CN116846182A - 一种用于晶圆检测的z轴制动音圈电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于晶圆检测的Z轴制动音圈电机，包括两个E型铁芯、两个线圈以及竖直板，两个E型铁芯相对设置，两个线圈分别绕设在两个E型铁芯上；竖直板上设置有在水平方向上磁性相反的第一磁钢和第二磁钢，第一磁钢、第二磁钢以及竖直板沿竖向可活动的配合在两个E型铁芯之间；竖直板的下端连接有在竖直方向上磁性相反第三磁钢和第四磁钢，当两个线圈同时通入正向电流时，竖直板能够上升至第二高度位置并稳定不动；当两个线圈同时通入反向电流时，竖直板能下降至初始位置并稳定不动。本发明公开的一种用于晶圆检测的Z轴制动音圈电机，实现竖直方向上是稳定驱动，并且能够在两个高度位置之间灵活切换，实现晶圆检测的高度精确控制。

Description

一种用于晶圆检测的Z轴制动音圈电机

技术领域

本发明涉及音圈电机技术领域，具体而言，涉及一种用于晶圆检测的Z轴制动音圈电机。

背景技术

近年来，随着半导体行业的发展，对于晶圆检测装置在自动化、精密化的要求逐渐增高，因此作为晶圆检测环节中精密调节所用的Z轴制动装置也被提出了更高稳定性、高响应速度、高精密度的性能标准。传统Z轴制动装置多用液压升降装置，其对于油液体的清洁度要求高，工艺复杂且维修成本高，稳定性较低。

现有的用于Z轴制动直线电机的不足在于需要连续提供电流，为动子稳定在某一位置提供恒定推力，以确保舞台的高精度定位。但连续通电会涉及到热量的产生，这可能会导致变形，从而让使得定位精度的下降，而增加额外的推力装置会增加了系统的成本、空间和复杂性。

音圈电机，作为直线电机的一种，因为其绕组与扬声器类似，并且具有相同的工作原理，故名为音圈电机。音圈电机具备“零传动”、响应速度快，不存在齿槽效应等特点，同时音圈电机也具备一些其他直线电机不具备的优势，比如结构更加简单，控制更加方便。所以本申请提出了一种利用音圈电机来作为晶圆检测环节的Z轴制动装置，不仅结构简单、控制方便，且其速度响应性和稳定性高。目前在工业机器人领域也常用音圈电机等具有永磁励磁性能的电机系统来作为电磁刹车装置，其高速度响应性和自锁性能在机器人关节电机断电抱死方面做很好的应用，但其工艺也较复杂且精度要求不高。

因此本专利提出的音圈电机对于晶圆检测装置Z轴制动时的位置精度方面和工艺简便性都做出了更好的设计和调整。

发明内容

本发明解决的问题是：克服现有技术中的至少一个缺陷，提供一种用于晶圆检测的Z轴制动音圈电机，实现竖直方向上是稳定驱动，并且能够在两个高度位置之间灵活切换，实现晶圆检测的高度精确控制。

为解决上述问题，本发明提供一种用于晶圆检测的Z轴制动音圈电机，包括定子组件和动子组件，其特征在于：所述定子组件包括两个E型铁芯以及两个线圈，两个所述E型铁芯的开口侧相对设置，且两个E型铁芯之间留有安装通道，两个所述线圈分别沿着垂直于E型铁芯的方向绕设在两个E型铁芯的中间凸柱上；所述动子组件包括竖直板，所述竖直板上设置有沿竖向间隔分布且分别与所述E型铁芯的两个开口部相对应的第一磁钢和第二磁钢，且所述第一磁钢、第二磁钢在水平方向上磁性相反，所述第一磁钢、第二磁钢以及竖直板沿竖向可活动的配合在所述安装通道内；所述竖直板的下端连接有分别与两个E型铁芯下端面相对应的第三磁钢和第四磁钢，且所述第三磁钢、第四磁钢在竖直方向上磁性相反；当两个所述线圈同时通入正向电流时，所述动子组件能够上升至第二高度位置，且两个所述E型铁芯与第三磁钢和第四磁钢之间能够形成具有Z轴作用力的磁回路以使得所述动子组件稳定在第二高度位置；当两个所述线圈同时通入反向电流时，所述动子组件能下降至初始的第一高度位置并稳定不动。

本发明与现有技术相比，有益之处在于：

(1)Z轴制动音圈电机相比于传统的Z轴制动所用的液压升降系统具有高响应性，且控制简便；

(2)音圈电机制动结构简单，不存在液压升降装置漏油的可能性，对于工序步骤也较为节省，操作和使用简便；

(3)音圈电机的热效应好，利于散热，且电磁驱动能耗少、效率高、有利于环保；

(4)Z轴制动音圈电机不仅可以提供两个主要功能：无供电的持续推力与高响应的致动动作，并且此类音圈电机的结构紧凑、易于制造、降低成本；

(5)Z轴制动音圈电机的功能都是由一个由简单的电磁组件组成的执行器来实现的，因此在成本、空间、质量和效率方面具有多种优势；

(6)相比较于传统的直线电机三相绕组的设置，Z轴制动音圈电机只有单向绕组，通过正反向通电来改变动定子组件之间的电磁推力方向，从而实现动子部分在第一稳定位置和第二稳定位置的移动和切换，利用简单的绕组设计来实现Z轴方向致动功能。这类音圈电机结构简单、易于控制、制造成本低并且提高了电磁效率；

(7)音圈电机通过采用定子铁芯E形结构与动子组件，使得在动子达到第二稳定位置时，E形铁芯与第一磁钢、第二磁钢之间形成第一磁回路A1，两个E型铁芯与第三磁钢和第四磁钢之间能够形成具有Z轴作用力的第二磁回路A2，使得动子组件与定子组件之间产生一定的电磁引力，这部分引力可以抵消动子原本的重力，同时提供Z轴正方向上对于晶圆卡盘部分的预载力，具有良好的重力补偿特性；

(8)在音圈电机致动过程中，当动子部分达到第二稳定位置时，动定子间的电磁引力可以在绕组不通电流的情况下对动子组件产生持续推力。由于不需要电流，因此音圈电机只有很少的热效应，只存在微小的热变形并且可以保证较高的位置精度，无需增加其他推力装置，节约了成本和空间；

(9)音圈电机初次级间的上下磁路在零电流下一起提供初级线圈与次级永磁体之间的电磁引力，该电磁引力取决于双边初级之间的相对距离。对于不同的预载荷值，可以通过调节双边铁芯的气隙大小来提供动子部分位于第二稳定位置时的持续推力。在实现可调节无供电时持续推力这一功能的同时保证定位更加准确，并且不增加成本和能耗；

(10)音圈电机初级通电时，电流通入两线圈使双边铁芯与次级永磁体之间形成磁回路提供驱动力使磁性Z轴制动器从第一稳定位置到第二稳定位置。次级动子部分的四个永磁体增加了初级线圈中产生的通量，这与传统设计相比产生了更高的输出力。由于动子部分的运动时间比总周期时间更短，因此使用峰值电流来提供运动，以确保高动态响应，具有更好的动力学特性。

作为改进的，所述竖直板的下端连接有磁性材质制成的水平板，所述第三磁钢、第四磁钢连接在所述水平板的上端面。

再改进的，所述竖直板为非磁性材料制成。

再改进的，所述竖直板上端的中部开设有嵌装槽，所述第一磁钢、第二磁钢分别嵌装在所述嵌装槽内，且所述第一磁钢、第二磁钢之间设置有隔磁件。

再改进的，两个所述E型铁芯均由多层E型结构的铁磁片堆叠粘接而成。

再改进的，所述第一磁钢、第二磁钢、第三磁钢和第四磁钢均为矩形的永磁体。

另外的，本发明的其他改进特征和优点将在随后的具体实施方式中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为本发明的用于晶圆检测的Z轴制动音圈电机的结构简图；

图2为本发明的用于晶圆检测的Z轴制动音圈电机的另一角度结构图；

图3为本发明中的动子组件的结构示意图；

图4为本发明的用于晶圆检测的Z轴制动音圈电机的剖视图；(动子组件位于第一位置状态)

图5为本发明的用于晶圆检测的Z轴制动音圈电机的剖视图；(动子组件位于第二位置状态)

附图标记说明：

1、E型铁芯；2、线圈；3、中间凸柱；4、竖直板；5、第一磁钢；6、第二磁钢；7、水平板；8、第三磁钢；9、第四磁钢；10、嵌装槽；11、隔磁件。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

如图1、2和3所示，本发明提供了一种用于晶圆检测的Z轴制动音圈电机，1.包括定子组件和动子组件，其中定子组件包括两个E型铁芯1以及两个线圈2，两个所述E型铁芯1的开口侧相对设置，且两个E型铁芯1之间留有安装通道，两个线圈2分别沿着垂直于E型铁芯1的方向绕设在两个E型铁芯1的中间凸柱3上，并且两个线圈2分别容置在两个E型铁芯1的开口槽内；另外的，动子组件包括竖直板4和水平板7，并且竖直板4为非磁性材料支撑，水平板7为磁性材料制成，具体的水平板7可以采用E型铁芯1相同的软磁材料；并且竖直板4的下端连接在水平板7上端面的中间位置以形成T型结构。另外的，在竖直板4上设置有沿竖向间隔分布且分别与E型铁芯1的两个开口部相对应的第一磁钢5和第二磁钢6，且第一磁钢5、第二磁钢6在水平方向上磁性相反，第一磁钢5和第二磁钢6沿竖向可活动的配合在安装通道内，具体的是指第一磁钢5、第二磁钢6的两侧与两个E型铁芯1之间留有气隙。水平板7上端面的两端设置有分别与两个E型铁芯1下端面相对应的第三磁钢8和第四磁钢9，且第三磁钢8、第四磁钢9在竖直方向上磁性相反；当两个线圈2同时通入正向电流时，动子组件能够上升至第二高度位置并稳定不动，当两个线圈2同时通入反向电流时，动子组件能下降至初始的第一高度位置并稳定不动。

具体的：上述的Z轴制动音圈电机的工作原理可分为四个阶段，即：

上抬过程：线圈2通电，在这个阶段，Z轴制动音圈电机的动子组件受到两个线圈2提供的正向电流下的峰值推力，其电磁力且大于重力使得动子组件所受合力方向为Z轴正方向，因此可以使机构中的动子组件向Z轴的正向运动，动子组件为Z轴正行程从第一高度位置达到第二高度位置。

稳定在第二位置(如图5所示)：在这个阶段，Z轴制动音圈电机的动子组件保持在第二高度位置，此时第一磁钢5、第二磁钢6与两个E型铁芯1的上半部分之间形成了第一磁回路A1；第三磁钢8、第四磁钢9与两个E型铁芯1的下半部分形成了第二磁回路A2，以使得动子组件与定子组件之间形成Z轴方向的电磁引力，为动子组件提供向上的电磁驱动力。这一稳定电磁力起到两个作用：其中一部分力来抵消动子的重力，具有良好的重力补偿特性；另一部分力为动子组件在Z轴支撑晶圆检测平台提供预载荷，实现无供电时的持续推力。

下降过程：在这个阶段，Z轴制动音圈电机的动子受到两个线圈2提供的反向电流下的峰值推力，其电磁力方向为Z轴的负方向，动子组件部分所受合力方向为Z轴负方向，因此可以使机构中的动子向Z轴的反向运动，动子组件为Z轴负行程从第二位置达到第一位置。

稳定在第一位置(如图4所示)：在这个阶段，Z轴制动音圈电机的动子组件应保持在第一高度位置，在此位置由于第三磁钢8、第四磁钢9与两个E型铁芯1的下端面隔开了相应的距离，第二磁回路A2无法形成，即动子组件没有Z轴方向上的作用力，即此时定子组件对于动子组件部分的引力可以忽略不计，动子组件本身的重力足以使Z轴制动音圈电机保持在其第一位置。

上述结构中通过电机线圈2绕组中电流的通断与换向即可控制Z轴制动音圈电机的四个阶段，操作方便，高度位置控制精准。并且通过调节两个E型铁芯1之间的间距，即调节第一磁钢5、第二磁钢6两侧与两个E型铁芯1之间的间距即可实现Z轴推力的调整，从而获取不同的预载荷值。

本实施例中，竖直板4为非磁性材料制成，这样设置后在动子组件位于第二高度位置时，E型铁芯1上半部的磁通能够更好的通过第一磁钢5、第二磁钢6以形成相应的第一磁回路A1；水平板7为磁性材料制成，由于第三磁钢8、第四磁钢9在水平方向上是隔开的，为了第二磁回路A2的形成，需要将第三磁钢8、第四磁钢9连通起来，所以将第三磁钢8、第四磁钢9下方的水平板7设置成磁性结构，即在第二高度位置时，E型铁芯1下半部的磁通能够与第三磁钢8、第四磁钢9以及水平板7之间形成具有Z轴驱动力的第二磁回路A2。

更加具体的，上述结构中在竖直板4上端的中部开设有嵌装槽10，第一磁钢5、第二磁钢6分别嵌装在嵌装槽10内，且第一磁钢5、第二磁钢6之间设置有隔磁件11。

另外的，本实施例中两个E型铁芯1均由多层E型结构的铁磁片堆叠粘接而成，结构简单，加工方便；第一磁钢5、第二磁钢6、第三磁钢8和第四磁钢9均为矩形的永磁体，从而保证各磁钢充磁后的磁力方向的均匀性。

虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于晶圆检测的Z轴制动音圈电机，包括定子组件和动子组件，其特征在于：所述定子组件包括两个E型铁芯(1)以及两个线圈(2)，两个所述E型铁芯(1)的开口侧相对设置，且两个E型铁芯(1)之间留有安装通道，两个所述线圈(2)分别沿着垂直于E型铁芯(1)的方向绕设在两个E型铁芯(1)的中间凸柱(3)上；所述动子组件包括竖直板(4)，所述竖直板(4)上设置有沿竖向间隔分布且分别与所述E型铁芯(1)的两个开口部相对应的第一磁钢(5)和第二磁钢(6)，且所述第一磁钢(5)、第二磁钢(6)在水平方向上磁性相反，所述第一磁钢(5)、第二磁钢(6)以及竖直板(4)沿竖向可活动的配合在所述安装通道内；所述竖直板(4)的下端连接有分别与两个E型铁芯(1)下端面相对应的第三磁钢(8)和第四磁钢(9)，且所述第三磁钢(8)、第四磁钢(9)在竖直方向上磁性相反；当两个所述线圈(2)同时通入正向电流时，所述动子组件能够上升至第二高度位置，且两个所述E型铁芯(1)与第三磁钢(8)和第四磁钢(9)之间能够形成具有Z轴作用力的磁回路以使得所述动子组件稳定在第二高度位置；当两个所述线圈(2)同时通入反向电流时，所述动子组件能下降至初始的第一高度位置并稳定不动。

2.根据权利要求1所述的用于晶圆检测的Z轴制动音圈电机，其特征在于：所述竖直板(4)的下端连接有磁性材质制成的水平板(7)，所述第三磁钢(8)、第四磁钢(9)连接在所述水平板(7)的上端面。

3.根据权利要求2所述的用于晶圆检测的Z轴制动音圈电机，其特征在于：所述竖直板(4)为非磁性材料制成。

4.根据权利要求1所述的用于晶圆检测的Z轴制动音圈电机，其特征在于：所述竖直板(4)上端的中部开设有嵌装槽(10)，所述第一磁钢(5)、第二磁钢(6)分别嵌装在所述嵌装槽(10)内，且所述第一磁钢(5)、第二磁钢(6)之间设置有隔磁件(11)。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的用于晶圆检测的Z轴制动音圈电机，其特征在于：两个所述E型铁芯(1)均由多层E型结构的铁磁片堆叠粘接而成。

6.根据权利要求5所述的用于晶圆检测的Z轴制动音圈电机，其特征在于：所述第一磁钢(5)、第二磁钢(6)、第三磁钢(8)和第四磁钢(9)均为矩形的永磁体。