CN113745138A - 磁浮装置和微动台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁浮装置，包括：内基磁体、第一端部磁钢、第二端部磁钢、内磁环磁钢阵列和线圈阵列，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；内磁环磁钢阵列包括沿轴依次排列的至少一个内磁钢，内磁钢呈圆筒状，且每个内磁钢与内基磁体同轴设置，内磁环磁钢阵列位于内基磁体外且与内基磁体径向间隔开；线圈阵列包括多个线圈，多个线圈沿周向排列且沿周向间隔开，线圈阵列位于内磁环磁钢阵列外、与内磁环磁钢阵列径向间隔开；其中内基磁体、第一端部磁钢、第二端部磁钢以及线圈阵列相对固定。

Description

磁浮装置和微动台
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，需要工件台具有硅片的精密定位功能，而工件台中的核心执行机构是微动台，其可实现硅片的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，为确保垂向性能，可采用柔性机构(例如弹性片等)作为微动台的运动解耦和导向，在实践中，在小行程范围内，柔性机构的弹性刚度为恒定值，其作用在垂向执行器上的反力是随垂向位移线性变化的，但随着工件台行程的增大，柔性机构刚度不再是恒定值。
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与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
本发明的目的在于提供一种磁浮装置和微动台，本发明中的磁浮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，本发明提供了一种磁浮装置，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；
内磁环磁钢阵列，所述内磁环磁钢阵列包括沿轴依次排列的至少一个内磁钢，所述内磁钢呈圆筒状，且每个所述内磁钢与所述内基磁体同轴设置，所述内磁环磁钢阵列位于所述内基磁体外且与所述内基磁体径向间隔开；以及
线圈阵列，所述线圈阵列包括至少一个子线圈阵列，每个所述子线圈阵列包括多个线圈，每个所述子线圈阵列中的多个所述线圈沿周向排列且沿周向彼此间隔开，所述线圈阵列位于所述内磁环磁钢阵列外、与所述内磁环磁钢阵列径向间隔开；
其中所述内基磁体、所述第一端部磁钢、所述第二端部磁钢以及所述线圈阵列相对于彼此固定。
在一实施例中，还包括外磁环磁钢阵列，所述外磁环磁钢阵列包括沿轴依次排列的至少一个外磁钢，所述外磁钢呈圆筒状，且每个所述外磁钢与所述内基磁体同轴设置，所述外磁环磁钢阵列位于所述线圈阵列外且与所述线圈阵列径向间隔开。
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内或向外，所述内磁钢和所述外磁钢的充磁方向为径向方向。
在一实施例中，多个所述线圈中的每个线圈绕径向轴线缠绕，所述至少一个内磁钢数量为两个以上，所述至少一个外磁钢数量为两个以上，且轴向相邻的所述内磁钢的充磁方向彼此相反，轴向相邻的所述外磁钢的充磁方向彼此相反。
在一实施例中，所述内磁环磁钢阵列中所述内磁钢的数量与所述外磁环磁钢阵列中所述外磁钢的数量相同，且处于相同轴向顺位的所述内磁钢和所述外磁钢充磁方向相同，且轴向延伸长度和所在轴向位置也相同。
在一实施例中，所述子线圈阵列中的每个所述线圈位于相同的轴向位置；相邻两个所述内磁钢的相邻轴向端的轴向位置与至少一个所述子线圈阵列的轴向中心位置相同；且相邻两个所述外磁钢的相邻轴向端的轴向位置与至少一个所述子线圈阵列的轴向中心位置相同。
在一实施例中，所述内磁钢的数量和所述外磁钢的数量均为奇数，所述子线圈阵列数量比所述内磁钢的数量少一。
在一实施例中，所述内磁环磁钢阵列中位于中间的内磁钢和所述外磁环磁钢阵列中位于中间的外磁钢的轴向延伸长度大于所述内基磁体的轴向延伸长度，且所述位于中间的内磁钢和所述位于中间的外磁钢的两轴向端分别延伸超出所述内基磁体的两轴向端。
在一实施例中，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，所述内磁环磁钢阵列中位于中间的内磁钢和所述外磁环磁钢阵列中位于中间的外磁钢的充磁方向为径向向外。
在一实施例中，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内，所述内磁环磁钢阵列中位于中间的内磁钢和所述外磁环磁钢阵列中位于中间的外磁钢的充磁方向为径向向内。
在一实施例中，所述内磁钢的数量和所述外磁钢的数量均为三个，所述线圈阵列中的所述子线圈阵列数量为两个，两个所述子线圈阵列沿轴向彼此间隔开。。
在一实施例中，在所述轴向相邻的内磁钢之间设有轴向充磁内磁钢，所述轴向充磁内磁钢的充磁方向朝向所述轴向相邻的所述内磁钢中充磁方向径向向内的内磁钢。
在一实施例中，在所述轴向相邻的外磁钢之间设有轴向充磁外磁钢，所述轴向充磁外磁钢的充磁方向朝向所述轴向相邻的外磁钢中充磁方向径向向内的外磁钢。
在一实施例中，还包括与内基磁体同轴的多个周向布置且沿轴向延伸的导磁圆弧板，所述导磁圆弧板径向间隔地设置在所述内磁环磁钢阵列和所述外磁环磁钢阵列之间，且所述线圈阵列中的每个线圈分别周向绕至少一个所述导磁圆弧板缠绕，所述至少一个内磁钢为一个内磁钢，所述至少一个外磁钢为一个外磁钢，且所述一个内磁钢和所述一个外磁钢充磁方向彼此相反。在一实施例中，还包括导磁圆环，所述导磁圆环呈圆筒状并同轴地位于所述一个外磁钢外。
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线圈阵列组合成定子和动子中的一个，所述内磁环磁钢阵列为所述定子和所述动子中的另一个，所述磁浮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，所述磁浮装置为多个，多个所述磁浮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。另外本发明装置线圈的制作工艺更简单，且一致性更高。各线圈并联连接或部分并联连接时，某个线圈断电或破损不会影响其他线圈的工作，安全性能更高。
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装置的结构示意图；
图2是图1所示实施例的轴向剖视图；
图3是图2所示实施例中线圈阵列中各线圈不通电时的磁感线图；
图4是本发明第二实施例中磁浮装置的结构示意图；
图5是图4所示实施例的轴向剖视图；
图6是图5所示实施例中线圈阵列中各线圈不通电时的磁感线图；
图7是本发明第三实施例中磁浮装置的结构示意图；
图8是图7所示实施例的俯视图；
图9是图7所示实施例的轴向剖视图；
图10是图9所示实施例中线圈阵列中各线圈不通电时的磁感线图；
图11是柔性机构的输出力曲线图；
图12是本发明中微动台的结构示意图；
图13是本发明中柔性机构的结构示意图；
图14是本发明中磁浮装置的数量不同时的微动台的结构示意图。
附图标记说明：
第一实施例中：100、磁浮装置；101、内基磁体；1021、第一端部磁钢；1022、第二端部磁钢；103、线圈；104、内磁钢；105、外磁钢；110、第一框架；120、第二框架；
第二实施例中：200、磁浮装置；201、内基磁体；2021、第一端部磁钢；2022、第二端部磁钢；203、线圈；204、内磁钢；205、外磁钢；206、轴向充磁内磁钢；207、轴向充磁外磁钢；210、第一框架；220、第二框架；
第三实施例中：300、磁浮装置；301、内基磁体；3021、第一端部磁钢；3022、第二端部磁钢；303、线圈；304、内磁钢；305、导磁圆弧板；306、外磁钢；307、导磁圆环；310、第一框架；320、第二框架；
第四实施例中：400、微动底座；500、旋转底座；600、载台；700、柔性机构；71、弹性片。
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装置100，如图1和图2所示，磁浮装置100包括：内基磁体101、第一端部磁钢1021、第二端部磁钢1022、内磁环磁钢阵列、线圈阵列以及外磁环磁钢阵列。其中，内基磁体101呈圆筒状并沿轴向延伸，内基磁体101为永磁体或由通电线圈构成的类永磁体。第一端部磁钢1021和第二端部磁钢1022分别位于内基磁体101的两个轴向端并沿轴向延伸，第一端部磁钢1021和第二端部磁钢1022的外径分别沿远离内基磁体101的两个轴向端方向逐渐增大。第一端部磁钢1021和第二端部磁钢1022的形状和尺寸彼此相同，且关于内基磁体101的中分径向面镜像对称。
在所示实施例中，第一端部磁钢1021和第二端部磁钢1022与内基磁体101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。在所示实施例种，第一端部磁钢1021和第二端部磁钢1022内设有轴向中心通孔，且该轴向中心通孔的内径与内基磁体101的轴向通孔内径相同。但应理解，第一端部磁钢1021和第二端部磁钢1022也可以是不设置轴向中心通孔的实心结构，且在设置轴向中心通孔的情况下，其内径也可与内基磁体101的轴向通孔内径不同。其中内磁环磁钢阵列包括沿轴向依次排列的奇数个圆筒状内磁钢104，在图示具体实施例中，内磁钢104的数量为三个，且每个圆筒状内磁钢104与内基磁体101同轴地位于内基磁体101外且与内基磁体101径向间隔开。但应理解，本实施例中内磁环磁钢阵列也可包括两个以上的圆筒状内磁钢104，例如两个、四个等而不脱离本发明的范围，在其他实施例中，例如下文的第三个实施例，内磁钢数量也可以为一个。在所示实施例种，轴向相邻的内磁钢104彼此轴向邻接，轴向相邻的内磁钢104的充磁方向彼此相反，但应理解，轴向相邻的内磁钢104之间也可存在例如1mm以下的轴向间隙而不脱离本发明的范围。在所示具体实施例中，各内磁钢104由沿周向分成8段的分段磁钢拼接而成，但应理解，各内磁钢104也可由其他偶数个周向分段磁钢拼接而成，或者也可一体制成。
线圈阵列包括至少一个子线圈阵列，每个子线圈阵列包括多个线圈103，每个子线圈阵列中的多个线圈103沿周向排列且沿周向彼此间隔开，线圈阵列位于内磁环磁钢阵列外、与内磁环磁钢阵列径向间隔开；其中内基磁体101、第一端部磁钢1021、第二端部磁钢1022以及线圈阵列相对于彼此固定。
如图1和图2所示，在所示实施例中线圈阵列包括2排子线圈阵列，每排子线圈阵列包括6个线圈103。每个线圈103围绕其径向轴线缠绕。每排子线圈阵列的各线圈103周向排列于与内基磁体101同轴的圆周面上。但应理解，在下文其他实施例中，各线圈103也可设置成周向缠绕，并且各线圈103位于垂直于内基磁体101轴线的平面上。还应理解，线圈阵列不一定设置成两排，根据实际需要，线圈阵列可包括一排子线圈阵列或更多排子线圈阵列。每排子线圈阵列中各线圈103的数量也可根据需要设置成不同的数量。该线圈阵列内的各线圈103可以是各线圈103彼此串联连接，因此各线圈103的电流方向和电流大小均相同。但应理解，各线圈103也可分别供电。
在该实施例中，内基磁体101、第一端部磁钢1021、第二端部磁钢1022和线圈阵列通过例如支架或其他结构相对于彼此固定，从而共同构成第一框架110，该第一框架110与内磁环磁钢阵列相互磁场作用，从而能够相对于彼此轴向运动。可以将第一框架110设置为动子，而内磁环磁钢阵列为定子，也可以设置成内磁环磁钢阵列为动子，而第一框架110为定子。当第一框架110为动子时，则由第一框架110承载并带动载台装置运动，当内磁环磁钢阵列为动子时，则由内磁环磁钢阵列承载并带动载台装置运动。下文以第一框架110作为动子的情况为例对本发明的磁浮装置100进行描述，下述中磁浮装置100的行程或位移即为第一框架110相对于内磁环磁钢阵列沿轴向的位移。
线圈阵列在图1和图2所示的优选实施例中，磁浮装置100还可选地包括外磁环磁钢阵列，外磁环磁钢阵列包括沿轴向依次排列的多个圆筒状外磁钢105，具体的，外磁钢105的数量为三个，且每个圆筒状外磁钢105与内基磁体101同轴地位于线圈阵列外且与线圈阵列径向间隔开。但应理解，本实施例中外磁环磁钢阵列也可包括两个以上的圆筒状外磁钢105，例如两个、四个等而不脱离本发明的范围，在其他实施例中，例如下文的第三个实施例，外磁钢105数量可以为一个。在所示实施例中，圆筒状外磁钢105彼此轴向邻接，轴向相邻的外磁钢105的充磁方向彼此相反。但应理解，圆筒状外磁钢105之间也可存在例如1mm以下的轴向间隙而不脱离本发明的范围。在所示具体实施例中，外磁钢105由沿周向分成8段的分段磁钢拼接而成，但应理解，各外磁钢105也可由其他偶数个周向分段磁钢拼接而成，或者也可一体制成。在该情况下，内磁环磁钢阵列和外磁环磁钢阵列可通过例如支架相对于彼此固定，从而构成第二框架120。此时，第一框架110和第二框架120中的一个可作为定子，而另一个作为动子，通过二者所产生磁场之间的作用而产生相互作用的轴向磁浮力。
图2中示出了图1所示实施例的轴向剖视图，该图示出了各部分的充磁方向。其中内基磁体101的充磁方向为轴向向上，第一端部磁钢1021和第二端部磁钢1022的充磁方向为从内基磁体101轴向向外，内磁环磁钢阵列中位于轴向中部的内磁钢104充磁方向径向向外，位于两端的内磁钢104充磁方向径向向内，而外磁环磁钢阵列中位于轴向中部的外磁钢105充磁方向径向向外，位于两端的外磁钢105充磁方向径向向内。应理解，该实施例中内基磁体101的充磁方向也可以轴向向下。在另一实施例中，磁浮装置100还可设置成内基磁体101的充磁方向为轴向向下，第一端部磁钢1021和第二端部磁钢1022的充磁方向为从内基磁体101轴向向内，内磁环磁钢阵列中位于轴向中部的内磁钢104充磁方向径向向内，位于两端的内磁钢104充磁方向径向向外，而外磁环磁钢阵列中位于轴向中部的外磁钢105充磁方向径向向内，位于两端的外磁钢105充磁方向径向向外。应理解，该实施例中内基磁体101的充磁方向也可以轴向向上。
另外，如图2所示，内磁环磁钢阵列中内磁钢104的数量与外磁环磁钢阵列中外磁钢105的数量相同，并且处于相同轴向顺位的所述内磁钢104和所述外磁钢105充磁方向相同，且轴向延伸长度和所在轴向位置也相同，即相同顺位的内磁钢104和外磁钢105，两者的中心都位于相同的径向平面内。并且如图2所示，内磁环磁钢阵列中位于中间的内磁钢104和外磁环磁钢阵列中位于中间的外磁钢105的轴向延伸长度大于内基磁体101的轴向延伸长度。并且位于中间的内磁钢104和位于中间的外磁钢105的两轴向端分别延伸超出内基磁体101的两轴向端。在本实施例中，如图1和2所示，第一框架110相对第二框架120运动的最大行程长度受位于中间的内磁钢104的长度的影响。即第一框架110相对第二框架120往上运动，直至内基磁体101的上端面与位于中间的内磁钢104的上端面平齐时停止。即第一框架110相对第二框架120往下运动，直至内基磁体101的下端面与位于中间的内磁钢104的下端面平齐时停止。
下列描述各子线圈阵列中各线圈103的分布情况及和相邻内磁钢104和外磁钢105之间的位置关系，如图2所示，同一个子线圈阵列中的各线圈103位于相同的轴向位置，即各线圈103的中心位于相同的径向平面内，且两个子线圈阵列沿轴向间隔布置。但应理解，同一个子线圈阵列中的各线圈103也可位于不同的轴向位置而不脱离本发明的范围。本实施例中，位于上方的一排子线圈阵列的各线圈103的轴向位置与处于中间的内磁钢104上端面的轴向位置相同，而位于下方的一排子线圈阵列中的各线圈103的轴向位置与处于中间的内磁钢104下端面的轴向位置相同。当然，在有些实施例中，上述各轴向位置也可以不同，但是在三个内磁钢104中，相邻两个内磁钢104的相邻轴向端应当分别位于两个子线圈阵列的轴向延伸长度内，且在行程范围内始终保持在两个子线圈阵列的轴向延伸长度内。对应地，在三个外磁钢105中，相邻两个外磁钢105的相邻轴向端也应当分别位于两个子线圈阵列的轴向延伸长度内，且在行程范围内始终保持在两个子线圈阵列的轴向延伸长度内。在本实施例中，如图1和2所示，第一框架110相对第二框架120运动的最大行程长度还受线圈阵列与内磁环磁钢阵列和外磁环磁钢阵列的位置关系影响。即第一框架110相对第二框架120往上运动，直至任意相邻两个内磁钢104的相邻轴向端或两个外磁钢105的相邻轴向端与径向相邻的子线圈阵列的顶端平齐时停止。即第一框架110相对第二框架120往下运动，直至任意相邻两个内磁钢104的相邻轴向端或两个外磁钢105的相邻轴向端与径向相邻的子线圈阵列的底端平齐时停止。
综上所述，本实施例中的磁浮装置100其最大行程受两者影响，其一是中间内磁钢104的长度，其二是线圈阵列与内磁环磁钢阵列和外磁环磁钢阵列的位置关系，且两者中较小的行程为装置的最大行程。
如图2和图3所示，对各线圈103在装置中的作用原理进行说明，根据实际需要线圈103中可通正向电流或反向电流，由洛伦兹力定律和左手定则可知，根据线圈103中所通电流方向不同，可受到向上或向下的作用力。
具体以上方的子线圈阵列为例，各线圈103的上半部分位于最上方的内磁钢104和最上方的外磁钢105之间(两者磁场方向相同)，由洛伦兹力定律和左手定则可知，在各线圈103通电时，其受到向上或向下的磁场作用力；而各线圈103的下半部分位于中间的内磁钢104和中间的外磁钢105之间(两者磁场方向相同)，在各线圈103通电时，其同样受到向上或向下的磁场作用力。由于各线圈103在通电时，其上半部分和下半部分的电流方向相反，并且上半部分所在磁场和下半部分所在磁场的方向也相反，所以整个线圈103的受力方向是一致的。
因此，相邻内磁钢104的相邻轴向端需要位于同一子线圈阵列中各线圈103的轴向长度内，其目的是使各线圈103的上半部分和下半部分处于不同的磁场，从而确保线圈103的各部分受力方向一致。当然，在其他实施例中也可以通过其他方式使各线圈103的受力方向一致，例如线圈103只有下半部分位于最上方的内磁钢104和最上方的外磁钢105之间，线圈103的上半部分位于磁场外，这样线圈103通电时就只会受到一个磁场的作用力。同理，下方一排子线圈阵列的受力分析原理与上述相同，因此在此不再赘述。
相比常规单线圈沿绕制的方式，采用上述线圈排布后，各线圈的工艺简单且一致性比较好，且可以分开供电或串联供电。当分开供电的时候，如果有线圈坏掉，不会影响其他的线圈。
另外，本实施例的磁场线如如图3所示，图中给出了图2剖面示意图的右半部分的磁场线走向(图中线圈103均未通电)。应理解，图2剖面示意图的左半部分的磁场线走向与右半部分对称分布。
下列描述本实施例中的磁浮装置100应用于微动台中时的场景，如图12和图13所示，微动台包括：载台装置、柔性机构700、微动底座400和上述实施例中的磁浮装置100；载台装置相对于微动底座400垂向可滑动地连接至微动底座400，如图12和图13所示，柔性机构700一端连接至载台装置，另一端连接至微动底座400；磁浮装置100位于载台装置下方并构造成能够对载台装置和柔性机构700的垂向力进行力补偿，并且驱动载台装置的垂向运动。
具体地，如图12和图13所示，载台装置包括：载台600和设置在载台600下方的旋转底座500，其中载台600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700包括多个弹性片71，弹性片71在微动底座400与旋转底座500之间径向水平延伸并在两端分别与微动底座400与旋转底座500固定连接。具体地，柔性机构700的径向内端连接至旋转底座500，而径向外端连接至微动底座400。
下列描述柔性机构在磁浮装置100推动载台装置沿垂向方向运动时，柔性机构700输出力的变化情况，如图11所示，图中横轴为磁浮装置100沿垂向方向的位移，纵轴为柔性机构700沿垂向方向的输出力。由图可知，在磁浮装置100沿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700输出刚度恒定，其弹力与位移呈线性变化，当磁浮装置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700的输出刚度随位移变化，其弹力与位移也呈非线性变化。
关于柔性机构与磁浮装置之间的受力分析如下所示：
首先当各线圈103中电流为零时，由于第一端部磁钢1021和第二端部磁钢1022的外径尺寸从靠近内基磁体101的两端分别朝下和朝上逐渐增大。因此磁浮装置100输出磁浮力呈线性变化。
因此当柔性机构700处于线性变化区域A内且各线圈103中电流为零时，磁浮装置100输出磁浮力等于柔性机构700的输出弹力和载台装置的重力之和。磁浮装置100能够完全补偿掉柔性机构700的弹力。此时通过控制线圈103中电流的大小和方向，就可以通过磁浮装置100控制载台装置运动的方向和加速度。
而当柔性机构700处于非线性变化区域A内且各线圈103中电流为零时，由于柔性机构700输出力不再呈线性变化，但此时磁浮装置100输出磁浮力依然呈线性变化。因此磁浮装置100输出磁浮力不等于柔性机构700的输出弹力和载台装置的重力之和。磁浮装置100不能够完全补偿掉柔性机构700的弹力。此时通过控制线圈103中电流的大小和方向，既可以补偿掉柔性机构700多余的弹力，也可以通过磁浮装置100控制载台装置运动的方向和加速度。
因此本发明的磁浮装置100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。本发明实现了在线圈103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，通过改变线圈103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700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700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，由于磁浮装置100还包括线圈103，通过控制线圈103内电流的方向和大小，从而可以控制整个磁浮装置100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。
本发明第二实施例也提供了一种磁浮装置200，本发明第二实施例中内基磁体201、第一端部磁钢2021、第二端部磁钢2022、内磁环磁钢阵列、外磁环磁钢阵列和线圈阵列的结构与第一实施例基本相同，本实施例主要在第一实施例的基础上增加了如下所述的结构。
如图4至图6所示，在轴向相邻的内磁钢204之间设有轴向充磁内磁钢206，轴向充磁内磁钢206的充磁方向朝向轴向相邻的内磁钢204中充磁方向径向向内的内磁钢204。具体地，如图5所示，轴向充磁内磁钢206为两个，分别位于相邻两个内磁钢204之间。沿轴向方向处于上方的轴向充磁内磁钢206的充磁方向向上，处于下方的轴向充磁内磁钢206的充磁方向向下。
另外，如图4和图5所示，在轴向相邻的外磁钢205之间设有轴向充磁外磁钢207，轴向充磁外磁钢207的充磁方向朝向轴向相邻的外磁钢205中充磁方向径向向内的外磁钢205。具体地，轴向充磁外磁钢207为两个，分别位于相邻两个外磁钢205之间。沿轴向方向处于上方的轴向充磁外磁钢207的充磁方向向上，处于下方的轴向充磁外磁钢207的充磁方向向下。
在所示具体实施例中，各轴向充磁内磁钢206和轴向充磁外磁钢207由沿周向分成8段的分段磁钢拼接而成，但应理解，各轴向充磁内磁钢206和轴向充磁外磁钢207也可由其他偶数个周向分段磁钢拼接而成，或者也可一体制成。
如图4、和图5所示，在轴向上，第二框架220中两个轴向两端的内磁钢204、两个轴向充磁内磁钢206和位于中部的内磁钢204可组成海尔贝克(Halbach)阵列，相同位置点处的磁场强度较第一实施例有所增强，因此第一框架210中线圈203的推力常数会有所增大，进而提高了磁浮装置200的推力密度。
同理，第二框架220中两个轴向两端的外磁钢205、两个轴向充磁外磁钢207和位于中部的外磁钢205也可组成海尔贝克(Halbach)阵列。
本实施例的磁场线如如图5所示，图中给出了图5剖面示意图的右半部分的磁场线走向(图中线圈203均未通电)。应理解，图5剖面示意图的左半部分的磁场线走向与右半部分对称分布。
本发明第三实施例也提供了一种磁浮装置300，第三实施例内基磁体301、第一端部磁钢3021和第二端部磁钢3022与第一实施例中相同，其主要区别点在于内磁环磁钢阵列、外磁环磁钢阵列和线圈阵列的排布方式不同。
在本实施例中，如图7至10所示，磁浮装置300还包括：与内基磁体301同轴的多个周向布置且沿轴向延伸的导磁圆弧板305，导磁圆弧板305径向间隔地设置在内磁环磁钢阵列和外磁环磁钢阵列之间，并且所述线圈阵列中的的每个线圈303分别周向绕至少一个导磁圆弧板305缠绕。当然，在有些实施例中，磁浮装置300中可以有多组导磁圆弧板305，各组导磁圆弧板305沿磁浮装置300的轴线方向间隔排列，并且每个导磁圆弧板305上均如上所述缠绕一个线圈303。在实际情况中根据实际需要，操作人员可以通过控制各线圈303的大小和方向从而调整磁浮装置300的输出力。
本实施例中线圈的作用原理：如图8和图9，线圈303通电时，由洛伦兹力定律和左手定则可知，当线圈303通电时，线圈303左侧的部分受到内磁钢304方向向右的磁场作用力；而线圈303右侧的部分受到外磁钢306方向向左的磁场作用力。线圈303左侧和右侧部分之间的电流相同方向相反，两者所处磁场的方向也相反，所以两者会受到相同方向的作用力。
另外，本实施例中没有外磁钢306时，通电线圈303左侧部分会受到内磁钢304磁场向上或向下的作用力。中间的导磁圆弧板305具有导磁功能，会将磁场聚集在线圈303左侧，从而几乎不影响到线圈303右侧的部分。
另外，在本实施例中，内磁环磁钢阵列的内磁钢304为一个，外磁环磁钢阵列的外磁钢306也为一个，并且内磁钢304和外磁钢306的充磁方向彼此相反。其中，在本实施例中，内磁钢304的充磁方向沿径向向内，而外磁钢306的充磁方向沿径向向外。当然，在有些实施例中，根据内第一端部磁钢3021和第二端部磁钢3022的充磁方向的不同，内磁钢304的充磁方向可以沿径向向外，而外磁钢306的充磁方向可以沿径向向内。当然，在有些实施例中，根据实际需要，内磁环磁钢阵列和外磁环磁钢阵列的结构也可以与第一实施例中内磁环磁钢阵列和外磁环磁钢阵列的结构相同，但充磁方向并不会相同。
并且在本实施例中，如图7和图8所示，各导磁圆弧板305绕内基磁体301的轴线环设且沿周向彼此等距间隔开，在本实施例中，各导磁圆弧板305绕内基磁体301的轴线等距环设，当然，在有些实施例中，也可以不等距环设。而且在本实施例中，导磁圆弧板305和线圈303均为四个，且每个线圈303均绕一个导磁圆弧板305的周向缠绕。
如图7所示，在本实施例中，第一框架310包含：第一端部磁钢3021、第二端部磁钢3022、内基磁体301、各线圈303组成的线圈阵列和各导磁圆弧板305，而第二框架320包括：内磁环磁钢阵列、外磁环磁钢阵列。
另外，本实施例中的磁浮装置300还包括：导磁圆环307，该导磁圆环307呈圆筒状并同轴地位于外磁钢306外。
本实施例的磁场线如图10所示，图中给出了图7剖面示意图的右半部分的磁场线走向(图中线圈303均未通电)。应理解，图7剖面示意图的左半部分的磁场线走向与右半部分对称分布。
需要说明的是，本实施例线圈303所产生的作用与第一实施例基本相同，只是线圈303缠绕的方向不同，因此在本实施例中，通过控制各线圈303中电流的方向和大小，也能够有效地补偿掉柔性机构700在非线性区域的多余弹力，同时还可以通过磁浮装置300控制载台装置运动的方向和加速度，从而提高磁浮装置300的实用性，具体原理不再累述。
同样，相比常规单线圈沿绕制的方式，采用上述线圈排布后，各线圈的工艺简单且一致性比较好，且可以分开供电或串联供电。当分开供电的时候，如果有线圈坏掉，不会影响其他的线圈。
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12至图14所示，微动台包括：载台装置、柔性机构700、微动底座400和上述各实施例中任意实施例中的磁浮装置，此处的磁浮装置以第一实施例中的磁浮装置100为例进行说明。但应理解，本发明的微动台还可以包括上述各实施例中的任意一种磁浮装置。
具体的，如图12至图14所示，载台装置相对于微动底座400垂向可滑动地连接至微动底座400，柔性机构700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400；磁浮装置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101、第一端部磁钢1021、第二端部磁钢1022和线圈阵列组合成定子和动子中的一个，内磁环磁钢阵列为定子和动子中的另一个，磁浮装置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600和设置在载台600下方的旋转底座500，柔性机构700在微动底座400与旋转底座500之间径向延伸并在两端与微动底座400与旋转底座500固定连接。具体地，柔性机构700的径向内端连接至旋转底座500，而径向外端连接至微动底座400。
另外，如图13所示，柔性机构700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，磁浮装置100为多个，各磁浮装置100并列设置，且相互隔开。当然，在有些实施例中，磁浮装置100也可以只有一个。
图14中示出了使用根据本发明的磁浮装置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装置100中心点布置、两个磁浮装置100并排布置、三个磁浮装置100呈例如正三角形布置以及四个磁浮装置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装置100。使用磁浮装置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。
本发明的磁浮装置100能够提供随行程变化的磁浮力，即能够补偿载台装置的重力，又能够补偿柔性机构700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。又由于线圈阵列只需提供载台装置运动所需的加速度驱动力和柔性机构700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 (16)

1.一种磁浮装置，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；
内磁环磁钢阵列，所述内磁环磁钢阵列包括沿轴依次排列的至少一个内磁钢，所述内磁钢呈圆筒状，且每个所述内磁钢与所述内基磁体同轴设置，所述内磁环磁钢阵列位于所述内基磁体外且与所述内基磁体径向间隔开；以及
线圈阵列，所述线圈阵列包括至少一个子线圈阵列，每个所述子线圈阵列包括多个线圈，每个所述子线圈阵列中的多个所述线圈沿周向排列且沿周向彼此间隔开，所述线圈阵列位于所述内磁环磁钢阵列外、与所述内磁环磁钢阵列径向间隔开；
其中所述内基磁体、所述第一端部磁钢、所述第二端部磁钢以及所述线圈阵列相对于彼此固定。
2.根据权利要求1所述的磁浮装置，其特征在于，还包括外磁环磁钢阵列，所述外磁环磁钢阵列包括沿轴依次排列的至少一个外磁钢，所述外磁钢呈圆筒状，且每个所述外磁钢与所述内基磁体同轴设置，所述外磁环磁钢阵列位于所述线圈阵列外且与所述线圈阵列径向间隔开。
3.根据权利要求2所述的磁浮装置，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内或向外，所述内磁钢和所述外磁钢的充磁方向为径向方向。
4.根据权利要求3所述的磁浮装置，其特征在于，多个所述线圈中的每个线圈绕径向轴线缠绕，所述至少一个内磁钢数量为两个以上，所述至少一个外磁钢数量为两个以上，且轴向相邻的所述内磁钢的充磁方向彼此相反，轴向相邻的所述外磁钢的充磁方向彼此相反。
5.根据权利要求4所述的磁浮装置，其特征在于，所述内磁环磁钢阵列中所述内磁钢的数量与所述外磁环磁钢阵列中所述外磁钢的数量相同，且处于相同轴向顺位的所述内磁钢和所述外磁钢充磁方向相同，且轴向延伸长度和所在轴向位置也相同。
6.根据权利要求5所述的磁浮装置，其特征在于，所述子线圈阵列中的每个所述线圈位于相同的轴向位置；相邻两个所述内磁钢的相邻轴向端的轴向位置与至少一个所述子线圈阵列的轴向中心位置相同；且相邻两个所述外磁钢的相邻轴向端的轴向位置与至少一个所述子线圈阵列的轴向中心位置相同。
7.根据权利要求5或6所述的磁浮装置，其特征在于，所述内磁钢的数量和所述外磁钢的数量均为奇数，所述子线圈阵列数量比所述内磁钢的数量少一。
8.根据权利要求7所述的磁浮装置，其特征在于，所述内磁环磁钢阵列中位于中间的内磁钢和所述外磁环磁钢阵列中位于中间的外磁钢的轴向延伸长度大于所述内基磁体的轴向延伸长度，且所述位于中间的内磁钢和所述位于中间的外磁钢的两轴向端分别延伸超出所述内基磁体的两轴向端。
9.根据权利要求7所述的磁浮装置，其特征在于，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，所述内磁环磁钢阵列中位于中间的内磁钢和所述外磁环磁钢阵列中位于中间的外磁钢的充磁方向为径向向外。
10.根据权利要求7所述的磁浮装置，其特征在于，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内，所述内磁环磁钢阵列中位于中间的内磁钢和所述外磁环磁钢阵列中位于中间的外磁钢的充磁方向为径向向内。
11.根据权利要求9或10所述的磁浮装置，其特征在于，所述内磁钢的数量和所述外磁钢的数量均为三个，所述线圈阵列中的所述子线圈阵列数量为两个，两个所述子线圈阵列沿轴向彼此间隔开。
12.根据权利要求4所述的磁浮装置，其特征在于，在所述轴向相邻的内磁钢之间设有轴向充磁内磁钢，所述轴向充磁内磁钢的充磁方向朝向所述轴向相邻的所述内磁钢中充磁方向径向向内的内磁钢。
13.根据权利要求4或12所述的磁浮装置，其特征在于，在所述轴向相邻的外磁钢之间设有轴向充磁外磁钢，所述轴向充磁外磁钢的充磁方向朝向所述轴向相邻的外磁钢中充磁方向径向向内的外磁钢。
14.根据权利要求3所述的磁浮装置，其特征在于，还包括与内基磁体同轴的多个周向布置且沿轴向延伸的导磁圆弧板，所述导磁圆弧板径向间隔地设置在所述内磁环磁钢阵列和所述外磁环磁钢阵列之间，且所述线圈阵列中的每个线圈分别周向绕至少一个所述导磁圆弧板缠绕，所述至少一个内磁钢为一个内磁钢，所述至少一个外磁钢为一个外磁钢，且所述一个内磁钢和所述一个外磁钢充磁方向彼此相反。
15.根据权利要求14所述的磁浮装置，其特征在于，还包括导磁圆环，所述导磁圆环呈圆筒状并同轴地位于所述一个外磁钢外。
16.一种微动台，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15任意一项所述的磁浮装置，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线圈阵列组合成定子和动子中的一个，所述内磁环磁钢阵列为所述定子和所述动子中的另一个，所述磁浮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。
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