CN117245638A - 四自由度磁浮微动台及器件转移装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种四自由度磁浮微动台及器件转移装置，涉及磁悬浮技术领域，其中，四自由度磁浮微动台包括动子，定子，且定子与动子平行设置；至少三个第一重力补偿件，三个第一重力补偿件呈三角形结构设置在动子和定子之间；至少两个第一旋转件，两个第一旋转件均设置在动子和定子之间，用于驱动微动台在Rz向的运动。本申请提供的上述方案，当给第一重力补偿件通电后就可以驱动微动台在Z、Rx和Ry向的运动；当给两个第一旋转件通电后，两个第一旋转件在磁场中产生的两个X轴向的洛伦茨力相反，此时，由于动子和定子在Z轴处于磁浮状态下，两个第一旋转件产生的力就能够带动动子或者定子在Rz向的运动，即实现驱动微动台在Rz向的运动。

Description

四自由度磁浮微动台及器件转移装置

技术领域

本发明涉及磁悬浮技术领域，特别涉及一种四自由度磁浮微动台及器件转移装置。

背景技术

主被动磁浮重力补偿装置通常用于高精密大型设备中，用于隔离精密运动部件与外部振动干扰，实现纳米级高精度定位运动。

现有同类技术的磁浮结构通常为圆柱型，磁浮结构的永磁体为若干个同心圆环，通过定、转子的圆环永磁体充磁阵列的设计实现重力（Z向）补偿，再通过周向绕制的圆环线圈（音圈）的电流控制，实现Z向位置的主动补偿，最后在该层结构之上，叠加其他自由度控制结构，实现多自由度控制。

由于，现有技术的重力补偿装置通常为圆柱形，当在圆周上布置三个以上该装置时，只能实现Z、Rx和Ry自由度的控制，无法实现Rz的旋转控制。

发明内容

本申请的主要目的是提供一种四自由度磁浮微动台，不但能实现Z、Rx和Ry自由度的控制，而且能实现Rz的旋转控制。

为实现上述目的，本申请提出了一种四自由度磁浮微动台，包括：

动子，所述动子为平面结构；

定子，所述定子为平面结构，且所述定子与所述动子平行设置；

至少三个第一重力补偿件，三个所述第一重力补偿件呈三角形结构设置在所述动子和所述定子之间，用于驱动微动台在Z、Rx和Ry向的运动；

至少两个第一旋转件，两个所述第一旋转件沿Y轴方向间隔设置在所述动子和所述定子之间，用于驱动微动台在Rz向的运动。

在其中一个实施例中，所述第一重力补偿件到所述动子轴心的距离与第一旋转件到所述动子轴心的距离相同。

在其中一个实施例中，所述第一重力补偿件为弧形结构，且三个所述第一重力补偿件为同轴心设置。

在其中一个实施例中，所述第一重力补偿件包括第一线圈、第一永磁铁、第二永磁铁以及第三永磁铁；

所述第一线圈、所述第一永磁铁、所述第二永磁铁以及所述第三永磁铁沿预设平面的截面均为弧形，所述第一永磁铁、所述第一线圈以及所述第三永磁铁沿水平方向依次设置在所述定子上，所述第二永磁铁设置在所述动子上，且所述第二永磁铁位于所述第一线圈内。

在其中一个实施例中，所述第一永磁铁和所述第三永磁铁的充磁方向均为水平方向，且所述第一永磁铁和所述第三永磁铁的充磁方向相反；所述第二永磁铁的充磁方向为Z轴方向。

在其中一个实施例中，两个所述第一旋转件沿Y轴方向呈180°设置，且两个所述第一旋转件在磁场中受力均为X轴方向。

在其中一个实施例中，所述第一旋转件包括第二线圈、第四永磁铁、第五永磁铁以及第六永磁铁；

所述第四永磁铁、所述第五永磁铁以及所述第六永磁铁沿X轴方向依次设置在所述动子上，所述第二线圈设置在所述定子上，且第四永磁铁和所述第六永磁铁对应设置在所述第二线圈沿X轴方向的相对两侧上。

在其中一个实施例中，所述第四永磁铁和所述第六永磁铁的充磁方向均为Z轴方向，且所述第四永磁铁和所述第六永磁铁的充磁方向相反；所述第五永磁铁的充磁方向为X轴方向。

在其中一个实施例中，三个所述第一重力补偿件呈等腰三角形结构，两个所述第一旋转件对应设置在所述等腰三角形的两个腰的外侧。

本申请还提供了一种器件转移装置，包括如本申请实施例中任意一项所述的四自由度磁浮微动台。

本申请提供的四自由度磁浮微动台，由于三个第一重力补偿件设置在动子和定子之间，三个第一重力补偿件成三角形结构设置，从而使得三个第一重力补偿件在通电时产生的作用力大小不同，因此，当给三个第一重力补偿件通电后，在对应产生的三个作用力下就可以驱动微动台在Z、Rx和Ry向的运动；同时，由于动子和定子均为平面结构，两个第一旋转件设置在动子和定子之间，当给两个第一旋转件通相反方向的电流后，两个第一旋转件在磁场中产生的两个X轴向的洛伦茨力相反，由于两个第一旋转件沿Y轴间隔设置，因此，两个X轴向的洛伦茨力不会相互抵消，此时，由于动子和定子在Z轴处于磁浮状态下，两个第一旋转件产生的力就能够带动动子或者定子在Rz向的运动，即实现驱动微动台在Rz向的运动。本申请提供的四自由度磁浮微动台，不但能实现Z、Rx和Ry自由度的控制，而且能实现Rz的旋转控制，给高精密大型设备的使用带来了方便。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本申请一实施例提供的四自由度磁浮微动台的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1中的第一旋转件受力示意图；

图4为图3中的A处截面示意图；

图5为图3中的B处截面示意图；

图6为本申请一实施例提供的器件转移装置的结构示意图。

附图标号说明：

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本申请中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

本申请提出一种四自由度磁浮微动台。

参考图1至图5，图1为本申请提供的四自由度磁浮微动台的结构示意图；图2为图1的俯视图；图3为图1中的第一旋转件受力示意图；图4为图3中的A处截面示意图；图5为图3中的B处截面示意图。

在本申请实施例中，如图1或者图2所示，该四自由度磁浮微动台包括动子11、定子12、至少三个第一重力补偿件10以及至少两个第一旋转件20，其中，动子11和定子12均为平面结构，且定子12与动子11平行设置；三个第一重力补偿件10呈三角形结构设置在动子11和定子12之间，用于驱动微动台在Z、Rx和Ry向的运动；两个第一旋转件20沿Y轴方向间隔设置在动子11和定子12之间，用于驱动微动台在Rz向的运动。

需要说明的是，本申请中第一重力补偿件10的数量可以为三个、四个或六个等等，第一旋转件20的数量可以为两个、四个或五个等等。本申请对第一重力补偿件10和第一旋转件20的数量不作具体限制，具体可以根据实际要求进行设计。下面以三个第一重力补偿件10和两个第一旋转件20为例进行说明。

示例性的，如图1所示，本申请包括第一重力补偿件10、第二重力补偿件30以及第三重力补偿件40，其中，第一重力补偿件10、第二重力补偿件30以及第三重力补偿件40的结构均相同，第一重力补偿件10、第二重力补偿件30以及第三重力补偿件40首尾连接后呈三角形结构，且第一重力补偿件10、第二重力补偿件30以及第三重力补偿件40通电后产生的洛伦茨力沿Z轴方向。当第一重力补偿件10、第二重力补偿件30以及第三重力补偿件40都通电流时，且电流方向都相同，此时，就会产生Z方向推力，从而实现微动台在Z向运动。当第二重力补偿件30和第三重力补偿件40通相同方向电流，而第一重力补偿件10通相反方向电流时，就会产生绕X轴的力矩，从而实现微动台绕X轴转动，即实现微动台在Rx向的运动。当第二重力补偿件30和第三重力补偿件40通相反方向电流时，而第一重力补偿件10不通电流时，就会产生绕Y轴的力矩，从而实现微动台绕Y轴转动，即实现微动台在Ry向的运动。

同时，本申请还包括第一旋转件20和第二旋转件50，其中，第一旋转件20和第二旋转件50的结构相同，第一旋转件20和第二旋转件50沿Y轴方向间隔设置。当第一旋转件20和第二旋转件50通相反方向的电流时，此时，参考图3所示，第一旋转件20产生的洛伦茨力为F2，第二旋转件50产生的洛伦茨力为F1，由于F1和F2不在同一水平线上，此时F1和F2就不会相互抵消。在F1和F2两个相反方向洛伦茨力的作用下，就可以实现微动台绕Z轴转动，即实现微动台在Rz向的运动。

采用上述技术方案，由于三个第一重力补偿件10设置在动子11和定子12之间，三个第一重力补偿件10成三角形结构设置，从而使得三个第一重力补偿件10在通电时产生的作用力大小不同，因此，当给三个第一重力补偿件10通电后，在对应产生的三个作用力下就可以驱动微动台在Z、Rx和Ry向的运动；同时，由于动子11和定子12均为平面结构，两个第一旋转件20设置在动子11和定子12之间，当给两个第一旋转件20通相反方向的电流后，两个第一旋转件20在磁场中产生的两个X轴向的洛伦茨力相反，由于两个第一旋转件20沿Y轴间隔设置，因此，两个X轴向的洛伦茨力不会相互抵消，此时，由于动子11和定子12在Z轴处于磁浮状态下，两个第一旋转件20产生的力就能够带动动子11或者定子12在Rz向的运动，即实现驱动微动台在Rz向的运动。本申请提供的四自由度磁浮微动台，不但能实现Z、Rx和Ry自由度的控制，而且能实现Rz的旋转控制，给高精密大型设备的使用带来了方便。

在一些实施例中，本申请中的第一重力补偿件10到动子11轴心的距离与第一旋转件20到动子11轴心的距离相同。

由于第一重力补偿件10到动子11轴心的距离与第一旋转件20到动子11轴心的距离相同，因此，第一重力补偿件10到动子11轴心的力臂和第一旋转件20到动子11轴心的力臂相同，由于转矩等于推力乘以力臂，在力臂都相等的条件下，方便控制第一重力补偿件10产生的转矩和第一旋转件20产生的转矩。

在一些实施例中，本申请中的第一重力补偿件10为弧形结构，且三个第一重力补偿件10为同轴心设置。由于第一重力补偿件10为弧形结构，弧形结构的圆心设置在动子11的轴线上，在理论上无论动子11转动多少角度，只要第一线圈101中的电流恒定，那么第一重力补偿件10产生的力就保持不变。若采用直线型的重力补偿机构，则动子旋转后，线圈受力也将产生变化，不利于角度稳定控制。同理，在旋转过程中，虽然第二线圈201的受力会有微小变化，但是微动台上用于检测旋转角度的传感器和用于检测磁浮高度的传感器是独立的，所以微动台上的旋转角度也可以实现独立控制，从而使得第一重力补偿件10产生的沿Z轴方向的洛伦茨力和第一旋转件20产生的Rz向力相互分离不影响。

需要说明的是，本申请实施例中的第一重力补偿件的结构仅为示例，在其他可替代的方案中，也可以采用其它结构，例如，第一重力补偿件为方形结构。本申请对第一重力补偿件的具体结构不作特殊限制，只要上述结构能实现本申请的目的便可。

在一些实施例中，如图1所示，本申请中的第一重力补偿件10包括第一线圈101、第一永磁铁102、第二永磁铁103以及第三永磁铁104，其中，第一线圈101、第一永磁铁102、第二永磁铁103以及第三永磁铁104沿预设平面的截面均为弧形，如图4所示，第一永磁铁102、第一线圈101以及第三永磁铁104沿水平方向依次设置在定子12上，第二永磁铁103设置在动子11上，且第二永磁铁103位于第一线圈101内。

示例性的，上述预设平面为图1中XY轴所在平面的。由于第一重力补偿件10包括第一线圈101、第一永磁铁102、第二永磁铁103以及第三永磁铁104，参考图4所示，动子11上仅设置有第二永磁铁103，定子12上包括有第一永磁铁102、第一线圈101以及第三永磁铁104。在通电的情况下，第二永磁铁103受到Z向的作用力，第一永磁铁102和第三永磁铁104受到的水平方向的作用力相反，由于第二永磁铁103设置在动子11上，因此在第二永磁铁103的作用下，动子11就会相对定子12悬浮，从而实现微动台在Z向的运动。

进一步地，如图4所示，第一永磁铁102和第三永磁铁104的充磁方向均为水平方向，且第一永磁铁102和第三永磁铁104的充磁方向相反；第二永磁铁103的充磁方向为Z轴方向。

示例性的，如图4所示，代表电流流向垂直纸面向外，/>代表电流流向垂直纸面向里。由于第一重力补偿件10、第二重力补偿件30、第三重力补偿件40、第一旋转件20以及第二旋转件50到动子11轴心的距离均相等，设定第一重力补偿件10、第二重力补偿件30、第三重力补偿件40、第一旋转件20以及第二旋转件50形成的圆为预设圆。

在使用时，当第一线圈101通电后，在磁场的作用下，第一永磁铁102和第三永磁铁104的充磁方向为预设圆的径向方向，且第一永磁铁102和第三永磁铁104的充磁方向相反。第二永磁铁103的充磁方向为预设圆所在的轴向，此时，第二永磁铁103受到Z轴方向的作用力，从而就可以带动动子11相对定子12沿Z轴方向运动。由于第一重力补偿件10、第二重力补偿件30、第三重力补偿件40三者结构相同，因此，对于第二重力补偿件30和第三重力补偿件40的作用原理不再赘述。

在一些实施例中，两个第一旋转件20之间呈180°设置，且两个第一旋转件20在磁场中受力均为X轴方向。

需要说明的是，本申请中两个第一旋转件20之间的角度也可以为120°、60°或150°等等，只要两个第一旋转件20之间的角度不是零度即可。下面以两个第一旋转件20之间呈180°为例进行说明。

示例性的，如图3所示，本申请包括第一旋转件20和第二旋转件50，其中，第一旋转件20和第二旋转件50之间沿Y轴方向间隔180°，此时，第一旋转件20产生的洛伦茨力F2和第二旋转件50产生的洛伦茨力F1大小相同，方向相反。由于相同力作用下转矩最大，所以在F1和F2大小相同，方向相反时，其产生的转矩最大，从而更加方便驱动微动台在Rz向的运动。

在一些实施例中，如图1所示，本申请中的第一旋转件20包括第二线圈201、第四永磁铁202、第五永磁铁203以及第六永磁铁204，其中，如图5并结合图3所示，第四永磁铁202、第五永磁铁203以及第六永磁铁204沿X轴方向依次设置在动子11上，第二线圈201设置在定子12上，且第四永磁铁202和第六永磁铁204对应设置在第二线圈201沿X轴方向的相对两侧上。

本申请中第二旋转件50和第一旋转件20的结构相同，对于第二旋转件50的结构此处不再赘述。如图3所示，当第一旋转件20和第二旋转件50中的电流方向相反时，第一旋转件20中的第五永磁铁203就会产生F2方向的洛伦茨力，第二旋转件50中对应的磁铁也会产生F1方向的洛伦茨力，由于F1和F2大小相同，方向相反，在F1和F2产生转矩的作用下，微动台就能够实现在Rz向的运动。

进一步地，如图5所示，本申请中的第四永磁铁202和第六永磁铁204的充磁方向均为Z轴方向，且第四永磁铁202和第六永磁铁204的充磁方向相反；第五永磁铁203的充磁方向为X轴方向。

示例性的，如图5所示，代表电流流向垂直纸面向外，/>代表电流流向垂直纸面向里。由于第四永磁铁202和第六永磁铁204的充磁方向均为Z轴方向，且第四永磁铁202和第六永磁铁204的充磁方向相反；第五永磁铁203的充磁方向为X轴方向，这样当第二线圈201通电后，第五永磁铁203就会产生沿X轴方向的作用力，即第五永磁铁203就会产生如图3中F1或F2方向的作用力。

在一些实施例中，本申请中的三个第一重力补偿件10呈等腰三角形结构，两个第一旋转件20对应设置在等腰三角形的两个腰的外侧。

需要说明的是，本申请中三个第一重力补偿件10形成的结构还可以为一般三角形、等边三角形或直角三角形等等，两个第一旋转件20可以设置在除了同一X轴的任一位置。下面以三个第一重力补偿件10呈等腰三角形结构为例进行说明。

示例性的，如图1所示，本申请中的第一重力补偿件10、第二重力补偿件30以及第三重力补偿件40之间首尾连接形成等腰三角形，其中，第一重力补偿件10到第二重力补偿件30之间的距离和第一重力补偿件10到第三重力补偿件40之间的距离相等。第一旋转件20设置在第一重力补偿件10和第二重力补偿件30形成的腰的外侧，第二旋转件50设置在第一重力补偿件10和第三重力补偿件40形成的腰的外侧。

由于第一重力补偿件10、第二重力补偿件30以及第三重力补偿件40到转子轴心的距离相等，所以，在磁场的作用下，第二重力补偿件30产生的作用力和第三重力补偿件40产生的作用力相等，第一重力补偿件10产生的作用力可以根据等腰三角形计算出来，从而方便控制微动台在Z轴方向的运动。

本申请还提出了一种器件转移装置，如图6所示，包括激光60、待转移晶圆以及如本申请实施例中任意一项的四自由度磁浮微动台，其中，四自由度磁浮微动台的具体结构参照上述实施例，待转移晶圆固定在动子11上，其中，待转移晶圆上有很多待转移的器件（例如micro-led，尺寸小于50um的LED），micro-led与晶圆之间通过临时键合胶固定，激光60可以将键合胶高温融化，从而使得micro-led从晶圆上脱落，掉到承接基板70上。该装置中，通过动子11的移动，可以使得动子11上的待转移晶圆与承接基板70的相对位置调整到最佳条件，从而提高转移良率。由于该器件转移装置采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是在本申请的申请构思下，利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种四自由度磁浮微动台，其特征在于，包括：

动子（11），所述动子（11）为平面结构；

定子（12），所述定子（12）为平面结构，且所述定子（12）与所述动子（11）平行设置；

至少三个第一重力补偿件（10），三个所述第一重力补偿件（10）呈三角形结构设置在所述动子（11）和所述定子（12）之间，用于驱动微动台在Z、Rx和Ry向的运动；

至少两个第一旋转件（20），两个所述第一旋转件（20）沿Y轴方向间隔设置在所述动子（11）和所述定子（12）之间，用于驱动微动台在Rz向的运动。

2.如权利要求1所述的四自由度磁浮微动台，其特征在于，所述第一重力补偿件（10）到所述动子（11）轴心的距离与第一旋转件（20）到所述动子（11）轴心的距离相同。

3.如权利要求2所述的四自由度磁浮微动台，其特征在于，所述第一重力补偿件（10）为弧形结构；且三个所述第一重力补偿件（10）为同轴心设置。

4.如权利要求3所述的四自由度磁浮微动台，其特征在于，所述第一重力补偿件（10）包括第一线圈（101）、第一永磁铁（102）、第二永磁铁（103）以及第三永磁铁（104）；

所述第一线圈（101）、所述第一永磁铁（102）、所述第二永磁铁（103）以及所述第三永磁铁（104）沿预设平面的截面均为弧形，所述第一永磁铁（102）、所述第一线圈（101）以及所述第三永磁铁（104）沿水平方向依次设置在所述定子（12）上，所述第二永磁铁（103）设置在所述动子（11）上，且所述第二永磁铁（103）位于所述第一线圈（101）内。

5.如权利要求4所述的四自由度磁浮微动台，其特征在于，所述第一永磁铁（102）和所述第三永磁铁（104）的充磁方向均为水平方向，且所述第一永磁铁（102）和所述第三永磁铁（104）的充磁方向相反；所述第二永磁铁（103）的充磁方向为Z轴方向。

6.如权利要求2所述的四自由度磁浮微动台，其特征在于，两个所述第一旋转件（20）沿Y轴方向呈180°设置，且两个所述第一旋转件（20）在磁场中受力均为X轴方向。

7.如权利要求2或6所述的四自由度磁浮微动台，其特征在于，所述第一旋转件（20）包括第二线圈（201）、第四永磁铁（202）、第五永磁铁（203）以及第六永磁铁（204）；

所述第四永磁铁（202）、所述第五永磁铁（203）以及所述第六永磁铁（204）沿X轴方向依次设置在所述动子（11）上，所述第二线圈（201）设置在所述定子（12）上，且第四永磁铁（202）和所述第六永磁铁（204）对应设置在所述第二线圈（201）沿X轴方向的相对两侧上。

8.如权利要求7所述的四自由度磁浮微动台，其特征在于，所述第四永磁铁（202）和所述第六永磁铁（204）的充磁方向均为Z轴方向，且所述第四永磁铁（202）和所述第六永磁铁（204）的充磁方向相反；所述第五永磁铁（203）的充磁方向为X轴方向。

9.如权利要求2所述的四自由度磁浮微动台，其特征在于，三个所述第一重力补偿件（10）呈等腰三角形结构，两个所述第一旋转件（20）对应设置在所述等腰三角形的两个腰的外侧。

10.一种器件转移装置，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的四自由度磁浮微动台。