CN107872140A - 一种音圈电机及平台装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种音圈电机及平台装置,所述音圈电机包括:第一背铁和第二背铁,相对平行设置;第一磁铁阵列和第二磁铁阵列,相对地固定于所述第一和第二背铁的内壁上;第一线圈组和第二线圈组,位于所述第一和第二磁铁阵列之间并且层叠设置;其中所述第一线圈组与所述第一磁铁阵列配合,在通电后所述第一线圈组提供第一方向控制力,使得所述音圈电机具有第一自由度;所述第二线圈组与所述第二磁铁阵列配合,在通电后所述第一线圈组提供第二方向的控制力,使得所述音圈电机具有第二自由度。本发明的音圈电机实现了两个自由度的运动出力,采用本发明的音圈电机的平台装置通过运用控制策略,使得一台电机即可实现在一个平面内的微动。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路制造领域,尤其涉及一种音圈电机及平台装置。
背景技术
在光刻机中,为了补偿长行程粗动台的控制精度,需要在粗动台之上加入超精密微动台,微动台的定位精度和定位速度一定程度上决定了光刻机的曝光精度和生产效率,因此微动台逐渐成为光刻机核心技术之一。而音圈电机因其结构简单、体积小、高响应速度、高精度等特点,被广泛应用在光刻机中的短行程微动单元中。
图7为常规平板型音圈电机的二维剖面示意图,平板音圈电机包括第一背铁1a和第二背铁1b、第一和第二磁铁阵列以及线圈5。其中,第一和第二背铁1a、1b一般由导磁性材料制成并为磁路提供路径;线圈5一般由铜线或铝线绕制;以及第一磁铁阵列包括第一主磁铁2a、第二主磁铁4a和第一H磁铁3,第二磁铁阵列包括第三主磁铁2b、第四主磁铁和4b和第二H磁铁6。如图1所示,第一和第三主磁铁2a、2b沿+Z方向充磁,第-H磁铁3沿+X轴方向充磁,第二H磁铁6沿-X方向充磁,第二和第四主磁铁4a、4b沿-Z轴方向充磁,因此,在第一磁铁阵列中,第一和第二主磁铁2a、4a与第一H磁铁3构成Halbach阵列,在第二磁铁阵列中,第三和第四主磁铁2b、4b与第二H磁铁6构成Halbach阵列,从而达到单边磁场增强的目的。基于安培力原理制造的平板型音圈电机具有结构简单、维护方便、可靠性高、能量转换效率高、具有固定行程和直接驱动特性以及平滑的力行程输出和线性控制的特点。然而,这种常规类型的平板音圈电机虽然技术相对成熟,应用范围较广但只能实现单自由度的运动。由于其自由度受到限制,在微动台上要实现一个平面上的运动至少需要两台平板型音圈电机。
图8示出了采用常规平板型音圈电机实现二自由度的平台装置的示意图。所述平台装置包括承载台(微动台)80、设置在承载台80上的X向微动电机81和Y向微动电机82,其中所述X向和Y向微动电机为常规平板型音圈电机,微动电机将线圈作为定子,采用动磁铁的工作模式。所述X向微动电机51提供X向出力,所述Y向微动电机52提供Y向出力,二者结合并且运用合理的控制策略实现XY平面的微动。而如果要达到多自由度,需要采用相应多个电机才能达到需求,因此,实现***高、占用空间大。
需要说明的是,公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解,而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明提供一种音圈电机及平台装置,突破了一台音圈电机只能实现一个自由度运动的枷锁,从而能够节省制造成本和减少设备占用空间。
为了达到上述目的,在本申请的一个方面,提供一种音圈电机,所述音圈电机包括:
第一背铁和第二背铁,相对平行设置;
第一磁铁阵列和第二磁铁阵列,相对地固定在所述第一和第二背铁的内壁上;
第一线圈组和第二线圈组,位于所述第一和第二磁铁阵列之间并且层叠设置;
其中所述第一线圈组与所述第二线圈组相垂直,所述第一线圈组与所述第一磁铁阵列配合,在通电后所述第一线圈组提供第一方向控制力,使得所述音圈电机具有第一自由度;
所述第二线圈组与所述第二磁铁阵列配合,在通电后所述第一线圈组提供与第一方向垂直的第二方向的控制力,使得所述音圈电机具有第二自由度。
在一些实施例中,所述第一线圈组和所述第二线圈组作为所述音圈电机的动子,所述第一背铁和第一磁铁阵列以及所述第二背铁和第二磁铁阵列作为所述音圈电机的定子。
在一些实施例中,所述第一线圈组和所述第二线圈组作为所述音圈电机的定子,所述第一背铁和第一磁铁阵列以及所述第二背铁和第二磁铁阵列作为所述音圈电机的动子。
在一些实施例中,所述第一磁铁阵列沿第一方向按照Halbach阵列模式周期***替分布,所述第二磁铁阵列沿第二方向按照Halbach阵列模式周期***替分布。
在一些实施例中,所述第一线圈组包括沿第一方向并行排列的一个或多个线圈,所述第二线圈组包括沿第二方向并行排列的一个或多个线圈。
在一些实施例中,所述第一方向为Y向,所述第二方向为X向。
在一些实施例中,所述第一线圈组与所述第二线圈组都由铜线绕制而成。
在一些实施例中,所述第一磁铁阵列和所述第二磁铁阵列均由钕铁硼(NdFeB)材料制成。
在一些实施例中,所述第一和第二背板由钢制成。
在本申请的另一方面,还提供一种平台装置,包括承载台,和采用前述一个方面中所述的音圈电机驱动所述承载台运动。
本发明的有益效果是:本发明所提供的音圈电机及平台装置在不增加电机台数的基础上,通过对音圈电机的第一和第二背铁上的第一和第二磁铁阵列以及其间的第一和第二线圈组的合理分布,由第一线圈组与第一磁铁阵列配合构成一个自由度运动的整体,由第二线圈组与第二磁铁阵列配合构成另一自由度运动的整体,从而实现两个自由度的运动出力,采用具有二自由度的音圈电机的平台装置通过运用控制策略使得一台电机即可实现在一个平面内的微动,从而减少设备所占用的空间并降低了平台装置的制造成本并且可以在一定程度上提高复杂高精密结构的运行条件。
附图说明
通过说明书附图以及随后与说明书附图一起用于说明本发明某些原理的具体实施方式,本发明所具有的其它特征和优点将变得清楚或得以更为具体地阐明。
图1是根据本发明实施例的音圈电机的二维结构的主视图;
图2是根据本发明实施例的音圈电机的二维结构的左视图;
图3是根据本发明实施例的音圈电机的三维结构图;
图4是根据本发明实施例的音圈电机的两个发力体的推力曲线;
图5是应用根据本发明实施例的音圈电机的平台装置的示意图;
图6是根据本发明实施例的音圈电机的受力分析示意图;
图7是现有技术的常规平板型音圈电机的二维结构剖面图;
图8是采用常规平板型音圈电机实现二自由度的平台装置的示意图。
应当了解,说明书附图并不一定按此例地显示本发明的具体结构,并且在说明书附图中用于说明本发明某些原理的图示性特征也会采取略微简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
在说明书附图的多幅附图中,相同的附图标记表示本发明的相同或等同的部分。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
下面,结合附图对本发明的具体实施例进行描述。请参阅图1-6所示,本发明提供一种音圈电机及平台装置。图1和图2分别是根据本发明实施例的音圈电机的二维结构的主视图和左视图。本发明所提供的音圈电机包括:第一背铁11a和第二背铁11b、第一磁铁阵列12a和第二磁铁阵列12b、以及第一线圈组13a和第二线圈组13b。所述第一和第二背铁11a、11b沿Z向相对平行设置并且用于为电机提供工作磁路,并且优选地,其材料为1008号钢。所述第一和第二磁铁阵列12a、12b相对地固定于所述第一和第二背铁11a、11b的内壁上,所述第一磁铁阵列12a沿Y向按照Halbach阵列模式周期***替分布,所述第二磁铁阵列12b沿着X向按照Halbach阵列模式周期***替分布,并且优选地,所述第一和第二磁铁阵列12a、12b均由钕铁硼(NdFeB)材料制成。所述第一线圈组13a和第二线圈组13b设置于所述第一和第二磁铁阵列12a、12b之间并且沿Z向层叠设置,并且优选地,所述第一和第二线圈组13a相互垂直并且都由铜线绕制而成。
如图1所示,所述第一磁铁阵列12a包括多个主磁铁和一个或多个H磁铁。在第一磁铁阵列12a中,相邻的主磁铁121a-H磁铁122a-主磁铁121a的组合构成Halbach阵列,第一磁铁阵列12a按照Halbach阵列模式周期***替分布(图1中的粗实线箭头示出了第一磁铁阵列12a的各个磁铁的充磁方向),从而起到单边磁场增强进而达到增加工作气隙磁密的目的。
所述第一线圈组13a包括沿Y向并行排列的一个或多个线圈,所述第一线圈组13a与所述第一磁铁阵列12a配合,使得在通电后第一线圈组13a在第一磁铁阵列12a的磁场的作用下产生洛伦磁力(图1中的虚线方框中的箭头示出了在线圈通电后与对应的磁铁(主磁铁121a-H磁铁122a-主磁铁121a)形成的工作磁路),从而提供Y向控制力,使音圈电机具有第一自由度。
如图2所示,所述第二磁铁阵列12b包括多个主磁铁和一个或多个H磁铁。在第二磁铁阵列12b中,相邻的主磁铁121b-H磁铁122b-主磁铁121b的组合构成Halbach阵列,第二磁铁阵列12b按照Halbach阵列模式周期***替分布(图2中的粗实线箭头示出了第二磁铁阵列12b的各个磁铁的充磁方向),起到单边磁场增强进而达到增加工作气隙磁密的目的。
所述第二线圈组13b包括沿X向排列的一个或多个线圈,所述第二线圈组13b与所述第二磁铁阵列12b配合,使得在通电后第二线圈组13b在磁场作用下产生洛伦磁力(图2中的虚线方框中的箭头示出了在线圈通电后与对应的磁铁(主磁铁121b-H磁铁122b-主磁铁121b)形成的工作磁路)),从而提供X向控制力,使音圈电机具有第二自由度。
具体而言,所述第一线圈组13a是由铜线绕制的一组线圈,通电后在磁场的作用下产生洛伦磁力,提供Y向出力作为一个自由度的发力体;第二线圈组13b为由铜线绕制的另一组线圈,通电后在磁场的作用下产生洛伦磁力,提供X向出力作为另一个自由度的发力体,从而通过每个线圈组和对应的磁铁阵列合理配合,各自实现一个自由度出力。这两个发力体共同构成具有二自由度的音圈电机的动子,给其中任一组线圈通电即可提供此自由度对应的出力,第一背铁和第一磁铁阵列以及第二背铁和第二磁铁阵列构成具有二自由度的音圈电机的定子。
在一些实施例中,所述音圈电机采用所述第一线圈组和所述第二线圈组作为所述音圈电机的定子,采用所述第一背铁和第一磁铁阵列以及所述第二背铁和第二磁铁阵列作为所述音圈电机的动子。
图3是根据本发明实施例的音圈电机的三维结构图。
所述音圈电机包括定子部分31a、31b和动子部分13a、13b,所述定子部分31a由第一背铁11a以及第一磁铁阵列12a构成,所述定子部分31b由第二背铁11b和第二磁铁阵列12b构成,从而为通电线圈提供磁场和磁路,优选地,所述第一和第二磁铁阵列12a,12b是永磁体。
所述动子部分包括Y向发力体和X向发力体,所述Y向发力体和X向发力体由线圈组构成,如图3所示,所述动子部分包括第一线圈组13a和第二线圈组13b,所述第一线圈组13a包括两个沿Y向并行排列的线圈,所述第二线圈组13b包括两个沿X轴并行排列的线圈,线圈在通电时在磁场中受到洛伦磁力的作用,具体而言,第一线圈组在通电时在磁场作用下可作为一个自由度的发力体,第二线圈组在通电时在磁场作用下可作为另一自由度的发力体,从而使音圈电机具有二自由度。在一些实施例中,所述第一和第二线圈组13a、13b中的线圈的个数不限于两个,可以是任何合适的数量,例如,一个、三个、四个、五个等。
图4是根据本发明实施例的音圈电机的两个发力体的推力曲线。以图3所示的音圈电机为例,设定每个线圈都是100匝,通入电流为1A,横坐标代表两个发力体(第一和第二线圈组)的行程范围,当两个线圈组分别从X轴和Y轴的-0.6mm~0.6mm运动时,两个线圈组的推力变化如图4中两条曲线所示。其中直线代表一个自由度(Y轴方向)的推力大小的变化,点划线代表另一个自由度(X轴方向)的推力大小的变化,从图4中的数据可以推导出,两个自由度的推力波动分别为±1.83%和±3.13%。
图5是应用根据本发明实施例的音圈电机的平台装置的示意图。所述平台装置包括承载台50和设置在承载台50上的本发明提出的音圈电机51,通过对音圈电机51的第一和第二线圈组的导通电流进行控制实现XY平面的微动。音圈电机在使用中可以将线圈组作为动子,也可将背铁和磁铁阵列作为动子。在本实施例中,音圈电机采用线圈作为定子,背铁和磁铁阵列作为动子的工作模式。在一些实施例中,音圈电机也可采用线圈作为动子,背铁和磁铁阵列作为定子的工作模式。
图6是根据本发明实施例的音圈电机的受力分析示意图。为了原理分析方便以及清晰起见仅显示音圈电机的一部分部件,并且其中所述第一磁铁阵列(未示出)和第二磁铁阵列62各包括三块磁铁,即,依次为构成Halbach阵列的主磁铁-H磁铁-主磁铁,以提供磁场;所述第二磁铁阵列62设置在第二背板62的内壁上;第一线圈组64和第二线圈组63的线圈数量各为1,即,第一线圈组64和第二线圈组63也就是线圈64和线圈63。
所述第二线圈组63为X向自由度的工作线圈通电后在第二磁场阵列62的作用下产生X向出力;所述第一线圈组64为Y向自由度的工作线圈,通电后在第一磁场阵列的作用下产生X向出力。在这里,为了简洁起见,仅分析X向自由度线圈(即,线圈63)的出力情况。线圈63的电流方向为如I11、I12的箭头所示,其在磁场中受力为F11和F12,力F11和F12两者方向相同且大小相同,则二者合力为:F=F11+F12;线圈64的电流方向为如I21、I22的箭头所示,其在磁场中受力为F21和F22,力F21和F22两者方向相反且大小相同,则二者合力为:F=F21-F22=0。因此第二磁铁阵列62对第一线圈组64无影响。同理,第一磁铁阵列对第二线圈组63也无影响。因此,第一线圈组64和第二线圈组63可分别在两个方向上出力,各作为一个自由度的发力体,从而实现具有二自由度的音圈电机。
上述实施例是用于例示性说明本发明的原理及其功效,但是本发明并不限于上述实施方式。本领域的技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下,在权利要求保护范围内,对上述实施例进行修改。因此本发明的保护范围,应如本发明的权利要求书覆盖。
Claims (10)
1.一种音圈电机,其特征在于,包括:
第一背铁和第二背铁,相对平行设置;
第一磁铁阵列和第二磁铁阵列,相对地固定在所述第一和第二背铁的内壁上;
第一线圈组和第二线圈组,位于所述第一和第二磁铁阵列之间并且层叠设置;
其中所述第一线圈组与所述第二线圈组相垂直,所述第一线圈组与所述第一磁铁阵列配合,在通电后所述第一线圈组提供第一方向控制力,使得所述音圈电机具有第一自由度;
所述第二线圈组与所述第二磁铁阵列配合,在通电后所述第一线圈组提供与第一方向垂直的第二方向的控制力,使得所述音圈电机具有第二自由度。
2.如权利要求1所述的音圈电机,其特征在于,所述第一线圈组和所述第二线圈组作为所述音圈电机的动子,所述第一背铁和第一磁铁阵列以及所述第二背铁和第二磁铁阵列作为所述音圈电机的定子。
3.如权利要求1所述的音圈电机,其特征在于,所述第一线圈组和所述第二线圈组作为所述音圈电机的定子,所述第一背铁和第一磁铁阵列以及所述第二背铁和第二磁铁阵列作为所述音圈电机的动子。
4.如权利要求1所述的音圈电机,其特征在于,所述第一磁铁阵列沿第一方向按照Halbach阵列模式周期***替分布,所述第二磁铁阵列沿第二方向按照Halbach阵列模式周期***替分布。
5.如权利要求4所述的音圈电机,其特征在于,所述第一线圈组包括沿第一方向并行排列的一个或多个线圈,所述第二线圈组包括沿第二方向并行排列的一个或多个线圈。
6.如权利要求5所述的音圈电机,其特征在于,所述第一方向为Y向,所述第二方向为X向。
7.如权利要求1所述的音圈电机,其特征在于,所述第一线圈组与所述第二线圈组都由铜线绕制而成。
8.如权利要求1所述的音圈电机,所述第一磁铁阵列和所述第二磁铁阵列均由钕铁硼(NdFeB)材料制成。
9.如权利要求1所述的音圈电机,其特征在于,所述第一和第二背板由钢材料制成。
10.一种平台装置,包括承载台,其特征在于,采用权利要求1~9中的任一项所述的音圈电机驱动所述承载台运动。
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180403 |