CN105281530A - 具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机，所述音圈电机自内向外依次包括：一内背铁、内磁铁阵列、线圈、外磁铁阵列以及外背铁；所述内背铁外侧与内磁铁阵列固定；所述线圈包括上端线圈和下端线圈，所述上端线圈和下端线圈通过一不导磁结构件连接，所述不导磁结构件内置重力补偿磁铁；所述重力补偿磁铁为1个以上，均匀的分布在所述不导磁结构件上。

Description

具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机。

背景技术

基于安培力原理制造的音圈电机结构简单、维护方便、可靠性高、能量转换效率高，具有固定行程和直接驱动特性以及平滑的输出特性和线性控制等特点，而且电气与机械时间常数低，推力/质量比高，无齿槽效应，不需要换向，理论上有无限的位置灵敏度。基于上述特性，音圈电机十分适用于要求快速、高精度定位的光刻机精密定位单元。通常用于光刻机刻蚀调焦系统中，作为光头调焦的执行机构使用，以提高刻蚀精度。

圆筒型音圈电机属音圈电机的一种，因其结构紧凑，出力/体积比大等特点，被广泛应用在光刻机中的短行程微动单元。

图1是专利CN201110146360.9所描述的具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机电磁结构，主要包括呈圆筒型的内环背铁101，圆筒型内环磁铁N/S102和磁铁H103，线圈104和处在两个线圈之间的重力补偿磁铁105，外环磁铁N/S106和外环磁铁H107，以及外环背铁108。

该技术方案中，将重力补偿磁铁与线圈直接接触的方式固定在一起。但在实际应用中，由于磁铁较脆，磁铁不能够作为结构件，因此该结构具有可靠性差的缺点。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机，所述音圈电机自内向外依次包括：一内背铁、内磁铁阵列、线圈、外磁铁阵列以及外背铁；所述内背铁外侧与内磁铁阵列固定；所述线圈包括上端线圈和下端线圈，所述上端线圈和下端线圈通过一不导磁结构件连接，所述不导磁结构件内置重力补偿磁铁；所述重力补偿磁铁为1个以上，均匀的分布在所述不导磁结构件上。

更进一步地，所述内背铁的Z向长度大于所述内磁铁阵列的Z向长度；所述外背铁的Z向长度大于所述外磁铁阵列的Z向长度。

更进一步地，所述内背铁和所述内磁铁阵列被第一磁铁分割为上下两部分；所述外磁铁阵列被第二磁铁分割为上下两部分。

更进一步地，所述内磁铁阵列的上部分和下部分充磁方向相反，所述重力补偿磁铁的充磁方向与所述内磁铁阵列的下部分相同，所述外磁铁阵列的上部分与所述内磁铁阵列的上部分相同，所述外磁铁阵列的下部分与所述内磁铁阵列的下部分相同；所述第一磁铁的充磁方向与所述第二磁铁的充磁方向相反。

更进一步地，所述内磁铁阵列的X向宽度大于所述外磁铁阵列的X向宽度。

更进一步地，所述圆筒型音圈电机与平板型音圈电机组成一磁浮微动平台，所述圆筒型音圈电机与平板型音圈电机的数量相等且沿一圆形对称分布，每一圆筒型音圈电机均与两个平板型音圈电机相邻。

更进一步地，所述圆筒型音圈电机与平板型音圈电机组成一磁浮微动平台时，所述平板型音圈电机的纵向中心线指向所述电机阵列的中心。

更进一步地，所述圆筒型音圈电机与平板型音圈电机组成一磁浮微动平台时，所述平板型音圈电机的纵向中心之间所呈的角度应为360°/n，n为平板平板型音圈电机的数量。

与现有技术相比较，本发明所提供的圆筒型音圈电机具有良好的重力补偿功能，具有更佳的可靠性，且能提供更好的出力/体积比。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是现有技术中所使用的具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机电磁结构示意图；

图2是本发明所涉及的具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机的剖示图；

图3是本发明所涉及的具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机分解视图；

图4是本发明所涉及的具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机剖面图及磁铁充磁方向示意之一；

图5是本发明所涉及的具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机剖面图及磁铁充磁方向示意之二；

图6是本发明所涉及的具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机阵列分布方式示意图之一；

图7是本发明所涉及的具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机阵列分布方式示意图之二；

图8是本发明所涉及的具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机阵列分布方式示意图之三。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的一种具体实施例的具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。此外，在以下描述中所使用的“X向”一词主要指与水平向平行的方向；“Y向”一词主要指与水平向平行，且与X向垂直的方向；“Z向”一词主要指与水平向垂直，且与X、Y向均垂直的方向。

图2是是本发明所涉及的具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机的剖视图。图2中301是内环磁铁阵列的背铁，302是内环磁铁阵列，303是外环磁铁阵列，304是外环磁铁阵列的背铁。305是线圈，306是重力补偿磁铁，307是用于固定重力补偿磁铁的不导磁结构件，同时用于连接两个线圈。

图3是具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机分解视图。图中401是外环背铁；402是外环背铁相连的磁铁阵列；403是线圈；404是重力补偿磁铁；405是用于固定并连接两个线圈的非导磁结构件；406是内环磁铁阵列；407是内环背铁。图中示意了4个重力补偿磁铁的固定方式，即在非导磁件上加工瓦形槽，将重力补偿磁铁嵌入其中。重力补偿磁铁不限于4个，数量可以是n个(n≥1，正整数)，当n=1时，重力补偿磁铁是一个圆环。当n≥2时，n个重力补偿磁铁关于圆筒型电机的中心呈中心对称分布。

图5及图6是具有重力补偿功能的垂向圆筒型音圈电机截面图及磁铁充磁方向示意，图5、6中黑色箭头代表磁铁充磁方向。501和507分别是内、外环磁铁N1、N2，充磁方向径向向外；502和508分别是内、外环磁铁S1、S2，充磁方向径向向里；503是呈圆柱形的内环磁铁H1，充磁方向Z轴正向充磁；509是呈圆环形的外环磁铁H2，Z轴负向充磁；504是内环磁铁阵列的背铁，分为上下两个，用于引导内环磁路；505是线圈，分为上两个；506是重力补偿磁铁，充磁方向径向向里。⊙代表电流流向垂直纸面向外，代表电流流向垂直纸面向里。当线圈不通电时，内外环磁铁阵列会受到重力补偿磁铁垂直向上(+Z向)的作用力，此部分作用力称为重力补偿力，设计时可以根据磁铁尺寸、牌号的不同，使其接近并小于电机负载重力。当线圈通入如图中的所示方向的电流时，线圈会对内外环磁铁有垂直向上的作用力。当线圈通入与图中所示方向相反的电流时，内外环磁铁阵列会受到线圈垂直向下的作用力。实际应用中，电机负载重力绝大部分被重力补偿磁铁补偿掉，即线圈只需要通入很小的电流，即可应付电机负载重力，当电机需要垂向加速时，才需要通入更大的电流。线圈断电时，由于负载重力大于重力补偿力，所以动子会自然降落到电机下限位。图5中，内外环背铁的Z向长度长于内外环磁铁，是为了方便连接内外环磁铁阵列，使其相对于线圈为一个整体，以便于和线圈作相对运动。内环磁铁N/S径向宽度定义为W1,外环磁铁径向宽度定义为W2,二者关系为W1>W2。否则，内外环磁铁磁势将不对称，电机推力常数、电机常数会变小。与图5相比较，图6是完全相反的充磁方向。

图6是具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机的一个应用实例，其具体功能是通过六个电机的组合实现六个自由度的磁浮微动。六自由度指:±x、±y、±z三个方向运动以及±Rx、±Ry、±Rz三个轴向转动。图中701是平板型音圈电机，作水平（XY平面内）向出力，702是具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机，作垂向(±z)出力。图7示意了“3+3”电机阵列的分布方式，实际上，两种电机的数量可以大于3，即“n+n”分布，（n≥3，正整数）。相邻的两个圆筒型音圈电机（或两个平板音圈电机）中心与电机阵列中心的连线所呈角度为α=360o/n。图7示意了“4+4”的电机阵列分布方案。图7中801是平板型音圈电机，作水平（XY平面内）向出力，802是具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机，作垂向(±z)出力。

图8示意了另一种电机阵列的分布方式。与图7不同的是，水平向出力的平板音圈电机纵向中心线901不再指向电机阵列的中心，但两种电机的中心与电机阵列的中心连线所呈角度仍是360o/n,且呈中心对称分布。对于每一个平板型音圈电机的指向，只需满足平板音圈电机的横向中心线902不经过电机阵列的中心即可。因为一旦该线过电机阵列中心，电机阵列将无法实现±Rz轴向旋转功能。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机，其特征在于，所述音圈电机自内向外依次包括：

一内背铁、内磁铁阵列、线圈、外磁铁阵列以及外背铁；所述内背铁外侧与内磁铁阵列固定；所述线圈包括上端线圈和下端线圈，所述上端线圈和下端线圈通过一不导磁结构件连接，所述不导磁结构件内置重力补偿磁铁；所述重力补偿磁铁为1个以上，均匀的分布在所述不导磁结构件上。

2.如权利要求1所述的具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机，其特征在于，所述内背铁的Z向长度大于所述内磁铁阵列的Z向长度；所述外背铁的Z向长度大于所述外磁铁阵列的Z向长度。

3.如权利要求1所述的具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机，其特征在于，所述内背铁和所述内磁铁阵列被第一磁铁分割为上下两部分；所述外磁铁阵列被第二磁铁分割为上下两部分。

4.如权利要求3所述的具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机，其特征在于，所述内磁铁阵列的上部分和下部分充磁方向相反，所述重力补偿磁铁的充磁方向与所述内磁铁阵列的下部分相同，所述外磁铁阵列的上部分与所述内磁铁阵列的上部分相同，所述外磁铁阵列的下部分与所述内磁铁阵列的下部分相同；所述第一磁铁的充磁方向与所述第二磁铁的充磁方向相反。

5.如权利要求1所述的具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机，其特征在于，所述内磁铁阵列的X向宽度大于所述外磁铁阵列的X向宽度。

6.如权利要求1所述的具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机，其特征在于，所述圆筒型音圈电机与平板型音圈电机组成一磁浮微动平台，所述圆筒型音圈电机与平板型音圈电机的数量相等且沿一圆形对称分布，每一圆筒型音圈电机均与两个平板型音圈电机相邻。

7.如权利要求6所述的具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机，其特征在于，所述圆筒型音圈电机与平板型音圈电机组成一磁浮微动平台时，所述平板型音圈电机的纵向中心线指向所述电机阵列的中心。

8.如权利要求6所述的具有重力补偿功能的圆筒型音圈电机，其特征在于，所述圆筒型音圈电机与平板型音圈电机组成一磁浮微动平台时，所述平板型音圈电机的纵向中心之间所呈的角度应为360°/n，n为平板平板型音圈电机的数量。