CN105141106A - 一种三自由度的运动工作台 - Google Patents

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Abstract

一种三自由度的运动工作台，主要应用于半导体光刻设备中。本发明含有一个动子、一个定子和一套位置测量系统，定子包含有一个基台、一个盖板和一组线圈阵列；一组线圈阵列设置在基台凹槽内，盖板设置在线圈阵列上部；动子包含有一磁性流体；所述的磁性流体设置在盖板的上表面，在线圈阵列产生的变化的磁场中在盖板上表面沿X方向、Y方向和θz方向做平面三自由运动；盖板上表面做表面疏水处理；所述的一套位置测量系统设置在动子的正上方。磁性流体作为动子可任意聚合或分散，承载物体时还可变换形状增大抓取的摩擦力，具有动子轻巧、灵活多变，结构简单等优点。

Description

一种三自由度的运动工作台
技术领域
本发明涉及一种三自由度的运动工作台，尤其涉及一种平面三自由度运动平台。
背景技术
磁性流体研究起源于20世纪50年代，美国的Papell在1963年获得第一个磁性流体制备专利，并于1965年在NASA航天产品的密封中获得成功应用，从而引发了对这种新型材料的研究开发和应用，并不断地取得新的进展，逐渐从实验室迈向实用化。从近些年召开的磁性流体国际会议情况来看，研究主要集中在磁性流体的制备和保存，磁性流体的流体力学、热力学、磁光效应、磁性流体的实用技术等方面。
磁性流体是借助于表面活性剂的作用，将纳米级(10纳米左右)的磁性粒子包裹一层长链的表面活性剂，均匀分散在基液中而形成的稳定胶体溶液，在重力场或强磁场作用下仍能够保持长期稳定。一般常用的有Fe2O3、Fe3O4、Ni、Co等作为磁性颗粒，以水、有机溶剂、油等作为基液，以油酸等作为活性剂防止团聚。由于磁流体具有液体的流动性和固体的磁性，使得磁流体呈现出许多特殊的磁、光、电现象，如法拉第效应、双折射效应和线二向色性等。这些性质在光调制、光开关、光隔离器和传感器等领域有着重要的应用前景，被认为是材料科学领域最具有发展潜力的新型智能材料。
磁流体力学是结合经典流体力学和电动力学的方法，研究导电流体和磁场相互作用的学科，它包括磁流体静力学和磁流体动力学两个分支。
磁浮直线电机和平面电机直接使用电磁力驱动动子悬浮与运动，能够实现大行程高精度运动，因而在集成电路制造领域有着广泛的应用，二(而)磁浮平面电机直接驱动单一动子做水平面内三自由度运动，避免了直线电机串联叠层结构，能够降低运动台质量。
平面电机从结构上有两种不同形式：动圈式平面电机和动铁式平面电机。对动圈式平面电机而言，由于需要给运动中的线圈提供电源及冷却系统，即需要有电缆与动子衔接，这给结构设计及电机的工作带来很大的不便，同时也会增加线缆对动子的运动干扰；而动铁式平面电机的动子为磁钢阵列，虽然没有线缆干扰，但自身质量很重，不够灵活，对于载重较轻的待载物来说，动子过大过重会带来很多不必要的麻烦。
发明内容
本发明旨在提供一种三自由度的运动工作台，使其具有动子轻巧，结构灵活可变，可运输多种材质物体等特点。
本发明的技术方案如下：
一种三自由度的运动工作台，含有动子、定子和位置测量系统，所述的定子包含有一个基台、一个盖板和一组线圈阵列；所述的线圈阵列设置在基台的凹槽内，盖板设置在线圈阵列上部；所述的位置测量系统设置在动子的上方，其特征在于：所述的动子包括至少一个磁性流体单元；所述的磁性流体单元设置在经表面疏水处理的盖板的上表面，所述的磁性流体单元相对于盖板沿X方向、Y方向和θz方向做平面三自由运动。
本发明所述的一种三自由度的运动工作台，其特征在于：所述的线圈阵列采用的线圈采用无铁心线圈，或采用带铁心线圈；所述的线圈阵列采用方形线圈组成，或采用圆柱型线圈组成，或采用叠层印刷PCB电路线圈组成。
本发明所述的线圈阵列中，线圈的排列方式有以下几种，第一种排列方式由线圈分别沿水平面内的X方向和沿Y方向线性阵列，布满所述基台的凹槽内；第二种排列方式由线圈分别沿水平面内的X方向和沿Y方向线性相间错列排列成方形或矩形阵列；第三种排列方式是由线圈沿不同半径的圆周向排列呈圆形阵列；第四种排列方式是由两个彼此正交的线圈沿水平面内的X方向和沿Y方向线性相间排列。
本发明具有以下优点及突出性的技术效果：避免了传统的动铁式磁悬浮平面电机的磁钢阵列的尺寸大、重量大和加工制造困难的缺点；另外，磁性流体作为动子可任意聚合或分散，当磁性流体聚合时，可承载较重的物质；当磁性流体分散时，可各自在磁场范围内分别进行不同的运动；承载物体时还可变换形状增大抓取的摩擦力，具有结构轻巧、灵活多变，结构简单等优点，采用机器视觉系统，具有较高的位移分辨率。
附图说明
图1为发明提供的一种三自由度的运动工作台的三维结构图。
图2a、2b、2c、2d为本发明提供的拆去盖板的线圈阵列的三维结构图。
图3a、3b、3c为本发明的第一种实施例的工作过程示意图。
图4a、4b、4c为本发明的第二种实施例的工作过程示意图。
图中：1－基台；3－盖板；4－磁性流体单元；5－位置测量系统；7－线圈阵列；8-第一磁性流体单元；9-第二磁性流体单元；10-第一线圈；11-第二线圈；12-第三线圈；13-第四线圈；14-第五线圈；15-第六线圈；21-线圈一；22-线圈二；23-线圈三。
具体实施方式
图1为本发明提供的一种三自由度的运动工作台的三维结构图。含有一个动子、一个定子和一套位置测量系统5，所述的定子包含有一个基台1、一个盖板3和线圈阵列7；所述的线圈阵列7设置在基台1凹槽内，盖板3设置在线圈阵列7的上部；所述的线圈阵列7由单组线圈分别沿X方向和沿Y方向线性阵列，布满基台1的凹槽内。
所述的线圈阵列7采用的线圈可采用无铁心线圈，也可采用带铁心线圈来提高磁场强度；所述的线圈阵列7采用方形线圈组成，或采用圆柱型线圈组成，或采用叠层印刷PCB电路线圈组成，如图2(a)所示的是采用长方形线圈组成的线圈阵列的实施例。
所述的线圈阵列方式除了上述的由单组线圈分别沿X方向和沿Y方向线性阵列，如图2(a)所示；另外，第二种排列方式由线圈沿X方向和沿Y方向线性相间错列排列成方形或矩形阵列，如图2(b)所示；第三种排列方式由线圈沿不同半径的圆周方向排列，呈圆形阵列，如图2(c)所示；第四种排列方式是由两个彼此正交的线圈沿水平面内的X方向和沿Y方向线性相间排列，如图2(d)所示，线圈一21和线圈二22彼此正交。
所述的动子包含有一个或多个磁性流体单元4；所述的磁性流体单元4设置在盖板3的上表面，该磁性流体单元4可在线圈阵列7产生的变化的磁场中，在盖板3上表面沿X方向、Y方向和θz方向做平面三自由运动；所述的盖板3上表面做表面疏水处理，以减少摩擦；所述的一套位置测量系统5设置在动子的正上方，对动子的位置做实时位置测量。
所述的线圈阵列7采用方形线圈组成，或采用圆柱型线圈组成，或采用叠层印刷PCB电路线圈组成，如图2所示的是采用长方形线圈组成的线圈阵列的实施例。
图3为本发明的一种三自由度的运动工作台的一种实施例的工作过程一示意图，本发明的一种三自由度的运动工作台的工作原理为：磁性流体单元4可看成由多个闭合环组成，当通电线圈的磁场穿过那些闭合环的磁通量增大时，磁性流体单元4就会受排斥力；当通电线圈的磁场穿过那些闭合环的磁通量减小时，磁性流体单元4就会受吸引力。图中线圈中“⊙”表示所通电流方向垂直纸面朝外，线圈中表示所通电流方向垂直纸面朝里；字母“S”和“N”分别表示线圈通电后所产生的磁场的南极和北极，所示的细箭头为磁力线的方向；
当第三线圈12和第四线圈13分别通沿图3(a)中所示方向的电流时，根据电磁感应相关定律，第三线圈12和第四线圈13就会产生磁场，其本身就相当于一块磁铁，第三线圈12的极性为上表面为“S”，下表面为N，相同的第四线圈13的极性也为上表面为“S”，下表面为“N”，如图3(a)中所示，磁性流体单元4在该磁场作用下被磁化，在水平方向上，靠近第三线圈12和第四线圈13一端其磁极为“N”，远离第三线圈12和第四线圈13一端其磁极为“S”；当线圈中的电流发生变化时，磁性流体单元4可在水平方向向第三线圈12和第四线圈13靠近运动；
当第三线圈12断电，第一线圈10、第二线圈11、第四线圈13和第五线圈14分别通上如图3(b)所示的方向电流时，根据电磁感应相关定律，第一线圈10和第二线圈11的极性相同，为上表面为“S”，下表面为“N”，第四线圈13和第五线圈14的极性相同，为上表面为“N”，下表面为“S”；磁性流体单元4被极化为左“N”右“S”,当线圈中的电流发生变化时，磁性流体单元4受到影响，开始出现一分为二的趋势，分别向左右两边分开，磁性流体单元4左侧受到第一线圈10和第二线圈11的吸引，磁性流体单元4右侧受到第四线圈13和第五线圈14的吸引，逐渐分离，最终磁性流体单元4被彻底分为两部分，即第一磁性流体单元8和第二磁性流体单元9，如图3(c)所示，分开后的第一磁性流体单元8和第二磁性流体单元9可分别在定子表面进行相互独立的运动。
图4为本发明的一种三自由度的运动工作台的一种实施例的工作过程二的示意图。第二线圈11和第五线圈14分别通上如图4(a)所示的方向电流时，根据电磁感应相关定律，第二线圈11的极性为上表面为“S”，下表面为“N”，第五线圈14的极性为上表面为“N”，下表面为“S”；第一磁性流体单元8受到第二线圈11产生的磁场影响并向其靠近，即向右运动；相同的，第二磁性流体单元9受到第五线圈14产生的磁场影响并向其靠近，即向左运动；
随后，当第二线圈11和第五线圈14分别断电，第三线圈12和第四线圈13分别通上如图4(b)所示的方向电流时，根据电磁感应相关定律，第三线圈12的极性为上表面为“S”，下表面为“N”，第四线圈13的极性为上表面为“N”，下表面为“S”；第一磁性流体单元8受到第三线圈12吸引继续向第三线圈12靠近，即向右运动；而第二磁性流体单元9受到第四线圈13的吸引，继续向第四线圈13靠近，即向左运动，第一磁性流体单元8和第二磁性流体单元9继续靠近，直至接触、最后聚合在一起，如图4(c)中所示；
本发明的特点就是可以分别控制分散的磁性流体的部分做不同的运动；同样的，分散的各块磁性流体也可以重新汇集成一整块，在磁场中运动；因此，本发明的这种三自由度的运动工作台具有动子轻巧、灵活机动的显著优点。

Claims (7)

1.一种三自由度的运动工作台，含有动子、定子和位置测量系统(5)，所述的定子含有一个基台(1)、一个盖板(3)和一组线圈阵列(7)；所述的线圈阵列(7)设置在基台的凹槽内，盖板(3)设置在线圈阵列(7)上部；所述的位置测量系统(5)设置在动子的上方，其特征在于：所述的动子包括至少一个磁性流体单元(4)；该磁性流体单元(4)设置在盖板(3)的上表面，所述盖板的上表面是经过疏水处理的；所述的磁性流体单元(4)相对于盖板(3)沿X方向、Y方向和θz方向做平面三自由运动。
2.如权利要求1所述的一种三自由度的运动工作台，其特征在于：所述的线圈阵列(7)中的线圈采用无铁心线圈或带铁心线圈。
3.如权利要求1或2所述的一种三自由度的运动工作台，其特征在于：所述的线圈阵列(7)由方形线圈、圆柱型线圈或叠层印刷PCB电路线圈组成。
4.如权利要求1或2所述的一种三自由度的运动工作台，其特征在于：所述线圈阵列(7)是由线圈分别沿水平面内的X方向和沿Y方向线性阵列，并布满所述基台(1)的凹槽内。
5.如权利要求1或2所述的一种三自由度的运动工作台，其特征在于：所述线圈阵列(7)是由线圈分别沿水平面内的X方向和沿Y方向线性相间错列排列成方形。
6.如权利要求1或2所述的一种三自由度的运动工作台，其特征在于：所述线圈阵列(7)是由线圈沿不同半径的圆周方向排列成圆形阵列。
7.如权利要求1或2所述的一种三自由度的运动工作台，其特征在于：所述线圈阵列(7)是由两个彼此正交的线圈沿水平面内的X方向和沿Y方向线性相间排列。
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