CN111684173B - 在真空环境中非接触式运输载体的磁浮系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种位于真空环境中的磁浮系统，及一种在真空环境中非接触式地运输载体的方法。系统包含：在正方向上可非接触式地移动的载体；至少一磁性轴承，被构造为在与重力相反的保持方向上对载体施加磁力，并将载体非接触式地保持于磁性轴承处；以及作用于载体上的减振装置，减振装置被构造为在与正方向和保持方向垂直的横方向上抑制载体振动。

Description

在真空环境中非接触式运输载体的磁浮系统及方法
技术领域
本公开内容的实施方式是有关于一种磁浮系统及一种在真空环境中非接触式地运输载体的方法。本公开内容的实施方式尤其是有关于一种构造为非接触地保持、定位和/或运输载体通过真空系统的磁浮系统，其中载体可(尤其是在基本上垂直的定向中)承载如基板的物体。更具体地，本公开内容描述的方法适于在与正方向和保持方向垂直的横方向上能够抑制载体的振动，载体在所述正方向中运输，所述保持方向与重力相反。
背景技术
磁浮系统可应用于相对于基础结构的载体的非接触式运输，例如在次大气压(sub-atmospheric pressure)下。由载体承载的如基板的物体可由真空系统中的第一位置(即装载位置)运输至真空系统中的第二位置(即沉积位置)。磁浮系统可允许非接触式且因此无摩擦的载体运输，并且可减少真空处理系统中小粒子的产生。
磁性轴承的预期性能可与机械弹簧进行比较。吸引型磁体之间的距离越大，试图重整磁体的力就越大。由于磁体之间没有机械接触，在相对运动的期间只会发生微量的减振效果。被支撑并悬浮载体的质量和磁体的弹力产生几乎无减振的机械振荡。通常需要20秒或更长时间，才能使特定范围中(约10、20或30赫兹)的振动逐渐减弱至可容忍的数值。
同时，有时必须在基板上形成微米或甚至纳米范围的结构，因此必须将基板非常精准的定位。然而，载体的振荡可能对载体的运输稳定性及载体的定位准确性造成负面影响。减低、抑制或避免磁浮系统中载体的振荡可能是有挑战性的。于是，改善磁浮系统的运输稳定性及定位准确性将是有益的。
发明内容
根据本公开内容的一个方面，提出一种在真空环境中的磁浮系统。所述磁浮系统包含可在正方向上非接触式地移动的载体，至少一个磁性轴承，被构造为在与重力相反的保持方向上对载体施加磁力，并将载体非接触式地保持于磁性轴承处，以及作用于所述载体上的减振装置。所述减振装置被构造为在与正方向及保持方向垂直的横方向上抑制载体振动。
根据本公开内容的另一方面，提出一种在真空环境中非接触式地运输载体的方法。所述方法包含以下步骤：在与重力相反的保持方向上在载体上施加磁力，以非接触式地保持载体，在正方向上移动载体，以及在与正方向及保持方向垂直的横方向上抑制载体振动。
本公开内容的装置及方法提供了在真空环境中用于保持、定位和/或移动载体的改良的磁浮系统，并允许在真空环境中运输载体时，具有改善的载体运输稳定性及定位准确性。
根据从属权利要求、说明书及附图，本公开内容的其他方面、优点和特征皆是显而易见的。
附图说明
为了使本公开内容的前述特征能被详细理解，可通过参照特定实施方式来获得上述简要概括的本公开内容的更具体的描述。附图有关于本公开内容的实施方式并描述如下：
图1a示出了根据本发明所述的实施方式的一种磁浮系统的剖面示意图，其中通过排斥型磁体(repellent magnets)实现横向的稳定性；
图1b示出了根据本发明所述的实施方式一种磁浮系统的剖面示意图，其中通过吸引型磁体(attracting magnets)实现垂直及横向的稳定性；
图2a示出了根据本发明所述的实施方式的图1b的细节B的剖面图，其中示出了布置于载体处的移动式减振部件；
图2b示出了根据本发明所述的实施方式的图2a的移动式减振部件的剖面图，所述移动式减振部件设计为消散减振器(dissipating damper)；
图2c示出了根据本发明所述的实施方式的图2a的移动式减振部件的剖面图，所述移动式减振部件设计为移动式调谐质量减振器(tuned mass damper)；
图2d示出了根据本发明所述的实施方式的图1a的细节A的剖面图，其中示出了布置于载体上的移动式减振部件；
图3a示出了根据本发明所述的实施方式的图1b的细节B的剖面图，其中示出了布置于基座处的固定式减振部件；
图3b示出了根据本发明所述的实施方式的图3a的固定式减振部件的剖面图，所述固定式减振部件设计为消散减振器；
图3d示出了根据本发明所述的实施方式的图1a的细节A的剖面图，其中示出了布置于基座处的固定式减振部件；
图4a示出了根据本发明所述的实施方式的图1a的细节A的剖面图，其中示出了移动式磁性减振器；
图4b示出了根据本发明所述的实施方式的图1a的细节A的剖面图，其中示出了布置于载体处并设计为主动式减振部件的移动式减振部件；
图4c示出了根据本发明所述的实施方式的图4b的布置于载体处并设计为主动式减振部件的移动式减振部件的剖面图；
图5a示出了根据本发明所述的实施方式的图1a中细节A的剖面图，其中示出了固定式磁性减振器；
图5b示出了根据本发明所述的实施方式的图1a中细节A的剖面图，其中示出了布置于基座处并设计为具有移动引导轨道的减振致动器的主动式减振部件的固定式减振部件；以及
图5c示出了根据本发明所述的实施方式的图1a中细节A的剖面图，其中示出了布置于基座处并设计为具有产生及/或调节横向磁场的减振致动器的主动式减振部件的固定式减振部件。
具体实施方式
现在将详细论述本公开内容的各种实施方式，并在附图中示出实施方式的一个或多个示例。在以下附图的描述中，相同的附图标记对应相同的部件。一般来说，仅描述有关于各实施方式间的差异。每个示例皆是以解释的方式被提出的，且并非作为对本公开内容的限制。在一个实施方式中示出或描述的特征可使用于其他实施方式，或与其他实施方式结合使用以产生另一实施方式。本说明书旨在包含这些修改及变化。
此处应注意的是，本文中描述的实施方式中使用的术语磁浮(magneticlevitation)或磁悬浮(maglev)通常可表征为除磁场之外，没有其他支撑物使物体悬浮及移动的概念。磁力用于抵消重力的影响并移动和/或递送所述物体。
此外，应注意的是本文件中的表述“装置Y的部件X”和“装置Y处的部件X”或“布置于装置Y处的部件X”是相同的。此外，术语“横向(cross)”(例如横向力、横向振动)、“侧向(lateral)”和“横向的(transversal)”也是相同的。
图1a绘示了一种在真空环境中的磁浮系统10的示例性实施方式的示意图。参照说明性图1a所解释的细节不应被理解成限制图1a中的元件。相反，这些细节也可与参考其他附图进行解释的其他实施方式结合。
本文所描述的磁浮系统10可能包含：
-载体12，可在正方向20.3上非接触式地移动；
-至少一个磁性轴承14.2，构造为在与重力相反的保持方向20.2上对载体12施加磁力，并将载体12非接触式地保持于磁性轴承14.2处；以及
-作用于载体12上的减振装置18，减振装置18被构造为在与正方向20.3及保持方向20.2垂直的横方向20.1上抑制载体振动。
横方向20.1、保持方向20.2和正方向20.3可形成坐标系，特别是笛卡尔坐标系或可能是倾斜坐标系。对于所有实施方式，显然的是，横方向20.1是垂直于平面载体的表面和/或由载体12所运输的平面物体12.5的表面，而所述表面接着取向为平行于保持方向20.2。
载体12可以设计成平板状结构且构造为承载例如是平面基板、掩模、护罩或晶片的物体12.5，以用于在真空腔室中沿着运输路径运输物体12.5。载体12可在运输期间，在涂布系统的对准期间和/或在物体12.5上沉积的期间承载物体12.5。在运输和/或沉积的期间，载体12或载体12的表面可在基本上垂直的位置保持和/或运输，并且物体12.5可以实质上垂直的定向被保持在载体12处。物体12.5可通过安装装置(例如夹具、静电吸盘或磁性吸盘)保持在载体12处。
物体12.5可以是基板，尤其是具有尺寸为0.5平方米或以上，更尤其是1平方米或以上，或甚至5平方米或10平方米或以上的大面积基板。举例来说，所述基板可以是用于显示器制造的大面积基板。
可将有机材料沉积在基板上。举例来说，有机发光二极管装置可以通过将有机材料沉积在基板上来制造。
根据本文所描述的实施方式，减振装置18可具有外壳，在外壳内布置有除了传感器之外的减振装置的部件。在某些实施方式中，外壳可以是真空密封的。
真空密封的外壳使减振装置18和载体12能够布置于真空或高真空中。所述真空密封的外壳是气密性的。外壳内的可与摩擦或振动相关联的任何运动(例如反应质量块(reaction mass)18.9的移动)仅发生在与外部空间密封隔离的外壳的内部。
以这种方式，可以将减振材料或材料组合物使用于减振装置18中，否则将会在真空环境中产生问题或在真空环境中产生不纯物。
根据本文所描述的实施方式，磁浮系统10可包含(i)用于保持、定位及/或运输载体12的基座14，和/或(ii)布置于基座14处的与载体12的顶侧和/或底侧垂直间隔开的至少一个支撑轨道14.1，和/或(iii)布置于基座14处的与载体12的左侧和/或右侧横向间隔开的至少一个引导轨道14.3。在本文件中，术语“轨道(rail)”及“轨(track)”同义使用。
此处，顶部和底部是相对于保持方向所定义的位置，而左边和右边则是相对于横方向所定义的位置。
支撑轨道可设计成布置在载体12上方的顶部支撑轨道14.1，其中载体12通过磁力而保持在顶部支撑轨道14.1下方。替代地或附加地，支撑轨道也可设计成布置在载体12下方的底部轨道，其中载体12通过磁力而保持在底部轨道上方。
根据本文所描述的实施方式，至少一个磁性轴承14.2可布置于每个支撑轨道14.1处，且特别地，每个磁性轴承14.2可包含(i)至少一个永磁体和/或(ii)至少一个主动控制式电磁轴承致动器14.5。
可提供多个磁性轴承14.2，特别是主动式磁性轴承。磁力作用于基座14结构与载体12之间，使得载体12非接触式地保持在距离基座14预定的距离处。在某些实施方式中，磁性轴承14.2被构造为产生作用在保持方向20.2中的磁力，保持方向20.2通常是基本上垂直的方向，使得在保持方向20.2中，顶部支撑轨道14.1与载体12之间的距离可保持基本上恒定。尤其是，具有电磁轴承制动器14.5(特别是具有可控电磁轴承致动器)的至少一个磁性轴承14.2可在载体12及基座14之间提供吸引磁力。
根据本文所描述的实施方式，磁浮系统10可包括布置于载体12的顶侧和/或底侧的至少一个垂直磁性配对件12.2。位于载体12处的垂直磁性配对件12.2可与基座14处的磁性轴承14.2进行磁性相互作用，从而在与重力相反的保持方向20.2中向载体12上施加磁力，并将载体12非接触式地保持在磁性轴承14.2处。此处，可使用排斥型磁体实现垂直的稳定性。
根据本文所描述的实施方式，磁悬浮系统10可包含可布置于每个引导轨道14.3处的至少一个引导磁体14.4，其中，特别地，引导磁体14.4包含至少一个永磁体和/或至少一个主动控制式电磁减振致动器，所述至少一个永磁体在横方向20.1上提供载体12的横向稳定性，所述至少一个主动控制式电磁减振致动器在横方向20.1上提供载体12的横向减振。所述横方向20.1可对应于基本上水平方向，尤其是载体12的厚度方向。此处，可使用排斥型磁体实现横向的稳定性。
磁性轴承14.2的主动控制式电磁致动器、引导磁体14.4或任何其他产生磁场的装置可包含电磁线圈或基于涡电流磁排斥机制的装置，且每个都是主动可控的。
根据本文所描述的实施方式，磁浮系统10可包括布置于载体左侧和/或右侧的至少一个横向磁性配对件12.4。每个磁性配对件可包含至少一个永磁体和/或至少一个主动控制式电磁配对件致动器，例如电磁线圈或基于涡电流磁排斥机制的装置，从而在横方向20.1中在载体12上施加磁力，使得载体12非接触式地保持在距离引导轨道14.3预先定义的距离处，并沿着引导轨道14.3引导载体12。
引导磁体14.4可以是被动式磁稳定装置。尤其是，引导磁体14.4可包含固定在基座14上的第一多个永磁体，并且横向磁性配对件12.4可包含固定在载体12的载体引导轨道12.3上的第二多个永磁体。第一多个永磁体与第二多个永磁体间的排斥磁力可迫使载体12处于横方向20.1上的预定位置(例如，距基座14的引导轨道14.3预定距离的位置，或基座14处的左侧及右侧引导轨道14.3之间的中心位置)。
举例来说，应用至主动控制式电磁轴承致动器14.5或应用至主动控制式电磁配对件致动器的参数(例如电流)，可基于像是载体12及基座14之间距离的参数来控制。尤其是，可通过距离传感器来测量支撑轨道14.1和/或引导轨道14.3与载体12之间的距离，并可基于测量的距离来设定电磁轴承致动器14.5的磁场强度。特别是，在距离大于预定的阈值的情况下，磁场的强度可增加，并且在距离小于预定的阈值的情况下，磁场的强度可减少。可以闭环控制或反馈控制的形式来控制致动器。
根据本文所描述的实施方式，磁浮系统10可包含布置于载体12处的至少一个移动式减振部件18.1(见图2a-2c、图4a-4c)或布置于基座14处并尤其是与载体12分隔开的，特别是可布置于基座14的引导轨道14.3处的至少一个固定式减振部件18.2(见图3a、3b、5a、5b)。固定式减振部件18.2及移动式减振部件18.1可各自包含被动式减振部件18.3或主动式减振部件18.4。
根据本文所描述的实施方式并关于减振装置18的操作和布置，可提供多个实施方式以抑制载体12的横向振动。
就减振装置18的操作而言，减振装置18可包含(i)至少一个被动式减振部件18.3和/或(ii)至少一个主动式减振部件18.4。
就减振装置18的布置而言，减振装置18可包含(a)布置于载体12处的至少一个移动式减振部件18.1和/或b)布置于基座14处并特别与载体12分隔开的至少一个固定式减振部件18.2。
移动式减振部件18.1可布置于载体12的垂直磁性配对件12.2处，和/或布置于载体12的横向磁性配对件12.4处，并且固定式减振部件18.2可布置于基座14的支撑轨道14.1处，和/或布置于基座14的引导轨道14.3处。
如图1a所示，固定式减振部件18.2可固定于基座14的引导轨道14.3处。在图1a中标示为“A”的细节包含磁浮系统的部件，其中减振装置18可以被整体布置或部分布置。为了解释不同实施方式中的减振装置18，细节A被放大并在某些附图中解释。
根据本文所描述的实施方式，主动式减振部件18.4可包含(i)至少一个振动传感器18.14，构造为产生表示横方向20.1中的载体振动的振动传感器信号，和/或(ii)至少一个减振致动器(移动式减振致动器1 8.15、固定式减振致动器18.16)，构造为响应于减振致动器信号来产生反振动，和/或(iii)连接至振动传感器18.14及减振致动器(移动式减振致动器18.15、固定式减振致动器18.16)的至少一个控制器18.13。控制器18.13可被构造为响应于振动传感器信号来产生减振致动器信号，特别地，使得反振动抑制或减弱横方向20.1上的载体振动。
根据本文所描述的实施方式，振动传感器18.14可包括位置传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、压力传感器及霍尔传感器(hall sensor)中的至少一者。
如图1a所示，基座14处的横向引导轨道14.3处的致动器可设计成当致动器电流流过引导磁体14.4时，产生基座14上的横向引导磁体14.4的磁场。基座14上的横向引导磁体14.4的磁场可与载体12上的横向磁性配对件12.4相互作用，以在载体12上施加横向的(transverse)磁力或横向(cross)磁力。
磁场及相关联的横向磁力可用来抵消载体振动。因此，所述磁场是用于横向减振的磁场。通过调节和/或调整致动器电流，可在载体12上提供抵消磁力，并通过用于横向减振的控制回路加以控制。
抵消载体横向振动的横向减振磁力可由横向引导磁体14.4的磁场来提供。横向振荡磁力，尤其是具有载体横向振动的频率并被90°相移的横向振荡磁力，与载体12相互作用，可实现抑制或消去载体横向振动的效果。以下将描述多个用于提供此横向振荡磁力的概念及装置。
根据本文所描述的实施方式，作为固定式减振部件18.2(特别是固定式减振部件)的一部分的固定式减振致动器18.16可构造为自适应地形成和/或调节磁场对载体12的干预，尤其是由磁性引导元件和/或电磁轴承致动器14.5所产生的磁场对载体12的干预，从而特别地确定和/或调节在横方向20.1中作用在载体12上的磁力。
根据本文所描述的实施方式，固定式减振致动器18.16可适于相对于载体12和/或基座14来移动和/或倾斜磁性引导元件或电磁轴承致动器14.5，以自适应地形成和/或调节在横方向20.1中干预载体12的磁场。固定式减振致动器18.16可适于相对于垂直方向倾斜和/或振荡磁场线，特别是通过叠加在横方向20.1中向载体12上施加力的辅助磁场来倾斜和/或振荡磁场线。
图1b示出根据本发明所述的实施方式的一种磁浮系统的剖面示意图，其中通过吸引型磁体实现垂直及横向的稳定性。参照说明性图1b所解释的细节不应被理解成限制图1b中的元件。相反，这些细节也可与说明性参考其他附图所解释的其他实施方式结合。
根据此设计，引导磁体14.4可在垂直方向中在载体12上(即在载体12的横向磁性配对件12.4上)施加吸引力。引导磁体14.4和横向磁性配对件12.4为相反极性，从而导致引导磁体14.4和横向磁性配对件12.4之间的吸引力。然而，为了实现垂直的稳定性，可使用布置于磁浮系统的顶部及底部的主动控制式电磁轴承致动器14.5。关于水平方向，互相面对的等极性引导磁体14.4和横向磁性配对件12.4的排斥力具有机械弹簧般的稳定效果。图1a与图1b中示出的分别用于上方区域的横向及水平稳定性的布置也可设置于磁浮系统的下方区域。
若由于任何特定的理由使载体12应横向移动时，引导磁体14.4可向载体12上(即载体12的横向磁性配对件12.4上)施加横向力，其在横向方向中向载体12上产生及施加抵消脱离的力。此力使得载体12能横向稳定。
根据本文所描述的实施方式，磁浮系统包含：
-载体，其(i)在正方向上可非接触式地移动并且(ii)适于保持平面物体；
-至少一个磁性轴承，构造为向载体上施加磁力，并将载体非接触式地保持于磁性轴承处；以及
-作用于载体上的减振装置，所述减振装置被构造为抑制在与所述平面物体垂直的横方向中的载体振动。
根据此布置，载体可在垂直及水平(直立及横卧位置)平面中沿着正方向运输，其中术语“垂直(直立)”或“水平(横卧)”表示载体相对于垂直方向的定向，而所述垂直方向平行于重力。
根据此布置，磁性轴承可构造为在与剩余磁力相反的保持方向上或在与水平方向中的磁力相反的方向上对载体施加磁力。若载体12是以水平布置，排斥型的引导磁体14.4和横向磁性配对件12.4可使用于过度补偿重力。由于排斥型的引导磁体14.4横向磁性配对件12.4也可能产生不稳定的水平力，根据肖恩定律(Earnshaw’s law)，此力可通过磁性轴承14.2在水平方向中被稳定。
根据此布置，减振装置可设置于在与正方向及保持方向垂直的横方向上抑制载体振动。
图2a中绘示了图1b中细节B的剖面图，其中示出了布置在载体12的横向磁性配对件12.4处(尤其是在载体12及载体12上的载体引导轨道12.3之间)的移动式减振部件18.1。移动式减振部件18.1可设计成主动式减振部件18.4或被动式减振部件18.3，且位于面对载体12的右侧载体引导轨道12.3的载体12侧边上。参照说明性图2a所解释的细节不应被理解成限制图2a中的元件。相反，这些细节也可与其他说明性参考图所解释的其他实施方式结合。
根据本文所描述的实施方式，被动式减振部件18.3可包含移动式或固定式消散减振器、移动式调谐质量减振器18.6、移动式磁性减振器18.7或固定式磁性减振器18.8中的至少一个。此种被动式减振部件18.3特别适合用于真空密封封装或用于嵌入真空密封外壳中，以例如与来自磁性轴承14.2的控制器的振动去耦(decouple)。
图2b绘示了图2a中移动式减振部件18.1的剖面图，移动式减振部件18.1被设计为消散减振器18.5。移动式消散减振器18.5可包含反应质量块18.9及消散元件18.10，其中消散元件18.10的一侧刚性连接至反应质量块18.9而另一侧刚性连接至载体12。特别是，在消散减振器18.5与载体引导轨道12.3之间不存在刚性连接。相反，接合面(joint)12.6可将载体引导轨道12.3及载体12刚性连接。参照说明性图2b所解释的细节不应被理解成限制图2b中的元件。相反，这些细节也可与其他说明性参考图所解释的其他实施方式结合。
与消散元件18.10连接的载体12的振动将振荡力施加于消散元件18.10上。由于消散元件18.10与反应质量块18.9的刚性连接，相较于具有非常大的质量从而具有高惯性的消散元件18.10，消散元件18.10无法以自由的形式振动，而是以反作用力来抵抗载体12的振荡力。
载体12的振荡力与消散元件18.10的制动反作用力的叠加导致载体振动的能量被消耗，即转换成热量使消散元件18.10变热。载体12的振动幅度随着每个振荡而减弱，使得载体振动在多次振荡后趋于平缓。
以此方式，消散减振器18.5以低廉价格提供有效的横向振动的减振效果。
图3a绘示了图1b中细节B的剖面图，其中示出了布置于基座14处的固定式减振部件18.2。固定式减振部件18.2可设计为被动式减振部件18.3，且位于面对基座14的右侧引导轨道14.3的基座14侧边上。参照说明性图3a所解释的细节不应被理解成限制图3a中的元件。相反，这些细节也可与其他说明性参考图所解释的其他实施方式结合。
根据本文所描述的实施方式，固定式消散减振器18.5可包含消散元件18.10，其中消散元件18.10的一侧刚性连接至基座14而另一侧刚性连接至基座14的引导轨道14.3。
图3b绘示了图3a中固定式减振部件18.2的剖面图，固定式减振部件18.2被设计为消散减振器18.5。参照说明性图3b所解释的细节不应被理解成限制图3b中的元件。相反，这些细节也可与其他说明性参考图所解释的其他实施方式结合。
根据本文所描述的实施方式，消散元件18.10可包括消散材料，例如橡胶化合物(例如
Figure GDA0002592585720000111
)、聚合物、合成橡胶(elastomer)、减振垫(例如/>
Figure GDA0002592585720000112
Figure GDA0002592585720000113
)、发泡金属(metal foam)、海绵状金属(metal sponge,例如/>
Figure GDA0002592585720000114
)、黏弹性材料、黏性流体、高减振合金、或颗粒性减振材料。这些材料在垂直方向上可具有高刚性使得磁性轨道无法彼此吸引，并可在横向方向20.1上具有低刚性，以允许用于横向振动减振效应的相对运动。合成橡胶也可组合用于两个横向轨道。
所述材料尤其是适于真空应用，这些材料有弹性且提供良好的减振性能。据此，可有效的抑制载体12的振动。为了避免由材料(例如由材料中残留的湿气)造成真空的污染，固定式减振部件18.2可有利地封装或密封于外部。此种封装通常是用于不适合在真空中使用的材料。
消散元件18.10可进一步包含压电材料或黏弹性材料。
根据本文所描述的实施方式，消散元件18.10可包含钢丝绳隔离器，其是由形成环形的绞合电缆所组成的螺旋弹簧。卓越的减振效应是由电缆各股线间的相对摩擦所导致的。为了避免由材料造成真空的污染(例如因摩擦造成颗粒的释出)，固定式减振部件18.2可有利地封装或密封于外部。
压电材料或压电元件两者皆可使用于被动式减振部件18.3及主动式减振部件18.4中。
被动式减振是通过在压电元件应用电阻分流来实现的。此设计在结构的不确定性上是非常稳健的。为了得到高减振数值，压电元件也可与调谐电路(tuned electricalnetwork)分流，而压电元件的阻抗与机械性振动适当匹配。
主动式振动控制是通过将压电材料或部件作为传感器或致动器而使用于控制回路中来实现的。此处，可区分两种情况：组合(collocation)及非组合(non-collocation)。主动式减振可通过组合的成对致动器-传感器来实现。如果可在结构中适当设计成对致动器-传感器(即在致动器及传感器之间有最小量的串扰)，利用基于被动式控制定律(passivity based control law)可稳定获得优异的减振数值。此外，可将分布式传感器及致动器与多输出多输入控制(MIMO-control)一起使用。
对于主动式控制，也可以使用单一压电元件作为传感器及致动器两者。然而，这样的设置可能会受到串扰的困扰。于是可通过串扰补偿(相当于使控制回路的零点移位)来获得高减振数值。
当黏弹性材料由于聚合物链的相互作用而受到循环应力时，黏弹性材料可通过消散机械能为热量来实现有效的减振效果。
图3d绘示了图1a中细节A的剖面示意图，其中示出了布置于基座14处(尤其是在基座14与基座14上的引导轨道14.3之间)的固定式减振部件18.2。参照说明性图3d所解释的细节不应被理解成限制图3d中的元件。相反，这些细节也可与其他说明性参考图所解释的其他实施方式结合。
此处绘示的设计对应于图3a中的设计，差异在于引导磁体12.4和横向磁性配对件14.4是相同磁极且相邻布置使其互相排斥。
图2c绘示图2a中移动式减振部件18.1的剖面图，移动式减振部件18.1设计为移动式调谐质量减振器18.6。参照说明性图2c所解释的细节不应被理解成限制图2c中的元件。相反，这些细节也可与其他说明性参考图所解释的其他实施方式结合。
根据本文所描述的实施方式，移动式调谐质量减振器18.6可包含弹簧元件18.11、反应质量块18.9及消散元件18.10，其中弹簧元件18.11及消散元件18.10在反应质量块18.9与载体12之间平行布置，特别的，弹簧元件18.11及消散元件18.10的一侧刚性连接至反应质量块18.9而另一侧刚性连接至载体12。
移动式调谐质量减振器18.6可附接于载体12，以减弱载体12的动态响应。减振器的频率可调谐至特定的结构频率，使得当频率被激发时，减振器将与载体运动进行反相(out of phase)共振。对于12赫兹左右的载体振动，吸收器可被调谐至12赫兹±3赫兹。通过作用于载体12上的减振器惯性力以消散能量。特别是，在移动式调谐质量减振器18.6与载体引导轨道12.3间不存在刚性连接。相反，接合面12.6可将载体引导轨道12.3与载体12刚性连接。
换句话说，被支撑于横向磁性“弹簧”中的载体12的横向振动在已知且仅有微小变化的频率下发生，其称为本征频率。所述本征频率可利用本征频率＝sqrt(k/m)/2/pi来通过载体12的质量m及磁性弹簧的刚性k进行估算。由反应质量块18.9、机械式弹簧及消散元件18.10所组成的振动吸收器(减振器)可被调谐至这些频率以便有效减弱振动。
因此，可通过被动式减振部件18.3确实地减弱发生于此范围中的任何振动。
根据本文所描述的实施方式，磁性减振器可包含由导电金属(诸如铝或铜)所制成的电导体18.12，其中在横方向20.1中的载体振动在电导体18.12中感应用于抑制载体振动的涡电流。
图2d绘示图1a中细节A的剖面图，其中示出了布置于载体12的横向磁性配对件12.4处(尤其是介于载体12及载体引导轨道12.3之间)的移动式减振部件18.1。参照说明性图2d所解释的细节不应被理解成限制图2d中的元件。相反，这些细节也可与其他说明性参考图所解释的其他实施方式结合。
本文绘示的设计对应于图2a中的设计，差异在于引导磁体12.4和横向磁性配对件14.4与横向磁性配对件12.4是相同磁极且相邻布置使其互相排斥。
图4a及图5a各自绘示了图1a中细节A的剖面示意图。图4a中示出了移动式磁性减振器18.7，其中电导体18.12是布置于载体12的横向磁性配对件12.4上。图5a中示出了固定式磁性减振器18.8，其中电导体18.12是布置于基座14的引导轨道14.3上。参照说明性图4a及图5a所解释的细节不应被理解成限制图4a及图5a中的元件。相反，这些细节也可与其他说明性参考图所解释的其他实施方式结合。
这些实施方式是基于以下的技术效果：电导体18.12与磁场线14.6之间的相对移动在电导体18.12中感应涡电流。导体中电子的流动产生相反磁场，导致所述移动的抑制并在导体内生成热量，类似于在使用期间于电源线内部的热量堆积。以热量形式转移至导体的能量相当于移动时引起的振动所损失的动能变化，动能损失得越多，导体内的热量堆积则越多并且减振效果更强。
根据本文所描述的实施方式，绘示于图4a中移动式磁性减振器18.7的电导体18.12可布置为：(i)与磁性轴承14.2(磁性轴承14.2优选是电磁轴承)的磁场线14.6实质上垂直，或(ii)与磁性轴承14.2(磁性轴承14.2优选是电磁轴承)的磁场线14.6呈至少45°和/或最多135°的角度。所述导体可以是：(a)沿着线性轴延伸的线性电导体，或(b)具有至少一匝或绕组(winding)的线圈。磁场线14.6的布置或角度是(a)相对于导体轴来定义的，和(b)相对于线圈平面来定义的。尤其是，线圈平面垂直于线圈轴。
根据本文所描述的实施方式，绘示于图5a中固定式磁性减振器18.8的电导体18.12可布置为：(i)与布置于载体12处的横向磁性配对件12.4的磁场线14.6实质上垂直，或(ii)与布置于载体12处的横向磁性配对件12.4的磁场线14.6呈至少45°和/或最多135°的角度。
两种电导体18.12相对于磁场线14.6的布置在载体的横向振动上都具有显著的减振效果。
图5b绘示图1a中细节A的剖面图，其中示出了布置于基座14处的固定式减振部件18.2。参照说明性图5b所解释的细节不应被理解成限制图5b中的元件。相反，这些细节也可与其他说明性参考图所解释的其他实施方式结合。
固定式减振部件18.2可包含固定式减振致动器18.16，诸如驱动电机或伺服电机，其设计成根据和/或适应于由布置于载体12和/或基座14处的振动传感器或位置传感器所测量的载体横向振动，来移动或移位其中一个引导磁体。
通过使用设置于基座14或引导轨道14.3并绘示于图5b中的固定式减振部件18.2，可通过使引导磁体14.4相对于基座14处的引导轨道14.3移动，尤其是振动移动，而产生或提供横向振荡磁力以抑制载体横向振动。
可提供用于抑制横向振动的控制回路，其中基于由振动传感器18.14提供至控制器18.13(尤其是驱动控制器)的传感器信号，由控制器18.13确定驱动电流并将其馈送至固定式减振致动器18.16，于是确定固定式减振致动器18.16以此方式移动引导磁体14.4，使得引导磁体14.4的磁场及相关联的磁力作用于载体12上以抑制载体横向振动，从而形成控制回路。控制回路可以此方式进行调节，使载体振动快速的减弱。
此方式导致载体横向振动的有效抑制，因此卓越地改善磁浮系统10的运输稳定性及定位准确性。所描述的实施方式可通过使用已存在的横向磁体来实施，而不需额外的磁体来抑制横向振动，因此使实施变得成本有效并且运行稳定且可靠。
图5c绘示图1a中细节A的剖面图，其中固定式减振部件18.2是布置于基座14处。参照说明性图5c所解释的细节不应被理解成限制图5c中的元件。相反，这些细节也可与其他说明性参考图所解释的其他实施方式结合。
固定式减振部件18.2是被设计为具有固定式减振致动器18.16的主动式减振部件18.4，固定式减振致动器18.16产生和/或调节被横向取向的磁场。此处，可考虑以下情况。
(i)若引导磁体14.4已包含可控磁性减振致动器，则固定式减振致动器18.16可整合于引导磁体14.4中，以影响引导磁体14.4的磁场，并通过相关控制回路来控制。在此情况中，主动式减振部件18.4可包含用于抑制横向振动的控制回路，具体地是，仅包含控制回路而不需要单独的磁性减振致动器。
(ii)否则，固定式减振致动器18.16可设计为额外安装于基座14的横向引导轨道14.3上的主动式磁性致动器，所述主动式磁性致动器通过抑制横向振动的相关控制回路来控制。类似于情况(i)，产生作用于载体12上的横向抑制力的磁场可由产生用于抑制横向振动的磁场的减振致动器电流所确定和/或控制。
位于基座14上的固定式减振部件18.2可设计成通过对应的控制回路来控制减振致动器电流部件，以此方式抑制载体横向振动。为此目的，可通过减振装置18的特别安装于载体12或基座14上的至少一个传感器(如振动传感器)以检测载体横向振动。基于传感器提供至横向振动控制器的传感器电流，由控制器确定减振致动器电流并将其馈送至引导磁体14.4，而生成用于抑制载体横向振动的磁场，从而形成用于抑制横向振动的控制回路。
固定式减振部件18.2在两种情况下都可通过整合于磁性引导元件中的电子电路而有利地实现。在图1a中通过以非常相似的图形元件来表示引导磁体14.4及减振装置18的事实，以表明此状况。
在情况(ii)中，即使固定式减振致动器18.16可设计为额外安装在基座14的横向引导轨道14.3上的电磁致动器，十分卓越的是，特意为抑制振动所设计的固定式减振致动器18.16具有非常小的振幅，特别是在亚毫米或微米的范围中，使得固定式减振致动器18.16可具有小尺寸及低重量，且因此可被紧凑地构建。
图5c中绘示的控制回路的运作相似于图5b中的控制回路。
在(i)及(ii)两种情况中，提供了载体横向振动的有效抑制，因此卓越地改善磁浮系统10的运输稳定性及定位准确性。
固定式减振部件18.2也可布置于基座14的支撑轨道14.1上。固定式减振部件18.2可包含用于产生可调节磁场的磁性减振致动器，其中可由磁场产生自适应可变及可调节的横向力。在包含于图1a中但未于别处详细绘示的实施方式中，布置于支撑轨道14.1或整合于磁性轴承14.2中的单独减振致动器可适于产生和/或适应所述磁场，其可被叠加在磁性轴承14.2的磁场上，并可基于与图5b及图5c中绘示的实施方式所解释的类似概念而产生。
根据本文所描述的实施方式，减振致动器，即固定式及移动式减振致动器两者可包含压电元件、线性驱动器、音圈致动器及动圈致动器中的至少一个。
图4b绘示图1a中细节A的剖面图，其中示出了布置于或固定于载体12处(例如在载体12与载体12的载体引导轨道12.3之间)的移动式减振部件18.1。移动式减振部件18.1可设计成主动式减振部件18.4。参照说明性图4b所解释的细节不应被理解成限制图4b中的元件。相反，这些细节也可与其他说明性参考图所解释的其他实施方式结合。
主动式减振部件18.4可包含至少一个振动传感器18.14、移动式减振致动器18.15和控制器18.13。振动传感器18.14构造为产生表示在横方向20.1中载体振动的振动传感器信号。移动式减振致动器18.15构造为响应于减振致动器信号而产生反振动。控制器18.13连接至振动传感器18.14与移动式减振致动器18.15。控制器18.13可构造为响应于振动传感器信号而产生减振致动器信号，尤其是使得此反振动在横方向20.1中抑制或减弱载体振动。
根据本文所描述的实施方式，作为移动式减振部件18.1(特别是主动移动式减振部件)一部分的移动式减振致动器18.15可包含反应质量块18.9及振动元件18.17，振动元件18.17的一侧刚性连接至反应质量块18.9并且另一侧刚性连接至载体12。
图4c绘示了图4b中的移动式减振部件18.1的剖面图，移动式减振部件18.1是布置于载体12处并设计为主动式减振部件18.4。参照说明性图4c所解释的细节不应被理解成限制图4c中的元件。相反，这些细节也可与其他说明性参考图所解释的其他实施方式结合。
如已解释的，移动式减振部件18.1(特别是主动移动式减振部件)的控制器18.13可确定或调节减振致动器电流，以此方式使致动器电流与载体12的电流反相，使得致动器振动与载体振动的叠加导致载体振动的抑制。载体12的振动幅度随着每个振荡而减弱，使得载体振动在多次振荡后趋于平缓。
移动式减振致动器18.15可通过与反应质量块18.9的刚性连接，而仅施加必要的反作用力于载体12上。特别是，在移动式减振致动器18.15与载体引导轨道12.3间不存在刚性连接。相反，接合面12.6可将载体引导轨道12.3与载体12刚性连接。反应质量块18.9通常低于载体质量的10％、更通常甚至低于载体质量的5％，以便将载体的整体重量保持于可接受的范围中。
移动式减振部件18.1的移动式减振致动器18.15可包含驱动器(如微型电机)、或压电元件。电池或无线能量传输可提供用于供应电源。
如图1a及图1b所绘示，载体12在真空环境中的非接触式运输包含以下步骤：
-在与重力相反的保持方向20.2中向载体12上施加磁力，以非接触式地保持载体12；
-在正方向20.3中移动载体12；以及
-在垂直于正方向20.3及保持方向20.2的横方向20.1中抑制载体12的振动。
可通过以下方式抑制载体振动：(a)被动地消散载体振动能量或(b)在横方向20.1中向载体12上施加主动式或自适应可控的磁力，、和/或向载体振动叠加可控的反振动(特别是具有载体横向振动的频率并被90°的相移的反振动)。
可通过在正方向20.3中向载体12上施加磁力来实现移动载体12。
此书面描述使用示例来公开本公开内容，包括最佳模式，并使本领域技术人员可实践所描述的主题，包括制造及使用任何设备或系统以及执行任何结合方法。本文所描述的实施方式提供在真空环境中保持、定位及/或移动载体的改良方法及设备，并允许在真空环境中运输载体时具有改善的载体运输稳定性及定位准确性。虽然以上所述已公开各种特定实施方式，但上述实施方式的非互斥特征可彼此结合。可专利化的范围由权利要求书所确定，且若其他示例具有与权利要求书的字面语言无差异的结构性元件，或若其他示例具有与权利要求书的字面语言无实质上差异的等效结构性元件，则这些示例旨在落入权利要求书的范围中。

Claims (32)

1.一种位于真空环境内的磁浮系统，包括：
载体，在正方向上是可非接触式地移动的；
至少一个磁性轴承，所述至少一个磁性轴承被构造为在与重力相反的保持方向上对所述载体施加磁力，以及将所述载体非接触式地保持于所述磁性轴承处；
多个引导轨道，所述多个引导轨道布置在所述磁浮系统的基座处，所述多个引导轨道被布置为与所述载体的一侧横向隔开；
至少一个引导磁体，所述至少一个引导磁体布置在所述多个引导轨道的每一个引导轨道处，其中所述至少一个引导磁体是被动磁性稳定装置，所述至少一个引导磁体包括第一多个永磁体，
至少一个横向磁性配对件，所述至少一个横向磁性配对件布置在所述载体的一侧，所述至少一个横向磁性配对件包括第二多个永磁体，所述第一多个永磁体和所述第二多个永磁体被构造为用于在与所述正方向和所述保持方向垂直的横方向上提供所述载体的侧稳定；以及
减振装置，作用于所述载体上，所述减振装置布置在所述基座和所述至少一个引导磁体之间，和/或所述减振装置布置在所述载体和所述至少一个横向磁性配对件之间，
其中所述减振装置被构造为在所述横方向上以抑制载体振动，其中所述减振装置包括被构造为将所述载体振动转换成热量的至少一个被动式减振部件。
2.如权利要求1所述的磁浮系统，其中：
所述基座被构造为保持、定位和/或运输所述载体。
3.如权利要求2所述的磁浮系统，包括布置于所述基座处的与所述载体的顶侧和/或底侧垂直隔开的至少一个支撑轨道。
4.如权利要求1所述的磁浮系统，其中所述磁性轴承包含至少一个永磁体或至少一个主动控制式电磁轴承致动器。
5.如权利要求1所述的磁浮系统，进一步包括：
至少一个垂直磁性配对件，布置于所述载体的顶侧和/或底侧处；
其中所述至少一个横向磁性配对件布置于所述载体的左侧和/或右侧处。
6.如权利要求5所述的磁浮系统，其中所述至少一个垂直磁性配对件和所述至少一个横向磁性配对件的每一个包括至少一个永磁体和/或至少一个主动控制式电磁配对件致动器。
7.如权利要求2所述的磁浮系统，其中所述减振装置进一步包括至少一个主动式减振部件。
8.如权利要求2所述的磁浮系统，其中所述减振装置包括(i)布置于所述载体处的至少一个移动式减振部件，和/或(ii)布置于所述基座处的至少一个固定式减振部件。
9.如权利要求8所述的磁浮系统，其中所述移动式减振部件布置于(i)所述载体的垂直磁性配对件处，和/或(ii)所述载体的横向磁性配对件处。
10.如权利要求8所述的磁浮系统，其中所述固定式减振部件布置于所述基座的支撑轨道处，和/或布置于所述基座的所述多个引导轨道的一个引导轨道处。
11.如权利要求7所述的磁浮系统，其中：
所述主动式减振部件包括(i)至少一个振动传感器，构造为产生表示所述横方向上的载体振动的振动传感器信号，和/或(ii)至少一个减振致动器，构造为响应于减振致动器信号产生多个反振动，和/或(iii)至少一个控制器，连接至所述振动传感器与所述减振致动器。
12.如权利要求11所述的磁浮系统，其中所述控制器被构造为响应于所述振动传感器信号产生所述减振致动器信号。
13.如权利要求12所述的磁浮系统，其中所述控制器被构造为响应于所述振动传感器信号产生所述减振致动器信号，使得所述反振动在所述横方向上抑制或减弱所述载体振动。
14.如权利要求2所述的磁浮系统，其中作为主动固定式减振部件的一部份的固定式减振致动器被构造为自适应地形成和/或调节磁场对所述载体的干预。
15.如权利要求14所述的磁浮系统，其中所述固定式减振致动器适于使所述至少一个引导磁体的磁性引导元件相对于所述载体和/或所述基座移动或倾斜，以自适应地形成和/或调节在所述横方向上对所述载体进行干预的所述磁场。
16.如权利要求14或15所述的磁浮系统，其中所述固定式减振致动器适于相对于垂直方向倾斜和/或振荡磁场线。
17.如权利要求15所述的磁浮系统，其中所述固定式减振致动器被构造为自适应地形成和/或调节由所述磁性引导元件产生的磁场对载体的干预，从而确定和/或调节在所述横方向上作用在所述载体上的磁力。
18.如权利要求11所述的磁浮系统，其中作为主动移动式减振部件的一部份的移动式减振致动器包含反应质量块及振动元件，所述振动元件的一侧刚性连接至所述反应质量块并且另一侧刚性连接至所述载体。
19.如权利要求11所述的磁浮系统，其中所述减振致动器包含压电元件、线性驱动器、音圈致动器及动圈致动器中的至少一者。
20.如权利要求11所述的磁浮系统，其中所述振动传感器包含位置传感器、速度传感器及加速度传感器中的至少一者。
21.如权利要求7所述的磁浮系统，其中
所述至少一个被动式减振部件包含移动式消散减振器或固定式消散减振器、移动式调谐质量减振器、移动式磁性减振器或固定式磁性减振器中的至少一个。
22.如权利要求21所述的磁浮系统，其中所述移动式消散减振器包含反应质量块及消散元件，其中所述消散元件的一侧刚性连接至所述反应质量块并且另一侧刚性连接至所述载体。
23.如权利要求21所述的磁浮系统，其中所述移动式调谐质量减振器，包含弹簧元件、反应质量块及消散元件，其中所述弹簧元件及所述消散元件平行布置在所述反应质量块及所述载体之间。
24.如权利要求21所述的磁浮系统，其中所述固定式消散减振器，包含消散元件，其中所述消散元件的一侧刚性连接至所述基座并且另一侧刚性连接至所述多个引导轨道的一个引导轨道。
25.如权利要求22-24任一项所述的磁浮系统，其中所述消散元件包含减振材料或钢丝绳隔离器。
26.如权利要求25所述的磁浮系统，其中所述减振材料包括橡胶化合物、聚合物、合成橡胶、减振垫、发泡金属、海绵状金属、黏弹性材料、黏性流体、压电材料、高减振合金、颗粒性减振材料中的至少一个。
27.如权利要求21所述的磁浮系统，其中所述移动式磁性减振器或所述固定式磁性减振器包含电导体，其中在所述横方向中的所述载体振动在电导体中感应抑制所述载体振动的涡电流。
28.如权利要求27所述的磁浮系统，其中所述移动式磁性减振器的所述电导体布置为(i)与所述磁性轴承的磁场线实质上垂直，或(ii)与所述磁性轴承的磁场线呈最少45°和/或最多135°的角度。
29.如权利要求27所述的磁浮系统，其中所述固定式磁性减振器的所述电导体布置为(i)与布置在所述载体处的磁性配对件的磁场线实质上垂直，或(ii)布置在所述载体处的磁性配对件的磁场线呈最少45°和/或最多135°的角度。
30.一种在真空环境中非接触式地运输载体的方法，包含：
在与重力相反的保持方向中在所述载体上施加磁力，以非接触式地保持所述载体；
在正方向中移动所述载体；
在垂直于所述正方向和所述保持方向的横方向上提供所述载体的侧稳定，其中多个引导轨道被布置在基座处并且被布置为与所述载体的一侧横向隔开，至少一个引导磁体布置在所述多个引导轨道的每个引导轨道处，其中所述至少一个引导磁体是被动磁性稳定装置，所述至少一个引导磁体包括第一多个永磁体，其中至少一个横向磁性配对件布置在所述载体的一侧，所述至少一个横向磁性配对件包括第二多个永磁体，其中通过使用所述第一多个永磁体和所述第二多个永磁体提供所述侧稳定；以及
在所述横方向中抑制所述载体的振动，其中所述抑制载体振动包括通过至少一个被动式减振部件将所述载体振动转换为热量，所述至少一个被动式减振部件设置在所述基座和所述至少一个引导磁体之间，和/或设置在所述载体和所述至少一个横向磁性配对件之间。
31.如权利要求30所述的方法，其中
通过在正方向中向所述载体上施加磁力来实现所述载体的移动。
32.如权利要求30或31所述的方法，其中所述载体振动的抑制进一步是通过由至少一个主动式减振部件在所述横方向中向所述载体上施加主动式或自适应可控的磁力，和/或向所述载体振动叠加具有所述载体横向振动的频率并相移90°的可控反振动来执行的。
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