CN114189123B - 磁浮机构、补偿装置及微动设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁浮机构、补偿装置及微动设备，磁浮机构包括：内部磁钢组件和两个外部磁钢组件，内部磁钢组件包括第一磁钢和两个第二磁钢，每个外部磁钢组件均包括两个第三磁钢，当第三磁钢的XZ截面为矩形时，第二磁钢的XZ截面为等腰梯形；当第三磁钢的沿X轴方向朝向第二磁钢的侧面与第一预设对称面的夹角中朝向第一磁钢的夹角为锐角时，第二磁钢的XZ截面为等腰梯形或矩形；当第二磁钢的XZ截面为等腰梯形时，两个第二磁钢中位于下方的第二磁钢的顶面的宽度小于其底面的宽度；内部磁钢组件和两个外部磁钢组件所组成的磁钢单元能够在Z轴方向上产生刚度不变的磁力，以用于对与磁浮机构连接的外部设备在竖直方向上进行力的补偿。

Description

磁浮机构、补偿装置及微动设备

技术领域

本发明涉及半导体的微动台技术领域，具体而言，涉及一种磁浮机构、补偿装置及微动设备。

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、X和Y三轴的精密定位。

其中，垂向三轴微动台采用三点执行器布局，为保证垂向性能，通常应用柔性机构作为微动台的运动解耦和导向，在小行程范围内，柔性机构的弹片刚度为恒定值，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，因此，微动台执行器的输出力需随垂向行程调整，以补偿掉柔性结构作用力。

微动台垂向执行器通常是采用零刚度重力补偿装置加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的重力，音圈电机提供柔性机构的弹力和微动台垂向运动所需的推拉力，由于在不同垂向行程范围内，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，而且相同安装尺寸时在高加速度工况下，音圈电机的出力较大、温升较高，难以满足垂向台的高运动性能要求。

并且常规的音圈电机大多采用圆柱形结构，圆柱形结构的音圈电机的体积难以适应狭长形的安装空间。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种磁浮机构、补偿装置及微动设备，以解决现有技术中对微动台的重力、柔性机构的弹力以及微动台垂向运动的驱动力的补偿方式的补偿效果较差的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种磁浮机构，其包括：内部磁钢组件，内部磁钢组件包括第一磁钢和两个第二磁钢，第一磁钢的延伸方向和各个第二磁钢的延伸方向均与Y轴方向平行；第一预设对称面经过第一磁钢的中心并与X轴垂直，第二预定对称面经过第一磁钢的中心并与Z轴垂直；两个第二磁钢相对于第二预定对称面呈镜像对称并分别设置在第一磁钢的两侧，各个第二磁钢的中心均位于第一预设对称面上；第一磁钢的XZ截面为矩形或其它多边形；两个外部磁钢组件，两个外部磁钢组件相对于第一预设对称面呈镜像对称并分别设置在内部磁钢组件的两侧，两个外部磁钢组件均与内部磁钢组件沿X轴方向间隔设置并沿Z轴方向可相对运动地设置；每个外部磁钢组件均包括两个相对于第二预定对称面呈镜像对称并沿Z轴方向间隔设置的第三磁钢，第三磁钢的延伸方向与Y轴方向平行；其中，当第三磁钢的XZ截面为矩形时，第二磁钢的XZ截面为等腰梯形；当第三磁钢的沿X轴方向朝向第二磁钢的侧面与第一预设对称面的夹角中朝向第一磁钢的夹角为锐角时，第二磁钢的XZ截面为等腰梯形或矩形；当第二磁钢的XZ截面为等腰梯形时，两个第二磁钢中位于下方的第二磁钢的顶面的宽度小于其底面的宽度；内部磁钢组件和两个外部磁钢组件所组成的磁钢单元能够在Z轴方向上产生刚度不变的磁力，以用于对与磁浮机构连接的外部设备在竖直方向上进行力的补偿。

进一步地，磁浮机构还包括线圈，线圈环绕预设轴线设置，预设轴线与X轴方向平行；内部磁钢组件设置在线圈内，第一磁钢的中心与线圈的中心重合；和/或等腰梯形的锐角的取值范围为30度至80度。

进一步地，第一磁钢的磁化方向与X轴平行，两个第二磁钢的磁化方向均与X轴平行并相反；每个外部磁钢组件中的两个第三磁钢的磁化方向均与X轴平行并相反，一个外部磁钢组件中位于上方的第三磁钢的磁化方向与另一个外部磁钢组件中位于上方的第三磁钢的磁化方向相同。

进一步地，第一磁钢的磁化方向与两个第二磁钢中位于下方的第二磁钢的磁化方向相同并与外部磁钢组件中位于上方的第三磁钢的磁化方向相同。

进一步地，第二磁钢与第一磁钢接触或者间隙配合；和/或沿与X轴方向平行的方向，第二磁钢的最小宽度大于第一磁钢的最大宽度。

进一步地，外部磁钢组件中位于上方的第三磁钢的底面低于内部磁钢组件中位于上方的第二磁钢的顶面；外部磁钢组件中位于下方的第三磁钢的顶面高于内部磁钢中位于下方的第二磁钢的底面。

进一步地，各个外部磁钢组件还包括第四磁钢，各个外部磁钢组件的第四磁钢设置在两个第三磁钢之间，各个外部磁钢组件的第四磁钢的磁化方向均与Z轴平行并指向两个第三磁钢中磁化方向指向内部磁钢组件的第三磁钢；两个外部磁钢组件的第四磁钢的磁化方向相反，以使两个外部磁钢组件构成Halbach阵列。

进一步地，磁浮机构还包括支撑部件，支撑部件包括：支撑板；设置在支撑板上的凸条，凸条将支撑板分成两个板体部，第一磁钢沿凸条的延伸方向设置在凸条上，两个第二磁钢分别设置在两个板体部上；两个固定部，两个固定部沿凸条的延伸方向设置在支撑板的两端，以对第一磁钢和两个第二磁钢均进行限位。

根据本发明的另一方面，提供了一种补偿装置，其包括一个或多个上的磁浮机构，多个磁浮机构沿Z轴方向依次设置，任意相邻两个磁浮机构的第一磁钢的磁化方向相同或相反；其中，多个磁浮机构的第一预设对称面均位于同一平面上。

进一步地，当任意相邻两个磁浮机构的第一磁钢的磁化方向相同，且当各个磁浮机构的第三磁钢的XZ截面为矩形时，任意相邻两个磁浮机构之间设置有附加磁钢组件，附加磁钢组件包括：第五磁钢，第五磁钢的中心位于第一预设对称面上；两个第六磁钢，第三预定对称面经过第五磁钢的中心并与Z轴垂直，两个第六磁钢相对于第三预定对称面呈镜像对称并分别设置在第五磁钢的两侧，各个第六磁钢的中心均位于第一预设对称面上；两个第六磁钢的磁化方向相反，第五磁钢的磁化方向与两个第六磁钢中位于下方的第六磁钢的磁化方向相同并与第一磁钢的磁化方向相反；各个第六磁钢的XZ截面为等腰梯形，且两个第六磁钢中位于下方的第六磁钢的顶面的宽度小于其底面的宽度。

进一步地，多个磁浮机构的第二磁钢的XZ截面的尺寸大小均相等，附加磁钢组件的第六磁钢的XZ截面的尺寸大小与各个磁浮机构的第二磁钢的XZ截面的尺寸大小相等。

进一步地，补偿装置还包括：两个背铁，两个背铁分别沿X轴方向设置在磁浮机构的两个外部磁钢组件的外侧，各个背铁与相应的外部磁钢组件的第三磁钢接触；连接件，连接件设置在两个背铁之间并与两个背铁均连接。

进一步地，补偿装置还包括：支架，支架具有容纳槽，一个或多个磁浮机构的内部磁钢组件和线圈均设置在容纳槽内；连接电线，连接电线穿设在支架上，连接电线的一端与一个或多个磁浮机构的线圈连接，连接电线的另一端伸出支架。

根据本发明的又一方面，提供了一种微动设备，其包括：微动台组件，微动台组件包括微动台和沿微动台的周向间隔设置的多个柔性部件，各个柔性部件的一端与微动台连接，各个柔性部件的另一端固定设置，以使各个柔性部件在Z轴方向上产生弹力；一个或多个上述的补偿装置，当补偿装置为一个时，补偿装置与微动台连接，微动台的中心轴线位于补偿装置的第一预设对称面上；或者当补偿装置为多个时，多个补偿装置均与微动台连接并环绕微动台的中心轴线间隔设置，各个补偿装置的第一预设对称面与微动台的中心轴线之间的水平间距相等。

应用本发明的技术方案，磁浮机构包括内部磁钢组件和两个外部磁钢组件，内部磁钢组件包括第一磁钢和两个第二磁钢，第一磁钢的延伸方向和各个第二磁钢的延伸方向均与Y轴方向平行；第一预设对称面经过第一磁钢的中心并与X轴垂直，第二预定对称面经过第一磁钢的中心并与Z轴垂直；两个第二磁钢相对于第二预定对称面呈镜像对称并沿Z轴方向分别设置在第一磁钢的两侧，各个第二磁钢的中心均位于第一预设对称面上；第一磁钢的XZ截面为矩形或其它多边形；两个外部磁钢组件相对于第一预设对称面呈镜像对称并沿X轴方向分别设置在内部磁钢组件的两侧，两个外部磁钢组件均与内部磁钢组件沿X轴方向间隔设置并沿Z轴方向可相对运动地设置；每个外部磁钢组件均包括两个相对于第二预定对称面呈镜像对称并沿Z轴方向间隔设置的第三磁钢，第三磁钢的延伸方向与Y轴方向平行；其中，当第三磁钢的XZ截面为矩形时，第二磁钢的XZ截面为等腰梯形；当第三磁钢的沿X轴方向朝向第二磁钢的侧面与第一预设对称面的夹角中朝向第一磁钢的夹角为锐角时，第二磁钢的XZ截面为等腰梯形或矩形；当第二磁钢的XZ截面为等腰梯形时，两个第二磁钢中位于下方的第二磁钢的顶面的宽度小于其底面的宽度；内部磁钢组件和两个外部磁钢组件所组成的磁钢单元能够在Z轴方向上产生刚度不变的磁力，以用于对与磁浮机构连接的外部设备在竖直方向上进行力的补偿，进而解决现有技术中对微动台的重力、柔性机构的弹力以及微动台垂向运动的驱动力的补偿方式的补偿效果较差的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的磁浮机构的第一实施例的结构示意图；

图2示出了图1中的磁浮机构的纵向剖视图；

图3示出了图1中的磁浮机构的内部磁钢组件和外部磁钢组件的一种磁化方向设置的示意图；

图4示出了图1中的磁浮机构的第一磁钢和两个第二磁钢的纵向剖视图；

图5示出了图1中的磁浮机构的线圈和内部磁钢组件设置在支架上的结构示意图；

图6示出了图1中的磁浮机构的支撑部件的结构示意图；

图7示出了图1中的磁浮机构的第一磁钢和两个第二磁钢设置在支撑部件上的结构示意图；

图8示出了根据本发明的磁浮机构的第二实施例的结构示意图；

图9示出了根据本发明的磁浮机构的第三实施例的结构示意图；

图10示出了根据本发明的磁浮机构的第四实施例的结构示意图；

图11示出了图10中的磁浮机构的纵向剖视图；

图12示出了根据本发明的补偿装置的一个实施例的结构示意图；

图13示出了图12中的补偿装置的多个线圈设置在支架上的结构示意图；

图14示出了根据本发明的补偿装置的另一实施例的结构示意图；

图15示出了根据本发明的微动设备的结构示意图；

图16示出了根据本发明的微动设备包括一个补偿装置时，补偿装置与微动台的配合结构示意图；

图17示出了根据本发明的微动设备包括多个补偿装置时，多个补偿装置与微动台的配合结构示意图；

图18示出了根据本发明的磁浮机构的输出刚度与第二磁钢的等腰梯形的锐角之间的关系曲线图；

图19示出了根据本发明的磁浮机构的输出力与内部磁钢组件和外部磁钢组件之间在Z轴方向上产生的位移之间的关系线性图；

图20示出了根据本发明的磁浮机构的磁力线分布图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

100、补偿装置；11、第一磁钢；12、第二磁钢；13、第三磁钢；14、第四磁钢；15、第五磁钢；16、第六磁钢；20、支撑部件；21、支撑板；22、凸条；23、板体部；24、固定部；30、背铁；40、连接件；50、线圈；60、支架；70、连接电线；

210、微动台；220、弹片。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明提供了一种磁浮机构，请参考图1至图11，磁浮机构包括内部磁钢组件和两个外部磁钢组件，内部磁钢组件包括第一磁钢11和两个第二磁钢12，第一磁钢11的延伸方向和各个第二磁钢12的延伸方向均与Y轴方向平行；第一预设对称面经过第一磁钢11的中心并与X轴垂直，第二预定对称面经过第一磁钢11的中心并与Z轴垂直；两个第二磁钢12相对于第二预定对称面呈镜像对称并沿Z轴方向分别设置在第一磁钢11的两侧，各个第二磁钢12的中心均位于第一预设对称面上；第一磁钢11的XZ截面为矩形或其它多边形；两个外部磁钢组件相对于第一预设对称面呈镜像对称并沿X轴方向分别设置在内部磁钢组件的两侧，两个外部磁钢组件均与内部磁钢组件沿X轴方向间隔设置并沿Z轴方向可相对运动地设置；每个外部磁钢组件均包括两个相对于第二预定对称面呈镜像对称并沿Z轴方向间隔设置的第三磁钢13，第三磁钢13的延伸方向与Y轴方向平行；其中，当第三磁钢13的XZ截面为矩形时，第二磁钢12的XZ截面为等腰梯形；当第三磁钢13的沿X轴方向朝向第二磁钢12的侧面与第一预设对称面的夹角中朝向第一磁钢11的夹角为锐角时，第二磁钢12的XZ截面为等腰梯形或矩形；当第二磁钢12的XZ截面为等腰梯形时，两个第二磁钢12中位于下方的第二磁钢12的顶面的宽度小于其底面的宽度；内部磁钢组件和两个外部磁钢组件所组成的磁钢单元能够在Z轴方向上产生刚度不变的磁力，以用于对与磁浮机构连接的外部设备在竖直方向上进行力的补偿，进而解决现有技术中对微动台的重力、柔性机构的弹力以及微动台垂向运动的驱动力的补偿方式的补偿效果较差的问题。

另外，相比常规的圆柱形结构，本申请的磁浮机构能够提供一种近似长方体的结构形式，以使本申请的磁浮机构的整体体积能更好地适应狭长形的安装空间。需要说明的是，各个磁钢的XZ截面是指各个磁钢的与Y轴垂直的截面；X轴、Y轴、Z轴之间相互垂直，Z轴方向为竖直方向；第二磁钢12的顶面的宽度方向和第二磁钢12的底面的宽度方向均与X轴方向平行。

具体地，由于两个外部磁钢组件均与内部磁钢组件沿X轴方向间隔设置并沿Z轴方向可相对运动地设置，故当两个外部磁钢组件为定子结构时，内部磁钢组件为动子结构；当两个外部磁钢组件为动子结构时，内部磁钢组件为定子结构；外部设备与动子结构连接。

具体地，内部磁钢组件和两个外部磁钢组件所组成的磁钢单元能够在Z轴方向上产生刚度不变的磁力，以用于对与动子结构连接的外部设备进行重力补偿。

具体地，等腰梯形的相互平行的两个底边中较短的底边所对应的第二磁钢12的面用于朝向第一磁钢11设置；等腰梯形的锐角的取值范围为30度至80度。

需要说明的是，如图3、图4、图8、图11所示，第三磁钢13的XZ截面为矩形时，第二磁钢12的XZ截面为等腰梯形；如图9所示，当第三磁钢13的沿X轴方向朝向第二磁钢12的侧面与第一预设对称面的夹角中朝向第一磁钢11的夹角为锐角时，第二磁钢12的XZ截面为等腰梯形或矩形，这种结构设置能够使磁浮机构的输出力的刚度保持一个定值。

需要说明的是，如图18所示，第二磁钢12的等腰梯形的锐角α与磁浮机构的输出刚度K存在相关性，在等腰梯形的相互平行的两个底边中较短的底边的长度为定值的前提下，磁浮机构的输出刚度K会随着第二磁钢12的等腰梯形的锐角α的增大而减小。例如，当第二磁钢12的等腰梯形的锐角α为30度时，磁浮机构的输出刚度K约为35N/m；当第二磁钢12的等腰梯形的锐角α为80度时，磁浮机构的输出刚度K约为5N/m。

其中，输出刚度K指的是磁浮机构的输出力和动子结构的位移之间的关系，具体的，如图19所示，图19中横向坐标为内部磁钢组件和外部磁钢组件之间在Z轴方向上产生的相对位移，纵坐标为磁浮机构的输出力，二者之间呈正比，且为线性关系，其线性关系中的斜率即是输出刚度K的值，且从图19中可以看出该斜率保持不变，即输出刚度K保持不变。

在本实施例中，磁浮机构还包括线圈50，线圈50环绕预设轴线设置，预设轴线与X轴方向平行；内部磁钢组件设置在线圈50内，第一磁钢11的中心与线圈50的中心重合。

需要说明的是，通过向线圈50通电，基于洛伦兹力定律，外部磁钢组件的磁场均会对运动电荷产生洛伦兹力；通过调节通入线圈50的电流的方向和幅值，可使线圈50与外部磁钢组件的磁场相互作用并产生不同方向和幅值的洛伦兹力，该洛伦兹力可使内部磁钢组件和外部磁钢组件按照预设轨迹产生相对位移，例如将该磁浮机构应用到需要重力补偿的微动台中，其内部磁钢组件中的第一磁钢11产生的输出力可对微动台及设置在微动台上的负载进行重力补偿（即微动台和负载构成外部设备），且内部磁钢组件中的第二磁钢12产生的输出力可对微动台上的柔性部件在Z轴方向进行力的补偿（例如，柔性部件为弹簧，弹簧的刚度与磁浮机构的输出刚度K数值相等），这样磁浮机构中的线圈50只需提供外部设备沿竖直方向运动所需的驱动力，故线圈50的驱动电流小、温升低、可满足外部设备的高动态响应。

具体地，线圈50由漆包线绕制而成。

具体地，内部磁钢组件与线圈50间隔设置。

可选地，线圈50上设置有功率放大器。

具体地，第一磁钢11的磁化方向与X轴平行，两个第二磁钢12的磁化方向均与X轴平行并相反；每个外部磁钢组件中的两个第三磁钢13的磁化方向均与X轴平行并相反，一个外部磁钢组件中位于上方的第三磁钢13的磁化方向与另一个外部磁钢组件中位于上方的第三磁钢13的磁化方向相同，一个外部磁钢组件中位于下方的第三磁钢13的磁化方向与另一个外部磁钢组件中位于下方的第三磁钢13的磁化方向相同。

具体地，第一磁钢11的磁化方向与两个第二磁钢12中位于下方的第二磁钢12的磁化方向相同并与外部磁钢组件中位于上方的第三磁钢13的磁化方向相同。

具体地，第二磁钢12与第一磁钢11接触或者间隙配合。

具体地，沿与X轴方向平行的方向，第二磁钢12的最小宽度大于第一磁钢11的最大宽度；当第一磁钢11的XZ截面为矩形，且当第二磁钢12的XZ截面为等腰梯形时，第二磁钢12的最小宽度大于第一磁钢11的宽度。

具体地，外部磁钢组件中位于上方的第三磁钢13的底面低于内部磁钢组件中位于上方的第二磁钢12的顶面；外部磁钢组件中位于下方的第三磁钢13的顶面高于内部磁钢中位于下方的第二磁钢12的底面；优选地，外部磁钢组件中位于上方的第三磁钢13的底面低于内部磁钢组件中位于上方的第二磁钢12的底面；外部磁钢组件中位于下方的第三磁钢13的顶面高于内部磁钢中位于下方的第二磁钢12的顶面。

可选地，当第三磁钢13沿X轴方向完全覆盖第二磁钢12时，磁浮机构整体的输出力更加稳定。

具体地，各个第二磁钢12的沿Y轴方向的长度与第一磁钢11的沿Y轴方向的长度相等，各个第三磁钢13的沿Y轴方向的长度大于或等于第一磁钢11的沿Y轴方向的长度。

具体地，外部磁钢组件中位于上方的第三磁钢13的顶面高于内部磁钢组件中位于上方的第二磁钢12的顶面，外部磁钢组件中位于下方的第三磁钢13的底面低于内部磁钢中位于下方的第二磁钢12的底面。

在本实施例中，如图3和图20所示，第一磁钢11的磁化方向向右，两个第二磁钢12中位于上方的第二磁钢12的磁化方向左，两个第二磁钢12中位于下方的第二磁钢12的磁化方向向右。四个第三磁钢13中位于上方的两个第三磁钢13的磁化方向均向右，四个第三磁钢13中位于下方的两个第三磁钢13的磁化方向均向左。在该充磁方向的实施例中，第一磁钢11相对第三磁钢13受到竖直向上的恒定力，第二磁钢12在初始位置时，其相对第三磁钢13的受力为零，当内部磁钢组件向上运动时，第二磁钢12受到竖直向上的力，第二磁钢12受到的力的大小随内部磁钢组件的位移的增大而增大；当内部磁钢向下运动时，第二磁钢12受到竖直向下的力，第二磁钢12受到的力的大小随内部磁钢组件的位移的增大而增大；即如图19所示，当内部磁钢组件和外部磁钢组件之间在Z轴方向上产生的相对位移为零时，磁浮机构具有一个数值为正（向上）的恒定的输出力，内部磁钢组件和外部磁钢组件之间在Z轴方向上产生相对位移时，磁浮机构的输出力和该相对位移成线性关系。另外，将内部磁钢组件或外部磁钢组件作为动子结构与外部设备连接，其可以有效补偿外部设备的重力以及柔性部件在Z轴方向上的弹性力。当外部设备需要沿竖直方向运动时，只需在线圈50中通入驱动力大小的电流即可驱动外部设备做竖直方向的运动。

需要说明的是，上述磁化方向仅是磁浮机构的一种设置方式，根据磁化方向的不同，动子结构在初始位置时，磁浮机构的输出力的方向和输出刚度大小都会不同，但在同一种磁化方式的设置情况下，磁浮机构的输出刚度始终保持不变。例如，上述磁化方向中，第一磁钢11的磁化方向向左，其他磁钢的磁化方向不变，动子结构在初始位置时，磁浮机构的输出力的数值为负（向下）且为恒定值。又例如，上述磁化方向中，两个第二磁钢12的磁化方向和上述情况均相反，其他磁钢的磁化方向不变，此时，磁浮机构的输出刚度为负（即动子结构的位移和磁浮机构的输出力成反比），故根据不同场景的需要可以决定各磁钢的磁化方向。

在本实施例中，如图8所示，各个外部磁钢组件还包括第四磁钢14，各个外部磁钢组件的第四磁钢14设置在该外部磁钢组件的两个第三磁钢13之间，各个外部磁钢组件的第四磁钢14的磁化方向均与Z轴平行并指向该外部磁钢组件的两个第三磁钢13中磁化方向指向内部磁钢组件的第三磁钢13，即各个外部磁钢组件的两个第三磁钢13中磁化方向指向内部磁钢组件的第三磁钢13为指定磁钢，则各个外部磁钢组件的第四磁钢14磁化方向指向该外部磁钢组件的指定磁钢；两个外部磁钢组件的第四磁钢14的磁化方向相反，以使两个外部磁钢组件构成Halbach阵列，这样可以进一步增加磁浮机构的推力密度，并减少磁浮机构的磁场泄露。

具体地，各个外部磁钢组件的第四磁钢14与第三磁钢13接触或者间隙配合。

在本实施例中，如图6和图7所示，磁浮机构还包括支撑部件20，支撑部件20包括支撑板21和设置在支撑板21上的凸条22，凸条22将支撑板21分成两个板体部23，第一磁钢11沿凸条22的延伸方向设置在凸条22上，即第一磁钢11的延伸方向与凸条22的延伸方向相同；两个第二磁钢12分别设置在两个板体部23上。

具体地，支撑部件20还包括两个固定部24，两个固定部24沿凸条22的延伸方向设置在支撑板21的两端，以对第一磁钢11和两个第二磁钢12均进行限位。

本发明还提供了一种补偿装置100，请结合参考图12至图14所示，包括一个或多个上述的磁浮机构，多个磁浮机构沿Z轴方向依次设置，任意相邻两个磁浮机构的第一磁钢11的磁化方向相同或相反；其中，多个磁浮机构的第一预设对称面均位于同一平面上。

具体地，多个磁浮机构中的动子结构均与外部设备连接，以使多个磁浮机构共同对外部设备在竖直方向上进行力的补偿；其中，当多个磁浮机构的所有内部磁钢组件均构成补偿装置100的定子结构时，多个磁浮机构的所有外部磁钢组件均构成补偿装置100的动子结构；当多个磁浮机构的所有内部磁钢组件均构成补偿装置100的动子结构时，多个磁浮机构的所有外部磁钢组件均构成补偿装置100的定子结构。

需要说明的是，补偿装置100的输出刚度K约为多个磁浮机构的输出刚度之和。

具体地，多个磁浮机构的线圈50之间的电连接采用串联或并联的连接方式。

可选地，多个磁浮机构沿Z轴方向依次间隔设置。

在本实施例中，如图12所示，当任意相邻两个磁浮机构的第一磁钢11的磁化方向相同，且当各个磁浮机构的第三磁钢13的XZ截面为矩形时，此时各个磁浮机构的第二磁钢12的XZ截面为等腰梯形，任意相邻两个磁浮机构之间设置有附加磁钢组件，附加磁钢组件包括第五磁钢15和两个第六磁钢16，第五磁钢15的中心位于第一预设对称面上；第三预定对称面经过第五磁钢15的中心并与Z轴垂直，两个第六磁钢16相对于第三预定对称面呈镜像对称并分别设置在第五磁钢15的两侧，各个第六磁钢16的中心均位于第一预设对称面上；两个第六磁钢16的磁化方向相反，第五磁钢15的磁化方向与两个第六磁钢16中位于下方的第六磁钢16的磁化方向相同并与第一磁钢11的磁化方向相反；各个第六磁钢16的XZ截面为等腰梯形，且两个第六磁钢16中位于下方的第六磁钢16的顶面的宽度小于其底面的宽度。通过增设附加磁钢组件，可以在补偿装置100的整体体积不变的情况下，使该补偿装置100能够提供更高的输出刚度及输出力。

优选地，多个磁浮机构的第二磁钢12的XZ截面的尺寸大小均相等，即多个磁浮机构的第二磁钢12的等腰梯形的夹角和各个边长均相等；附加磁钢组件的第六磁钢16的XZ截面的尺寸大小与各个磁浮机构的第二磁钢12的XZ截面的尺寸大小相等，即附加磁钢组件的第六磁钢16的等腰梯形的夹角和各个磁浮机构的第二磁钢12的等腰梯形的夹角均相等，附加磁钢组件的第六磁钢16的等腰梯形的各个边长和各个磁浮机构的第二磁钢12的等腰梯形的对应的边长均相等。

具体地，附加磁钢组件的第六磁钢16与第五磁钢15接触或者间隙配合。

具体地，附加磁钢组件的第六磁钢16的沿Y轴方向的长度与第五磁钢15的沿Y轴方向的长度相等。

具体地，多个磁浮机构的第一磁钢11的沿Y轴方向的长度均相等，附加磁钢组件的第五磁钢15的沿Y轴方向的长度与各个磁浮机构的第一磁钢11的沿Y轴方向的长度均相等。

在本实施例中，补偿装置100还包括两个背铁30，两个背铁30分别沿X轴方向设置在磁浮机构的两个外部磁钢组件的外侧，各个背铁30与相应的外部磁钢组件的第三磁钢13接触；即当补偿装置100包括一个磁浮机构时，两个背铁30分别沿X轴方向设置在该磁浮机构的两个外部磁钢组件的外侧，各个背铁30与该磁浮机构中的相应的外部磁钢组件的第三磁钢13接触；当补偿装置100包括多个磁浮机构时，两个背铁30分别与各个磁浮机构的两个外部磁钢组件对应设置，各个背铁30沿X轴方向设置在各个磁浮机构中的相应的外部磁钢组件的外侧，各个背铁30与各个磁浮机构中的相应的外部磁钢组件的第三磁钢13均接触。

具体地，两个背铁30相对于第一预设对称面呈镜像对称设置。

具体地，磁浮机构还包括连接件40，连接件40设置在两个背铁30之间并与两个背铁30均连接。

具体地，连接件40为U型结构，当补偿装置100包括一个磁浮机构时，连接件40的两端分别与该磁浮机构的两个外部磁钢组件对应设置，连接件40的各个端部与该磁浮机构中的相应的外部磁钢组件间隔设置；当补偿装置100包括多个磁浮机构时，连接件40的两端分别与各个磁浮机构的两个外部磁钢组件对应设置，连接件40的各个端部与各个磁浮机构中的相应的外部磁钢组件间隔设置。

在本实施例中，如图5和图13所示，补偿装置100还包括支架60，支架60具有容纳槽，一个磁浮机构的内部磁钢组件和线圈50均设置在容纳槽内，以使支架60为该磁浮机构的内部磁钢组件和线圈50提供支撑；或者多个磁浮机构的内部磁钢组件和线圈50均设置在容纳槽内，以使支架60为多个磁浮机构的内部磁钢组件和线圈50提供支撑。

具体地，补偿装置100还包括连接电线70，连接电线70穿设在支架60上，连接电线70的一端与一个磁浮机构的线圈50连接，或者连接电线70的一端与多个磁浮机构的线圈50均连接；连接电线70的另一端伸出支架60。优选地，如图5和图13所示，支架60内具有避让孔，连接电线70的一端穿过避让孔与线圈50连接。

具体地，支架60与外部设备连接，作为动子结构的内部磁钢组件通过支架60与外部设备连接，此时线圈50也随内部磁钢组件运动。

需要说明的是，在其它实施例中，还可以使补偿装置100整体旋转90度成水平状态设置，以使补偿装置100具有沿水平方向的刚度不变的输出力，具体输出力的情况与补偿装置100竖直设置时的原理相似，故不再赘述。

本发明还提供了一种微动设备，请结合参考图15至图17，微动设备包括微动台组件，微动台组件包括微动台210和沿微动台210的周向间隔设置的多个柔性部件，各个柔性部件的一端与微动台210连接，各个柔性部件的另一端固定设置，以使各个柔性部件在Z轴方向上产生弹力。

具体地，微动设备还包括一个或多个上述的补偿装置100，如图16所示，当补偿装置100为一个时，补偿装置100与微动台210连接，微动台210和补偿装置100沿Z轴方向分布，且微动台210的中心轴线位于第一预设对称面上；其中，微动台210位于补偿装置100的上方，微动台210与该补偿装置100的动子结构连接。

具体地，如图17所示，当补偿装置100为多个时，多个补偿装置100均与微动台210连接并环绕微动台210的中心轴线间隔设置，微动台210和多个补偿装置100沿Z轴方向分布，且各个补偿装置100的第一预设对称面与微动台210的中心轴线之间的水平间距相等，其中，微动台210位于多个补偿装置100的上方，微动台210与多个补偿装置100的动子结构连接。

可选地，多个补偿装置100环绕微动台210的中心轴线均匀分布，微动台210是以其中心轴线为旋转轴线的旋转对称结构。

具体地，微动台210上设置有负载，即微动台210与负载共同构成外部设备；内部磁钢组件和两个外部磁钢组件所组成的磁钢单元在Z轴方向上产生的刚度不变的磁力能够对微动台210及负载的重力、柔性部件在Z轴方向的弹力之和进行力的补偿。

具体地，柔性部件为弹片220，弹片220的一端与微动台210连接，弹片220的另一端固定设置。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

在本发明提供的磁浮机构中，磁浮机构包括内部磁钢组件和两个外部磁钢组件，内部磁钢组件包括第一磁钢11和两个第二磁钢12，第一磁钢11的延伸方向和各个第二磁钢12的延伸方向均与Y轴方向平行；第一预设对称面经过第一磁钢11的中心并与X轴垂直，第二预定对称面经过第一磁钢11的中心并与Z轴垂直；两个第二磁钢12相对于第二预定对称面呈镜像对称并沿Z轴方向分别设置在第一磁钢11的两侧，各个第二磁钢12的中心均位于第一预设对称面上；第一磁钢11的XZ截面为矩形或其它多边形；两个外部磁钢组件相对于第一预设对称面呈镜像对称并沿X轴方向分别设置在内部磁钢组件的两侧，两个外部磁钢组件均与内部磁钢组件沿X轴方向间隔设置并沿Z轴方向可相对运动地设置；每个外部磁钢组件均包括两个相对于第二预定对称面呈镜像对称并沿Z轴方向间隔设置的第三磁钢13，第三磁钢13的延伸方向与Y轴方向平行；其中，当第三磁钢13的XZ截面为矩形时，第二磁钢12的XZ截面为等腰梯形；当第三磁钢13的沿X轴方向朝向第二磁钢12的侧面与第一预设对称面的夹角中朝向第一磁钢11的夹角为锐角时，第二磁钢12的XZ截面为等腰梯形或矩形；当第二磁钢12的XZ截面为等腰梯形时，两个第二磁钢12中位于下方的第二磁钢12的顶面的宽度小于其底面的宽度；内部磁钢组件和两个外部磁钢组件所组成的磁钢单元能够在Z轴方向上产生刚度不变的磁力，以用于对与磁浮机构连接的外部设备在竖直方向上进行力的补偿，进而解决现有技术中对微动台的重力、柔性机构的弹力以及微动台垂向运动的驱动力的补偿方式的补偿效果较差的问题。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位（旋转90度或处于其他方位），并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种磁浮机构，其特征在于，包括：

内部磁钢组件，所述内部磁钢组件包括第一磁钢（11）和两个第二磁钢（12），所述第一磁钢（11）的延伸方向和各个所述第二磁钢（12）的延伸方向均与Y轴方向平行；第一预设对称面经过所述第一磁钢（11）的中心并与X轴垂直，第二预定对称面经过所述第一磁钢（11）的中心并与Z轴垂直；两个所述第二磁钢（12）相对于所述第二预定对称面呈镜像对称并分别设置在所述第一磁钢（11）的两侧，各个所述第二磁钢（12）的中心均位于所述第一预设对称面上；所述第一磁钢（11）的XZ截面为矩形或其它多边形；

两个外部磁钢组件，两个所述外部磁钢组件相对于所述第一预设对称面呈镜像对称并分别设置在所述内部磁钢组件的两侧，两个所述外部磁钢组件均与所述内部磁钢组件沿X轴方向间隔设置并沿Z轴方向可相对运动地设置；每个所述外部磁钢组件均包括两个相对于所述第二预定对称面呈镜像对称并沿Z轴方向间隔设置的第三磁钢（13），所述第三磁钢（13）的延伸方向与Y轴方向平行；

其中，当所述第三磁钢（13）的XZ截面为矩形时，所述第二磁钢（12）的XZ截面为等腰梯形；当所述第三磁钢（13）的沿X轴方向朝向所述第二磁钢（12）的侧面与所述第一预设对称面的夹角中朝向所述第一磁钢（11）的夹角为锐角时，所述第二磁钢（12）的XZ截面为等腰梯形或矩形；

当所述第二磁钢（12）的XZ截面为等腰梯形时，两个所述第二磁钢（12）中位于下方的所述第二磁钢（12）的顶面的宽度小于其底面的宽度；

所述内部磁钢组件和所述两个外部磁钢组件所组成的磁钢单元能够在Z轴方向上产生刚度不变的磁力，以用于对与所述磁浮机构连接的外部设备在竖直方向上进行力的补偿。

2.根据权利要求1所述的磁浮机构，其特征在于，

所述磁浮机构还包括线圈（50），所述线圈（50）环绕预设轴线设置，所述预设轴线与X轴方向平行；所述内部磁钢组件设置在所述线圈（50）内，所述第一磁钢（11）的中心与所述线圈（50）的中心重合；和/或

所述等腰梯形的锐角的取值范围为30度至80度。

3.根据权利要求1或2所述的磁浮机构，其特征在于，

所述第一磁钢（11）的磁化方向与X轴平行，两个所述第二磁钢（12）的磁化方向均与X轴平行并相反；每个所述外部磁钢组件中的两个所述第三磁钢（13）的磁化方向均与X轴平行并相反，一个所述外部磁钢组件中位于上方的所述第三磁钢（13）的磁化方向与另一个所述外部磁钢组件中位于上方的所述第三磁钢（13）的磁化方向相同。

4.根据权利要求3所述的磁浮机构，其特征在于，

所述第一磁钢（11）的磁化方向与两个所述第二磁钢（12）中位于下方的所述第二磁钢（12）的磁化方向相同并与所述外部磁钢组件中位于上方的所述第三磁钢（13）的磁化方向相同。

5.根据权利要求1或2所述的磁浮机构，其特征在于，

所述第二磁钢（12）与所述第一磁钢（11）接触或者间隙配合；和/或

沿与X轴方向平行的方向，所述第二磁钢（12）的最小宽度大于所述第一磁钢（11）的最大宽度。

6.根据权利要求1所述的磁浮机构，其特征在于，所述外部磁钢组件中位于上方的所述第三磁钢（13）的底面低于所述内部磁钢组件中位于上方的所述第二磁钢（12）的顶面；所述外部磁钢组件中位于下方的所述第三磁钢（13）的顶面高于所述内部磁钢中位于下方的所述第二磁钢（12）的底面。

7.根据权利要求3所述的磁浮机构，其特征在于，各个所述外部磁钢组件还包括第四磁钢（14），各个所述外部磁钢组件的第四磁钢（14）设置在两个所述第三磁钢（13）之间，各个所述外部磁钢组件的第四磁钢（14）的磁化方向均与Z轴平行并指向两个所述第三磁钢（13）中磁化方向指向所述内部磁钢组件的所述第三磁钢（13）；两个所述外部磁钢组件的第四磁钢（14）的磁化方向相反，以使两个所述外部磁钢组件构成Halbach阵列。

8.根据权利要求1所述的磁浮机构，其特征在于，所述磁浮机构还包括支撑部件（20），所述支撑部件（20）包括：

支撑板（21）；

设置在所述支撑板（21）上的凸条（22），所述凸条（22）将所述支撑板（21）分成两个板体部（23），所述第一磁钢（11）沿所述凸条（22）的延伸方向设置在所述凸条（22）上，两个所述第二磁钢（12）分别设置在两个所述板体部（23）上；

两个固定部（24），两个所述固定部（24）沿所述凸条（22）的延伸方向设置在所述支撑板（21）的两端，以对所述第一磁钢（11）和两个所述第二磁钢（12）均进行限位。

9.一种补偿装置，其特征在于，包括一个或多个权利要求1至8中任一项所述的磁浮机构，多个所述磁浮机构沿Z轴方向依次设置，任意相邻两个所述磁浮机构的第一磁钢（11）的磁化方向相同或相反；其中，多个所述磁浮机构的第一预设对称面均位于同一平面上。

10.根据权利要求9所述的补偿装置，其特征在于，当任意相邻两个所述磁浮机构的第一磁钢（11）的磁化方向相同，且当各个所述磁浮机构的第三磁钢（13）的XZ截面为矩形时，任意相邻两个所述磁浮机构之间设置有附加磁钢组件，所述附加磁钢组件包括：

第五磁钢（15），所述第五磁钢（15）的中心位于所述第一预设对称面上；

两个第六磁钢（16），第三预定对称面经过所述第五磁钢（15）的中心并与Z轴垂直，所述两个第六磁钢（16）相对于所述第三预定对称面呈镜像对称并分别设置在所述第五磁钢（15）的两侧，各个所述第六磁钢（16）的中心均位于所述第一预设对称面上；所述两个第六磁钢（16）的磁化方向相反，所述第五磁钢（15）的磁化方向与两个所述第六磁钢（16）中位于下方的第六磁钢（16）的磁化方向相同并与所述第一磁钢（11）的磁化方向相反；各个所述第六磁钢（16）的XZ截面为等腰梯形，且两个所述第六磁钢（16）中位于下方的所述第六磁钢（16）的顶面的宽度小于其底面的宽度。

11.根据权利要求10所述的补偿装置，其特征在于，多个所述磁浮机构的第二磁钢（12）的XZ截面的尺寸大小均相等，所述附加磁钢组件的第六磁钢（16）的XZ截面的尺寸大小与各个所述磁浮机构的第二磁钢（12）的XZ截面的尺寸大小相等。

12.根据权利要求9所述的补偿装置，其特征在于，所述补偿装置还包括：

两个背铁（30），两个所述背铁（30）分别沿X轴方向设置在所述磁浮机构的两个外部磁钢组件的外侧，各个所述背铁（30）与相应的所述外部磁钢组件的第三磁钢（13）接触；

连接件（40），所述连接件（40）设置在两个所述背铁（30）之间并与两个所述背铁（30）均连接。

13.根据权利要求9所述的补偿装置，其特征在于，所述磁浮机构为权利要求2所述的磁浮机构，所述补偿装置还包括：

支架（60），所述支架（60）具有容纳槽，一个或多个所述磁浮机构的内部磁钢组件和线圈（50）均设置在所述容纳槽内；

连接电线（70），所述连接电线（70）穿设在所述支架（60）上，所述连接电线（70）的一端与一个或多个所述磁浮机构的线圈（50）连接，所述连接电线（70）的另一端伸出所述支架（60）。

14.一种微动设备，其特征在于，包括：

微动台组件，所述微动台组件包括微动台（210）和沿所述微动台（210）的周向间隔设置的多个柔性部件，各个所述柔性部件的一端与所述微动台（210）连接，各个所述柔性部件的另一端固定设置，以使各个所述柔性部件在Z轴方向上产生弹力；

一个或多个权利要求9至13中任一项所述的补偿装置，当所述补偿装置为一个时，所述补偿装置与所述微动台（210）连接，所述微动台（210）的中心轴线位于所述补偿装置的第一预设对称面上；或者当所述补偿装置为多个时，多个所述补偿装置均与所述微动台（210）连接并环绕所述微动台（210）的中心轴线间隔设置，各个所述补偿装置的第一预设对称面与所述微动台（210）的中心轴线之间的水平间距相等。

Images