CN110429868B - 低刚度的磁悬浮重力补偿器、驱动装置及六自由度微动台 - Google Patents

低刚度的磁悬浮重力补偿器、驱动装置及六自由度微动台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低刚度的磁悬浮重力补偿器、驱动装置及六自由度微动台，属于半导体制造装配领域，重力补偿器包括动子结构和定子结构；动子结构由磁铁支架和若干对平行设置于磁铁支架侧壁上的永磁阵列块构成；定子结构由定子底座、线圈支架和中心永磁铁构成；定子中心永磁铁在动子永磁阵列块产生的气隙磁场中受到磁吸力和磁斥力，实现动子结构及负载的重力补偿。并在线圈支架凹槽左右和凸台上下设置两组线圈，与磁悬浮重力补偿器动子结构构成驱动装置，实现水平、垂直二自由度组合驱动；由对称布置的四个重力补偿器及驱动装置构成六自由度微动台。本发明实现了动子结构及负载在较宽运动范围内近零刚度磁力悬浮，组合驱动装置结构简单、质量轻。

Description

低刚度的磁悬浮重力补偿器、驱动装置及六自由度微动台
技术领域
本发明属于半导体制造装配相关技术领域，更具体地，涉及一种低刚度的磁悬浮重力补偿器、驱动装置及六自由度微动台。
背景技术
如今芯片的广泛使用使得人们的生活发生了翻天覆地的变化，但是加工制造芯片的光刻机由于制造难度大，精度高，因此，世界上只有少数几家公司可以生产，同时光刻机中最为关键的两个子***是超精密曝光光学***和超精密工件台***，它们分别代表了超精密光学和超精密机械的技术最高峰。因此下一代光刻机技术的研究是当前微电子技术的最前沿课题。
当今许多的精密加工设备中，需要较高的定位精度，且要求实现运动部件的六自由度运动，例如生产芯片的光刻机，为了解决掩膜台在高速高加速运动条件下大行程和高精度之间的矛盾，通常采用宏微结合的驱动策略实现大范围和高精度的运动控制。同时在掩膜台的运动过程中，为了实现精密运动和定位，如何隔离微动台与地基之间的振动传递也是十分重要的一部分。
目前采用的一种六自由度磁悬浮微动台，该装置包括激光干涉测量***、电容位移传感器、微动台本体及六自由度驱动电机，其电机为实现水平和垂直驱动均采用呈三角形布置的三个驱动器解耦控制，单个水平驱动器采用在水平驱动线圈上下对称布置动子磁钢的方式。该结构解耦方式复杂，而且需要的驱动装置较多，容易产生装配误差，且刚度较大不能有效地实现地基和微动台之间的振动隔离和抑制。因此，如何实现低刚度的六自由度微动台是目前亟需解决的技术难题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种低刚度的磁悬浮重力补偿器、驱动装置及六自由度微动台，其目的在于通过定子中心永磁铁与动子两侧磁铁相互作用起到重力补偿器作用，进而降低刚度，通过磁悬浮重力补偿器的动子结构与两组线圈结合构成驱动装置，由对称布置的四个重力补偿器及驱动装置构成六自由度微动台，从而使驱动装置质量轻，由此解决现有技术中的六自由度微动台刚度较大、结构复杂的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种低刚度的磁悬浮重力补偿器，包括动子结构及定子结构，所述动子结构包括动子永磁阵列块和动子磁铁支架，所述定子结构包括定子底座、定子中心永磁铁及定子线圈支架；
所述动子永磁阵列块包括若干对动子永磁铁，每对动子永磁铁分别平行设置于所述动子磁铁支架形成的凹槽的两个相对的侧壁上；
所述定子线圈支架的中间为空心立方体凹槽，以用于安装所述定子中心永磁铁；
所述定子中心永磁铁在所述动子永磁阵列块产生的气隙磁场中，以由所述动子永磁阵列块对所述定子中心永磁铁施加磁吸力和磁斥力，以实现所述动子结构及负载的重力补偿。
优选地，在所述动子磁铁支架形成的凹槽的每个侧壁上的相邻的两个动子永磁铁的充磁方向依次旋转90°。
优选地，所述磁悬浮重力补偿器的动子结构上承载预设质量的负载，使得所述动子结构的工作区间位于零刚度点的预设范围内，以实现所述动子结构及负载的近零刚度磁力悬浮。
优选地，所述定子中心永磁铁为正方体。
按照本发明的另一方面，提供了一种包括上述任意一项所述的磁悬浮重力补偿器动子结构的驱动装置，所述驱动装置还包括：两组线圈；
所述两组线圈包括水平线圈组及垂直线圈组，所述水平线圈组及所述垂直线圈组均位于所述动子永磁阵列块产生的气隙磁场中，且所述水平线圈组安装在所述定子线圈支架的环形凹槽内，所述垂直线圈组安装在所述定子线圈支架的凸台上，分别用于提供水平和垂直两个方向的驱动力。
优选地，所述水平线圈组包括第一水平线圈和第二水平线圈，所述垂直线圈组包括第一垂直线圈和第二垂直线圈；
所述第一水平线圈和所述第二水平线圈，分别安装在所述定子线圈支架左右两侧的回字形凹槽内，所述第一垂直线圈和所述第二垂直线圈，分别安装在所述定子线圈支架凸台的上下两侧。
优选地，所述第一水平线圈、所述第二水平线圈、所述第一垂直线圈及所述第二垂直线圈的截面均为正方形。
优选地，能够通过给所述水平线圈组及所述垂直线圈组通入电流以控制所述动子结构所受驱动力，实现所述动子结构及负载在工作区间内的驱动。
按照本发明的另一方面，提供了一种六自由度微动台，包括四个如上述任意一项所述的磁悬浮重力补偿器及四个如上述任意一项所述的驱动装置，其中，各所述磁悬浮重力补偿器与各所述驱动装置配合之后依次旋转90°固定在所述定子底座上。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明的低刚度磁悬浮重力补偿器通过在动子磁铁支架形成的凹槽的两个相对的侧壁平行布置若干对动子永磁阵列块，使定子中心永磁铁在动子永磁阵列块产生的气隙磁场中受到磁吸力和磁斥力，以实现动子结构及负载的重力补偿。
2、本发明的磁悬浮重力补偿器的动子结构包括若干块采用Halbach磁铁结构的永磁体，相邻两块永磁铁的充磁方向依次旋转90°，动子结构两侧的永磁阵列块产生的气隙磁场的磁场径向分量在中部具有近似线性变化特性，使得动子结构在一定工作范围内位移时，定子的中心永磁铁所处的磁场径向分量变化较小，易于实现动子结构及负载的近零刚度磁力悬浮。
3、本发明的六自由度微动台结构的磁悬浮重力补偿器具有很低的垂向刚度，使得微动台结构具有较好的减振和隔振效果，进而使得重力补偿器的负载受地基振扰动影响较小，该磁悬浮重力补偿器可适用于真空、超精密加工设备、高倍显微领域等需要隔振或者减振的工况。
4、六自由度微动台除了磁悬浮重力补偿器，还包括驱动装置，驱动装置包括磁悬浮重力补偿器的动子结构、水平线圈组及垂直线圈组，水平线圈组及垂直线圈组均位于动子永磁阵列块产生的气隙磁场中，用于提供水平和垂直两个方向的驱动力，且组合驱动方式使得驱动装置结构简单、动子结构质量低，应用范围广。
5、本发明的每个驱动装置可以提供水平和垂直两个方向的驱动力，相较于传统结构每个驱动装置只提供一个方向驱动力的方案，组合驱动方式有效减少了所需要的驱动装置的个数和动子结构质量，由对称布置的四个重力补偿器及驱动装置构成六自由度微动台有效减小了六自由度微动台的体积和质量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种六自由度微动台总体结构的三维示意图；
图2是本发明实施例提供的一种低刚度的磁悬浮重力补偿器的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种水平和垂直驱动力分布俯视图；
图4是本发明实施例提供的一种驱动装置中的定子结构三维图；
图5是本发明实施例提供的一种驱动装置中的动子结构三维图；
图6是本发明实施例提供的一种驱动装置中永磁体和线圈的分布示意图；
图7是本发明实施例提供的一种驱动装置中动子永磁阵列块的充磁方向和磁感线分布示意图；
图8是本发明实施例提供的一种驱动装置中定子中心永磁铁的等效电流模型图；
图9是本发明实施例提供的一种驱动装置中水平线圈在气隙磁场中受力的原理图；
图10是本发明实施例提供的一种驱动装置中垂直线圈在气隙磁场中受力的原理图；
图11是本发明实施例提供的一种驱动装置中动子结构所受悬浮力与垂向位移的关系图；
在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-第一驱动装置，2-第二驱动装置，3-第三驱动装置，4-第四驱动装置，12-动子永磁阵列块，12-1-动子第一磁铁，12-2-动子第二磁铁，12-3-动子第三磁铁，12-4-动子第四磁铁，12-5-动子第五磁铁，12-6-动子第六磁铁，13-动子磁铁支架，21-定子底座，22-1-定子第一垂直线圈，22-2-定子第二垂直线圈，23-定子线圈支架，24-定子中心永磁铁，25-1-定子第一水平线圈，25-2-定子第二水平线圈。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种低刚度的磁悬浮重力补偿器、驱动装置及六自由度微动台，通过使定子中心永磁铁在动子永磁阵列块产生的气隙磁场中受到磁吸力和磁斥力，以实现动子结构及负载的重力补偿，通过磁悬浮重力补偿器与驱动装置配合后依次旋转90°固定在底座上构成六自由度微动台。
如图2所示是本发明实施例提供的一种低刚度的磁悬浮重力补偿器的结构示意图，该磁悬浮重力补偿器包括动子结构及定子结构，动子结构包括动子永磁阵列块12和动子磁铁支架13，定子结构包括定子底座21、定子中心永磁铁24及定子线圈支架23；
其中，动子永磁阵列块12包括若干对动子磁铁，每对动子磁铁分别平行设置于动子磁铁支架13形成的凹槽的两个相对的侧壁上；定子线圈支架23的中间为空心立方体凹槽，以用于安装定子中心永磁铁24；定子中心永磁铁24在动子永磁阵列块12产生的气隙磁场中，以由动子永磁阵列块12对定子中心永磁铁24施加磁吸力和磁斥力，以实现动子结构及负载的重力补偿。
在本发明实施例中，动子永磁阵列块12包括的动子磁铁的个数可以根据实际需要确定，优选为长方体永磁铁，以包括6个动子磁铁为例对本发明实施例进行简要说明。
动子结构包括动子永磁阵列块12和动子磁铁支架13，左右两侧共六块动子永磁阵列块，分别为动子第一磁铁12-1，动子第二磁铁12-2，动子第三磁铁12-3，动子第四磁铁12-4，动子第五磁铁12-5，动子第六磁铁12-6，采用Halbach充磁方式，相邻两个永磁体充磁方向依次旋转90°，参考图5，每侧磁铁叠加起来的高度可选为40毫米，厚度也可选为40毫米，宽度可选为7.8毫米，左右两侧磁铁平行且间距可选为24.4毫米，永磁阵列块充磁方向和形成的气隙磁场的磁感线分布参考图7。
其中，动子结构两侧永磁阵列块产生的气隙磁场的磁场径向分量在气隙磁场中部具有近似线性变化特性，同时考虑到驱动装置中两组线圈的分布，为了提供足够密集的气息磁场，动子磁铁阵列采用如下布置方式，每侧三块磁铁中，中间磁铁的高度大于上下两个磁铁的高度，也大于定子中心永磁铁的高度，使得定子的中心永磁铁在一定工作范围内位移时，其所处的磁场径向分量变化较小。
在本发明实施例中，能够通过调整负载的重量，使得动子结构的工作区间在零刚度点的预设范围内，以实现磁悬浮重力补偿器的动子结构在工作区间内的近零刚度磁力悬浮。
其中，预设范围可以根据实际需要确定，尽量满足零刚度点在工作区间内。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种驱动装置，该驱动装置包括磁悬浮重力补偿器的动子结构和两组线圈。
在本发明实施例中，参考图4，磁悬浮重力补偿器的动子结构、水平线圈组及垂直线圈组构成驱动装置，水平线圈组包括第一水平线圈25-1及第二水平线圈25-2，垂直线圈组包括第一垂直线圈22-1及第二垂直线圈22-2。中心永磁铁24可选为边长为10毫米的正方体，线圈支架23中间为空心的立方体凹槽用来安装中心永磁铁24，水平线圈组包括第一水平线圈25-1和第二水平线圈25-2，分别安装在线圈支架23左右两侧的回字形凹槽内，垂直线圈组包括第一垂直线圈22-1和第二垂直线圈22-2，分别安装在线圈支架23凸台的上下两侧。
其中，定子的两组线圈截面均为正方形，截面面积可选为16平方毫米。
其中，第一水平线圈25-1与第二水平线圈25-2的左右间距可选为4毫米，第一垂直线圈22-1与第二垂直线圈22-2的上下间距可选为8毫米。
本发明实施例中的磁悬浮重力补偿器与驱动装置和使用起到低刚度重力补偿器的作用的同时也提供了水平和垂直两个方向的驱动力。
在本发明实施例中，如图6所示，可以通过调整负载的重量使得动子结构的工作范围在零刚度点的预设范围之内，通过给定子线圈通入相应电流，控制动子结构所受驱动力的大小，实现动子结构在工作范围内的运动。
在本发明实施例中，动子结构的永磁阵列块12对定子结构的中心永磁铁24施加磁吸力和磁斥力，以实现所述动子结构的重力补偿。参考图8所示，定子中心永磁铁24在动子永磁阵列块12产生的气隙磁场中，由均匀充磁的中心永磁铁的充磁方向确定中心永磁铁的两个侧面的等效电流分布，因为充磁方向与上下两个面的法向量平行，故上下两个面无等效电流分布。假设等效电流模型的长度为L，左侧和右侧存在的面电流密度大小为I，且方向相反，在左侧有外部磁场垂向分量B1y和径向分量B1x，在右侧有外部磁场垂向分量B2y和径向分量B2x，则这两点处的所产生的悬浮力密度为：
F＝B1xIL+B2xIL (1)
由公式(1)可以看出，悬浮力发小与所处磁场的径向分量有关，所述定子结构在工作范围内运动时，永磁铁左侧和右侧的磁场也会产生变化，设左侧产生的磁场变化量为△B1x，右侧产生的磁场变化量为△B2x，则定子产生的悬浮力密度为：
F＝(B1x+△B1x)IL+(B2x+△B2x)IL (2)
由公式(2)看出，为了实现近零刚度悬浮，悬浮力密度应该保持不变，即△B1x＝-△B2x，即外部磁场径向分量应具有沿垂向线性变化特性。参考图11可以看出，一个动子结构在垂向位移范围内选取[-1,+1]mm作为工作区间时，悬浮力变化浮动较小，垂向刚度为[-30,+30]N/m，近似于零刚度磁力悬浮。
如图1所示，在本发明的另一个实施例中，提供了一种六自由度微动台，包括四个磁悬浮重力补偿器和四个驱动装置及定子底座，各磁悬浮重力补偿器和各驱动装置配合之后依次旋转90°固定在定子底座21上。
参考图9和图10所示，定子线圈支架23上安装的的第一水平线圈25-1、第二水平线圈25-2和第一垂直线圈22-1、第二垂直线圈22-2，通入电流后，与动子永磁阵列块12形成的气隙磁场相互作用，产生相应的水平方向的驱动力和垂直方向的驱动力。
如图3所示，第一驱动装置1、第二驱动装置2、第三驱动装置3、第四驱动装置4依次旋转90°固定在定子底座21上，每个驱动装置提供水平和垂直两个方向的驱动力，相邻两个驱动装置的水平驱动力相互垂直。为实现六自由度微动台的面外驱动，通过控制Fz1、Fz2、Fz3、Fz4来实现Rx、Ry、Z方向的运动，为实现六自由度微动台的面内驱动，通过控制Fy1、Fx2、Fy3、Fx4来实现X、Y、Rz方向的运动。
本发明提供了一种低刚度的磁悬浮重力补偿器、驱动装置及六自由度微动台结构，包括四个磁悬浮重力补偿器、四个驱动装置及定子底座21，其中，各磁悬浮重力补偿器与各驱动装置配合之后依次旋转90°固定在定子底座21上。每个驱动装置可以提供水平和垂直两个方向的驱动力，通过对四个驱动装置出力进行解耦分析，可以实现六自由度微动台控制，且每个驱动装置的垂向刚度较低，有利于实现地基与微动台之间振动传递的隔离与抑制。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低刚度的磁悬浮重力补偿器，包括动子结构及定子结构，其特征在于，所述动子结构包括动子永磁阵列块和动子磁铁支架，所述定子结构包括定子底座、定子中心永磁铁及定子线圈支架；
所述动子永磁阵列块包括三对动子永磁铁，每对动子永磁铁分别平行设置于所述动子磁铁支架形成的凹槽的两个相对的侧壁上，且每个侧壁上的相邻的两个动子永磁铁的充磁方向依次旋转90°；所述三对动子永磁铁为动子第一磁铁(12-1)，动子第二磁铁(12-2)，动子第三磁铁(12-3)，动子第四磁铁(12-4)，动子第五磁铁(12-5)，动子第六磁铁(12-6)，其中，动子第二磁铁(12-2)和动子第五磁铁(12-5)的充磁方向朝向定子中心永磁铁，动子第一磁铁(12-1)和动子第三磁铁(12-3)的充磁方向朝向动子第二磁铁(12-2)，动子第四磁铁(12-4)和动子第六磁铁(12-6)的充磁方向朝向动子第五磁铁(12-5)；
所述定子线圈支架的中间为空心立方体凹槽，以用于安装正方体形状的所述定子中心永磁铁；
所述定子中心永磁铁在所述动子永磁阵列块产生的气隙磁场中，以由所述动子永磁阵列块对所述定子中心永磁铁施加磁吸力和磁斥力，以实现所述动子结构及负载的重力补偿。
2.如权利要求1所述的磁悬浮重力补偿器，其特征在于，所述磁悬浮重力补偿器的动子结构上承载预设质量的负载，使得所述动子结构的工作区间位于零刚度点的预设范围内，以实现所述动子结构的近零刚度磁力悬浮。
3.一种二自由度驱动装置，其特征在于，所述驱动装置包括权利要求1或2所述的磁悬浮重力补偿器的动子结构和定子线圈支架、水平线圈组及垂直线圈组，所述水平线圈组及所述垂直线圈组均位于所述动子永磁阵列块产生的气隙磁场中，且所述水平线圈组安装在所述定子线圈支架左右两侧的回字形凹槽内，所述垂直线圈组安装在所述定子线圈支架前后两侧的凸台的上方和下方，分别用于提供水平和垂直两个方向的驱动力。
4.根据权利要求3所述的二自由度驱动装置，其特征在于，所述水平线圈组包括第一水平线圈和第二水平线圈，所述垂直线圈组包括第一垂直线圈和第二垂直线圈；
所述第一水平线圈和所述第二水平线圈，分别安装在所述定子线圈支架左右两侧的回字形凹槽内，所述第一垂直线圈和所述第二垂直线圈，分别安装在所述定子线圈支架凸台的上下两侧。
5.根据权利要求4所述的二自由度驱动装置，其特征在于，所述第一水平线圈、所述第二水平线圈、所述第一垂直线圈及所述第二垂直线圈的截面均为正方形。
6.根据权利要求3至5任意一项所述的二自由度驱动装置，其特征在于，能够通过给所述水平线圈组及所述垂直线圈组通入电流以控制所述动子结构所受驱动力，实现所述动子结构及负载在工作区间内的驱动。
7.一种六自由度微动台，其特征在于，包括四个如权利要求1或2所述的磁悬浮重力补偿器的定子结构及四个如权利要求3至6任意一项所述的二自由度 驱动装置，其中，四个所述二自由度 驱动装置依次旋转90°固定在所述定子底座上，四个定子结构与四个二自由度驱动装置中的定子结构一一对应设置，设置方式如权利要求1或2所述。
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