which serves to accommodate the load.
  • This insert 25 protrudes to one predominantly into the coil spring 50.
  • the insert 25 is firmly connected to the inner housing 20.
  • the insert 25 includes an upper receptacle for receiving the coil spring, in the example an upper spring plate 24.
  • the insert 25, also together with the upper spring plate 24, can be designed as part of the inner housing 20.
  • the insert 25 is formed in the area protruding into the coil spring 50 with a cavity that is open at the top and serves to accommodate a load holder 53.
  • the load bearing 53 is arranged coaxially to the insert 25 and the coil spring 50 and is firmly connected to a bottom area of the insert 25 in the lower region of the cavity in the axial and radial directions.
  • the load holder 53 is therefore held at the bottom of the insert.
  • the load holder 53 is freely arranged in the cavity in the horizontal direction, so that movement in the radial direction is possible.
  • the load bearing 53 is designed as a bending rod in the exemplary embodiment. At its upper end it can be connected to the load to be insulated. For this purpose, a further receptacle 54 is provided in the exemplary embodiment.
  • the load to be isolated is not shown in this illustration. A force acting in the horizontal direction on the load to be insulated can therefore be absorbed via the load holder 53.
  • Fig. 2 shows the vibration isolator 10 in an oblique view.
  • a lateral recess 36 makes it possible to adjust the height with a mounted vibration isolator 10.
  • the vibration isolator 10 has a total height of approximately 150 mm and a diameter of approximately 130 mm and is therefore very compact.
  • the expansion of the coil spring in the axial direction is approximately 90 mm.
  • the total of three pairs of magnet coils are also distributed over approximately this distance, with the middle pair of magnet coils having approximately twice the extent in the axial direction as an outer pair of magnet coils. With these dimensions, a stroke of around 1.5 mm or even more is possible.
  • Fig. 4 shows the vibration isolator 10 from Fig. 2 in an oblique view in section.
  • Fig. 5 shows a section of the side wall of the inner and outer housing 20, 30 of the vibration isolator 10.
  • Fig. 6 shows a magnetic field that develops during operation in this area of the side wall of the vibration isolator 10.
  • Two magnetic fields 44 that form and are axially spaced from one another can be clearly seen.
  • the course of the magnetic lines is shown schematically with the reference number 45.
  • the invention thus provides a method for isolating a load to be stored, for example a scanning electron microscope 5, a lithography device or a lithography system, an optical inspection device, a system or device for handling wafers or substrates or other device or system, which places particularly high demands on vibration isolation.
  • the invention also includes a device, for example a lithography device or system, an optical inspection device, a system or device for handling wafers or substrates, at least one vibration isolator 10 being used as described above.
  • a device for example a lithography device or system, an optical inspection device, a system or device for handling wafers or substrates, at least one vibration isolator 10 being used as described above.

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Abstract

Die Erfindung betrifft allgemein einen aktiven Schwingungsisolator mit einer Schraubenfeder, die in vertikaler Richtung wirksam ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum aktiven Dämpfen von Schwingungen einer gelagerten Last, beispielsweise einer gelagerten Maschine, Anlage oder Gerät. Hierzu wird ein Schwingungsisolator zur Verfügung gestellt mit einem Innengehäuse mit einem Hohlraum zur Aufnahme und Halterung einer Schraubenfeder, welche in dem Hohlraum des Innengehäuses angeordnet und in einer vertikalen Richtung wirksam ist, sowie ein das Innengehäuse zumindest abschnittsweise umgebendes Außengehäuse. Zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse ist dabei ein in einer vertikalen Richtung wirksamer Aktuator angeordnet.

Description

Schwingungsisolator mit einer Schraubenfeder und einem Aktor
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Die Erfindung betrifft allgemein einen aktiven Schwingungsisolator mit einer Schraubenfeder, die in vertikaler Richtung wirksam ist. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Schwingungsisolator, der in einem stationären Schwingungsisolationssystem zur Lagerung von Maschinen, Anlagen oder Geräten, insbesondere im Bereich der Halbleiterindustrie, verwendet werden kann, wie beispielsweise Anlagen oder Geräten im Bereich der Lithographie, optische Inspektionsgeräte oder Wafer-Handling-Einrichtungen. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum aktiven Dämpfen von Schwingungen einer gelagerten Last, beispielsweise einer gelagerten Maschine, Anlage oder Gerät.
Schwingungsisolationssysteme mit einer mechanischen Feder, zum Beispiel einer Schraubenfeder, sind allgemein bekannt. Bei einem derartigen System wird eine vom Boden zu isolierende Last, beispielsweise eine Anlage im Bereich der Lithographie, auf drei oder mehr Schwingungsisolatoren gelagert, die zumindest in einer vertikalen Richtung wirksam sind. Mechanische Schraubenfedern ermöglichen bereits auf sehr einfache Weise eine passive Schwingungsisolation, insbesondere auch im Fall von eher größeren oder schweren Lasten. Oberhalb der Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems kann eine Schwingungsisolation erreicht werden.
Die Isolationswirkung derartiger Schwingungsisolationssysteme, insbesondere, wenn diese zur Lagerung von empfindlichen Maschinen, etwa in der Halbleiterindustrie, verwendet werden, kann verbessert werden, indem das Schwingungsisolationssystem als aktives Schwingungsisolationssystem ausgebildet wird.
Die verwendeten mechanischen Federsysteme werden dabei auf das Gewicht der zu lagernden Last ausgelegt. Dies ist notwendig, da sich eine mechanische Feder im Grenzbereich der Belastung nicht mehr linear verhält und damit die Dämpfungseigenschaften ungünstiger werden. Zudem kann der Schwingungsisolator auch beschädigt werden.
Da die Auslenkung einer Schraubenfeder sich im vorgesehenen Lastbereich im Wesentlichen linear zur aufgebrachten Kraft verhält, versteht es sich, dass sich die Höhe der schwingungsisoliert gelagerten Last mit deren Gewicht ändert.
Um Variationen der isoliert gelagerten Last oder eine ungleichmäßige Kraftverteilung zu kompensieren, ist es bekannt, derartige mechanische Federsysteme mit einer Höhenkorrektur zu versehen. Diese kann beispielsweise über einen höhenverstellbaren Federteller auf recht einfache Weise realisiert werden, wobei das Schwingungsisolationssystem in Ruhelage eingestellt werden kann. Einen derartigen mechanischen Schwingungsisolator beschreibt das Dokument EP 2 750 738 A1 der Anmelderin.
In verschiedenen Fällen kann es aber beim Einstellen der Höhe bei derartigen mechanischen Federsystemen zum Auftreten von Drehmomenten kommen, welche eine horizontale Kraft zur Folge haben können. Diese horizontale Kraftkomponente führt in aller Regel zu einer horizontalen Verschiebung der schwingungsisoliert gelagerten Last oder in dem Schwingungsisolator selbst, was unerwünscht ist. Besonders nachteilig ist eine horizontale Verschiebung bei aktiven Schwingungsisolationssystemen, da hierdurch die sich gegenüberliegenden Komponenten von berührungslos arbeitenden Aktoren zueinander verschoben werden.
So kann es beispielsweise bei einem Magnetaktor zu einer Veränderung der Spaltmaße zwischen den beteiligten Magneten kommen, was sich ungünstig auf die Leistung auswirken kann. Es kann aber auch zu Beschädigungen der Magnete kommen. Um dies zu verhindern, ist der Aktor als separates Bauteil ausgebildet und räumlich getrennt von dem Schwingungsisolator angeordnet, um etwaige Beschädigungen, etwa bei Justierung des mechanischen Federsystems, sicher ausschließen zu können.
Ein anderes Federsystem, basierend auf einer pneumatischen Feder, schlägt daher das Dokument EP 3 181 944 A1 vor. Ein derartiges pneumatisches Isolationssystem kann aber andere Nachteile aufweisen, etwa, wenn die zu isolierende Last eine hohe bewegte Masse darstellt und/oder eine hohe Beschleunigung der bewegten Masse auf das System ausgeübt wird. In diesem Fall werden hohe Kräfte benötigt, welche sich bei pneumatischen Federn einen entsprechenden Bauraum erfordern. Aufbau und Betrieb einer derartigen pneumatischen Feder sind aber als komplexer im Vergleich zu einer Schraubenfeder anzusehen.
Wünschenswert ist demnach ein Schwingungsisolator, welcher diese Nachteile nicht aufweist.
Der Schwingungsisolator sollte dabei einen möglichst geringen Bauraum aufweisen, um flexibel eingesetzt werden zu können.
Dabei sollte der Schwingungsisolator auch für höhere Lasten einsetzbar sein, insbesondere auch für Lasten, welche ein Gewicht von 500 kg oder mehr, bevorzugt 1 .000 kg oder mehr, aufweisen.
Dieser Aufgabe haben sich die Erfinder angenommen.
Überraschend einfach wird diese Aufgabe durch einen Schwingungsisolator sowie ein Verfahren zum Dämpfen von Schwingungen nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Schwingungsisolator, umfassend ein Innengehäuse mit einem Hohlraum zur Aufnahme und Halterung einer Schraubenfeder, welche in dem Hohlraum des Innengehäuses angeordnet und in einer vertikalen Richtung wirksam ist, ein das Innengehäuse zumindest abschnittsweise umgebendes Außengehäuse, sowie einen in einer vertikalen Richtung wirksamen Aktuator, welcher zumindest abschnittsweise zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse angeordnet ist. Der Schwingungsisolator kann Teil eines Schwingungsisolationssystems sein, welches stationär aufgestellt ist und welches zum Beispiel zur Lagerung von Geräten der Halbleiterindustrie verwendet werden kann.
Ein derartiges Schwingungsisolationssystem kann beispielsweise einen schwingungsisoliert gelagerten Tisch oder Rahmen umfassen, auf welchem die entsprechenden Geräte gelagert sind. Unter „horizontal“ und „vertikal“ wird im Rahmen dieser Erfindung die Hauptrichtung des Schwingungsisolators im eingebauten Zustand verstanden.
In Bezug auf die Schraubenfeder entspricht die vertikale Richtung demnach der Ausrichtung der Mittenachse der Schraubenfeder im Betriebszustand, also der axialen Richtung. In dieser Richtung ist der Schwingungsisolator wirksam.
Zur Verbindung des Schwingungsisolators mit dem Boden kann das Außengehäuse mit entsprechenden Befestigungsmitteln ausgebildet sein, um eine feste Verbindung mit dem Boden zu schaffen. Hierzu können beispielsweise Schraubverbindungen vorgesehen sein, um den Schwingungsisolator zum Beispiel mit entsprechenden Aufnahmen am Boden fest und lösbar zu verbinden.
Das Außengehäuse kann das Innengehäuse in seinem Inneren, zumindest bereichsweise, aufnehmen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Außengehäuse das Innengehäuse entlang seiner Außenwandung umgeben, so dass Innenwandung des Außengehäuses und Außenwandung des Innengehäuses einander zugewandt sind.
Außen- und Innengehäuse können zylindrisch ausgebildet sein, was im Hinblick auf eine gleichmäßige Kraftverteilung und Isolation günstig sein kann. In diesem Fall sind günstigerweise Außen- und Innengehäuse sowie die Schraubenfeder koaxial zueinander angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das Außengehäuse und das Innengehäuse zudem in horizontaler Richtung steif miteinander verbunden. Um die für eine Schwingungsisolation erforderliche Bewegung zu ermöglichen, ist das Innengehäuse innerhalb des Außengehäuses vorzugsweise in vertikaler Richtung beweglich. In anderen Worten, dass Innengehäuse mit der Schraubenfeder kann in axialer bzw. vertikaler Richtung gegenüber dem Außengehäuse bewegt werden, ist aber in radialer bzw. horizontaler Richtung steif mit dem Außengehäuse verbunden.
Die in horizontaler Richtung steife Ankopplung des Innengehäuses kann durch zumindest ein Federelement, vorzugsweise zumindest eine Blattfeder erfolgen, welche parallel zu dem Aktuator geschaltet sein kann. Die Blattfeder kann in dem Arbeitsraum des Schwingungsisolators angeordnet sein und das Innengehäuse mit dem Außengehäuse verbinden.
Vorzugsweise umfasst der Schwingungsisolator zumindest zwei in axialer Richtung voneinander beabstandete Blattfedern. Hierdurch kann einem Verkippen des Innengehäuses gegenüber dem Außengehäuse besonders gut entgegengewirkt und die in horizontaler Richtung steife Anbindung bewirkt werden.
Die Blattfeder kann dabei Teil eines Blattfederpaketes sein. Denkbar sind beispielsweise segmentierte, aus Ringsegmenten ausgebildete Blattfedern. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht zwei axial beabstandet voneinander angeordnete Blattfederpakete vor, welche etwa im Bereich der Stirnseite von Innen- und Außengehäuse angeordnet sind.
Dies ermöglicht es, die Blattfedern austauschbar anzuordnen. Hierdurch lässt sich die Eigenfrequenz des Schwingungsisolators auf einfache Weise durch Austausch der Federpakete einstellen, so dass eine Anpassung an unterschiedliche Lastsituationen möglich ist. Insbesondere kann eine Eigenfrequenz von über 5 Hz erreicht werden, um kurze Ausregelzeiten zu erreichen.
Die Schraubenfeder ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in horizontaler Richtung mechanisch steif an das Innengehäuse angekoppelt und isoliert daher in vertikaler Richtung. Das Innengehäuse kann zur Aufnahmen und Halterung der Schraubenfeder mit entsprechenden Mitteln ausgebildet sein, beispielsweise Federtellern, welche einen in horizontaler und vertikaler Richtung festen Sitz der Schraubenfeder erlauben.
Gemäß der Erfindung ist ein in vertikaler Richtung wirksamer Aktuator vorgesehen, welcher im Arbeitsraum des Schwingungsisolators angeordnet sein kann. Dies ermöglicht eine besonders gleichmäßige Krafteinleitung in den Schwingungsisolator bei optimaler Raumausnutzung. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Aktuator als Magnetaktor ausgebildet, umfassend zumindest eine Spule und einen Magneten, welche ein Magnet- Spulenpaar bilden. Spule und Magnet können zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse angeordnet sein, wozu ein entsprechender Hohlraum bzw. Arbeitsraum vorgesehen sein kann. Der Arbeitsraum kann beispielsweise Ausnehmungen auf der Innenwandung des Außengehäuses und/oder Ausnehmungen auf der Außenwandung des Innengehäuses umfassen.
Der Aktuator ermöglicht somit neben der Schraubenfeder eine zusätzliche Schwingungsisolation in vertikaler Richtung. Der Aktuator dient dabei insbesondere einer aktiven Schwingungsisolation. Der erfindungsgemäße Schwingungsisolator kann demnach auch als aktiver Schwingungsisolator bezeichnet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umgibt das zumindest eine Magnet-Spulenpaar die Schraubenfeder zumindest abschnittsweise. In anderen Worten, Spule und/oder Magnet sind zumindest abschnittsweise um die Schraubenfeder herum angeordnet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das zumindest eine Magnet-Spulenpaar dabei ringförmig ausgebildet oder basiert auf ringförmig ausgebildeten Segmenten. Auf diese Weise kann die Schraubenfeder teilweise oder bevorzugt vollständig umschlossen werden. Dies ermöglicht eine besonders gleichmäßige Krafteinleitung durch den Aktuator in den Schwingungsisolator. Insbesondere kann auf diese Weise verhindert werden, dass durch den Aktuator eine Kippbewegung des Innengehäuses bewirkt wird infolge einer ungleichmäßigen, einseitigen Krafteinleitung.
In einer bevorzugten Ausführungsform verläuft die zumindest eine Spule des Aktuators um das Innengehäuse herum und ist demnach auf der Außenwandung des Innengehäuses angeordnet. Die zumindest eine Spule kann dabei zum Beispiel auf das Innengehäuse aufgepresst oder geklebt sein. Der zugehörige Magnet, insbesondere ein Permanentmagnet, kann dabei dem Außengehäuse zugeordnet sein und auf der Innenwandung verlaufen. Er kann ebenfalls geklebt sein. Vorzugsweise sind Magnet und zugehörige Spule gegenüberliegend angeordnet, wobei sich zwischen Magnet und Spule ein Spalt befindet.
Aufgrund der in horizontaler Richtung steifen Verbindung zwischen Innen- und Außengehäuse kann dieser Spalt entsprechend besonders schmal ausgebildet sein und zum Beispiel in radialer Richtung eine Breite von weniger als 5 mm, bevorzugt weniger als 1 mm und besonders bevorzugt weniger als 0,5 mm aufweisen. Dies ermöglicht es zum einen, den Arbeitsraum entsprechend klein zu gestalten, so dass der Schwingungsisolator insgesamt kompakt gehalten werden kann. Zum anderen können vergleichsweise hohe Kräfte erzeugt werden.
In anderen Ausführungsformen können auch umgekehrte Anordnungen vorgesehen sein, also eine Anordnung des Magneten auf der Außenwandung des Innengehäuses und der Spule auf der Innenwandung des Außengehäuses.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schwingungsisolator eine Mehrzahl von Aktuatoren, vorzugsweise Magnetaktoren, welche in axialer Richtung nebeneinanderliegend angeordnet sind. Bei einer Ausführungsform umfasst der Schwingungsisolator zumindest zwei oder besonders bevorzugt drei oder auch mehr nebeneinander angeordnete Aktuatoren, insbesondere Magnetaktoren. Hierdurch lassen sich bei kompaktem Bauraum höhere Kräfte erzeugen.
Vorzugsweise werden dabei nebeneinanderliegende Magnet-Spulenpaare gegenläufig von Strom durchflossen. Hierzu ist die Wickelrichtung benachbarter Spulen und die Magnetisierungsrichtung der Magnete zwischen den benachbarten Magnet-Spulenpaaren vorzugsweise alternierend ausgebildet.
Um bei einer ungeraden Anzahl von Magnet-Spulenpaaren, beispielsweise drei Magnet- Spulenpaaren, eine über die Länge gleichmäßige Krafteinleitung zu ermöglichen, kann das mittlere Magnet-Spulenpaar größer dimensioniert sein als die bei äußeren Magnet-Spulenpaare, um bei gleichen Strom eine höhere Krafteinleitung zu ermöglichen. Diese Konfiguration verringert in vorteilhafter Weise die Sättigung des Magnetfelds zwischen den verschiedenen Magnetsätzen, was letztendlich zu einer höheren magnetischen Induktivität (B) im Spalt mit der Spule führt. Dazu kann das mittlere Magnet-Spulenpaar beispielsweise die doppelte Anzahl an Spulenwicklungen im Vergleich zu den beiden äußeren Magnet-Spulenpaaren aufweisen.
Die außenliegenden Magnet-Spulenpaaren können dazu eine gleiche Anzahl an Spulenwicklungen aufweisen. Auf diese Weise lassen sich besonders einfach zwei in axialer Richtung nebeneinanderliegende Magnetfelder ausbilden, über welche eine vertikale Bewegung des Innengehäuses relativ zu dem Außengehäuse bewirkt werden kann.
In axialer Richtung können benachbarte Magnet-Spulenpaare dabei einen Abstand von etwa zwischen 1 und 5 mm zueinander aufweisen, wobei dazwischen eine magnetische Abschirmung vorgesehen sein kann.
Der Schwingungsisolator umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform weiterhin einen vorzugsweise länglichen Einsatz, welcher der Aufnahme der Last dient. Dieser Einsatz kann dabei zumindest abschnittsweise in die Schraubenfeder hineinragen. Am oberen Ende kann der Einsatz fest mit dem Innengehäuse verbunden sein und eine obere Aufnahme zur Aufnahme der Schraubenfeder umfassen, beispielsweise einen oberen Federteller. In einer anderen Ausführungsform kann der Einsatz auch als Teil des Innengehäuses ausgebildet sein.
Dabei kann der Einsatz zumindest teilweise in dem in die Schraubenfeder hineinragende Bereich mit einem nach oben hin offenen Hohlraum ausgebildet sein, welcher der Aufnahme einer Lastaufnahme dienen kann. Die Lastaufnahme kann im unteren Bereich des Hohlraumes in axialer und radialer Richtung fest mit einem Bodenbereich des Einsatzes verbunden sein. Am Boden des Einsatzes ist die Lastaufnahme demnach gehaltert, während sie im oberen Bereich frei in dem Hohlraum angeordnet sein kann, so dass eine Bewegungsmöglichkeit in radialer bzw. horizontaler Richtung gegeben ist.
Die Lastaufnahme kann besonders günstig als Biegestab oder Knickpendel ausgebildet sein und mit ihrem oberen Ende mit einer zu isolierenden Last verbunden werden. Hierzu können geeignete Aufnahmen vorgesehen sein. Eine in horizontaler Richtung auf die zu isolierende Last einwirkende Kraft kann demnach über die Lastaufnahme aufgenommen werden. In einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Isolierung einer zu lagernden Last, wobei zumindest ein erfindungsgemäßer Schwingungsisolator wie vorstehend beschrieben zum Einsatz kommt.
Das Verfahren kann dabei vorsehen, dass Sensoren auf der zu isolierenden Last und/oder dem Boden angeordnet werden, und über eine Regelschleife kann dann zumindest ein Aktuator des Schwingungsisolators angesteuert werden, welcher auftretenden Schwingungen aktiv entgegenwirkt. Der Sensor kann beispielsweise als Bewegungs- oder Beschleunigungssensor ausgebildet sein.
In einem nochmals weiteren Aspekt umfasst die Erfindung ein Gerät, insbesondere Lithographie- Gerät oder -Anlage, ein optisches Inspektionsgerät, eine Anlage oder Einrichtung zum Handling von Wafern oder Substraten, wobei das Gerät zumindest einen Schwingungsisolator wie vorstehend beschrieben zur Schwingungsisolation umfasst. In bevorzugten Ausführungsformen können derartige Geräte zumindest drei derartige Schwingungsisolatoren umfassen für eine Drei- Punkt-Lagerung.
Es ist auch denkbar und möglich, jeweils zwei derartige Schwingungsisolator gemeinsam zu betreiben, wobei diese beiden Schwingungsisolatoren um 90° zueinander gedreht angeordnet sind, so dass eine aktive Schwingungsisolation sowohl in einer ersten, beispielsweise vertikalen, und einer zweiten, beispielsweise horizontalen, Richtung ermöglicht werden kann.
Der erfindungsgemäße Schwingungsisolator zeichnet sich durch einen geringen Bauraum aus und kann demzufolge sehr flexibel eingesetzt werden.
Zudem kann der erfindungsgemäße Schwingungsisolator auch für höhere Lasten eingesetzt werden, insbesondere auch für Lasten, welche ein Gewicht von 500 kg oder mehr, beispielsweise 1 .000 kg oder mehr oder auch 1 .500 kg oder mehr, aufweisen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der dargestellten Ausführungsbeispiele und den angefügten Ansprüchen. Die Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schwingungsisolators im Schnitt,
Fig. 2 den Schwingungsisolator aus Fig. 1 in einer Schrägansicht,
Fig. 3 schematisch ein Schwingungsisolationssystem in einer Seitenansicht,
Fig. 4 den Schwingungsisolator aus Fig. 2 in einer Schrägansicht im Schnitt,
Fig. 5 einen Ausschnitt umfassend die Seitenwand des erfindungsgemäßen Schwingungsisolators im Schnitt und
Fig. 6 ein im Betrieb sich einstellendes Magnetfeld im Bereich der Seitenwand aus Fig. 5.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausfühmngsformen
Bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen bezeichnen um der Klarheit willen gleiche Bezugszeichen im Wesentlichen gleiche Teile in oder an diesen Ausführungsformen. Zur besseren Verdeutlichung der Erfindung sind die in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsformen jedoch nicht immer maßstabsgerecht gezeichnet.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schwingungsisolators 10 im Schnitt.
Der abgebildete Schwingungsisolator 10 umfasst dabei ein Innengehäuse 20 mit einem Hohlraum 21 zur Aufnahme und Halterung einer Schraubenfeder 50, welche in dem Hohlraum 21 des Innengehäuse 20 angeordnet und in einer vertikalen Richtung wirksam ist, ein das Innengehäuse 20 zumindest abschnittsweise umgebendes Außengehäuse 30, sowie einen in einer vertikalen Richtung wirksamen Aktuator 40, welcher zwischen dem Innengehäuse 20 und dem Außengehäuse 30 angeordnet ist.
Der Schwingungsisolator 10 kann Teil eines Schwingungsisolationssystems 1 sein, welches stationär aufgestellt ist und welches zum Beispiel zur Lagerung von Geräten der Halbleiterindustrie verwendet werden kann.
Ein derartiges Schwingungsisolationssystem 1 kann beispielsweise einen schwingungsisoliert gelagerten Tisch 4 oder Rahmen umfassen, auf welchem die entsprechenden Geräte gelagert sind, z.B. ein Rasterelektronenmikroskop 5. Rein schematisch ist ein Schwingungsisolationssystem 1 in einer Seitenansicht in Fig. 3 gezeigt. Der Tisch 4 und ein darauf sich befindliches Gerät 5 als zu lagernde Last können mittels der Schwingungsisolatoren 10 gegenüber dem Boden 2 isoliert werden. In dem Ausführungsbeispiel sind insgesamt vier derartige Schwingungsisolatoren 10 vorgesehen.
Zur Verbindung des Schwingungsisolators 10 mit dem Boden kann das Außengehäuse 30 mit entsprechenden Befestigungsmitteln ausgebildet sein, um eine feste Verbindung mit dem Boden oder einer Aufnahmeplatte 3 zu schaffen. Hierzu können beispielsweise Schraubverbindungen 31 vorgesehen sein, um den Schwingungsisolator zum Beispiel mit entsprechenden Aufnahmen fest und lösbar zu verbinden.
Das Außengehäuse 30 kann das Innengehäuse 20 in seinem Inneren, zumindest bereichs- oder abschnittsweise, aufnehmen und ist dazu ebenfalls mit einem Hohlraum ausgebildet, welcher nachfolgend auch als Arbeitsraum 32 bezeichnet wird.
In der abgebildeten Ausführungsform umgibt das Außengehäuse 30 das Innengehäuse 20 annähernd vollständig, so dass die Innenwandung 33 des Außengehäuses 30 und Außenwandung 23 des Innengehäuses 20 einander zugewandt sind. Es ist nicht zwingend erforderlich, dass das Außengehäuse 30 das Innengehäuse 20 in axialer Richtung vollständig umschließt. Das Innengehäuse 20 kann beispielsweise auch hervorstehen, was allerdings zu einer Abnahme der Stabilität, insbesondere in horizontaler Richtung, führen kann.
In dem Ausführungsbeispiel sind Außen- und Innengehäuse zylindrisch ausgebildet, was für eine gleichmäßig Aufnahme der Last und Dämpfung von Vorteil ist und sich als geeignet herausgestellt hat. Dies ermöglicht es, Außen- und Innengehäuse 20, 30 sowie die Schraubenfeder 50 koaxial zur Mittenlinie 51 zueinander anzuordnen, was für eine gleichmäßige Gewichtsverteilung und homogene Lastverteilungen sehr zweckmäßig ist.
Das Außengehäuse 30 und das Innengehäuse 20 sind in horizontaler Richtung mechanisch steif miteinander verbunden.
Um die für eine Schwingungsisolation erforderliche Bewegung zu ermöglichen, ist das Innengehäuse 20 innerhalb des Außengehäuses 30 in vertikaler Richtung beweglich gehaltert. In anderen Worten, dass Innengehäuse 20 mit der Schraubenfeder 50 kann in axialer bzw. vertikaler Richtung relativ zu dem Außengehäuse 30 bewegt werden.
Die in horizontaler Richtung steife Ankopplung des Innengehäuses 20 erfolgt in dem Ausführungsbeispiel durch zwei Blattfederpakete 34 als vertikal wirkende Federelemente, welche parallel zu dem Aktuator 40 geschaltet sind. Die Blattfederpakete 34 sind im Arbeitsraum 32 des Schwingungsisolators 10 angeordnet und verbinden das Innengehäuse 20 mit dem Außengehäuse 30.
In dem Ausführungsbeispiel umfasst der Schwingungsisolator 10 zwei in axialer Richtung voneinander beabstandete Blattfederpakete 34, welche an den jeweiligen Stirnseiten von Innen- und Außengehäuse 20, 30 angeordnet sind und damit größtmögliche Stabilität in horizontaler Richtung bieten. Hierdurch kann einem Verkippen des Innengehäuses 20 gegenüber dem Außengehäuse 30 entgegengewirkt werden, so dass eine in horizontaler Richtung steife Anbindung bewirkt wird.
Ein Blattfederpaket 34 umfasst mehrere Blattfedern. Anstelle von Blattfedern sind auch andere Federelemente denkbar und möglich, beispielsweise Tellerfedern. Die Blattfederpakete 34 sind einfach austauschbar angeordnet. Hierzu ist an den Stirnseiten jeweils ein Klemmring 35 vorgesehen, mit welchem die Blattfederpakete 34 fest und lösbar mit dem Außengehäuse 30 verbunden werden können und dabei die Blattfederpakete 34 haltern.
Ein Austausch der Federelemente ermöglicht es, dass die Eigenfrequenz des Schwingungsisolators 10 auf einfache Weise eingestellt werden kann, so dass eine Anpassung an unterschiedliche Lastsituationen möglich ist. Insbesondere kann eine Eigenfrequenz von über 5 Hz erreicht werden, um kurze Ausregelzeiten zu erreichen.
Die Schraubenfeder 50 ist in horizontaler Richtung mechanisch steif an das Innengehäuse 20 angekoppelt und isoliert daher in vertikaler Richtung. Das Innengehäuse 20 ist zur Aufnahmen und Halterung der Schraubenfeder 50 mit entsprechenden Mitteln ausgebildet, im Beispiel mit einem unteren Federteller 24, welcher einen in horizontaler und vertikaler Richtung festen Sitz der Schraubenfeder 50 erlaubt. Der Federteller 24 kann mittels einer Justierung 52 in axialer Richtung bewegt werden, um eine Höhenanpassung vorzunehmen.
Gemäß der Erfindung ist ein in vertikaler Richtung wirksamer Aktuator vorgesehen, welcher im Arbeitsraum des Schwingungsisolators angeordnet ist und im Ganzen mit dem Bezugszeichen
40, 40a gekennzeichnet ist. Der Aktuator 40, 40a ist als Linearmotor mit geradliniger Bewegungsbahn ausgebildet und ermöglicht eine besonders gleichmäßige Krafteinleitung in den Schwingungsisolator 10.
In Ausführungsbeispiel ist der Aktuator 40, 40a als Magnetaktor ausgebildet, umfassend Spulen
41, 41 a und Magnete 42, 42a, welche jeweils ein Magnet-Spulenpaar bilden. Spule 41 und Magnet 42 sind in dem Arbeitsraum 32 zwischen Innengehäuse 20 und Außengehäuse 30 angeordnet und bilden ein Magnet-Spulenpaar. In dem Arbeitsraum 32 sind Ausnehmungen auf der Innenwandung des Außengehäuses 30 und/oder Ausnehmungen auf der Außenwandung des Innengehäuses 20 ausgebildet zur Aufnahme der Magnete 42 bzw. Spulen 41. In dem Ausführungsbeispiel sind die Spulen auf die Außenwandung des Innengehäuses 20 aufgepresst oder aufgeklebt. Das Innengehäuse 20 ist dabei von Vorteil aus einem eisenhaltigen Werkstoff, vorzugsweise einem Stahl, gefertigt. Die Magnete 42 sind in passgenau gegengleiche Ausnehmungen auf der Innenwandung des Außengehäuses 30 eingelegt und geklebt. Der Aktuator 40, 40a ermöglicht somit parallel zu der Schraubenfeder 50 eine zusätzliche Schwingungsisolation in vertikaler Richtung. Der Aktuator 40, 40a stellt dabei das aktive Element des Schwingungsisolators 10 dar.
In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel sind insgesamt drei Magnet-Spulenpaare vorgesehen, welche die Schraubenfeder 50 vollständig umgeben und sich in axialer Richtung annähernd entlang der Länge der Schraubenfeder 50 erstrecken, was in Hinblick auf eine kompakte Ausbildung des Schwingungsisolators 10 bei gleichzeitig hoher Stabilität eine günstige Anordnung darstellt.
In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel sind die Magnet-Spulenpaare ringförmig ausgebildet. Auf diese Weise kann die Schraubenfeder 50 vollständig umschlossen werden. Dies ermöglicht eine besonders gleichmäßige Krafteinleitung durch den Aktuator 40, 40a in den Schwingungsisolator 10. Insbesondere kann auf diese Weise verhindert werden, dass durch den Aktuator 40, 40a eine Kippbewegung des Innengehäuses 20 bewirkt wird infolge einer ungleichmäßigen, einseitigen Krafteinleitung.
In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel verlaufen die Wicklungen der Spulen 41 des Aktuators 40, 40a auf der Außenwandung des Innengehäuses 20 herum. Der zugehörige Magnet 42, im Ausführungsbeispiel ein Permanentmagnet, ist dabei dem Außengehäuse 30 zugeordnet und in einem geringen Abstand zu der Spule 41 auf der Innenwandung angeordnet.
Demnach sind die Magnete 42 und die zugehörigen Spulen 41 gegenüberliegend angeordnet, wobei sich zwischen Magnet 42 und Spule 41 ein Spalt befindet.
Aufgrund der in horizontaler Richtung steifen Verbindung zwischen Innen- und Außengehäuse 20, 30 ist dieser Spalt entsprechend besonders schmal ausgebildet. In dem Ausführungsbeispiel weist der Spalt eine Breite von weniger als 5 mm, bevorzugt weniger als 1 mm und besonders bevorzugt weniger als 0,5 mm auf. Dies ermöglicht es zum einen, den Arbeitsraum 32 entsprechend klein zu gestalten, so dass der Schwingungsisolator 10 insgesamt kompakt gehalten werden kann. Zum anderen können vergleichsweise hohe Kräfte erzeugt werden. Auch eine umgekehrte Anordnung von Magnet 42 und Spule 41 ist möglich und denkbar. In der abgebildeten Ausführungsform umfasst der Schwingungsisolator 10 drei parallel geschaltete Aktuatoren 40, 40a, im Beispiel Magnetaktoren bzw. Magnet-Spulenpaare, welche in axialer Richtung nebeneinanderliegend angeordnet sind. Es sind allgemein Ausführungsformen möglich und denkbar, welche mehr als einen Aktuator 40, 40a umfassen, beispielsweise zwei oder auch vier oder fünf oder mehr nebeneinander angeordnete Aktuatoren 40, 40a, insbesondere Magnetaktoren.
Hierdurch lassen sich bei kompaktem Arbeitsraum 32 höhere Kräfte erzeugen. Dabei werden nebeneinanderliegende Magnet-Spulenpaare gegenläufig von Strom durchflossen. Bei einer Anordnung mit drei Magnet-Spulenpaare können demnach zwei axial beabstandete Magentfelder ausgebildet werden.
Um bei einer ungeraden Anzahl von Magnet-Spulenpaaren, beispielsweise drei oder fünf Magnet-Spulenpaaren, eine über die Länge gleichmäßige Krafteinleitung zu ermöglichen, ist das mittlere Magnet-Spulenpaar, im abgebildeten Beispiel mit dem Bezugszeichen 40a gekennzeichnet, größer dimensioniert als die bei äußeren Magnet-Spulenpaare bzw. Aktuatoren 40, um bei gleichen Strom eine gleiche bzw. höhere Krafteinleitung zu ermöglichen. Hierzu umfasst das mittlere Magnet-Spulenpaar 40a mit der Spule 41 a und dem Magneten 42a eine doppelte Anzahl an Spulenwicklungen der Spule 41a im Vergleich zu den beiden äußeren Magnet-Spulenpaaren. Es ist auch möglich, einen anderen, insbesondere größeren Leitungsquerschnitt zu wählen oder eine Kombination aus geändertem Leitungsquerschnitt und geänderter Wicklungszahl. Die äußeren Magnet-Spulenpaare sind dabei hinsichtlich der Leistungsparameter gleich ausgebildet.
In axialer Richtung weisen benachbarte Magnet-Spulenpaare dabei einen gewissen Abstand zueinander auf, welcher in dem Ausführungsbeispiel zwischen 1 und 5 mm beträgt. Um die Abstände zu verringern, ist in dem Ausführungsbeispiel ein abschirmendes Zwischenstück 43 zwischen benachbarten Magnet-Spulenpaaren vorgesehen.
Der Schwingungsisolator 10 umfasst in der abgebildeten Ausführungsform weiterhin einen länglichen Einsatz 25, welcher der Aufnahme der Last dient. Dieser Einsatz 25 ragt zu einem überwiegenden Anteil in die Schraubenfeder 50 hinein. Am oberen Ende ist der Einsatz 25 fest mit dem Innengehäuse 20 verbunden.
Der Einsatz 25 umfasst eine obere Aufnahme zur Aufnahme der Schraubenfeder, im Beispiel einen oberen Federteller 24. In einer anderen Ausführungsform kann der Einsatz 25, auch zusammen mit dem oberen Federteller 24, als Teil des Innengehäuses 20 ausgebildet sein.
Dabei ist der Einsatz 25 in dem in die Schraubenfeder 50 hineinragende Bereich mit einem nach oben hin offenen Hohlraum ausgebildet, welcher der Aufnahme einer Lastaufnahme 53 dient. Die Lastaufnahme 53 ist koaxial zu dem Einsatz 25 und der Schraubenfeder 50 angeordnet und ist im unteren Bereich des Hohlraumes in axialer und radialer Richtung fest mit einem Bodenbereich des Einsatzes 25 verbunden. Am Boden des Einsatzes ist die Lastaufnahme 53 demnach gehaltert. Im oberen Bereich bzw. an der oberen Stirnseite des Einsatzes 25 ist die Lastaufnahme 53 in horizontaler Richtung frei in dem Hohlraum angeordnet, so dass eine Bewegungsmöglichkeit in radialer Richtung gegeben ist.
Die Lastaufnahme 53 ist in dem Ausführungsbeispiel als Biegestab ausgeführt. An ihrem oberen Ende kann sie mit der zu isolierenden Last verbunden werden. Hierzu ist in dem Ausführungsbeispiel eine weitere Aufnahme 54 vorgesehen. Die zu isolierende Last ist in dieser Darstellung nicht abgebildet. Eine in horizontaler Richtung auf die zu isolierende Last einwirkende Kraft kann demnach über die Lastaufnahme 53 aufgenommen werden.
Fig. 2 zeigt den Schwingungsisolator 10 in einer Schrägansicht. Eine seitliche Ausnehmung 36 ermöglicht es, die Höhenjustierung bei einem montierten Schwingungsisolator 10 vorzunehmen. Der Schwingungsisolator 10 weist eine Bauhöhe von insgesamt etwa 150 mm und einen Durchmesser von etwa 130 mm auf und ist demnach sehr kompakt ausgebildet. Die Ausdehnung der Schraubenfeder in axialer Richtung beträgt etwa 90 mm. Auf etwa diese Distanz verteilen sich auch die insgesamt drei Magnet-Spulenpaare, wobei das mittlere Magnet-Spulenpaar etwa die doppelte Ausdehnung in axialer Richtung aufweist wie jeweils ein äußeres Magnet- Spulenpaar. Bei diesen Abmessungen ist ein Hub von etwa 1 ,5 mm oder auch darüber möglich.
Fig. 4 zeigt den Schwingungsisolator 10 aus Fig. 2 in einer Schrägansicht im Schnitt. Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt der Seitenwand des Innen- und Außengehäuses 20, 30 des Schwingungsisolators 10 im Schnitt.
Fig. 6 zeigt ein im Betrieb sich einstellendes Magnetfeld in diesem Bereich der Seitenwand des Schwingungsisolators 10. Gut zu erkennen sind zwei sich ausbildende Magnetfelder 44, welche axial beabstandet zueinander sind. In der Schnittansicht ist schematisch der Verlauf der Magnetlinien mit dem Bezugszeichen 45 eingezeichnet.
Die Erfindung stellt damit ein Verfahren zur Isolierung einer zu lagernden Last zur Verfügung, z.B. ein Rasterelektronenmikroskop 5, ein Lithographie-Gerät oder eine Lithographie-Anlage, ein optisches Inspektionsgerät, eine Anlage oder Einrichtung zum Handling von Wafern oder Substraten oder sonstige Einrichtung oder Anlage, welche besonders hohe Anforderungen an eine Schwingungsisolation stellt.
Die Erfindung umfasst ferner auch ein Gerät, beispielsweise ein Lithographie-Gerät oder -Anlage, ein optisches Inspektionsgerät, eine Anlage oder Einrichtung zum Handling von Wafern oder Substraten, wobei zumindest ein Schwingungsisolator 10 wie vorstehend beschrieben verwendet wird.

Claims

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Schwingungsisolator, umfassend ein Innengehäuse mit einem Hohlraum zur Aufnahme und Halterung einer Schraubenfeder, welche in dem Hohlraum des Innengehäuses angeordnet und in einer vertikalen Richtung wirksam ist, ein das Innengehäuse zumindest abschnittsweise umgebendes Außengehäuse, sowie einen in einer vertikalen Richtung wirksamen Aktuator, welcher zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse angeordnet ist. Schwingungsisolator nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Außen- und Innengehäuse zumindest ein Federelement, vorzugsweise zumindest eine Blattfeder, vorgesehen ist, welche eine axiale Bewegung des Innengehäuses relativ zu dem Außengehäuse ermöglicht. Schwingungsisolator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei in axialer Richtung beabstandet voneinander angeordnete Blattfedern vorgesehen sind, welche vorzugsweise als Blattfederpakete ausgebildet sind. Schwingungsisolator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator als Magnetaktor ausgebildet ist, umfassend zumindest eine Spule und einen Magneten, welche ein Magnet-Spulenpaar ausbilden. Schwingungsisolator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Arbeitsraum Ausnehmungen vorgesehen sind zur Aufnahme von Spule und/oder Magnet des Magnetaktors. Schwingungsisolator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Magnet-Spulenpaar die Schraubenfeder zumindest abschnittsweise umgibt. Schwingungsisolator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Magnet-Spulenpaar ringförmig ausgebildet ist und die Schraubenfeder zumindest abschnittsweise vollständig umschließt. Schwingungsisolator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Aktuatoren, insbesondere Magnet- Spulenpaaren, vorgesehen ist, bevorzugt zwei, besonders bevorzugt drei oder auch mehr Magnet-Spulenpaare, welche in axialer Richtung nebeneinanderliegend angeordnet sind, wobei die Wickelrichtung benachbarter Spulen und die Magnetisierungsrichtung der Magnete zwischen den benachbarten Magnet- Spulenpaaren vorzugsweise alterniert. Schwingungsisolator nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zweier benachbarter Magnet-Spulenpaare zwischen 1 und 5 mm beträgt. Schwingungsisolator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule zumindest eines Magnet-Spulenpaars auf der Außenwandung des Innengehäuses angeordnet ist und/oder dass der zugehörige Magnet auf der Innenwandung des Außengehäuses angeordnet ist. Schwingungsisolator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Magnet und Spule eines Magnet-Spulenpaars ein Spalt vorgesehen ist, wobei der Spalt eine Breite von weniger als 5 mm, bevorzugt weniger als 1 mm und besonders bevorzugt weniger als 0,5 mm aufweist. Schwingungsisolator nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend ferner einen Einsatz, welcher zumindest abschnittsweise in die Schraubenfeder hineinragt, vorzugsweise mit einem nach oben hin offenen Hohlraum. 13. Schwingungsisolator nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz mit einer Lastaufnahme verbunden ist, welcher in axialer und radialer Richtung fest mit dem Einsatz verbunden ist.
14. Schwingungsisolator nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastaufnahme zumindest abschnittsweise in den Hohlraum des Einsatzes hineinragt und/oder dass die Lastaufnahme zumindest abschnittsweise in die Schraubenfeder hineinragt.
15. Schwingungsisolator nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastaufnehme an ihrem unteren Ende mit dem Boden des Einsatzes verbunden ist und/oder an ihrem oberen Ende mit einer zu isolierenden Last oder Lastaufnehme verbunden werden kann.
16. Schwingungsisolator nach einem der drei vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastaufnahme als Biegestab oder Knickpendel ausgebildet ist.
17. Schwingungsisolator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenfeder in horizontaler Richtung mechanisch steif mit dem Innengehäuse verbunden ist.
18. Verfahren zur Isolierung einer zu lagernden Last, umfassend einen Schwingungsisolator nach einem der vorstehenden Ansprüche.
19. Gerät, insbesondere Lithographie-Gerät oder -Anlage, optisches Inspektionsgerät, Anlage oder Einrichtung zum Handling von Wafern oder Substraten, umfassend zumindest einen Schwingungsisolator nach einem der vorstehenden Ansprüche.
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