CN102681364A - 一种六自由度磁浮微动台 - Google Patents

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本发明涉及一种六自由度磁浮微动台，包括布置在微动台动子基板的两自由度电磁力驱动单元，驱动微动台实现X、Y、Z、θx、θy、θz6个自由度的运动。每个两自由度电磁力驱动单元包括粘接永磁体、竖直向、水平环绕线圈，粘接永磁体由三块磁化方向不同的永磁体粘接而成，固定在正方形托盘底部；竖直向线圈提供垂向力，水平环绕线圈提供水平力，二者都固定在定子上。本发明线圈部分磁通密度大，磁感线方向、电流方向、目标推力方向相互正交，使其在单位电流下获得较大推力，由电磁力直接驱动，不存在机械摩擦，具有较高的位移分辨率，而且结构简单、紧凑，易于安装调试，可用于在微米行程实现纳米级定位的超精密加工和半导体制造中。

Description

一种六自由度磁浮微动台
技术领域
本发明属于超精密加工和半导体制造领域，具体涉及一种六自由度磁浮微动台。
背景技术
高精度、高响应的微动台是超精密加工和半导体制造装备的核心部件之一，在现代制造技术中具有极其重要的地位。在超精密加工机床中，超精密微动台用于对进给系统进行误差补偿，实现精密定位；在大规模集成电路制造中，超精密微动台用于光刻设备中进行微定位和微进给；此外，超精密微动台还被广泛应用于MEMS系统加工、封装及装配，光纤对接，以及原子力显微镜等领域中。
由于目前超精密加工设备的运动机构大多采用粗精叠层结构，微动台安装在粗动台动子之上，用于对粗动台进行精度补偿，微动台的定位精度决定了整体系统的运动精度，运动速度决定了设备的生产效率。因此，美欧率先开展了针对微动台部分的研究，并已应用于光刻机等领域。
现阶段纳米级微动台的研究，大体上可以分为三类：伺服电机通过滚珠丝杠传动/直线导轨支撑微动台；压电陶瓷驱动/柔性铰链支撑导向微动台；以及音圈电机或变磁阻电机驱动/气浮或磁浮支撑微动台。前两种微动台由于系统存在摩擦阻尼非线性等因素影响，定位精度和适用范围有限。而第三种微动台通常采用单自由度驱动单元，在实现多自由度运动定位时使得结构复杂，动子质量大；目前采用多自由度驱动单元的微动台，例如TAMU的Kim教授的Y型微动台和OSU的孟家祥教授的光盘微动台，都存在磁场利用率低，发热大等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种六自由度磁浮微动台，可用于超精密加工和半导体制造中补偿大行程运动机构的定位误差；由四组两自由度电磁力驱动单元驱动，具有结构简单、紧凑，易于安装调试，无机械摩擦，位移分辨率高等优点；而且其单位电流推力大，可减小线圈匝数和电感，加之微动台动子惯量小，可以获得较高的响应速度。
本发明的技术方案如下：一种六自由度磁浮微动台，其特征在于，它包括微动台动子基板和至少三个两自由度电磁力驱动单元，每组两自由度电磁力驱动单元包含1个粘接永磁体、1个水平环绕线圈和1个竖直向线圈，粘接永磁体固定在动子基板上，水平环绕线圈和竖直向线圈固定在定子基座上；所有水平环绕线圈综合实现微动台动子在水平面内X、Y、θz三个自由度的运动，所有竖直向线圈综合实现微动台动子的悬浮和Z、θx、θy三个自由度的运动；
所述两自由度电磁力驱动单元在微动台动子基板上布置形式为：在以微动台动子基板几何中心为圆心的一个圆上等角度间隔布置，并使粘接永磁体粘接面方向垂直或平行于微动台动子基板几何中心到粘接永磁体的连线或粘接永磁体粘接面方向与微动台动子基板几何中心到粘接永磁体的连线方向呈一个同向同大小的旋转角度。
本发明所述磁浮微动台的优点在于：整个微动台结构简单、紧凑，方便安装调试，不存在机械摩擦，具有较高位移分辨率；利用三块不同极化方向磁体的粘接，形成底部加强，两侧相反的磁感线分布，有效提高了线圈单位电流下的推力，为减小线圈匝数和电感带来可能；微动台动子质量轻，响应速度快，而且具有较高固有频率；线圈布置在底部定子上，有足够空间实现水冷散热。
附图说明
图1为本发明实例提供的一种六自由度磁浮微动台的三维结构图。
图2为本发明实例的磁浮微动台的爆炸视图。
图3为本发明实例的两自由度电磁力驱动单元结构剖视图。
图4为本发明实例的磁浮微动台实现X方向运动的原理图。
图5为本发明实例的磁浮微动台实现Y方向运动的原理图。
图6为本发明实例的磁浮微动台实现绕Z转动的原理图。
图7为本发明实例的磁浮微动台实现Z方向运动的原理图。
图8为本发明实例的磁浮微动台实现绕X转动的原理图。
图9为本发明实例的磁浮微动台实现绕Y转动的原理图。
图中：1－微动台动子基板；2－粘接永磁体；3－水平环绕线圈；4－竖直向线圈；5－微动台定子基座；6－+Z向磁化的永磁体；7－+X向磁化的永磁体；8－-Z向磁化的永磁体；9－Y向驱动水平环绕线圈；10－X向驱动水平环绕线圈；11－X向粘接永磁体；12－Y向粘接永磁体。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明是以动子基板为正方形为例予以说明的。
如图1和图2所示，本发明实例提供的一种六自由度磁浮微动台包括四组布置在动子基板1的四个角的两自由度电磁力驱动单元，每组两自由度电磁力驱动单元包含1个粘接永磁体2、1个水平环绕线圈3和1个竖直向线圈4。粘接永磁体由两块竖直相反方向磁化的永磁体，夹一块水平方向磁化的永磁体构成，两线圈固定在定子基座5上，其中水平环绕线圈3提供单方向的水平推力，竖直向线圈4提供垂向支撑力，两自由度电磁力驱动单元中粘接永磁体正下方磁场加强，使竖直向线圈对动子提供更大推力，所述粘接永磁体两侧面磁感线方向相反，使水平环绕线圈两对边产生同向推力。
粘接永磁体2在微动台动子基板1上的布置形式为对角线上的两块粘接面方向一致，边上相邻的两块粘接面方向垂直，使四组水平环绕线圈中对角线上的两个提供X或Y轴线方向同向或反向驱动力，保证了质心驱动，实现动子X、Y单向运动或θz旋转。所述每组竖直向线圈可通过改变每个线圈电流大小来改变四角的磁浮支撑力，实现Z、θx、θy3个自由度的运动。
如图3所示，粘接永磁体2由两块竖直相反方向磁化的永磁体，夹一块水平方向磁化的永磁体构成，这种排布使得其顶部磁场削弱，底部磁场增强，平行于粘接方向的两侧面磁场方向相反。竖直向线圈4上侧电流方向与磁感线方向正交，受到较强向下作用力，而下侧由于磁场急剧衰减而受力较小，因此整体体现为提供给粘接永磁体2一个向上的力，实现动子悬浮和垂向位移。水平环绕线圈3左右两侧电流方向相反，在粘接永磁体2两侧磁场作用下，两侧受力方向相同，体现为给粘接永磁体2一个X方向的力，实现动子水平面的单向运动。
如图4至图6所示，微动台在四个水平环绕线圈3作用下实现X、Y、θz3个自由度的运动。Y向粘接永磁体12周围的X向驱动水平环绕线圈10提供X向推力，当对角线上两个X向驱动水平环绕线圈10通同向电流时，产生同向洛伦兹力，实现动子X方向运动。X向粘接永磁体11周围的Y向驱动水平环绕线圈9提供Y向推力，当对角线上两个Y向驱动水平环绕线圈9通同向电流时，产生同向洛伦兹力，实现动子Y方向运动。对角线上两个Y向驱动水平环绕线圈9通反向电流，或两个X向驱动水平环绕线圈10通反向电流时，驱动单元产生两个相反方向洛伦茨力，从而实现动子绕Z轴转动。
如图7至图9所示，微动台在四个竖直向线圈4作用下实现Z、θx、θy3个自由度的运动。竖直向线圈4平面与粘接永磁体2的粘接平面平行布置，使粘接永磁体2下方的磁场增强区域作用在竖直向线圈4上侧边，获得较大的Z向推力。当各竖直向线圈4产生的Z向推力大小一致时，可实现微动台动子沿Z方向运动。当平行于X轴一侧布置的两个竖直向线圈4通较大电流，而另一侧两个竖直向线圈4通较小电流，可驱动动子产生绕X轴力矩，从而实现微动台动子绕X轴转动。当平行于Y轴一侧布置的两个竖直向线圈4通较大电流，而另一侧两个竖直向线圈4通较小电流，可驱动动子产生绕Y轴力矩，从而实现微动台动子绕Y轴转动。
实际安装时，竖直向线圈4是先安装到定子的竖直槽里的，然后水平环绕线圈3安装到定子上的4个小凸台上，然后让定子的4个粘接永磁体2扣到水平环绕线圈3的中空部分，并微调粘接永磁体2的初始位置，使其 在线性度较好的小范围微运动。
上述结构可做变化的地方在：粘接永磁体中每个块形状和数量，例如中间水平方向磁化的永磁体替换为两块呈相互垂直的45°磁化的永磁体；粘接永磁体可以配合十字形，Y型，三角形等多种外形的动子基板布置，等等。
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 (10)

1.一种六自由度磁浮微动台，其特征在于，它包括微动台动子基板和至少三个两自由度电磁力驱动单元，每组两自由度电磁力驱动单元包含1个粘接永磁体、1个水平环绕线圈和1个竖直向线圈，粘接永磁体固定在动子基板上，水平环绕线圈和竖直向线圈固定在定子基座上；所有水平环绕线圈综合实现微动台动子在水平面内X、Y、θz三个自由度的运动，所有竖直向线圈综合实现微动台动子的悬浮和Z、θx、θy三个自由度的运动；
所述两自由度电磁力驱动单元在微动台动子基板（1）上布置形式为：在以微动台动子基板（1）几何中心为圆心的一个圆上等角度间隔布置，并使粘接永磁体（2）粘接面方向垂直或平行于微动台动子基板（1）几何中心到粘接永磁体（2）的连线，或粘接永磁体（2）粘接面方向与微动台动子基板（1）几何中心到粘接永磁体（2）的连线方向呈一个同向同大小的旋转角度。
2.按照权利要求1所述的一种六自由度磁浮微动台，其特征在于：微动台动子基板（1）采用正方形，四组所述两自由度电磁力驱动单元布置在动子基板的四个角。
3.按照权利要求1或2所述的一种六自由度磁浮微动台，其特征在于：所述单个粘接永磁体由两块竖直相反方向磁化的永磁体，夹一块水平方向磁化的永磁体粘接而成。
4.按照权利要求3所述的一种六自由度磁浮微动台，其特征在于：所述三块永磁体形状是三个长方体，或者两个梯形柱和一个三角形柱。
5.按照权利要求1或2所述的一种六自由度磁浮微动台，其特征在于：所述4个粘接永磁体在微动台动子基板上的布置形式为对角线上的两个粘接永磁体粘接面方向一致，边上相邻的两块粘接面方向垂直；竖直向线圈环面与粘接永磁体粘接面方向平行。
6.按照权利要求4所述的一种六自由度磁浮微动台，其特征在于：所述4个粘接永磁体在微动台动子基板上的布置形式为对角线上的两个粘接永磁体粘接面方向一致，边上相邻的两块粘接面方向垂直；竖直向线圈环面与粘接永磁体粘接面方向平行。
7.按照权利要求6所述的一种六自由度磁浮微动台，其特征在于：单个水平环绕线圈仅能提供X向或Y向驱动力，定子对角线上的两个水平环绕线圈改变电流方向能够提供同向或反向驱动力，实现动子水平面单向运动或旋转。
8.按照权利要求7所述的一种六自由度磁浮微动台，其特征在于：竖直向线圈能够通过改变每个线圈电流大小，改变四角磁浮支撑力的大小，实现Z、θx、θy3个自由度的运动。
9.按照权利要求1所述的一种六自由度磁浮微动台，其特征在于：所述单个粘接永磁体由两块竖直相反方向磁化的永磁体，夹两块呈相互垂直的45°磁化的永磁体粘接而成。
10.按照权利要求1所述的一种六自由度磁浮微动台，其特征在于：所述微动台动子基板（1）为十字形、Y型或三角形形式，配合4组或3组两自由度电磁力驱动单元实现六自由度运动。
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