CN117253844B - 六自由度圆弧形磁浮微动台及器件转移装置 - Google Patents

六自由度圆弧形磁浮微动台及器件转移装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开一种六自由度圆弧形磁浮微动台及器件转移装置，涉及磁悬浮技术领域，其中，六自由度圆弧形磁浮微动台包括：定子；动子，且动子与定子平行设置；环形永磁阵列，环形永磁阵列设置在动子上；至少三个第一绕组，三个第一绕组设置在定子上；至少三个第二绕组，三个第二绕组设置在定子上。本申请提供的上述方案，可以通过改变三个第一绕组电流大小和方向来调节磁浮支撑力，从而实现Z、Rx、Ry这三个自由度的运动。由于第二绕组的受力方向为径向，当三个第二绕组到环形永磁阵列中心的距离不同时，三个第二绕组在径向受力的同时也会产生旋转转矩，从而实现了微动台在X、Y和Rz向运动的目的，进而方便了高精密大型设备的精确定位。

Description

六自由度圆弧形磁浮微动台及器件转移装置
技术领域
本发明涉及磁悬浮技术领域，特别涉及一种六自由度圆弧形磁浮微动台及器件转移装置。
背景技术
高精度设备例如光刻机、Micro-LED巨量转移设备等，需要多自由度精确定位实现光刻或者Micro-LED转移等。最常用的多自由度结构为叠层式结构，不同的自由度在垂向叠加。例如，在第一层使用磁浮重力补偿器实现重力补偿与Z向位置控制，再在其上叠加其他自由度控制结构。
现有技术实现6个自由度通常需要多层结构，装置较为复杂。同时，现有同类技术的多自由度结构通常为圆柱型结构，虽然实现重力主动与被动补偿，其动子（永磁体或者线圈）与定子（线圈或者永磁体）均为同轴布置。
然而，现有多自由度结构上线圈的布置方式仅能实现垂直方向（也就是重力方向，或称Z轴方向）的重力补偿；通过在圆周上均匀布置三个及以上该装置，只能实现Z、Rx和Ry自由度的控制。
发明内容
本申请的主要目的是提供一种六自由度圆弧形磁浮微动台，不但能实现Z、Rx和Ry自由度的控制，而且能实现X、Y、Rz自动度的控制，方便精确定位。
为实现上述目的，本申请提出了一种六自由度圆弧形磁浮微动台，包括：
定子，所述定子为平面结构；
动子，所述动子为平面结构，且所述动子与所述定子平行设置；
环形永磁阵列，所述环形永磁阵列设置在所述动子上；
至少三个第一绕组，三个所述第一绕组设置在所述定子上，用于驱动微动台在Z、Rx和Ry向的运动；
至少三个第二绕组，三个所述第二绕组设置在所述定子上，用于驱动微动台在X和Y向的运动，或用于驱动微动台在X、Y和Rz向的运动。
在其中一个实施例中，所述环形永磁阵列包括沿径向从内到外依次设置的第一环形永磁铁、第二环形永磁铁、第三环形永磁铁、第四环形永磁铁以及第五环形永磁铁；
所述第一环形永磁铁、所述第三环形永磁铁以及所述第五环形永磁铁的充磁方向均为Z向，且所述第一环形永磁铁、所述第三环形永磁铁以及所述第五环形永磁铁的充磁方向依次相反；
所述第二环形永磁铁和所述第四环形永磁铁的充磁方向均为水平，且所述第二环形永磁铁和所述第四环形永磁铁的充磁方向相反。
在其中一个实施例中，当三个所述第二绕组驱动微动台在X、Y和Rz向的运动时，三个所述第二绕组到所述环形永磁阵列中心的距离均不同。
在其中一个实施例中，还包括至少两个第三绕组，所述第三绕组上的线圈为轴向绕制，所述第一绕组和所述第二绕组上的线圈为周向绕制；
当三个所述第二绕组驱动微动台在X和Y向的运动时，两个所述第三绕组用于驱动微动台在Rz向的运动。
在其中一个实施例中，三个所述第二绕组到所述环形永磁阵列中心的距离均相等。
在其中一个实施例中，所述环形永磁阵列中的每个圆环为一体结构，或每个圆环上均设置有缺口。
在其中一个实施例中，所述环形永磁阵列沿径向的圈数可调。
在其中一个实施例中，还包括至少两个第四绕组，所述第四绕组、所述第一绕组以及所述第二绕组上的线圈均为周向绕制；
所述环形永磁阵列绕周向依次至少分为第一段、第二段、第三段以及第四段，其中，所述第一段和所述第三段的第一弧长相等，所述第二段和所述第四段的第二弧长相等，且第一弧长大于第二弧长；其中一个所述第四绕组设置在所述第二段上，另一个所述第四绕组设置在所述第四段上；
当三个所述第二绕组驱动微动台在X和Y向的运动时，两个所述第四绕组用于驱动微动台在Rz向的运动。
在其中一个实施例中，三个所述第二绕组到所述环形永磁阵列中心的距离均相等。
本申请还提供了一种器件转移装置，包括如本申请实施例中任意一项所述的六自由度圆弧形磁浮微动台。
本申请提供的六自由度圆弧形磁浮微动台，由于动子和定子均为平面结构，且动子和定子平行设置，环形永磁阵列设置在动子上，第一绕组和第二绕组均设置在定子上。在使用时，可以通过改变三个第一绕组电流大小和方向来调节磁浮支撑力，从而实现Z、Rx、Ry这三个自由度的运动。由于第二绕组的受力方向为径向，当三个第二绕组到环形永磁阵列中心的距离不同时，三个第二绕组在径向受力的同时也会产生旋转转矩，从而实现了微动台在X、Y和Rz向运动的目的，进而方便了高精密大型设备的精确定位。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本申请一实施例提供的六自由度圆弧形磁浮微动台的结构示意图；
图2为图1中的环形永磁阵列示意图；
图3为图1受力示意图；
图4为本申请一实施例提供的环形永磁阵列示意图；
图5为本申请一实施例提供的另一六自由度圆弧形磁浮微动台的结构示意图；
图6为图5的受力示意图；
图7为本申请一实施例提供的又一六自由度圆弧形磁浮微动台的结构示意图；
图8为图7中的环形永磁阵列示意图；
图9为图7的受力示意图；
图10为图7中的环形永磁阵列分段后的示意图；
图11为图10的受力示意图；
图12为图7中的环形永磁阵列分段后的示意图；
图13为图12的受力示意图。
附图标号说明：
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明，本申请实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本申请中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
本申请提出一种六自由度圆弧形磁浮微动台。
参考图1至图3，图1为本申请提供的六自由度圆弧形磁浮微动台的结构示意图；图2为图1中的环形永磁阵列示意图；图3为图1的受力示意图。
在本申请实施例中，如图1并结合图2所示，该六自由度圆弧形磁浮微动台，包括：定子、动子、环形永磁阵列30、至少三个第一绕组10以及至少三个第二绕组20，其中，定子和动子均为平面结构，且动子与定子平行设置，环形永磁阵列30设置在动子上，三个第一绕组10设置在定子上，用于驱动微动台在Z、Rx和Ry向的运动，三个第二绕组20设置在定子上，用于驱动微动台在X和Y向的运动，或用于驱动微动台在X、Y和Rz向的运动。可以理解的是，三个第一绕组10和三个第二绕组20也可以设置在动子上，环形永磁阵列30设置在定子上，具体的可以根据实际情况设计，本说明书实施例对此不作限定。
本申请中的第一绕组10的数量可以为三个、四个或者六个等等，第二绕组20的数量可以为三个、五个或者六个等等。本申请对第一绕组10和第二绕组20的数量不做限制，具体的可以根据实际情况设计。下面以三个第一绕组10和三个第二绕组20为例进行说明。
示例性的，如图1所示，本申请中的三个第一绕组10和三个第二绕组20沿周向依次间隔设计。其中，三个第一绕组10首尾连接后呈三角形结构。如图3所示，第一绕组10上的电流与径向（r向）方向磁感线正交，对动子产生垂直方向上的推力：F1Z、F3Z、F5Z。根据六自由度磁悬浮原理，当F1Z、F3Z、F5Z的出力方向相同时(此处F1Z、F3Z、F5Z出力方向相同是指F1Z、F3Z和F5Z出力方向均为竖直向上或竖直向下，否则，F1Z、F3Z和F5Z出力方向不同)，就会产生Z轴方向的推力，从而实现微动台在Z向运动。当F1Z和F5Z出力方向不同，而F3Z不出力时，就会产生绕X轴的力矩，从而实现微动台绕X轴转动，即实现微动台在Rx向的运动。当F3Z与F1Z和F5Z出力方向不同时，就会产生绕Y轴的力矩，从而实现微动台绕Y轴转动，即实现微动台在Ry向的运动。
同时，如图3所示，三个第二绕组20首尾连接后也呈三角形结构，三个第二绕组20通电后就会产生径向力F2r、F4r、F6r，当三个第二绕组20到环形永磁阵列30中心的距离不等时，径向力F2r、F4r、F6r同时会产生Tz转矩。由于三个第二绕组20的受力方向为径向（r向），从而可以实现微动台在X、Y、Rz向运动，且当三个力大小相等时，合成力矢量为零，但是合成转矩Tz不为零，从而实现微动台在Rz向的运动。
采用上述技术方案，由于动子和定子均为平面结构，且动子和定子平行设置，环形永磁阵列30设置在动子上，第一绕组10和第二绕组20均设置在定子上。在使用时，可以通过改变三个第一绕组10电流大小和方向来调节磁浮支撑力，从而实现Z、Rx、Ry这三个自由度的运动。由于第二绕组20的受力方向为径向，当三个第二绕组20到环形永磁阵列30中心的距离不同时，三个第二绕组20在径向受力的同时也会产生旋转转矩，从而实现了微动台在X、Y和Rz向运动的目的，进而方便了高精密大型设备的精确定位。
在一些实施例中，如图2所示，本申请中的环形永磁阵列30包括沿径向从内到外依次设置的第一环形永磁铁301、第二环形永磁铁302、第三环形永磁铁303、第四环形永磁铁304以及第五环形永磁铁305，参考图3所示，其中，代表电流流向垂直纸面向外，/>代表电流流向垂直纸面向里，第一环形永磁铁301、第三环形永磁铁303以及第五环形永磁铁305的充磁方向均为Z向，且第一环形永磁铁301、第三环形永磁铁303以及第五环形永磁铁305的充磁方向依次相反；第二环形永磁铁302和第四环形永磁铁304的充磁方向均为水平，且第二环形永磁铁302和第四环形永磁铁304的充磁方向相反。
在一些实施例中，当三个第二绕组20驱动微动台在X、Y和Rz向的运动时，三个第二绕组20到环形永磁阵列30中心的距离均不同。
在本申请实施例中，由于三个第二绕组20到环形永磁阵列30中心的距离均不同，参考图3所示，此时，三个第二绕组20通电后产生的径向力F2r、F4r、F6r的值，由于径向力矢量不经过旋转圆心，这样在F2r、F4r、F6r的作用下就会产生旋转转矩Tz，从而方便实现微动台在Rz向的运动。
在一些实施例中，如图5所示，本申请的六自由度圆弧形磁浮微动台还包括至少两个第三绕组40，其中，第一绕组10、第二绕组20以及第三绕组40的布置结构可以参考图5所示，第三绕组40上的线圈为轴向绕制，第一绕组10和第二绕组20上的线圈为周向绕制；当三个第二绕组20驱动微动台在X和Y向的运动时，两个第三绕组40用于驱动微动台在Rz向的运动。
在本申请实施例中，当三个第二绕组20通电后产生的径向力F2r、F4r、F6r的值大小相等，方向不同时，根据力合成与分解原则，三个第二绕组20就会产生Rz旋转力矩，从而驱动微动台在Rz轴旋转。
参考图6所示，第三绕组40相对环形永磁阵列30的位置不同，由于第三绕组40上的线圈为轴向绕制，此时，根据左手定律，此时，在两个第三绕组40的作用下就会产生绕Z轴的力矩，从而实现微动台绕Z轴的转动，即实现微动台在Rz向的运动。
在一些实施例中，如图5或图6所示，三个第二绕组20到环形永磁阵列30中心的距离均相等。
由于三个第二绕组20到环形永磁阵列30中心的距离均相等，从而方便了第二绕组20的布置。
在一些实施例中，如图4所示，本申请中环形永磁阵列30中的每个圆环为一体结构，或每个圆环上均设置有缺口。
当每个圆环上都设置有缺口时，可以减少整体环形永磁阵列30的质量，方便整体装置的搬运。
在一些实施例中，本申请中环形永磁阵列30沿径向的圈数可调。
示例性的，本申请中的环形永磁阵列30沿径向的圈数可以为五圈、七圈或十圈等等，具体的可以具体的可以根据实际情况设计。
在使用时，可以通过增加环形永磁阵列30沿径向的圈数来增加对应的绕组数量，绕组数量的增加就可以提供更多的力，进一步方便控制微动台的运动。
在一些实施例中，如图7并结合图8、图9所示，本申请中的六自由度圆弧形磁浮微动台还包括至少两个第四绕组50，第一绕组10、第二绕组20以及第四绕组50的布置结构可以参考图7所示，其中，第四绕组50、第一绕组10以及第二绕组20上的线圈均为周向绕制；环形永磁阵列30绕周向依次至少分为第一段306、第二段307、第三段308以及第四段309，其中，第一段306和第三段308的第一弧长相等，第二段307和第四段309的第二弧长相等，且第一弧长大于第二弧长；其中一个第四绕组50设置在第二段307上，另一个第四绕组50设置在第四段309上；当三个第二绕组20驱动微动台在X和Y向的运动时，两个第四绕组50用于驱动微动台在Rz向的运动。
在本申请实施例中，当三个第二绕组20通电后产生的径向力F2r、F4r、F6r的值大小相等，方向不同时，根据力合成与分解原则，三个第二绕组20就会产生Rz旋转力矩，从而驱动微动台在Rz轴旋转。由于其中一个第四绕组50设置在第二段307上，另一个第四绕组50设置在第四段309上，参考图9中右侧从上到下第三个图，根据左手定律，此时，两个第四绕组50就会产生绕Z轴的力矩，从而实现微动台绕Z轴的转动，即实现微动台在Rz向的运动。
本申请实施例将环形永磁阵列30分为共四段，分段的好处是永磁体的布置更加灵活，便于拼接更大尺寸，避免单个大圆环永磁加工的困难。图10和图11的结构是将环形永磁阵列30分成了八段，图12和图13的结构是将环形永磁阵列30分成了十二段，图10和图11的结构原理及图12和图13的结构原理均与图7和图9相同，此处不再累述。
需要说明的是，上述环形永磁阵列30的分段数量仅为示例，具体可以根据实际要求进行设计。
本申请还提供了一种器件转移装置，包括如本申请实施例中任意一项的六自由度圆弧形磁浮微动台。由于该器件转移装置采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是在本申请的申请构思下，利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种六自由度圆弧形磁浮微动台，其特征在于，包括：
定子，所述定子为平面结构；
动子，所述动子为平面结构，且所述动子与所述定子平行设置；
环形永磁阵列（30），所述环形永磁阵列（30）设置在所述动子上；
至少三个第一绕组（10），三个所述第一绕组（10）设置在所述定子上，用于驱动微动台在Z、Rx和Ry向的运动；
至少三个第二绕组（20），三个所述第二绕组（20）设置在所述定子上，用于驱动微动台在X和Y向的运动，或用于驱动微动台在X、Y和Rz向的运动；
所述环形永磁阵列（30）包括沿径向从内到外依次设置的第一环形永磁铁（301）、第二环形永磁铁（302）、第三环形永磁铁（303）、第四环形永磁铁（304）以及第五环形永磁铁（305）；
所述第一环形永磁铁（301）、所述第三环形永磁铁（303）以及所述第五环形永磁铁（305）的充磁方向均为Z向，且所述第一环形永磁铁（301）、所述第三环形永磁铁（303）以及所述第五环形永磁铁（305）的充磁方向依次相反；
所述第二环形永磁铁（302）和所述第四环形永磁铁（304）的充磁方向均为水平，且所述第二环形永磁铁（302）和所述第四环形永磁铁（304）的充磁方向相反；
还包括至少两个第四绕组（50），所述第四绕组（50）、所述第一绕组（10）以及所述第二绕组（20）上的线圈均为周向绕制；
所述环形永磁阵列（30）绕周向依次至少分为第一段（306）、第二段（307）、第三段（308）以及第四段（309），其中，所述第一段（306）和所述第三段（308）的第一弧长相等，所述第二段（307）和所述第四段（309）的第二弧长相等，且第一弧长大于第二弧长；其中一个所述第四绕组（50）设置在所述第二段（307）上，另一个所述第四绕组（50）设置在所述第四段（309）上；
当三个所述第二绕组（20）驱动微动台在X和Y向的运动时，两个所述第四绕组（50）用于驱动微动台在Rz向的运动。
2.如权利要求1所述的六自由度圆弧形磁浮微动台，其特征在于，当三个所述第二绕组（20）驱动微动台在X、Y和Rz向的运动时，三个所述第二绕组（20）到所述环形永磁阵列（30）中心的距离均不同。
3.如权利要求1所述的六自由度圆弧形磁浮微动台，其特征在于，还包括至少两个第三绕组（40），所述第三绕组（40）上的线圈为轴向绕制，所述第一绕组（10）和所述第二绕组（20）上的线圈为周向绕制；
当三个所述第二绕组（20）驱动微动台在X和Y向的运动时，两个所述第三绕组（40）用于驱动微动台在Rz向的运动。
4.如权利要求3所述的六自由度圆弧形磁浮微动台，其特征在于，三个所述第二绕组（20）到所述环形永磁阵列（30）中心的距离均相等。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的六自由度圆弧形磁浮微动台，其特征在于，所述环形永磁阵列（30）中的每个圆环为一体结构，或每个圆环上均设置有缺口。
6.如权利要求1-4中任意一项所述的六自由度圆弧形磁浮微动台，其特征在于，所述环形永磁阵列（30）沿径向的圈数可调。
7.如权利要求1所述的六自由度圆弧形磁浮微动台，其特征在于，三个所述第二绕组（20）到所述环形永磁阵列（30）中心的距离均相等。
8.一种器件转移装置，其特征在于，包括如权利要求1-7任意一项所述的六自由度圆弧形磁浮微动台。
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Citations (7)

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