CN102163572A - 一种六自由度定位装置 - Google Patents

Abstract

一种六自由度定位装置，涉及一种超精密六自由度运动定位设备。该定位装置包括一个定位单元、两个沿X轴运动的直线电机、一个沿Y轴运动的音圈电机、三个沿Z轴运动的音圈电机、两个沿Y轴运动的直线电机、两个沿X轴微动的音圈电机和四个连接元件。本发明增加了音圈电机动子沿X轴方向移动自由度，使定位单元与音圈电机动子在直线电机驱动下能够沿X轴方向移动，解决了现有音圈电机结构中动子沿X轴方向运动受限的问题。本发明定位装置通过各音圈电机与各直线电机的组合运动，实现了一个定位单元的六自由度一体化运动，解决了现有超精密定位装置中采用的两个定位单元叠层结构存在的结构复杂、质量大与响应慢的问题。

Description

一种六自由度定位装置

技术领域

本发明涉及一种超精密六自由度运动定位设备，属于半导体装备领域。

背景技术

具有纳米级运动定位精度的超精密微动台是半导体装备关键部件之一，如光刻机中的硅片台、掩模台等。为实现执行单元的超精密定位要求，以磁浮约束为支撑方式的执行单元作为一种超精密运动台被广泛应用。由通电线圈在永磁阵列气隙磁场中产生的洛仑兹力提供驱动力和悬浮支撑，通过控制线圈中电流大小来改变执行单元的推力，具有结构简单、易于在真空环境中应用等优点。

图1为目前超精密六自由度定位装置结构轴测图，图2为目前超精密六自由度定位装置结构仰视图，包括第七直线电机、第八直线电机、第九音圈电机、第十音圈电机、第十一音圈电机、第十二音圈电机、第十三音圈电机、第十四音圈电机、第一定位元件、第二定位元件。其中第二定位元件与第七直线电机、第八直线电机的动子固定连接，各音圈电机的定子固定在第二定位元件上，各音圈电机的动子固定在第一定位元件上。第七直线电机与第八直线电机的动子驱动第一定位元件沿Y轴方向直线运动，进而带动第二定位元件与各音圈电机沿Y轴直线运动，第九音圈电机驱动第二定位元件沿X轴微动，第十音圈电机与第十一音圈电机驱动第二定位元件沿Y轴微动及绕Z轴的转动，第十二音圈电机、第十三音圈电机、第十四音圈电机的动子运动方向为沿Z轴方向，驱动第二定位元件沿Z轴直线运动及绕X轴、Y轴转动，因此第二定位元件可以实现六自由度运动。但该六自由度定位装置中包括两个定位元件，采用了叠层的结构形式，因此目前超精密定位装置存在结构复杂、装置质量较大的问题，同时较大的质量将使得其运动响应性能变差。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于半导体装备的定位装置，不仅要解决现有音圈电机结构中动子沿X轴方向运动受限的问题，同时解决目前超精密定位装置中采用两个定位元件的叠层结构引起的结构复杂、质量大、响应慢问题。

本发明的技术方案如下：

一种六自由度定位装置，其特征在于：所述定位装置包括一个定位单元、两个沿X轴运动的直线电机、一个沿Y轴运动的音圈电机、三个沿Z轴运动的音圈电机、两个沿Y轴运动的直线电机、两个沿X轴微动的音圈电机和四个连接元件。

所述定位单元有三个矩形截面通孔，该三个通孔的轴线沿X轴方向且位于同一平面内，第一通孔与第三通孔大小相等且对称布置在第二通孔两侧。

所述定位装置中，两个沿X轴运动的直线电机的永磁体组件分别固定于第一通孔与第三通孔内，线圈组件分别穿过第一通孔与第三通孔；沿Y轴运动的音圈电机的上下永磁体组件分别固定于第二通孔的上下两个表面；沿Z轴运动的三个音圈电机的永磁体组件分别通过各自的连接元件固定于定位单元下表面，且在下表面中三个固定位置成三角形布置；两个沿Y轴运动的直线电机对称布置在沿X轴运动的直线电机两端；两个沿X轴运动的音圈电机对称布置在沿X轴运动的直线电机两端，且该两个音圈电机的线圈组件分别与同一侧直线电机的线圈组件固定在一起，同时该两个音圈电机的线圈组件通过第四连接元件固定在一起；两个沿X轴运动的直线电机的线圈组件、沿Y轴运动的音圈电机的线圈组件、三个沿Z轴运动的音圈电机的线圈组件均固定于第四连接元件上。

沿Y轴运动的音圈电机的线圈组件中与X轴平行部分的线圈沿X轴方向的长度，大于等于永磁体组件沿X轴方向长度与永磁体组件沿X轴方向移动距离之和。

沿Z轴方向微动的三个音圈电机结构相同，每个音圈电机包括左右永磁体组件和设置在左右两个永磁体组件之间的一个线圈组件；每个音圈电机的线圈组件中与X轴平行部分的线圈沿X轴方向的长度，大于等于永磁体组件沿X轴方向长度与永磁体组件沿X轴方向移动距离之和。

沿Y轴运动的音圈电机包括上下两个永磁体组件和设置在上下两个永磁体组件之间的一个线圈组件，上下两个永磁体组件为音圈电机的动子，该音圈电机中每个永磁体组件包括主永磁体、附永磁体和铁轭，每个永磁体组件以常规阵列形式布置。

沿X轴运动的两个直线电机结构相同，每个直线电机包括两个永磁体组件和设置在两个永磁体组件之间的线圈组件；每个永磁体组件包括主永磁体、附永磁体和铁轭，并以Halbach阵列形式布置，各永磁体组件之间形成封闭磁场；封闭磁场垂直穿过线圈组件有效表面，电流方向与磁场方向垂直，产生洛仑兹力驱动各永磁体组件沿X方向移动。

两个沿Y轴运动的直线电机结构相同，每个直线电机包括沿动子运动平面绕制的线圈组件和位于该线圈组件上方的一个永磁体组件或分别位于上下方的两个永磁体组件；各永磁体组件包括主永磁体、附永磁体和铁轭，以Halbach阵列形式布置。

两个沿X轴微动的音圈电机结构相同，包括包括由绕动子运动平面绕制的线圈组件和位于该线圈组件上方的一个永磁体组件或分别位于上下方的两个永磁体组件；各永磁体组件包括主永磁体和铁轭并以常规阵列形式布置。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

本发明定位装置中只有一个定位单元，在两个沿Y轴方向的长形成运动的直线电机、两个沿X轴长形成运动的直线电机、一个沿Y轴微动的音圈电机、三个沿Z轴微动的音圈电机的共同驱动作用下，能够实现六自由度且粗动、微动一体化运动定位的要求，与目前六自由度定位装置中采用的粗动与微动叠层的结构相比，本发明定位装置不仅结构简单，减轻了质量，提高了动态响应性能。

附图说明

图1为现有六自由度定位装置结构原理示意图。

图2为目前六自由度定位装置中第二定位元件仰视图。

图3为本发明定位装置的第一种实施例的结构示意图(轴测图)。

图4为图3结构俯视图。

图5为第一定位单元沿A-A面剖视图。

图6为第一驱动单元示意图。

图7为第一直线电机俯视图。

图8为第一音圈电机结构示意图。

图9为第一音圈电机沿A-A面剖视图。

图10为第一音圈电机线圈组件长度示意图。

图11为第三驱动单元结构示意图。

图12为第三驱动单元沿A-A面剖视图。

图13为第二音圈电机沿A-A面剖视图。

图14为第三驱动单元仰视图。

图15为第二音圈电机的线圈组件的长度示意图。

图16为第四驱动单元结构示意图。

图17为第三直线电机沿B-B面剖视图。

图18为第五音圈电机沿C-C面剖视图。

图19为第四驱动单元方案二结构示意图(轴测图)。

图20为第五直线电机沿B-B面剖视图。

图21为第七音圈电机沿C-C面剖视图。

图中：

01-第七直线电机，02-第八直线电机，03-第九音圈电机，04-第十音圈电机，05-第十一音圈电机，06-第一定位元件，07-第二定位元件，08-第十二音圈电机，09-第十三音圈电机，10-第十四音圈电机

100-第一定位单元；

101-第一通孔，102-第二通孔，103-第三通孔；

101a-第一通孔101上表面，101b-第一通孔101左侧面，101c-第一通孔101右侧面，101d-第一通孔101下表面；

102a-第二通孔102上表面，102b-第二通孔102下表面；

103a-第三通孔103上表面，103b-第三通孔103左侧面，103c-第三通孔103右侧面，103d-第三通孔103下表面；

200-第一驱动单元；

200a-第一直线电机，200b-第二直线电机；

211-第一线圈组件，212-第一永磁体组件，213-第二永磁体组件；

2121-第一主永磁体，2123-第二主永磁体，2125-第三主永磁体，2122-第一附永磁体，2124-第二附永磁体，2126-第一铁轭；

2131-第四主永磁体，2133-第五主永磁体，2135-第六主永磁体，2132-第三附永磁体，2134-第四附永磁体，2136-第二铁轭；

300-第二驱动单元-，300a-第一音圈电机；

301-第二线圈组件，302-第三永磁体组件，303-第四永磁体组件；

3021-第七主永磁体，3022-第八主永磁体，3023-第三铁轭，3031-第九主永磁体，3032-第十主永磁体，3033-第四铁轭，301a、301b-第二线圈组件301中有效部分线圈与有效线圈部分；

400-第三驱动单元；

400a-第二音圈电机，400b-第三音圈电机，400c-第四音圈电机；

901-第一连接元件，902-第二连接元件，903-第三连接元件；

401-第三线圈组件，402-第五永磁体组件，403-第六永磁体组件；

4021-第十一主永磁体，4022-第十二主永磁体，4023-第五铁轭，4031-第十三主永磁体，4032-第十四主永磁体，4033-第六铁轭；

500-第四驱动单元；

500a-第三直线电机，500b-第四直线电机，500c-第五音圈电机，500d-第六音圈电机，500e-第四连接元件；

510-第四线圈组件，520-第七永磁体组件；

511a、511b、512a、512b、513a、513b-第四线圈组件510中的有效线圈部分；

521-第七铁轭，521a-第七铁轭521上表面；

550-第五线圈组件，560-第八永磁体组件；

550a、550b-第五线圈组件550中有效线圈部分，561-第十五主永磁体，562-第十六主永磁体，563-第八铁轭，563a-第八铁轭563上表面；

700a-第五直线电机、700b-第六直线电机、700c-第七音圈电机、700d-第八音圈电机；

710-第六线圈组件、720-第九永磁体组件、730-第十永磁体组件；

721-第九铁轭，731-第十铁轭；

770-第七线圈组件、780-第十一永磁体组件、790-第十二永磁体组件；

781-第十七主永磁体、782-第十八主永磁体、791-第十九主永磁体、792-第二十主永磁体，783-第十一铁轭、793-第十二铁轭。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理、结构和工作过程来进一步说明本发明。

图3为本发明定位装置方案一结构轴测图，图4为本发明定位装置方案一结构俯视图，包括第一定位单元100、第一驱动单元200、第二驱动单元300、第三驱动单元400、第五驱动单元500和连接元件。

图5为第一定位单元100沿A-A截面剖视图。第一定位单元100中有截面为矩形的第一通孔101、第二通孔102、第三通孔103。该三个通孔的轴线沿X轴方向且位于同一平面内，第一通孔与第三通孔对称布置在第二通孔两侧。

图6为第一驱动单元200的示意图(轴测图)，包括第一直线电机200a与第二直线电机200b。图7为第一直线电机200a俯视图。第一直线电机200a包括第一线圈组件211、第一永磁体组件212、第二永磁体组件213。第一永磁体组件212包括第一铁轭2126与各主永磁体、附永磁体，第一铁轭2126的外表面2126a固定于第一定位单元100的第一通孔101的左侧面101b上。沿X轴正方向第一永磁体组件212依次包括第一主永磁体2121、第一附永磁体2122、第二主永磁体2123、第二附永磁体2124、第三主永磁体2125。第一主永磁体2121、第三主永磁体2125充磁方向为Y轴负方向，第二主永磁体2123充磁方向为Y轴正方向，第一附永磁体2122充磁方向沿X负方向，第二附永磁体2124充磁方向沿X轴正方向。各主永磁体与各附永磁体沿X轴方向固定在一起，并固定于第一铁轭2126的表面2126b上。

第二永磁体组件213包括第二铁轭2136、主永磁体与附永磁体，第二铁轭2136的外表面2136a固定于第一定位单元100的第一通孔101的侧面101c上。沿X轴正方向第二永磁体组件213依次包括第四主永磁体2131、第三附永磁体2132、第五主永磁体2133、第四附永磁体2134、第六主永磁体2135。第四主永磁体2131、第六主永磁体2135充磁方向为Y轴负方向，第五主永磁体2133充磁方向为Y轴正方向，第三附永磁体2132充磁方向沿X轴正方向，第四附永磁体2134充磁方向沿X轴负方向。各主永磁体与各附永磁体沿X轴方向固定在一起，并固定于第二铁轭2136的表面2136b上。

第一主永磁体2121的N极面正对第四主永磁体2131的S极面，第二主永磁体2123的S极面正对第五主永磁体2133的N极面，第三主永磁体2125的N极面正对第六主永磁体2135的S极面。第一永磁体组件212与第二永磁体组件213中各附永磁体与各主永磁体的磁场方向相互垂直，因此在第一永磁体组件212与第二永磁体组件213中分别构成了Halbach阵列形式，且在第一永磁体组件212与第二永磁体组件213之间形成封闭磁路。

第一线圈组件211由多个线圈组成，位于第一永磁体组件212与第二永磁体组件213之间，且留有间隙。第一线圈组件211中各线圈绕制平面处于同一平面内，且与Y轴垂直。第一线圈组件211中各线圈的有效线圈部分导线方向沿Z轴方向。各线圈的有效线圈部分相互固定在一起，形成沿X方向的线圈阵列。

第二直线电机200b与第一直线电机200a具有相同的结构，包括第一线圈组件211、第一永磁体组件212、第二永磁体组件213，且工作于同一平面内。第二直线电机200b中第一永磁体组件212的第一铁轭2126的外表面2126a粘接固定于第一定位单元100的第三通孔103的左侧面103b上，第二永磁体组件213的第二铁轭2136的外表面2136a粘接固定于第一定位单元100的第三通孔103的表面103c上。

第一直线电机200a与第二直线电机200b的动子为永磁体组件，通电时线圈中电流方向与磁场方向垂直，因此将产生洛仑兹力。洛仑兹力方向、通电线圈电流方向与磁感应强度方向相互垂直，使第一直线电机200a与第二直线电机200b的动子在洛仑兹力作用下实现沿X轴方向运动，进而带动第一定位单元100沿X轴方向运动。第一直线电机200a与第二直线电机200b沿X轴方向同步运动且位置相同时，驱动第一定位单元100沿X轴方向做直线移动。当第一直线电机200a与第二直线电机200b沿X轴方向运动位置不相同时，驱动第一定位单元100绕Z轴转动。

图8为第二驱动单元300的轴测图，包括第一音圈电机300a。第一音圈电机300a包括第三永磁体组件302、第四永磁体组件303和第二线圈组件301。第二线圈组件301位于第三永磁体组件302与第四永磁体组件303平面骨架间，并留有间隙。

图9为第一音圈电机300a的沿A-A截面剖视图。第三永磁体组件302包括第七主永磁体3021、第八主永磁体3022和第三铁轭3023。第四永磁体组件303包括第九主永磁体3031、第十主永磁体3032和第四铁轭3033。第三铁额3023的外表面3023a固定于第一定位单元100中第二通孔102的表面102a上。第七主永磁体3021与第八主永磁体3022固定于第三铁轭3023的面3023b上。第四铁轭3033的外表面3033a固定于第一定位单元100中第二通孔102的下表面102b上。第九主永磁体3031与第十主永磁体3032固定于第四铁轭3033的面3033b上。第七主永磁体3021与第九主永磁体3031的充磁方向沿Z轴负方向，第八主永磁体3022与第十主永磁体3032的充磁方向沿Z轴正方向，第七主永磁体3021的N极表面与第九主永磁体3031的S极表面正面相对，第八主永磁体3022的S极表面与第十主永磁体3032的N极表面正面相对，因此在第三永磁体组件302与第四永磁体组件303之间形成封闭磁路。

第二线圈组件301位于第三永磁体组件302与第四永磁体组件303之间，且留有间隙。第二线圈组件301的有效线圈部分301a位于第七主永磁体3021与第九主永磁体3031之间，导线方向沿X轴方向，第二线圈组件的有效线圈部分301b位于第八主永磁体3022与第十主永磁体3032之间，导线方向沿X轴方向。第一音圈电机300a的动子为永磁体组件，通电时电流方向与磁场方向垂直，因此将产生洛仑兹力。洛仑兹力方向、通电线圈电流方向与磁感应强度方向相互垂直，使第一音圈电机300a的动子在洛仑兹力作用下实现沿Y轴方向微动，进而带动第一定位单元100沿Y轴运动。

图10为第一音圈电机300a的俯视图。本发明中增加了该音圈电机在X轴方向的运动自由度，使第二线圈组件301中与X轴平行部分的线圈沿X轴方向的长度L2，大于等于该音圈电机中各永磁体组件沿X轴方向长度L与各永磁体组件沿X轴方向移动距离L1之和，因此增加了第一音圈电机300a在X轴方向的运动自由度。当第一直线电机200a与第二直线电机200b的动子驱动第一定位单元100沿X轴运动时，可以使第一音圈电机300a的动子随第一定位单元100一起沿X轴运动，且运动中第一音圈电机300a中由洛仑兹力产生的沿Y轴的力大小不变。

图11为第三驱动单元400结构示意图(轴测图)，包括第二音圈电机400a、第三音圈电机400b、第四音圈电机400c。图12为第三驱动单元400的沿A-A截面剖视图，图13为第二音圈电机400a沿A-A-截面剖视图，图14为第三驱动单元400的仰视图。第二直线电机400a包括第五永磁体组件402、第六永磁体组件403和第三线圈组件401。第三线圈组件401位于第五永磁体组件402与第六永磁体组件403平面骨架间，并留有间隙。

第五永磁体组件402包括第十一主永磁体4021、第十二主永磁体4022、第五铁轭4023。第六永磁体组件403包括第十三主永磁体4031、第十四主永磁体4032、第六铁轭4033。第十一主永磁体4021与第十二主永磁体4022固定于第五铁轭4023的面4023a上。第十三主永磁体4031与第十四主永磁体4032固定于第六铁轭4033的面4033a上。第十一主永磁体4021与第十三主永磁体4031的充磁方向沿Y轴负方向，第十二主永磁体4022与第十四主永磁体4032的充磁方向沿Y轴正方向，第十一主永磁体4021的N极表面与第十三主永磁体4031的S极表面正面相对，第十二主永磁体4022的S极表面与第十四主永磁体4032的N极表面相对，在第五永磁体组件402与第六永磁体组件403之间形成封闭磁路。

第三线圈组件401的有效线圈部分401a位于第十一主永磁体4021与第十三主永磁体4031之间，导线方向沿X轴方向，第三线圈组件401的有效线圈部分401b位于第十二主永磁体4022与第十四主永磁体4032之间，导线方向沿X轴方向。通电时，线圈中电流方向与磁场方向垂直，因此将产生洛仑兹力。洛仑兹力方向、通电线圈电流方向与磁感应强度方向相互垂直，使第五永磁体组件402与第六永磁体组件403在洛仑兹力作用下实现沿Z轴方向微动。

图15为第二音圈电机400a的侧视图。本发明中增加了该音圈电机在X轴方向的运动自由度，使第三线圈组件401中与X轴平行部分的线圈沿X轴方向的长度L5，大于等于该音圈电机中各永磁体组件沿X轴方向长度L3与各永磁体组件沿X轴方向移动距离L4之和，因此增加了第二音圈电机400a在X轴方向的运动自由度。当第一直线电机200a与第二直线电机200b的动子驱动第一定位单元100沿X轴运动时，第一定位单元100可以带动第二音圈电机400a的动子一起沿X轴运动，且运动中第一音圈电机400a中由洛仑兹力产生的沿Z轴的力大小不变。

第三音圈电机400b、第四音圈电机400c的结构与第一音圈电机400a的结构相同。第一音圈电机400a、第二音圈电机400b、第三音圈电机400c分别通过第一连接元件901、第二连接元件902、第三连接元件903与第一定位单元100固定连接在一起。第一连接元件901、第二连接元件902、第三连接元件903固定于第一定位单元100的下表面100b上，且在平面100b内各连接元件布置的位置不处于同一条直线上，之间形成一个三角形。第二音圈电机400a、第三音圈电机400b和第四音圈电机400c的动子为永磁体组件，当第二音圈电机400a、第三音圈电机400b、第四音圈电机400c的动子沿Z轴运动位置相同时，驱动第一定位单元100沿Z轴直线运动，当第二音圈电机400a、第三音圈电机400b、第四音圈电机400c的动子沿Z轴运动位置不相同时，驱动第一定位单元100绕X轴与Y轴转动。

图16为第四驱动单元500结构示意图(轴测图)。包括第三直线电机500a、第四直线电机500b、第五音圈电机500c、第六音圈电机500d、第四连接元件500e。图17为第三直线电机500a沿B-B截面剖视图。图18为第五直线电机500c沿C-C截面剖视图。第三直线电机500a包括第四线圈组件510、第七永磁体组件520。第七永磁体组件520包括第七铁轭521、主永磁体与附永磁体，各主永磁体与各附永磁体沿Y轴方向固定在一起，形成沿Y轴方向的阵列形式，且各主永磁体与各附永磁体固定于第七铁轭521的表面521a上。各主永磁体的充磁方向沿Z轴方向，各附永磁体的充磁方向沿Y轴方向，各主永磁体与附永磁体形成Halbach阵列形式。

第三直线电机500a的动子为第四线圈组件510。第四线圈组件510位于第七永磁体组件520沿Z轴正上方，且留有间隙。第四线圈组件510包括三个线圈，每个线圈的绕线平面在同一平面，且与Z轴方向垂直。各线圈沿Y轴方向固定在一起，且有效线圈部分511a、511b、512a、512b、513a、513b的导线方向沿X轴方向，磁场方向垂直穿过第四线圈组件510的有效部分线圈表面，通电时产生的洛仑兹力驱动第四线圈组件510沿Y轴方向移动。

第五音圈电机500c包括第五线圈组件550、第八永磁体组件560。第八永磁体组件560包括第十五主永磁体561、第十六主永磁体562、第八铁轭563。第十五主永磁体561的充磁方向沿Z轴负方向，第十六主永磁体562的充磁方向沿Z轴正方向。第十五主永磁体561与第十六主永磁体562固定在第八铁轭563的表面563a上。第五线圈组件550位于第八永磁体组件560的沿Z轴正上方，且线圈绕线平面与Z轴方向垂直。第五线圈组件550中有效线圈部分550a与有效线圈部分550b的导线方向沿Y轴方向，其中有效线圈部分550a表面与第十五主永磁体561的N极表面正面相对，有效线圈部分550b表面与第十六主永磁体562的S极表面正面相对。第五音圈电机500c的动子为第五线圈组件550。通电时，电流方向与线圈有效部分所在区域的磁场方向垂直，因此将产生洛仑兹力。洛仑兹力方向、通电线圈电流方向与磁感应强度方向相互垂直，使第五线圈组件550在洛仑兹力作用下实现沿X轴方向运动。

第四直线电机500b与第三直线电机500a的结构相同，包括第四线圈组件510与第七永磁体组件520，且其动子即第四线圈组件510的运动方向沿Y轴方向。第六音圈电机500d与第五音圈电机500c的结构相同，包括第五线圈组件550与第八永磁体组件560，且其动子即第五线圈组件530的运动方向沿X轴方向。

第三直线电机500a的动子与第五音圈电机500c的动子固定在一起，第四直线电机500b的动子与第六音圈电机500d的动子固定在一起，第五音圈电机500c的动子与第六音圈电机500d的动子通过第四连接元件500e连接在一起。第一驱动单元200中各直线电机的定子、第二驱动单元300中各音圈电机的定子和第三驱动单元400中各音圈电机的定子均固定在第四连接元件500e上。第三直线电机500a的动子与第四直线电机500b的动子沿Y轴方向同步运动时，驱动第一驱动单元200、第二驱动单元300、第三驱动单元400与第一定位单元100一起沿Y轴直线运动。第五音圈电机500c与第六音圈电机500d的电流方向相反，产生的沿X轴方向的推力大小相等、方向相反，因此整体定位装置受到的沿X轴方向推力合力为零，约束了整体定位装置沿X轴方向运动自由度。第一定位单元在各驱动单元的驱动作用下，实现了六自由度运动。

图19为第四驱动单元500方案二结构示意图(轴测图)，包括第五直线电机700a、第六直线电机700b、第七音圈电机700c、第八音圈电机700d、第四连接元件500e。

图20为第五直线电机700a截面剖视图，第五直线电机700a包括第六线圈组件710、第九永磁体组件720、第十永磁体组件730。第九永磁体组件720包括第九铁轭721、主永磁体与附永磁体，第十永磁体组件730包括第十铁轭731、主永磁体与附永磁体，各永磁体组件中的主永磁体与附永磁体沿Y轴方向固定在一起，形成沿Y轴方向的阵列形式。第九永磁体组件720中各主永磁体与附永磁体固定于第九铁轭721的表面721a上，第十永磁体组件730中各主永磁体与附永磁体固定于第十铁轭731的表面731a上。第九永磁体组件720与第十永磁体组件730中各主永磁体的充磁方向沿Z轴方向，各附永磁体的充磁方向沿Y轴方向，形成Halbach永磁阵列形式，且两个永磁体组件间形成封闭磁场。

第六线圈组件710位于第九永磁体组件720与第十永磁体组件730之间，且留有间隙。第六线圈组件710包括三个线圈，每个线圈的绕线平面在与Y轴垂直的同一平面，并沿Y轴方向固定在一起。各线圈的有效线圈部分711a、711b、712a、712b、713a、713b的导线方向沿X轴方向，磁场方向垂直穿过第六线圈组件710的有效部分线圈表面。第五直线电机700a的动子为第六线圈组件710，通电时产生的洛仑兹力驱动第六线圈组件710沿Y轴方向移动。第五直线电机700a结构中采用上、下两个永磁体组件，因此与第三直线电机500a结构相比，第五直线电机700a增大了沿Y轴方向推力。

图21为第七音圈电机700c截面剖视图。第七音圈电机700c包括第七线圈组件770、第十一永磁体组件780、第十二永磁体组件790。第十一永磁体组件780包括第十七主永磁体781、第十八主永磁体782、第十一铁轭783。第十七主永磁体781的充磁方向沿Z轴负方向，第十八主永磁体782的充磁方向沿Z轴正方向，该两个主永磁体粘接固定在第十一铁轭783的表面783a上。第十二永磁体组件790包括第十九主永磁体791、第二十主永磁体792、第十二铁轭793。第十九主永磁体791的充磁方向沿Z轴负方向，第二十主永磁体792的充磁方向沿Z轴正方向，该两个主永磁体粘接固定在第十二铁轭793的表面793a上。第十七主永磁体781的N极面与第十九主永磁体791的S极面正面相对，第十八主永磁体782的S极面与第二十主永磁体792的N极面正面相对。在第十一永磁体组件780与第十二永磁体组件790之间形成封闭磁场。

第六直线电机700b与第五直线电机700a的结构相同，包括第六线圈组件710、第九永磁体组件720、第十永磁体组件730。第五直线电机700a的动子与第六直线电机700b的动子运动在同一平面，且运动方向沿Y轴方向。

第七音圈电机700c的动子为第七线圈组件770，第七线圈组件770位于第十一永磁体组件780与第十二永磁体组件790之间，且留有间隙。第七线圈组件770的线圈绕线平面与Z轴方向垂直，其中有效线圈部分770a位于第十七主永磁体781与第十九主永磁体791之间，其导线方向沿Y轴方向，有效线圈部分770b位于第十八主永磁体782与第二十主永磁体792之间，其导线方向沿Y轴方向。通电时，线圈中电流方向与线圈有效部分所在区域的磁场方向垂直，因此将产生洛仑兹力。洛仑兹力方向、通电线圈电流方向与磁感应强度方向相互垂直，使第七线圈组件770在洛仑兹力作用下实现沿X轴方向运动。第七音圈电机700c结构中采用上、下两个永磁体组件，因此与第五音圈电机500c结构相比，第七音圈电机700c增大了沿X轴方向推力。

第八音圈电机700d与第七音圈电机700c的结构相同，包括第七线圈组件770、第十一永磁体组件780、第十二永磁体组件790。第七音圈电机700c的动子与第八音圈电机700d的动子运动在同一平面，且运动方向沿X轴方向。

第五直线电机700a的动子与第七音圈电机700c的动子固定在一起，第六直线电机700b的动子与第八音圈电机700d的动子固定在一起，第七音圈电机700c的动子与第八音圈电机700d的动子通过第四连接元件500e固定在一起。第一驱动单元200中各直线电机的定子、第二驱动单元300中各音圈电机的定子和第三驱动单元400中各音圈电机的定子均固定在第四连接元件500e上。第五直线电机700a的动子与第六直线电机700b的动子沿Y轴方向同步运动时，驱动第一定位单元100、第一驱动单元200、第二驱动单元300和第三驱动单元400一起沿Y轴运动。第七音圈电机700c中的第七线圈组件770与第八音圈电机中的第七线圈组件770的电流方向相反，产生的沿X轴方向的推力大小相等、方向相反，因此整体定位装置受到的沿X轴方向推力合力为零，约束了整体定位装置沿X轴方向运动自由度。第一定位单元在各驱动单元的驱动作用下，实现了六自由度运动。

Claims (5)

1.一种六自由度定位装置，其特征在于：所述定位装置包括一个定位单元、两个沿X轴运动的直线电机、一个沿Y轴运动的音圈电机、三个沿Z轴运动的音圈电机、两个沿Y轴运动的直线电机、两个沿X轴微动的音圈电机和四个连接元件；

所述定位单元有三个矩形截面通孔，该三个通孔的轴线沿X轴方向且位于同一平面内，第一通孔与第三通孔大小相等且对称布置在第二通孔两侧；

所述定位装置中，两个沿X轴运动的直线电机的永磁体组件分别固定于第一通孔与第三通孔内，线圈组件分别穿过第一通孔与第三通孔；沿Y轴运动的音圈电机的上下永磁体组件分别固定于第二通孔的上下两个表面；沿Z轴运动的三个音圈电机的永磁体组件分别通过各自的连接元件固定于定位单元下表面，且在下表面中三个固定位置成三角形布置；两个沿Y轴运动的直线电机对称布置在沿X轴运动的直线电机两端；两个沿X轴运动的音圈电机对称布置在沿X轴运动的直线电机两端，且该两个音圈电机的线圈组件分别与同一侧直线电机的线圈组件固定在一起，同时该两个音圈电机的线圈组件通过第四连接元件固定在一起；两个沿X轴运动的直线电机的线圈组件、沿Y轴运动的音圈电机的线圈组件、三个沿Z轴运动的音圈电机的线圈组件均固定于第四连接元件上；

沿Y轴运动的音圈电机的线圈组件中与X轴平行部分的线圈沿X轴方向的长度，大于等于永磁体组件沿X轴方向长度与永磁体组件沿X轴方向移动距离之和；

沿Z轴方向微动的三个音圈电机结构相同，每个音圈电机包括左右永磁体组件和设置在左右两个永磁体组件之间的一个线圈组件；每个音圈电机的线圈组件中与X轴平行部分的线圈沿X轴方向的长度，大于等于永磁体组件沿X轴方向长度与永磁体组件沿X轴方向移动距离之和。

2.如权利要求1中所述一种六自由度定位装置，其特征在于：沿Y轴运动的音圈电机包括上下两个永磁体组件和设置在上下两个永磁体组件之间的一个线圈组件，上下两个永磁体组件为音圈电机的动子，该音圈电机中每个永磁体组件包括主永磁体、附永磁体和铁轭，每个永磁体组件以常规阵列形式布置。

3.如权利要求1中所述一种六自由度定位装置，其特征在于：沿X轴运动的两个直线电机结构相同，每个直线电机包括两个永磁体组件和设置在两个永磁体组件之间的线圈组件；每个永磁体组件包括主永磁体、附永磁体和铁轭，并以Halbach阵列形式布置，各永磁体组件之间形成封闭磁场；封闭磁场垂直穿过线圈组件有效表面，电流方向与磁场方向垂直，产生洛仑兹力驱动各永磁体组件沿X方向移动。

4.如权利要求1中所述一种六自由度定位装置，其特征在于：两个沿Y轴运动的直线电机结构相同，每个直线电机包括沿动子运动平面绕制的线圈组件和位于该线圈组件上方的一个永磁体组件或分别位于上下方的两个永磁体组件；各永磁体组件包括主永磁体、附永磁体和铁轭，以Halbach阵列形式布置。

5.如权利要求1中所述一种六自由度定位装置，其特征在于：两个沿X轴微动的音圈电机结构相同，包括包括由绕动子运动平面绕制的线圈组件和位于该线圈组件上方的一个永磁体组件或分别位于上下方的两个永磁体组件；各永磁体组件包括主永磁体和铁轭并以常规阵列形式布置。

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