CN106300874B

CN106300874B - 一种多自由度长行程直线电机

Info

Publication number: CN106300874B
Application number: CN201510268897.0A
Authority: CN
Inventors: 段素丙; 陈庆生; 季汉川; 胡兵
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2015-05-24
Filing date: 2015-05-24
Publication date: 2019-06-25
Anticipated expiration: 2035-05-24
Also published as: CN106300874A

Abstract

本发明公开了一种多自由度长行程直线电机，包括沿Y轴方向平行分布的若干个背铁、与所述背铁粘接的若干磁铁阵列和位于所述磁铁阵列之间的线圈，所述线圈沿Z轴方向从所述磁铁阵列一侧延展，还包括位置与所述线圈对应的导磁块，所述导磁块中心线位于所述磁铁阵列沿Z轴的负方向上。本发明提供的多自由度长行程直线电机，通过设置与线圈对应的导磁块，且导磁块位于磁铁阵列中心线沿Z轴的负方向一侧，当直线电机运动时，导磁块受磁铁阵列的作用而产生沿Z轴正向的重力补偿力，以抵消负载产生的沿Z轴方向带来重力，降低线圈沿Z轴正向的推力压力，提高了多自由度直线电机的整体性能，很好地满足了光刻设备的高精度定位要求。

Description

一种多自由度长行程直线电机

技术领域

本发明涉及光刻领域，尤其涉及一种多自由度长行程直线电机。

背景技术

随着光刻技术的进步和半导体工业的快速发展，对于光刻设备有四项基本性能指标：线宽均匀性(CD，Critical Dimension Uniformity)、焦深(Focus)、套刻(Overlay)和产率(Throughput)。为了提高线宽均匀性，工件台或掩模台必须提高水平向精密定位能力；为了提高焦深误差精度，工件台或掩模台必须提高垂向精密定位能力；为了提高光刻机套刻误差精度，工件台或掩模台必须提高其内部模态来提升动态定位特性。此外，光刻设备必须增加产率，因此工件台或掩模台还必须高速运动，快速启动和停止。光刻设备的高速、高加速和高精密的定位能力是相互矛盾的，增加扫描速度需要功率更大的电机，实现长行程和高速度运动，并具有多自由度运动来进行光刻曝光和对准。直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置，相比旋转电机具有结构简单、定位精度高以及传动效率高等优势，因此广泛应用于光刻设备的高精度定位平台中。

如图1所示，传统的直线电机通常包括上下对称设置的两块背铁1’、粘接在背铁1’上的磁铁阵列2’和位于磁铁阵列2’之间的线圈3’，线圈3’沿Z向从磁铁阵列2’两侧伸出或全部置于磁铁阵列2’两侧范围内，分别如图2a、2b所示，线圈3’的数量为3的倍数。当线圈3’的数量等于3时，在线圈3’内通入三相电流，使线圈3’与磁铁2’之间产生X轴方向的相互作用力，二者沿X轴方向相对运动；当线圈3’的数量大于3时，可以通过串联或并联的方式，使线圈3’最终只有三个出线端子用于接三相电流。但无论以何种方式接线或通电，该种直线电机只有X轴方向出力的功能，即只具有一个自由度，不能满足光刻设备在其他方向的运动和高精度定位。

针对以上问题，提供了一种具有二自由度的直线电机，如图3所示，与上述单自由度直线电机不同的是，该结构中使线圈3’的一部分沿Z轴方向从磁铁阵列2’一侧伸出，另一部分位于磁铁阵列2’范围内，如此设置则使处在磁场内部线圈3’具有Z轴方向出力功能，从而使直线电机具有二自由度运动功能。然而该种结构的直线电机不具备重力补偿功能，当电机上方受到负载沿Z轴方向的重力作用时，便会加重线圈3’在Z轴方向的推力压力，从而影响直线电机的整体性能，降低光刻设备的定位精度。

发明内容

本发明为了克服以上不足，提供了一种具有重力补偿功能的多自由度长行程直线电机。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种多自由度长行程直线电机，包括沿Y轴方向平行分布的若干个背铁、与所述背铁粘接的若干磁铁阵列和位于所述磁铁阵列之间的线圈，所述线圈沿Z轴方向从所述磁铁阵列一侧延展，还包括位置与所述线圈对应的导磁块，所述导磁块位于所述磁铁阵列沿Z轴的负方向一侧。

进一步的，所述背铁的数量为2个，沿Y轴负方向分别为第一背铁和第二背铁，所述磁铁阵列的数量为2个，分别设置在所述第一背铁和第二背铁相对应一侧。

进一步的，所述线圈包括若干线圈绕组，所述线圈绕组由三个具有中空结构的椭圆形线圈沿X轴方向水平排列而成。

进一步的，所述导磁块设有一个，由呈片状结构的导磁材料沿X轴方向堆叠而成，位置与所述线圈绕组沿Z轴负方向一侧相对应。

进一步的，所述导磁块设有若干个，设于所述中空结构内沿Z轴负方向最远一侧。

进一步的，还包括设于所述线圈绕组上表面的上盖板和设于线圈绕组下表面的下盖板，用于固定所述线圈绕组和导磁块。

进一步的，所述下盖板上设有与所述线圈绕组和导磁块相适配的凹槽，以及与所述椭圆形线圈中空部分相适配的凸起。

进一步的，所述背铁的数量为3个，沿Y轴负方向依次为第一背铁、第三背铁和第二背铁，所述磁铁阵列的数量为4个，分别设置在所述第一背铁、第三背铁相对应一侧和所述第三背铁、第二背铁相对应一侧。

进一步的，所述相对应设置的磁铁阵列极性相反。

进一步的，所述线圈由若干个沿YZ平面横截面为U型、具有中空结构的线圈沿X轴方向依次排列而成，所述线圈呈一侧开口包设在所述第三背铁外周。

进一步的，所述导磁块包括由呈片状结构的导磁材料沿X轴方向堆叠而成、位置分别与所述线圈开口处的两端相对应的第一导磁块和设于所述中空结构内沿Z轴负方向最远一侧的第二导磁块。

进一步的，所述磁铁阵列为海尔贝克磁铁阵列，包括若干个由4块永磁铁沿X轴方向依次拼接而成的海尔贝克单元。

进一步的，所述4块永磁铁依次为S磁铁、H1磁铁、N磁铁和H2磁铁，所述S磁铁的磁化方向沿Y轴正向，所述N磁铁的磁化方向沿Y轴负向，所述H1磁铁的磁化方向沿X轴正向，所述H2磁铁的磁化方向沿X轴负向。

本发明提供的多自由度长行程直线电机，通过设置与线圈对应的导磁块，且导磁块中心线位于磁铁阵列中心线沿Z轴的负方向一侧，当直线电机运动时，导磁块受磁铁阵列的作用而产生沿Z轴正向的重力补偿力，以抵消负载产生的沿Z轴方向带来重力，降低线圈沿Z轴正向的推力压力，提高了多自由度直线电机的整体性能，很好地满足了光刻设备的高精度定位要求。

附图说明

图1是传统单自由度直线电机结构示意图；

图2a、2b是传统单自由度直线电机线圈分布示意图；

图3是现有二自由度直线电机线圈分布示意图；

图4是本发明多自由度长行程直线电机实施例1的整体图；

图5是本发明多自由度长行程直线电机实施例1的结构示意图；

图6是本发明多自由度长行程直线电机实施例1线圈分布示意图；

图7是本发明多自由度长行程直线电机实施例1磁铁阵列的结构示意图；

图8是本发明多自由度长行程直线电机实施例1沿X轴方向运动时重力补偿力的仿真曲线；

图9是本发明多自由度长行程直线电机实施例1导磁块对X轴方向推力的干扰力仿真曲线；

图10是本发明多自由度长行程直线电机实施例1沿Z轴方向运动时重力补偿力的仿真曲线；

图11是本发明多自由度长行程直线电机实施例1沿X轴方向运动时线圈X向推力仿真曲线；

图12是本发明多自由度长行程直线电机实施例1沿X轴方向运动时线圈Z向推力仿真曲线；

图13是本发明多自由度长行程直线电机实施例2结构示意图；

图14是本发明多自由度长行程直线电机实施例2下盖板结构示意图；

图15是本发明多自由度长行程直线电机实施例3结构示意图；

图16是本发明多自由度长行程直线电机实施例4结构示意图；

图17是本发明多自由度长行程直线电机实施例4沿XY平面的截面示意图。

图1-3中所示：1’、背铁；2’、磁铁阵列；3’、线圈；

图4-17中所示：1、背铁；101、第一背铁；102、第二背铁；103、第三背铁；2、磁铁阵列；201、海尔贝克单元；3、线圈；301、线圈绕组；3011、椭圆形线圈；4、导磁块；401、第一导磁块；402、第二导磁块；5、上盖板；6、下盖板；601、凹槽；602、凸起。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述：

实施例1

如图4-6所示，本发明提供了一种多自由度长行程直线电机，包括沿Y轴方向平行分布的若干个背铁1、与背铁1粘接的若干磁铁阵列2和位于磁铁阵列2之间的线圈3，线圈3沿Z轴方向从磁铁阵列2一侧延展，还包括位置与线圈3对应的导磁块4，导磁块4位于磁铁阵列2沿Z轴负方向一侧，由于磁铁阵列2中心线处的磁场最强，而导磁块4具有趋向强磁的特性，因此，当导磁块4在偏离磁铁阵列2中心线运动时，会受到指向中心线方向的磁力，即沿Z轴正方向的重力补偿力，以抵消直线电机上负载产生的沿Z轴负方向的重力。

请重点参照图5，背铁1的数量为2个，沿Y轴负方向分别为第一背铁101和第二背铁102，磁铁阵列2的数量为2个，分别设置在第一背铁101和第二背铁102相对应一侧，即分别粘接在第一背铁101沿Y轴负向一侧和第二背铁102沿Y轴正向一侧。线圈3包括若干线圈绕组301，线圈绕组301由三个具有中空结构的椭圆形线圈3011沿X轴方向水平排列而成，具体的，当线圈绕组301的数量为1时，将其与一个三相驱动器连接，使直线电机具有X向和Z向的二自由度运动功能；当线圈绕组301的数量等于2时，使每个线圈绕组301接一个三相驱动器，使直线电机可以沿X、Z轴方向运动，同时绕Y轴转动，实现三自由度运动功能，其中绕Y轴转动通过两个线圈绕组301沿Z轴做反向运动来实现；当线圈绕组301的数量大于2时，将其并联或串联后与两个三相驱动器连接以实现三自由度运动功能。

优选的，导磁块4设有一个，由呈片状结构的导磁材料沿X轴方向堆叠而成，位置与线圈绕组301沿Z轴负方向一侧相对应，与线圈绕组301处于同一个XY平面内，导磁块4采用片状堆叠的方式是为了减小导磁材料在磁场中运动时产生的涡电流，从而可以减小阻尼力。线圈绕组301上表面设有上盖板5，其下表面设有下盖板6，下盖板6上设有与线圈绕组301和导磁块4相适配的凹槽601，以及与椭圆形线圈3011中空部分相适配的凸起602，上盖板5和下盖板6用于固定线圈绕组301和导磁块4。

如图7所示，磁铁阵列2为海尔贝克磁铁阵列，包括若干个由4块永磁铁沿X轴方向依次拼接而成的海尔贝克单元201，4块永磁铁依次为S磁铁、H1磁铁、N磁铁和H2磁铁，其中，S磁铁的磁化方向沿Y轴正向，N磁铁的磁化方向沿Y轴负向，H1磁铁的磁化方向沿X轴正向，H2磁铁的磁化方向沿X轴负向。

请重点参照图6，设N磁铁和S磁铁中心位置沿X轴方向的间距为τ，即为极距，每个椭圆形线圈3011沿X轴方向的宽度为W_coil，二者之间有如下关系：

或

则每个线圈绕组301内部的三相电流的相位关系描述如下：

根据三相电机的矢量控制技术，每个椭圆形线圈3011所通的电流采用直轴交轴(DQ)分解法进行控制，逻辑上对应两个电流分量，分别为直轴电流和交轴电流用于控制电机Z向出力，用于控制电机X向出力。对应于三个椭圆形线圈3011分别为和设三个椭圆形线圈3011内实际通入的电流分别是上述各电流分量有如下关系：

设的初始相位为的初始相位为若椭圆形线圈3011的宽度W_coil和极距τ满足式(1)的关系，则三个椭圆形线圈3011所通入的三相电流初始相位需满足如下关系：

式中，n为整数。

当椭圆形线圈3011的宽度W_coil和极距τ之间满足式(1)，电流关系满足式(3)，电流相位关系满足式(4)时，三个椭圆形线圈3011的接线方向一致。

若椭圆形线圈3011宽度W_coil和极距τ满足式(2)的关系，则椭圆形线圈3011所通入的三相电流初始相位需满足如下关系：

式中，n为整数。

当椭圆形线圈3011的宽度W_coil和极距τ之间满足式(2)，且电流关系满足式(3)，电流相位关系满足式(5)时，第二个椭圆形线圈3011与第一、第三个椭圆形线圈3011的接线方向相反。

以上描述了每组三相线圈内部的二组电流分量之间的相位关系。图5中示意了6个线圈3，6个线圈3的Z向出力的电流分量的相位分别定义为：和当需要绕Y轴转动时，两组线圈的Z向出力的电流分量相位需满足以下关系：

式中，n为整数。

当不需要绕Y轴转动时，两组线圈的Z向出力的电流分量相位需满足以下关系：

上式中，n为整数。

本实施例以磁铁阵列2作定子，线圈3及导磁块4作为动子，动子沿X轴方向运动时，重力补偿力的仿真曲线如图8所示，仿真的行程为60mm，加长磁铁阵列2沿X轴方向的排布便可以增长动子的运动行程。从图中可以看出，重力补偿力呈周期性波动，波动比例为3.3％((194.62-188.38)/188.38＝3.3％)，此波动可以通过控制Z向电流分量，即控制的电流大小进行补偿。

图9为动子沿X轴方向运动时导磁块4对X轴方向推力的干扰力仿真曲线图，从图中可以看出，导磁块4对X轴方向推力的干扰力不超过4.6N，此干扰力则可以通过控制X向电流分量，即控制电流大小进行补偿。

图10为动子沿Z轴方向运动时重力补偿力的仿真曲线图，与沿X轴向运动不同的是，沿Z轴方向运动行程受到磁铁阵列2沿Z轴方向长度的限制，图中仿真行程为15mm，重力补偿力的波动比例为：(221.7-184.8)/184.8＝20.0％。若要求重力补偿力波动更小，则可只取导磁块4与磁铁阵列2中心线之间的一段作为行程，同时，此波动也可通过控制Z向电流分量的大小进行补偿。

图11为动子沿X轴方向运动时，线圈3产生的沿X轴方向的推力仿真曲线图，从图中可以得出，推力的波动比例为：(83.8-82.6)/82.6＝1.5％。可以看出，加入重力补偿后，对线圈3在X轴方向的出力影响很小，可以忽略。图12为动子沿X轴方向运动时，线圈3产生的沿Z轴方向的推力仿真曲线图，推力的波动比例为：(9.6-9.4)/9.4＝2.1％。同样可以看出，加入重力补偿后，对线圈3沿Z轴方向出力影响较小，可以忽略。线圈3沿X轴和Z轴方向的推力波动均可以通过控制相应方向对应的电流分量进行补偿。

实施例2

与实施例1不同的是，该实施例中导磁块4设有若干个，优选的，导磁块4的数量与椭圆形线圈3011的数量相对应，且设于椭圆形线圈3011中空结构内沿Z轴负方向最远一侧，如图13所示，其对应的下盖板6和其中凸起602的分布如图14所示，采用该种方式设置导磁块4大大减少了导磁块4的占用空间，简化了直线电机的结构复杂度。

实施例3

与上述实施例不同的是，该实施例中的导磁块4结合了上述两个实施例中导磁块4的分布方式，即导磁块4分为两部分，分别为位置与线圈绕组301沿Z轴负方向一侧相对应、且与线圈绕组301处于同一个XY平面内由呈片状结构的导磁材料沿X轴方向堆叠而成的第一导磁块401和数量与椭圆形线圈3011数量相对应、设于椭圆形线圈3011中空结构内沿Z轴负方向最远一侧的第二导磁块402，如图15所示。采用该种方式设置导磁块4可以有效增大重力补偿力，降低线圈3沿Z轴正方向的推力压力。

实施例4

与上述实施例不同的是，本实施例中背铁1的数量为3个，如图16所示，沿Y轴负方向依次为第一背铁101、第三背铁103和第二背铁102，磁铁阵列2的数量为4个，分别设置在第一背铁101、第三背铁103相对应的一侧和第三背铁103、第二背铁102相对应的一侧，即分别粘接在第一背铁101沿Y轴负方向的一侧、第三背铁103沿Y轴方向的正反两侧和第二背铁102沿Y轴正方向的一侧，且相对应设置的磁铁阵列2极性相反，如图17所示，线圈3由若干个沿YZ平面的横截面为U型、具有中空结构的线圈沿X轴方向依次排列而成，线圈3呈一侧开口包设在所述第三背铁103外周，导磁块4包括由呈片状结构的导磁材料沿X轴方向堆叠而成、位置分别与线圈3开口处的两端相对应的第一导磁块401和设于中空结构内沿Z轴负方向最远一侧的第二导磁块402，采用该方式设置线圈3和导磁块4进一步增大了重力补偿力，大大降低了线圈3沿Z轴正方向的推力压力，提高了直线电机的整体性能和光刻设备的定位精度。

综上所述，本发明提供的多自由度长行程直线电机，通过设置与线圈3对应的导磁块4，且导磁块4中心线位于磁铁阵列2沿Z轴负方向的一侧，当直线电机运动时，导磁块4受磁铁阵列2的磁场作用而产生沿Z轴正向的重力补偿力，以抵消负载产生的沿Z轴方向带来重力，降低线圈3沿Z轴正向的推力压力，提高了多自由度直线电机的整体性能，很好地满足了光刻设备的高精度定位要求。

虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种多自由度长行程直线电机，包括沿Y轴方向平行分布的若干个背铁、与所述背铁粘接的若干磁铁阵列和位于所述磁铁阵列之间的线圈，所述线圈沿Z向从所述磁铁阵列一侧伸出，其特征在于，还包括位置与所述线圈对应的导磁块，所述导磁块位于所述磁铁阵列中心线沿Z轴的负方向的一侧；

所述背铁的数量为3个，沿Y轴负方向依次为第一背铁、第三背铁和第二背铁，所述磁铁阵列的数量为4个，分别设置在所述第一背铁、第三背铁相对应一侧和所述第三背铁、第二背铁相对应一侧；

所述相对应设置的磁铁阵列极性相反；

所述线圈由若干个沿YZ平面横截面为U型、具有中空结构的线圈沿X轴方向依次排列而成，所述线圈呈一侧开口包设在所述第三背铁外周。

2.根据权利要求1所述的多自由度长行程直线电机，其特征在于，所述导磁块设有若干个，设于所述中空结构内沿Z轴负方向最远一侧。

3.根据权利要求1所述的多自由度长行程直线电机，其特征在于，所述导磁块包括由呈片状结构的导磁材料沿X轴方向堆叠而成、位置分别与所述线圈开口处的两端相对应的第一导磁块和设于所述中空结构内沿Z轴负方向最远一侧的第二导磁块。

4.根据权利要求1所述的多自由度长行程直线电机，其特征在于，所述磁铁阵列为海尔贝克磁铁阵列，包括若干个由4块永磁铁沿X轴方向依次拼接而成的海尔贝克单元。

5.根据权利要求4所述的多自由度长行程直线电机，其特征在于，所述4块永磁铁依次为S磁铁、H1磁铁、N磁铁和H2磁铁，所述S磁铁的磁化方向沿Y轴正向，所述N磁铁的磁化方向沿Y轴负向，所述H1磁铁的磁化方向沿X轴正向，所述H2磁铁的磁化方向沿X轴负向。