CN113471112A - 磁浮重力补偿装置和微动台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁浮重力补偿装置和微动台，磁浮重力补偿装置，包括：内基磁体、第一端部磁钢、第二端部磁钢、内磁环磁钢和外线圈，其中，内基磁体沿轴向延伸；第一端部磁钢和第二端部磁钢分别位于内基磁体的两个轴向端并沿轴向延伸，且第一端部磁钢和第二端部磁钢的外径分别沿远离内基磁体的两个轴向端方向逐渐增大；内磁环磁钢呈筒状，且与内基磁体同轴地位于内基磁体外；外线圈与内基磁体同轴地位于内磁环磁钢外，外线圈相对内基磁体、第一端部磁钢和第二端部磁钢固定。由于包括外线圈，通过控制外线圈内电流的方向和大小，可以控制整个磁浮重力补偿装置在克服工件台的重力和柔性机构的弹力后的输出力，满足微动台的高运动性能要求。

Description

磁浮重力补偿装置和微动台
技术领域
本发明涉及集成电路装备制造领域，更具体地涉及一种磁浮重力补偿装置以及包括该装置的微动台。
背景技术
在半导体制造或者检测领域，要求工件台具有硅片的交接和精密定位功能，而工件台中的核心执行机构是微动台，其可使硅片实现Z、Rx和Ry垂向三轴的精密定位。通常，垂向三轴微动台采用三点执行器布局，为保证垂向性能，可应用柔性机构(例如弹性片等)作为微动台的运动解耦和导向，但在小行程范围内，柔性机构的弹簧刚度为恒定值，其作用在垂向执行器上的反力是随垂向位移线性增加或者减小的，但随着工件台行程的增大，柔性机构刚度的非线性也逐渐增大。
因此，微动台执行器的输出力需随垂向行程调整，以补偿掉柔性结构的变刚度，通常，微动台垂向执行器通常是采用零刚度重力补偿装置+音圈电机的组合方案，零刚度重力补偿装置用于补偿微动台中载台装置的重力，载台装置用于放置硅片，并带动硅片移动，音圈电机提供柔性机构的弹力和载台装置垂向运动所需的推拉力，由于在不同垂向行程范围内，柔性机构的刚度存在线性区域和非线性区域，所以单纯控制音圈电机的推拉力很难完全补偿掉柔性机构的弹力和垂向运动的推拉力，而且在高加速度工况下，音圈电机的出力较大、温升较高，难以满足微动台的高运动性能要求。
在现有技术中，一般会采用气浮重力补偿装置，可通过比例阀来实时调节压缩气体的压力可实现恒刚度的重力补偿，但气浮重力补偿装置结构非常复杂，且气动的控制存在滞后性，对提高垂向性能有影响。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种磁浮重力补偿装置和微动台，本发明中的磁浮重力补偿装置结构和控制均简单，并且结构紧凑，同时能够满足工件台的高运动性能要求。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种磁浮重力补偿装置，包括：
内基磁体，所述内基磁体沿轴向延伸；
第一端部磁钢和第二端部磁钢，所述第一端部磁钢和所述第二端部磁钢分别位于所述内基磁体的两个轴向端并沿轴向延伸，且所述第一端部磁钢和所述第二端部磁钢的外径分别沿远离所述内基磁体的所述两个轴向端方向逐渐增大；
内磁环磁钢，所述内磁环磁钢呈筒状，且与所述内基磁体同轴地位于所述内基磁体外且与所述内基磁体径向间隔开；
外线圈，所述外线圈与所述内基磁体同轴地位于所述内磁环磁钢外，且与所述内磁环磁钢径向间隔开，所述外线圈相对所述内基磁体、所述第一端部磁钢和所述第二端部磁钢固定。
在一实施例中，所述内基磁体的充磁方向为轴向，所述第一端部磁钢和所述第二端部磁钢的充磁方向为从所述内基磁体沿轴向向外，所述内磁环磁钢的充磁方向为从所述内磁环磁钢的环内往环外。
在一实施例中，所述内基磁体的充磁方向为轴向，所述第一端部磁钢和所述第二端部磁钢的充磁方向为从外沿轴向指向所述内基磁体，所述内磁环磁钢的充磁方向为从所述内磁环磁钢的环外往环内。
在一实施例中，所述磁浮重力补偿装置还包括：与所述内磁环磁钢同轴地位于所述外线圈外的外磁环磁钢，且所述外磁环磁钢与所述外线圈径向间隔开，所述外磁环磁钢相对所述内磁环磁钢固定；
其中，所述外磁环磁钢的充磁方向与所述内磁环磁钢的充磁方向相同。
在一实施例中，所述外磁环磁钢由沿周向彼此邻接的多个弧形板组成；
各所述弧形板的充磁方向为径向方向，或所述弧形板的充磁方向平行于所述弧形板周向中央的径向方向。
在一实施例中，所述磁浮重力补偿装置还包括：与所述内磁环磁钢同轴地位于所述外线圈外的外导磁环，所述外导磁环与所述外线圈径向间隔开。
在一实施例中，所述内基磁体为永磁体，或所述内基磁体为内线圈，或所述永磁体与所述内线圈的组合，所述内线圈绕所述第一端部磁钢和所述第二端部磁钢度的轴线周向缠绕。
在一实施例中，所述内磁环磁钢由沿周向彼此邻接的多个弧板组成；各所述弧板的充磁方向为径向方向，或所述弧板的充磁方向平行于所述弧板周向中央的径向方向。
本发明还提供了一种微动台，包括：
载台装置；
微动底座，所述载台装置相对于所述微动底座垂向可滑动地连接至所述微动底座；
柔性机构，所述柔性机构包括弹性片，所述弹性片水平径向延伸，且所述弹性片的径向内端连接至所述载台装置，所述弹性片的径向外端连接至所述微动底座；以及
上述的磁浮重力补偿装置，所述内基磁体、所述第一端部磁钢、所述第二端部磁钢和所述外线圈组合成定子和动子中的一个，所述内磁环磁钢为所述定子和所述动子中的另一个，所述磁浮重力补偿装置位于载台装置下方，所述定子固定至所述微动底座，所述动子固定至所述载台装置。
在一实施例中，所述磁浮重力补偿装置为多个，多个所述磁浮重力补偿装置的等效重心所在垂线与所述载台装置重心所在垂线共线。
本发明实施方式相对于现有技术而言，本发明的磁浮重力补偿装置解决了现有技术气动恒刚度重力补偿装置结构复杂，控制复杂，控制存在滞后性等问题；解决了现有重力补偿装置刚度为零或非线性的问题。本发明实现了在外线圈电流为零时，磁浮输出力在线性区沿行程呈线性的特性，且在零位点处输出力可抵消载台装置重力；在非线性区，通过改变外线圈中的电流实现输出力可调，来补偿载台装置重力和柔性机构的弹力。发明既能够补偿掉载台装置的重力，又能在大行程范围内平衡柔性机构的弹性变形反作用力，降低了垂向执行器的负荷，大大提高了微动台的垂向性能。另外，由于磁浮重力补偿装置还包括外线圈，通过控制外线圈内电流的方向和大小，从而可以控制整个磁浮重力补偿装置在克服载台装置的重力和柔性机构的弹力后的输出力，从而使得可以精确控制载台装置的运动速度等，同时能够满足载台装置的高运动性能要求。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明第一实施例中磁浮重力补偿装置的结构示意图；
图2是图1的轴向剖视图；
图3是弧板中磁感线沿径向设置时的结构示意图；
图4是弧板中磁感线平行设置时的结构示意图；
图5a是柔性机构的输出力曲线图；
图5b是外线圈电流为零时，线性行程范围内磁浮重力补偿装置输出力曲线图；
图5c是本发明第一实施例中线性行程范围内磁浮重力补偿装置输出力曲线图；
图6是本发明第二实施例中磁浮重力补偿装置的结构示意图；
图7是图6的轴向剖视图；
图8是弧形板中磁感线沿径向设置时的结构示意图；
图9是弧形板中磁感线平行设置时的结构示意图；
图10本发明第二实施例中外线圈不通电时的磁感线图；
图11是本发明第三实施例中磁浮重力补偿装置的结构示意图；
图12是本发明第四实施例中磁浮重力补偿装置的结构示意图；
图13是图12的轴向剖视图；
图14a是本发明第四实施例中内线圈和外线圈均不通电时的磁感线图；
图14b是本发明第四实施例中内线圈通电而外线圈均不通电时的磁感线图；
图15a是本发明中微动台的结构示意图；
图15b是本发明中柔性机构的结构示意图；
图16是本发明中磁浮重力补偿装置的数量不同时的微动台的结构示意图。
附图标记说明：
1、内基磁体；11、内环；12、内线圈；2、第一端部磁钢；3、第二端部磁钢；4、内磁环磁钢；41、弧板；5、外线圈；6、载台；7、柔性机构；71、弹性片；8、外磁环磁钢；81、弧形板；10、外导磁环；100、磁浮重力补偿装置；101、第一框架；102、第二框架；103、旋转底座；104、微动底座。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。
除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。
以下将结合附图对本发明的各实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。
如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”和“所述”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。
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。并且下述各图中坐标轴沿Z(第一方向Z)的方向为磁浮重力补偿装置的轴线方向，也就是垂向方向，这些方向性词汇均为方便用语，不应理解为限定性词语。本文中“X向”、“X方向”和“Y向”、“Y方向”表示沿水平方向彼此相交的方向，“Z向”和“Z方向”表示垂直方向。
需要说明的是，下列各示意图中箭头“→”方向代表磁化方向，“×”代表线圈截面。
下文参照附图描述本发明第一实施例磁浮重力补偿装置，如图1和图2所示，磁浮重力补偿装置100包括：内基磁体1、第一端部磁钢2、第二端部磁钢3、内磁环磁钢4和外线圈5，其中，内基磁体1呈圆筒状并沿轴向延伸，内基磁体1为永磁体。第一端部磁钢2和第二端部磁钢3分别位于内基磁体1的两个轴向端并沿轴向延伸，第一端部磁钢2和第二端部磁钢3的外径分别沿远离内基磁体1的两个轴向端方向逐渐增大。内磁环磁钢4呈圆筒状，内磁环磁钢4与内基磁体1同轴地位于内基磁体1外且与内基磁体1径向间隔开。外线圈5与内基磁体1同轴且位于内磁环磁钢4外，外线圈5与内磁环磁钢4径向间隔开。外线圈5一般配有功率放大器，因此可通过调节外线圈5内的电流来调节外线圈5产生的磁场。外线圈5相对内基磁体1、第一端部磁钢2和第二端部磁钢3固定，也就是，外线圈5与第一端部磁钢2或者第二端部磁钢3之间可以通过支架或者其他结构固定连接在一起。内基磁体1、第一端部磁钢2、第二端部磁钢3和外线圈5共同组成第一框架101，该第一框架101与内磁环磁钢4之间相互磁作用，从而能够相对于彼此轴向运动。可以设置成第一框架101为动子，而内磁环磁钢4为定子，也可以设置成内磁环磁钢4为动子，而第一框架101为定子。当第一框架101为动子时，则由第一框架101承载并带动载台装置运动，当内磁环磁钢4为动子时，则由内磁环磁钢4承载并带动载台装置运动。下文以第一框架101作为动子的情况为例对本发明的磁浮重力补偿装置100进行描述，下述中磁浮重力补偿装置100的行程或位移即为第一框架101相对于内磁环磁钢4沿第一方向(Z)的位移。
本发明中的磁浮重力补偿装置100可应用于微动台中，一般而言，微动台包括：载台装置、柔性机构7、微动底座104和上述实施例中的磁浮重力补偿装置100；载台装置相对于微动底座104垂向可滑动地连接至微动底座104，如图15a和图15b所示，柔性机构7一端连接至载台装置，另一端连接至微动底座104；磁浮重力补偿装置100位于载台装置下方并构造成能够对载台装置的重力进行力补偿。
具体地，如图15a和图15b所示，载台装置包括：载台6和设置在载台6下方的旋转底座103，其中载台6用于吸附硅片，可以通过真空吸附，也可采用静电吸附等。柔性机构7包括多个弹性片71，弹性片71在微动底座104与旋转底座103之间径向水平延伸并在两端分别与微动底座104与旋转底座103固定连接。具体地，柔性机构7的径向内端连接至旋转底座103，而径向外端连接至微动底座104。
如图1和2所示，第一端部磁钢2和第二端部磁钢3呈具有轴向通孔的圆台形，但应理解，第一端部磁钢2和第二端部磁钢3也可以采用实心结构而不脱离本发明的范围。第一端部磁钢2和第二端部磁钢3的外径尺寸均分别从靠近内基磁体1的两轴向端朝下和朝上逐渐增大。第一端部磁钢2和第二端部磁钢3各设有轴向通孔，其轴向通孔与内基磁体1的轴向通孔同轴且具有相同的直径且彼此连通。第一端部磁钢2和第二端部磁钢3的形状和尺寸彼此相同，且关于内基磁体1的中分径向面镜像对称。内磁环磁钢4呈圆筒状，且与内基磁体1同轴地位于内基磁体1外，并与内基磁体1径向间隔开。在所示实施例中，第一端部磁钢2和第二端部磁钢3与内基磁体1邻接，但应理解，其间也可设置一定的气隙，该气隙通常不大于1mm。
本实施例中的磁浮重力补偿装置100具有如下文所述的垂向补偿和垂向驱动两种功能。
如图2和图15a所示，第一框架101和内磁环磁钢4之间无机械连接，在线性行程范围内，柔性机构7的刚度恒定，且第一框架101与内磁环磁钢4间相互作用可产生刚度不变的垂向作用力，其中当内磁环磁钢4和内基磁体1相对于彼此轴向居中时即为装置零位点，由于装置在零位点时需补偿载台装置的重力，因而其对外输出磁浮力需与载台装置重力相等。此时柔性机构7弹力为零，外线圈5不通电，磁浮重力补偿装置100的输出磁浮力方向垂向向上。由于在载台装置与底座之间所设置的柔性机构7的弹力在线性行程范围内随载台装置垂向运动而线性变化，因而，只有当磁浮重力补偿装置100的输出磁浮力也随载台装置垂向运动而线性变化、且两者变化斜率相等时，磁浮重力补偿装置100才能完全实现对载台装置重力和柔性机构7弹力的补偿作用。基于此，装置中第一端部磁钢2和第二端部磁钢3的外径尺寸需从靠近内基磁体1的两端分别朝下和朝上逐渐增大，载台装置在线性行程范围内，磁浮重力补偿装置100输出磁浮力等于柔性机构7的输出弹力和载台装置的重力之和。
图5b中示出了磁浮重力补偿装置100外线圈5中电流为零，线性行程范围内输出力仿真曲线。图中横轴表示磁浮重力补偿装置100的行程、纵轴表示输出力。图中标注了两相反位移端点和零位点及其对应的输出力。图中x、-x为单向的极限位移、G为单个磁浮重力补偿装置100需补偿的载台装置重力，G+F、-F+G是单个磁浮重力补偿装置100在线性行程范围端点的输出力，假设磁浮重力补偿装置100的设计刚度为k，则正向行程端点x处磁浮重力补偿装置100的输出力幅值为G+F＝G+kx，由此可知磁浮重力补偿装置100的输出力范围为[-F+G，F+G]。从图中可以看出，该磁浮重力补偿装置100的输出力随行程线性变化，从而能够补偿载台装置的重力以及柔性机构7产生的线性变化的弹力。
综上所述，在线性行程范围内，外线圈5中电流为零的情况下，磁浮重力补偿装置100具有垂向补偿作用，能够补偿掉载台装置的重力和柔性机构7的弹力，且磁浮重力补偿装置100具有恒刚度的特性。
相比线性行程范围内的情况，本磁浮重力补偿装置100还能运用在大行程范围中。其与线性行程范围的区别在于，线性行程范围内柔性机构7的刚度恒定，大行程范围包括线性行程范围和超出线性行程范围的非线性行程范围，在非线性行程范围内，柔性机构7的刚度不恒定。另外，如图5a所示，图中横轴为磁浮重力补偿装置100沿第一方向(Z)的位移，纵轴为柔性机构7沿第一方向(Z)的输出力。由图可知，在第一方向位移的行程范围内的线性区域A(既线性行程范围)，柔性机构7输出刚度恒定，其弹力与位移呈线性变化，当磁浮重力补偿装置100在该区域外运动时，即在行程范围内的非线性区域B中，此时柔性机构7的输出刚度随位移变化，其弹力与位移也呈非线性变化，但是通过第一端部磁钢2和第二端部磁钢3补偿的力一直是呈线性变化的，在非线性区域运动时，第一端部磁钢2和第二端部磁钢3依然只能线性补偿，将导致柔性机构7的有一部分弹力无法被补偿掉，此时，可通过控制外线圈5内的电流方向和幅值产生相应方向和大小的洛伦兹力，来补偿掉不能被第一端部磁钢2和第二端部磁钢3补偿的该部分弹力。因此本磁浮重力补偿装置100在非线性区域B中也具有垂向补偿作用。
结合上面线性行程范围和非线性行程范围，磁浮重力补偿装置100的输出力用于补偿载台装置的重力和柔性机构7的弹力，当磁浮重力补偿装置100的第一框架101相对于内磁环磁钢4沿第一方向(Z)在线性区域A的行程范围内位移时，柔性机构7的输出弹力线性变化，当外线圈5内电流为零时，由于第一端部磁钢2和第二端部磁钢3的外径尺寸均分别从靠近内基磁体1的两轴向端朝下和朝上逐渐增大，第一端部磁钢2和第二端部磁钢3的外径尺寸变化梯度与柔性机构7输出弹力的变化梯度一致，在线性区域A内，磁浮重力补偿装置100输出磁浮力与柔性机构7的输出弹力和载台装置重力之和相等。
而在非线性区域，由于柔性机构7的输出力呈非线性变化，当外线圈5内电流为零时，磁浮重力补偿装置100输出磁浮力依然呈线性变化，因此浮重力补偿装置100输出磁浮力不等于柔性机构7的输出弹力幅值和载台装置重力之和，此时可在外线圈5内通入电流，通过外线圈5内产生的轴向磁场来调节磁浮重力补偿装置100的输出力，使得在第一框架101相对于内磁环磁钢4在处于非线性区域的行程范围内位移时，磁浮重力补偿装置100输出磁浮力与柔性机构7的输出弹力和载台装置重力之和依然相等。
因此，具体地，本发明中的磁浮重力补偿装置100是一种线性行程范围内恒刚度重力补偿装置，而在包括线性行程范围和非线性行程范围的大行程范围内输出力可调的高集成度装置。即在微动台垂向运动模块的线性行程范围内，当外线圈5的电流为零时，磁浮重力补偿装置100的输出力可补偿掉载台装置的重力以及柔性机构7在线性区域内的弹力。在大行程范围内，通过调节外线圈5的电流大小和方向，从而可以调节第一框架101与内磁环磁钢4之间的相互作用力，使得磁浮重力补偿装置100的输出力可调，即可提供柔性机构7在非线性区域的补偿力。
在线性行程范围内，本实施例磁浮重力补偿装置100的垂向补偿作用还具有其他特征，如图5c所示，图中横轴为磁浮重力补偿装置100中第一框架101沿第一方向(Z)的位移，纵轴为磁浮重力补偿装置100沿第一方向(Z)的输出力。图中5条曲线分别对应外线圈5不同输入电流工况下的磁浮重力补偿装置100的输出力曲线。
需要说明的是，图5c中外线圈5中电流是恒定的，在实际情况中，当磁浮重力补偿装置100处于大行程范围时，为了补偿掉柔性机构7的弹力，根据需要需逐步调整电流大小。
由图5c和图16可知，外线圈5的预设输入电流分别为-2A、-1A、0A、1A和2A，其在零位点处对应磁浮重力补偿装置100的输出力分别为m5、m4、m1、m2和m3，当输入电流为0A时，此输出力为沿第一方向的作用力m1，输出力与微动台中磁浮重力补偿装置100的数量的乘积即为载台装置重力。
当内磁环磁钢4和内基磁体1相对于彼此轴向居中时即为装置零位点，且当外线圈5的电流为零时，磁浮重力补偿装置100输出力与载台装置的重力大小相等且方向相反，如果在零位点时磁浮重力补偿装置100无法完全补偿掉载台装置的重力或补偿力超出了载台装置的重力，则可通过改变外线圈5中电流大小来调整磁浮重力补偿装置100的输出力，使得该输出力能够与载台装置的重力匹配。此外，图中每条输出力曲线的线性度都很好(即都表现为恒刚度)，利用第一端部磁钢2和第二端部磁钢3的锥度实现磁场的线性化，应用第一框架101磁场和内磁环磁钢4磁场的相互作用实现了零位点处的载台装置重力补偿方案。
因此，本发明既补偿了载台装置的重力，又能根据载台装置的重力做出调整，工作人员只需要简单改变外线圈5中的电流便能使整个装置在零位点保持平衡，大大提高了生产效率和微动台的稳定性；同时，采用上述方式后，还使得磁浮重力补偿装置100结构紧凑，节约设计空间，集成程度很高。
需要说明的是，上述图5c中所示出的图为外线圈5中电流为恒值时的图，但在实际情况中，当柔性机构7处于非线性区域时，外线圈5中电流需要进行根据柔性机构7的弹力变化而进行变化，从而使得磁浮重力补偿装置100的输出力能够完全补偿掉载台装置的重力与柔性机构7的弹力。
本实施例中的磁浮重力补偿装置100除了上述垂向补偿作用，还具有垂向驱动作用。如图5c可知，当外线圈5内输入不同电流时，磁浮重力补偿装置100具有不同的输出力。同理，控制外线圈5的电流方向和幅值即可控制载台装置的运动方向和加速度，起到垂向驱动作用。
在线性行程范围内，磁浮重力补偿装置100具有恒刚度的特性，磁浮重力补偿装置100始终能补偿载台装置的重力和柔性机构7的弹力。在初始的零点位时，无论外线圈5是否有恒定电流，只需要简单改变外线圈5中的电流方向和幅值就能提供载台装置运动所需的加速度力，使载台装置快速作出反应，例如快速加速或减速，既同时起到垂向补偿和垂向驱动的作用。而且这种控制使线圈部分电流较小、温升较低，可使载台装置满足高动态响应的应用需求。
在大行程范围中，外线圈5需要不断改变电流方向和幅值以补偿部分柔性机构7的非线性弹力，在此基础上再通过计算改变外线圈5中的电流方向和幅值仍然能够提供载台装置运动所需的加速度力。
综上所述，磁浮重力补偿装置100既具有垂向补偿作用，又具有垂向驱动作用。因此，运用到微动台后，可以不需要单独设置垂向驱动装置，节约了微动台的设计空间，使微动台的结构更加紧凑，集成程度很高。在本发明中，由于外线圈5只需提供载台装置运动所需的轴向加速度的力和柔性机构7在非线性区域的补偿力，因此其线圈部分电流较小、温升较低，因此可使载台装置满足高动态响应的应用需求，例如快速加速或减速。而且本发明中的磁浮重力补偿装置100因为结构紧凑，因此能够节约载台装置设计空间，集成程度很高。
另外，需要说明的是由于设置了外线圈5，因此使得磁浮重力在大行程范围内也可以实现补偿载台装置的重力和柔性机构7的弹力的作用，如图5a。而且由于增加了外线圈5，当内磁环磁钢4和内基磁体1相对于彼此轴向居中时即为装置零位点，通过调节外线圈5中电流的大小还可以辅助补偿载台装置的重量。
另外，如图2至4所述，具体地，在本实施例中，第一端部磁钢2和第二端部磁钢3的充磁方向为从内基磁体1沿轴向向外，内基磁体1的充磁方向可以与第一端部磁钢2和第二端部磁钢3中的任意一个相同，在本实施例中，内基磁体1的充磁方向与第一端部磁钢2相同，内磁环磁钢4的充磁方向为沿径向向外。而外线圈5的磁场可以根据需要随意调整。当然，在有些实施例中，第一端部磁钢2和第二端部磁钢3的充磁方向也可以沿轴向从外指向内基磁体1方向，即与上述从内基磁体1沿轴向向外的方向相反，而内磁环磁钢4的充磁方向也可以相应地设置成径向向内。
在有些实施例中，如图1、图3和图4所示，内磁环磁钢4由沿周向邻接的多个弧板41组成，并且如图3所示各弧板41的充磁方向设置成沿内磁环磁钢4的径向，即弧板41内不同周向位置处的充磁方向均沿径向方向；或者如图4所示弧板41的充磁方向平行于弧板41周向中央的径向方向，即弧板41的各磁感线均平行设置且与弧板41周向对称平面平行。当弧板41内各磁感线均平行时，方便对各弧板41进行充磁。只需要将弧板41放入平行磁场中，即可完成充磁。
如图1所示，内磁环磁钢4由8块分块磁钢拼接而成。其中8块分块磁钢为由一圆筒以45°等角间隔沿径向平分的弧板41。但应理解，内磁环磁钢4也可其他数量的分块磁钢拼接而成，为了消除内磁环磁钢4产生的径向不平衡力，其分块数N设为偶数，例如2块、4块、6块等。内磁环磁钢4由分块磁钢拼接而成便于磁钢进行充磁和加工。当然，需要说明的是，在有些实施例中，内磁环磁钢4还可以是一体式磁环。
本发明第二实施例提供了一种磁浮重力补偿装置100，本实施例与第一实施例基本相同，区别点在于，如图6和7所示，本实施例中的磁浮重力补偿装置100还可以包括外磁环磁钢8，该外磁环磁钢8与内磁环磁钢4同轴设置，并且位于外线圈5外，同时与外线圈5沿径向间隔开。外磁环磁钢8的充磁方向与内磁环磁钢4的充磁方向相同，也就是说，外磁环磁钢8的充磁方向可径向向外或径向向内。
另外，外磁环磁钢8与内磁环磁钢4相对固定，外磁环磁钢8与内磁环磁钢4可以通过支架或者连接杆等装置固定在一起，也就是外磁环磁钢8和内磁环磁钢4共同组成第二框架102，该第二框架102可以是定子或动子，该第二框架102与上述第一框架101之间产生相互磁作用力而能够相对于彼此运动，第一框架101和第二框架102中的任意一个为动子，而另一个为定子。
在本发明中的磁浮重力补偿装置100中，第一框架101与第二框架102之间无机械连接，行程范围内，第一框架101中内基磁体1、第一端部磁钢2和第二端部磁钢3与第二框架102中内磁环磁钢4和外磁环磁钢8的磁场之间相互作用可产生垂向向上、大小恒定的磁浮作用力，该磁浮作用力与载台装置垂向运动机构在零位点处的重力相等、方向相反；第一框架101中第一端部磁钢2和第二端部磁钢3的外侧锥度可使第一框架101的输出磁力趋于线性化，内基磁体1、第一端部磁钢2和第二端部磁钢3与第二框架102中内磁环磁钢4和外磁环磁钢8磁场间相互作用可产生垂向向上、刚度恒定的磁浮作用力，两作用力叠加即可实现输出恒刚度的垂向磁浮力。
外线圈5通常配有功率放大器，以调节外线圈5的电流输入，由洛伦兹力定律，即磁场对运动电荷会产生洛伦兹力，外线圈5沿径向布置在内磁环磁钢4和外磁环磁钢8之间，通过调节所述第一框架101中外线圈5输入电流的方向和幅值，可使外线圈5与第二框架102磁场相互作用产生不同的洛伦兹力，该洛伦兹力可使第一框架101与第二框架102按照预设轨迹产生相对位移，此时外线圈5无需克服载台装置的重力，只需提供运动所需的加速度的力和柔性机构7在非线性区域的弹力中超出线性部分的扰动力的补偿力即可，因此磁浮重力补偿装置100的电流小、温升低，载台装置可满足高动态响应的应用需求。
另外，如图6、图8和图9所示，外磁环磁钢8还可以由沿周向彼此邻接的多个弧形板81组成，或者，在有些实施例中，外磁环磁钢8还可以是一个完整的磁环，如图8所示各弧形板81的充磁方向沿外磁环磁钢8的径向设置，或如图9所示弧形板81的充磁方向平行于弧形板81周向中央的径向方向。也就是弧形板81的各磁感线可以沿外磁环磁钢8的径向设置，或者弧形板81的各磁感线均平行设置且与弧板41的周向对称面平行，当各磁感线均平行时，方便对各弧形板81进行充磁。只需要将弧形板81放入平行磁场中，即可完成充磁。
如图6所示，外磁环磁钢8由8块分块磁钢拼接而成。其中8块分块磁钢为由一圆筒以45°等角间隔沿径向平分的弧形板81磁钢。但应理解，外磁环磁钢8也可其他数量的分块磁钢拼接而成，为了消除外磁环磁钢8产生的径向不平衡力，其分块数N设为偶数，例如2块、4块、6块等。外磁环磁钢8由分块磁钢拼接而成便于磁钢进行充磁和加工。
本实施例的磁感线如图10所示，图中给出了图6的轴向剖面示意图的一部分，图中磁感线走向与设计的磁路基本一致。
本发明第三实施例提供了一种磁浮重力补偿装置100，第三实施例与第一实施例基本相同，其主要区别点在于，如图11所示，在本实施例中的磁浮重力补偿装置100还包括：与内磁环磁钢4同轴地位于外线圈5外的外导磁环10，外导磁环10与外线圈5径向间隔开。，该外导磁环10采用导磁材料做成，例如铁或者高导磁(Fe Si B)98(Cu Nb)2非晶合金等导磁材料。通过外导磁环10可以加强整个磁浮重力补偿装置100的磁场。
另外，外导磁环10由沿周向彼此邻接的多个圆弧板组成，当然，也可以是一体式的圆环。
本发明第四实施例提供了一种磁浮重力补偿装置100，第四实施例与第二实施例基本相同，其主要区别点在于，在第二实施例中，内基磁体1为永磁体，如图12和13所示，而在本实施例中内基磁体1为内线圈12。当然，为了固定内线圈12，内线圈12可沿内环11的轴线缠绕于内环11上，该内环11可以是普通材质，也可以是导磁体或者永磁体。而第一端部磁钢2和第二端部磁钢3设置在内环11的轴向方向的两端。在该内环11由永磁体形成的情况下，永磁体和内线圈12共同构成内基磁体1，与第一端部磁钢2和第二端部磁钢3共同形成第一框架101，以与第二框架102相互作用产生磁浮力。应理解，内线圈12也可通过其它方式固定，只要其位于第一端部磁钢2与第二端部磁钢3之间且其中的导线绕轴线周向缠绕即可，内线圈12中的电流方向可以根据需要进行调整，如图13所示，内线圈12通电后，内线圈12的磁力方向沿轴线向上，在有些实施例中，当内线圈12当电流方向相反时，内线圈12的磁力方向可以沿轴线向下。
内线圈12通常配有功率放大器，以调节内线圈12的输入，由右手螺旋定则，通过调节所述第一框架101中内线圈12输入电流的方向和幅值，以匹配不同重量的载台装置的重力，从而提高磁浮重力补偿装置100的适用范围。
当外线圈5电流为零时，磁浮重力补偿装置100所产生的磁作用力将载台装置的重力和柔性机构7的弹力补偿掉后，可通过调节外线圈5电流的方向和幅值，使磁浮重力补偿装置100沿预设轨迹做高加速度运动，提高了载台装置沿第一方向(Z)的运动性能。
本实施例给出结构对应的磁感线如图14a和图14b所示，图中给出了图13的轴向剖面示意图的一部分，图14a为内线圈12通电而外线圈5未通电时的磁感线图，图14b为内线圈12未通电且外线圈5也未通电时的磁感线图。由图可知，磁感线沿第一平面(XoY)镜像对称。
以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，若需要，能修改实施例的方面来采用各种专利、申请和出版物的方面、特征和构思来提供另外的实施例。
考虑到上文的详细描述，能对实施例做出这些和其它变化。一般而言，在权利要求中，所用的术语不应被认为限制在说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应被理解为包括所有可能的实施例连同这些权利要求所享有的全部等同范围。
另外，需要说明的是，上述各实施例中提到的相关技术细节和所能达到的技术效果在其他实施方式中依然有效，为了减少重复，在有些实施例中就没有一一重复赘述。
本发明还提供了一种微动台，如图15a至图16所示，微动台包括：载台装置、柔性机构7、微动底座104和上述各实施例中任意实施例中的磁浮重力补偿装置100；载台装置相对于微动底座104垂向可滑动地连接至微动底座104，柔性机构7包括多个弹性片71，弹性片71水平径向延伸，且弹性片71的径向内端连接至载台装置，弹性片71的径向外端连接至微动底座104；磁浮重力补偿装置100位于载台装置下方并构造成能够对载台装置进行力补偿。具体地，内基磁体1、第一端部磁钢2、第二端部磁钢3和外线圈5组合成定子和动子中的一个，内磁环磁钢4为定子和动子中的另一个，磁浮重力补偿装置100位于载台装置下方，磁浮重力动子支撑所述载台装置。
具体地，载台装置包括：载台6和设置在载台6下方的旋转底座103，柔性机构7在微动底座104与旋转底座103之间径向延伸并在两端与微动底座104与旋转底座103固定连接。具体地，柔性机构7的径向内端连接至旋转底座103，而径向外端连接至微动底座104。
另外，如图15b所示，柔性机构7包括多个弹性片71，各弹性片71绕载台装置的中心环设在载台装置的外周，各弹性片71径向方向的外侧与微动台的其他部件连接，磁浮重力补偿装置100为多个，各磁浮重力补偿装置100并列设置，且相互隔开。当然，在有些实施例中，磁浮重力补偿装置100也可以只有一个。
图16中示出了使用根据本发明的磁浮重力补偿装置100的载台装置的仰视图。在载台装置的下方设有凹腔，用于容纳根据本发明的磁浮重力补偿装置100。其中载台装置下方的凹腔可以是一个、两个、三个或四个。图中示出了一个磁浮重力补偿装置100中心点布置、两个磁浮重力补偿装置100并排布置、三个磁浮重力补偿装置100呈例如正三角形布置以及四个磁浮重力补偿装置100是呈正方形布置的示意图，但应理解，也可设置其他数量和其他布置的磁浮重力补偿装置100。使用磁浮重力补偿装置100的工作台的形状也不限于图示正方形，而是可以根据需要设置成任何形状。应理解，若干个磁浮重力补偿装置100的等效重心所在垂线需与垂向运动机构重心所在垂线共线。
如图16所示，根据本发明的磁浮重力补偿装置100能够提供随行程线性变化的磁浮力，即能够补偿载台装置的重力，又能够补偿柔性机构7产生的弹力，能够满足某些情况下微动台对于重力补偿的需求。又由于外线圈5只需提供载台装置运动所需的加速度驱动力和柔性机构在变刚度区域的补偿力，因此其线圈部分电流较小、温升较低，使载台装置可满足高动态响应的应用需求。而且采用本发明中的磁浮重力补偿装置100因为结构紧凑，因此能够节约载台装置设计空间，集成程度很高。
另外，需要说明的是，微动台中的其他部件结构和连接关系可参照公开号为CN112259488B的申请中的描述，该专利公开以参见的方式纳入本文。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种磁浮重力补偿装置，其特征在于，包括：
内基磁体，所述内基磁体沿轴向延伸；
第一端部磁钢和第二端部磁钢，所述第一端部磁钢和所述第二端部磁钢分别位于所述内基磁体的两个轴向端并沿轴向延伸，且所述第一端部磁钢和所述第二端部磁钢的外径分别沿远离所述内基磁体的所述两个轴向端方向逐渐增大；
内磁环磁钢，所述内磁环磁钢呈筒状，且与所述内基磁体同轴地位于所述内基磁体外且与所述内基磁体径向间隔开；
外线圈，所述外线圈与所述内基磁体同轴地位于所述内磁环磁钢外，且与所述内磁环磁钢径向间隔开，所述外线圈相对所述内基磁体、所述第一端部磁钢和所述第二端部磁钢固定。
2.根据权利要求1所述的磁浮重力补偿装置，其特征在于，所述内基磁体的充磁方向为轴向，所述第一端部磁钢和所述第二端部磁钢的充磁方向为从所述内基磁体沿轴向向外，所述内磁环磁钢的充磁方向为从所述内磁环磁钢的环内往环外。
3.根据权利要求1所述的磁浮重力补偿装置，其特征在于，所述内基磁体的充磁方向为轴向，所述第一端部磁钢和所述第二端部磁钢的充磁方向为从外沿轴向指向所述内基磁体，所述内磁环磁钢的充磁方向为从所述内磁环磁钢的环外往环内。
4.根据权利要求2或3所述的磁浮重力补偿装置，其特征在于，所述磁浮重力补偿装置还包括：与所述内磁环磁钢同轴地位于所述外线圈外的外磁环磁钢，且所述外磁环磁钢与所述外线圈径向间隔开，所述外磁环磁钢相对所述内磁环磁钢固定；
其中，所述外磁环磁钢的充磁方向与所述内磁环磁钢的充磁方向相同。
5.根据权利要求4所述的磁浮重力补偿装置，其特征在于，所述外磁环磁钢由沿周向彼此邻接的多个弧形板组成；
各所述弧形板的充磁方向为径向方向，或所述弧形板的充磁方向平行于所述弧形板周向中央的径向方向。
6.根据权利要求1所述的磁浮重力补偿装置，其特征在于，所述磁浮重力补偿装置还包括：与所述内磁环磁钢同轴地位于所述外线圈外的外导磁环，所述外导磁环与所述外线圈径向间隔开。
7.根据权利要求1所述的磁浮重力补偿装置，其特征在于，所述内基磁体为永磁体，或所述内基磁体为内线圈，或所述永磁体与所述内线圈的组合，所述内线圈绕所述第一端部磁钢和所述第二端部磁钢度的轴线周向缠绕。
8.根据权利要求1所述的磁浮重力补偿装置，其特征在于，所述内磁环磁钢由沿周向彼此邻接的多个弧板组成；各所述弧板的充磁方向为径向方向，或所述弧板的充磁方向平行于所述弧板周向中央的径向方向。
9.一种微动台，其特征在于，包括：
载台装置；
微动底座，所述载台装置相对于所述微动底座垂向可滑动地连接至所述微动底座；
柔性机构，所述柔性机构包括弹性片，所述弹性片水平径向延伸，且所述弹性片的径向内端连接至所述载台装置，所述弹性片的径向外端连接至所述微动底座；以及
如权利要求1至8任意一项所述的磁浮重力补偿装置，所述内基磁体、所述第一端部磁钢、所述第二端部磁钢和所述外线圈组合成定子和动子中的一个，所述内磁环磁钢为所述定子和所述动子中的另一个，所述磁浮重力补偿装置位于载台装置下方，所述定子固定至所述微动底座，所述动子固定至所述载台装置。
10.根据权利要求9所述的微动台，其特征在于，所述磁浮重力补偿装置为多个，多个所述磁浮重力补偿装置的等效重心所在垂线与所述载台装置重心所在垂线共线。
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