CN210819425U - 工作台及其磁浮重力补偿装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种工作台及其磁浮重力补偿装置。磁浮重力补偿装置包括：第一磁钢，所述第一磁钢呈筒状；第二磁钢，所述第二磁钢呈筒状并设置在所述第一磁钢内且与所述第一磁钢径向间隔开；至少一个端部磁钢，所述至少一个端部磁钢呈筒状并位于所述第二磁钢的两轴向端中的至少一轴向端，且与所述第二磁钢的两轴向端轴向间隔开，所述端部磁钢的中心线布置成与所述第二磁钢的中心线重合，且所述端部磁钢的筒壁厚小于所述第二磁钢的筒壁厚；其中所述第一磁钢的充磁方向为径向充磁，所述第二磁钢和所述端部磁钢的充磁方向为轴向充磁。根据本实用新型的磁浮重力补偿装置，能够提供大幅值的磁浮力，且在大行程上磁浮力波动很小。
Description
技术领域
本实用新型涉及集成电路装备制造领域，更具体的涉及一种大行程磁浮重力补偿装置。
背景技术
近年来，随着大规模集成电路器件集成度不断提高，工件台的精度需求不断提高，尤其是其垂向模块的运动精度，运动行程随着工件台需求的提高而逐年提升，比如光刻设备，膜厚检测设备等。垂向的重力补偿技术也在不断地迭代更新。现阶段，重力补偿装置普遍采用三种方案：机械弹簧、气浮装置和磁浮重力补偿装置。
美国专利US6337484B1采用气浮装置补偿重力，通过控制恒压室的气流恒定以输出平稳气浮力。但该气浮装置设计制造上有一定难度，此外，必须时刻保证恒压室内气流平稳，一旦气流发生波动，就会引起系统紊乱。
中国专利CN201510091980.5和CN201110299070.8所提出的可调磁浮重力补偿装置，均是通过改变动子磁场的强弱使磁场分布更均匀，进而输出波动较小的磁浮力。但这些方法不仅磁路结构复杂，而且输出磁浮力的波动大、动子的垂向行程小。且专利中动子行程仅为±2mm，远远达不到应用需求。
因此，现阶段需要一种新的磁浮重力补偿装置，既能克服传统磁浮重力补偿装置行程过小、结构复杂的缺点，又能产生波动小、幅值大的磁浮力。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种大行程且结构简单，磁浮力幅值大且波动小的磁浮重力补偿装置。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种磁浮重力补偿装置，所述磁浮重力补偿装置包括：
第一磁钢，所述第一磁钢呈筒状；
第二磁钢，所述第二磁钢呈筒状并设置在所述第一磁钢内且与所述第一磁钢径向间隔开；
至少一个端部磁钢，所述至少一个端部磁钢呈筒状并位于所述第二磁钢的两轴向端中的至少一轴向端，且与所述第二磁钢的两轴向端轴向间隔开，所述端部磁钢的中心线布置成与所述第二磁钢的中心线重合，且所述端部磁钢的筒壁厚小于所述第二磁钢的筒壁厚；
其中所述第一磁钢的充磁方向为径向充磁，所述第二磁钢和所述端部磁钢的充磁方向为轴向充磁。
在一实施例中，所述磁浮重力补偿包括：第一支承件，所述第一支承件用于固定所述第一磁钢；第二支承件，所述第二支承件用于固定所述第二磁钢和端部磁钢，其中所述第一支承件和所述第二支承件能相对于彼此轴向运动。
在一实施例中，所述第一支承件呈筒状，所述第一磁钢嵌设在所述第一支承件的内周表面内。
在一实施例中，所述第二支承件呈柱状，所述第二磁钢和所述端部磁钢嵌设在所述第二支承件的外周表面内。
在一实施例中，所述第二磁钢与所述端部磁钢之间的间隙为0.1-1.0mm.
在一实施例中，所述第一磁钢由偶数个彼此径向间隔开的径向磁钢块组成，单个径向磁钢块的极弧系数的取值范围为0.75至0.98。
在一实施例中，所述第二磁钢的两端各设有一个端部磁钢。
在一实施例中，所述第二磁钢的至少一端设有两个以上端部磁钢。
在一实施例中，所述端部磁钢的内径不小于所述第二磁钢的内径，且所述端部磁钢的外径不大于所述第二磁钢的外径。
在一实施例中，第一磁钢、第二磁钢和端部磁钢的长度分别为La、Lb 和Lc，其中Lb＞Lc。
在一实施例中，第二磁钢内径和端部磁钢内径分别为Db和Dc，γ 1＝Db/Dc，γ1的取值为1/8至1。
在一实施例中，所述第一支承件和所述第二支承件相对于彼此轴向运动的行程为S，λ1的取值为1/4至1+2λ-2S/Lb。
在一实施例中，所述第一支承件和所述第二支承件相对于彼此轴向运动的行程为S，λ2的取值为1/4至3/8。
在一实施例中，所述第一磁钢和所述第二磁钢之间的间距为Rg，Rg 不小于所述第二磁钢与所述端部磁钢之间的间隙的十倍。
本实用新型还提供一种工作台，包括工作台本体，所述工作台本体下方设有凹腔，用于容纳上述磁浮重力补偿装置。
在一实施例中，所述凹腔为三个凹腔或四个凹腔。
根据本实用新型的磁浮重力补偿装置，与现有技术的磁浮重力补偿装置相比，能够提供大幅值的磁浮力，且在大行程上磁浮力波动很小。
附图说明
图1是根据本实用新型的磁浮重力补偿装置的截面示意图。
图2是根据本实用新型的磁浮重力补偿装置的第一实施例的结构示意图。
图3是根据本实用新型的磁浮重力补偿装置的磁钢充磁方向及尺寸的纵剖示意图。
图4是根据本实用新型的磁浮重力补偿装置的磁力线示意图。
图5是根据本实用新型的磁浮重力补偿装置的磁浮力曲线。
图6是根据本实用新型的磁浮重力补偿装置的第二实施例的结构示意图。
图7是根据本实用新型的第二实施例的磁浮力波动曲线。
图8是根据本实用新型的第三实施例，其中将动子磁钢的筒厚度沿径向平分的圆筒与将端部磁钢的筒厚度沿径向平分的圆筒重合。
图9是根据本实用新型的第四实施例，其中动子磁钢和轴向端部磁钢内径相等。
图10是根据本实用新型的第五实施例，其中示出端部磁钢分块数为2 的示意图。
图11是根据本实用新型的第六实施例的单点布局。
图12是根据本实用新型的第六实施例的三点布局。
图13是根据本实用新型的第六实施例的四点布局。
具体实施方式
以下将结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本实用新型的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本实用新型范围的限制，而只是为了说明本实用新型技术方案的实质精神。
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”。
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，为了清楚展示本实用新型的结构及工作方式，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。
需要说明的是，在本申请的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
本实用新型的目的是克服传统磁浮重力补偿装置行程过小、结构复杂的缺点，提供一种大行程的磁浮重力补偿装置以提供波动小且幅值大的磁浮力，从而应用于需要高精度垂向运动的工作台。下文将参照附图，描述根据本实用新型的磁浮重力补偿装置。
图1是根据本实用新型的磁浮重力补偿装置100的截面示意图。如图1 所示，该装置100包括：第一磁钢101、第二磁钢102、以及端部磁钢103a 和103b。其中，第一磁钢101呈筒状，第二磁钢102也呈筒状并套设在第一磁钢101内，且与第一磁钢101径向间隔开一定距离。而两个端部磁钢 103a和103b呈筒状并分别位于第二磁钢102的两轴向端中，且端部磁钢 103a和103b与第二磁钢102的两轴向端沿轴向分别间隔开一定距离。通过在第二磁钢102的两轴向端增加端部磁钢103a和103b能够调整第一磁钢 101与第二磁钢102之间的磁力线分布，从而实现在第一磁钢101和第二磁钢102相对于彼此轴向运动的大行程内波动小的磁浮力。但应理解，也可在第二磁钢102的仅一个轴向端设置端部磁钢103a或103b而不脱离本实用新型的范围。端部磁钢103a和103b的中心线与第二磁钢102的中心线重合，且端部磁钢103a和103b的筒壁厚小于第二磁钢102的筒壁厚。其中第一磁钢101的充磁方向为径向充磁，而第二磁钢102和端部磁钢103a 和103b的充磁方向为轴向充磁。上述磁钢布置和充磁方向能够在第一磁钢 101与第二磁钢102和端部磁钢103a、103b之间相对运动时产生磁浮力。
为了实现上述布置，设置第一支承件和第二支承件，其中第一支承件用于固定第一磁钢101；而第二支承件用于固定第二磁钢102和端部磁钢 103a和103b，其中第一支承件和第二支承件能相对于彼此轴向运动。在实践中，第一支承件和第二支承件中的一个相对于工作台固定，而另一个相对于工作台的支架固定，从而当工作台在驱动装置的驱动下相对于支架进行垂向运动时，通过在第一磁钢101与第二磁钢102和端部磁钢103a、103b 之间，也即第一支承件与第二支承件之间产生的磁浮力，能够对工作台及其支撑物的重量进行补偿，从而实现工作台沿垂向移动的更高精度控制。在下文中，以第一支承件相对于工件台的支架固定，而第二支承件相对于工件台固定为例来描述本实用新型。但应理解，第二支承件相对于工件台的支架固定，而第一支承件相对于工件台固定的实施例也在本实用新型的范围内。
在下文中，为了便于描述，将第一磁钢101称为定子磁钢101，将第二磁钢102称为动子磁钢102。在图1所示实施例中，第一支承件为定子基座 104，第二支承件为动子轴105。定子基座104呈筒状，定子磁钢101嵌设在定子基座104的内周表面内，而动子磁钢102和端部磁钢103a、103b嵌设在动子轴105的外表面内，且定子磁钢101和动子磁钢102间无机械连接并彼此间隔开。其中定子轴105可以是一体式结构，也可以是如图1所示由定子轴第一部分105a和定子轴第二部分105b组装而成，其中定子轴第一部分105a纵向截面呈T形，而定子轴第二部分105b通过螺纹与定子轴第一部分105a组装在一起。该组装结构使得能够根据需要安装或移除端部磁钢103b。定子磁钢101充磁方向为径向充磁，而动子磁钢102和轴向端部磁钢103a、103b充磁方向均为轴向充磁。如图3所示，图中箭头方向代表磁钢的充磁方向，定子磁钢101的充磁方向是径向向外，动子磁钢102 和轴向端部磁钢103a、103b的充磁方向相同，均是沿轴向向下；同理，相对应地，也可以设置成定子磁钢101的充磁方向径向向内，而动子磁钢102 和轴向端部磁钢103a、103b的充磁方向沿轴向向上。
此外，动子磁钢102和轴向端部磁钢103a、103b之间留有一定间隙δ，便于调节动子磁场和磁钢的固定及装配。其中，间隙值δ的选取随行程大小而定，通常情况下，间隙值优选为0.1mm到1.0mm之间。
图2中示出了本实用新型第一实施例的结构示意图。图中定子磁钢 101、动子磁钢102和端部磁钢103a、103b均为圆筒形结构，且端部磁钢103a、103b形状和尺寸相同。如图3所示，定子磁钢101、动子磁钢102 和端部磁钢103a、103b的长度分别为La、Lb和Lc，动子磁钢外径1021 和端部磁钢外径1031分别由Dob和Doc表示，动子磁钢内径1022和端部磁钢内径1032分别由Db和Dc表示，定子磁钢101和动子磁钢102间的单边气隙由Rg表示。动子磁钢102和端部磁钢103a、103b轴向长度Lb 和Lc不等，通常Lb＞Lc。
如图3所示，端部磁钢103a、103b的径向厚度小于动子磁钢102。端部磁钢103a、103b与动子磁钢102的径向位置关系为，端部磁钢103a、103b 的外径可略大于动子磁钢102的外径，而端部磁钢103a、103b的内径可略小于动子磁钢102的内径。但较佳的是，端部磁钢103a、103b的外径不大于动子磁钢102的外径，而端部磁钢103a、103b的内径不小于动子磁钢102 的内径。
其径向位置关系通常有三种方案：(1)动子磁钢外径1021与轴向端部磁钢外径1031相等，动子磁钢内径1022和轴向端部磁钢1032不等；(2) 动子磁钢外径1021与轴向端部磁钢外径1031不等，动子磁钢内径1022和端部磁钢1032相等；(3)动子磁钢外径1021、内径1022与端部磁钢外径 1031、内径1032均不相等，但动子磁钢102和端部磁钢103的内径之间的距离等于动子磁钢102与端部磁钢103a、103b外径之间的距离，即将动子磁钢102的筒厚度沿径向平分的圆筒与将端部磁钢的筒厚度沿径向平分的圆筒重合。
此外，应理解，端部磁钢103a、103b也可彼此不同，例如其外径、内径、筒厚度或高度中的一项或多项可彼此不同。
需要说明的是，在图3所示实施例中，动子磁钢外径1021与轴向端部磁钢外径1031相等，动子磁钢内径1022和轴向端部磁钢内径1032不相等。
本图3实施例中，定义三组尺寸比值：λ1＝La/Lb、λ2＝Lc/Lb、γ 1＝Db/Dc，这些尺寸比值与磁浮力的波动大小有关，也随着磁浮装置的行程和幅值变化。其中，假设磁浮装置总行程为S，则根据行程大小，λ1的取值范围优选为[1/4,1+2λ2-S/Lb]；λ2的取值与轴向端部磁钢的分块数Nt (如下文所述)相关，当Nt＝1时，λ2的取值范围优选为[1/4，3/8]；通常，γ1的取值与磁浮力的波动相关，考虑到磁钢的加工难度和装配工艺，γ1 的取值范围优选为[1/8，1]。此外，定子磁钢101和动子磁钢102间的单边气隙Rg也一定程度上影响了磁场强弱，进而影响磁浮力的幅值及波动程度，一般情况下，单边气隙Rg的取值随磁浮力幅值变化而变化，单边气隙 Rg的取值优选为Rg≥10δ。
图4是上述实施例的磁浮重力补偿装置的磁力线示意图。根据磁力线的分布轨迹和磁极同性相斥的原理，可推断出动子轴105及其承载物和动子磁钢102以及端部磁钢103a、103b的重力由动子磁钢102及端部磁钢 103a、103b和定子磁钢101磁场相互作用产生的磁浮力补偿，且定子磁钢 101对动子磁钢102以及端部磁钢103a、103b产生的径向推力为一组等幅值、方向沿圆周均布的力，因此动子轴105可一直通过磁浮力浮在定子磁钢101中央。其中，通过电磁仿真，可得出动子磁钢磁场和定子磁钢磁场相互作用产生的磁浮力曲线，如图5所示，图中磁浮力在25mm的行程范围内，幅值在38.13N至38.97N之间，波动为1.08％，波动很小，基本接近于传统的磁浮重力补偿装置在±2mm行程范围内的波动程度。
图6是根据本实用新型的磁浮重力补偿装置的第二实施例200的结构示意图。该磁浮重力补偿装置200包括定子磁钢201、动子磁钢202和端部磁钢203a、203b。该实施例与第一实施例基本相同，除了考虑到定子磁钢 102的充磁和加工工艺的难易程度，定子磁钢101可替换成一组周向分块的径向充磁磁钢201a、201b、201c和201d。为消除该实施例的径向不平衡力，定子磁钢的分块数N通常为偶数，本实施例中N＝4。需要说明的是，N的取值不限于本实施例中的取值，还可根据定子磁钢的内外径大小扩展至其他偶数，例如6块、8块。
径向充磁磁钢201a、201b、201c和201d的极弧系数α是磁钢的极弧长度与极距的比值，由经验可知，定子磁钢201a、201b、201c和201d的极弧系数α通常选在0.75-1.0之间，定子磁钢201a的极弧系数α可用定子磁钢201a和定子磁钢201b的间距角θ等效表示。当N取不同值时，间距角θ的取值范围通常是[0°,30°]。通过调节周向相邻磁钢间距角θ可调整每块磁钢的极弧系数α，进而增大或减小定子磁钢总体积，调节磁浮力的幅值。
本实施例中，综合考虑磁浮力的幅值和波动大小，推荐一组优选拓扑结构，其中，定子磁钢的周向分块数N＝4，磁钢间距角θ＝5°，磁钢的极弧系数α＝17/18，仿真得到的磁浮力波动曲线如图7所示。由图可知，第二实施例的磁浮力在行程范围内，幅值在36.13N至36.91N间波动，波动率为1.09％，波动很小。
图8是根据本实用新型的磁浮重力补偿装置的第二实施例300的结构示意图。该磁浮重力补偿装置300包括定子磁钢(未示出)、动子磁钢302 和端部磁钢303a。在该实施例中，将动子磁钢102的筒厚度沿径向平分的圆筒与将端部磁钢103的筒厚度沿径向平分的圆筒重合。
图9是根据本实用新型的磁浮重力补偿装置的第二实施例400的结构示意图。该磁浮重力补偿装置400包括定子磁钢(未示出)、动子磁钢402 和端部磁钢403a。其中端部磁钢内径4032与动子磁钢内径4022相等、端部磁钢外径4031与动子磁钢外径4021不相等。
图10是根据本实用新型的磁浮重力补偿装置的第二实施例500的结构示意图。该磁浮重力补偿装置500包括定子磁钢(未示出)、动子磁钢502 和端部磁钢503a、503c。其中动子磁钢502一轴向端的端部磁钢沿轴向分块。可根据磁浮重力补偿装置行程及磁浮力波动大小进行调整单边分块数 Nt，在前述各实施例中，Nt＝1，但Nt不局限于1，也可大于1。一般情况下，端部磁钢的单边分块数Nt越多，动子磁钢502和端部磁钢所提供磁场的分布越均匀，进而磁浮力的曲线越平稳。在本实施例中，示出轴向端部磁钢的分块数Nt＝2的方案。此外，该实施例中，端部磁钢内径5032与动子磁钢内径5022不相等，端部磁钢外径5031与动子磁钢外径5021相等。但应理解，在动子磁钢502的另一轴向端部也可设置单块端部磁钢或轴向分块的端部磁钢。端部磁钢与动子磁钢502也可采用其他径向位置关系而不偏离本实用新型的范围。
图11——图13示出了使用根据本实用新型的磁浮重力补偿装置的工作台的仰视图。在工作台的下方设有凹腔，用于容纳根据本实用新型的磁浮重力装置。其中工作台下方的凹腔可以是一个，如图11所示，也可以是呈例如正三角形布置的三个以形成三点布局，例如图12所示，或者是呈正方形布置的四个以形成四点布局。
以上已详细描述了本实用新型的较佳实施例，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。
Claims (16)
1.一种磁浮重力补偿装置，其特征在于，所述磁浮重力补偿装置包括：
第一磁钢，所述第一磁钢呈筒状；
第二磁钢，所述第二磁钢呈筒状并设置在所述第一磁钢内且与所述第一磁钢径向间隔开；
至少一个端部磁钢，所述至少一个端部磁钢呈筒状并位于所述第二磁钢的两轴向端中的至少一轴向端，且与所述第二磁钢的两轴向端轴向间隔开，所述端部磁钢的中心线布置成与所述第二磁钢的中心线重合，且所述端部磁钢的筒壁厚小于所述第二磁钢的筒壁厚；
其中所述第一磁钢的充磁方向为径向充磁，所述第二磁钢和所述端部磁钢的充磁方向为轴向充磁。
2.如权利要求1所述的磁浮重力补偿装置，其特征在于，所述磁浮重力补偿包括：第一支承件，所述第一支承件用于固定所述第一磁钢；第二支承件，所述第二支承件用于固定所述第二磁钢和端部磁钢，其中所述第一支承件和所述第二支承件能相对于彼此轴向运动。
3.根据权利要求2所述的磁浮重力补偿装置，其特征在于，所述第一支承件呈筒状，所述第一磁钢嵌设在所述第一支承件的内周表面内。
4.根据权利要求2所述的磁浮重力补偿装置，其特征在于，所述第二支承件呈柱状，所述第二磁钢和所述端部磁钢嵌设在所述第二支承件的外周表面内。
5.根据权利要求1所述的磁浮重力补偿装置，其特征在于，所述第二磁钢与所述端部磁钢之间的间隙为0.1-1.0mm。
6.根据权利要求1所述的磁浮重力补偿装置，其特征在于，所述第一磁钢由偶数个彼此径向间隔开的径向磁钢块组成，单个径向磁钢块的极弧系数的取值范围为0.75至0.98。
7.根据权利要求1所述的磁浮重力补偿装置，其特征在于，所述第二磁钢的两端各设有一个端部磁钢。
8.根据权利要求1所述的磁浮重力补偿装置，其特征在于，所述第二磁钢的至少一端设有两个以上端部磁钢。
9.根据权利要求1所述的磁浮重力补偿装置，其特征在于，所述端部磁钢的内径不小于所述第二磁钢的内径，且所述端部磁钢的外径不大于所述第二磁钢的外径。
10.根据权利要求1所述的磁浮重力补偿装置，其特征在于，所述第一磁钢、所述第二磁钢和所述端部磁钢的长度分别为La、Lb和Lc，其中Lb＞Lc。
11.根据权利要求1所述的磁浮重力补偿装置，其特征在于，所述第二磁钢内径和所述端部磁钢内径分别为Db和Dc，γ1＝Db/Dc，γ1的取值为1/8至1。
12.根据权利要求2所述的磁浮重力补偿装置，其特征在于，所述第一支承件和所述第二支承件相对于彼此轴向运动的行程为S，λ1＝La/Lb，λ1的取值为1/4至1+2λ-2S/Lb。
13.根据权利要求2所述的磁浮重力补偿装置，其特征在于，所述第一支承件和所述第二支承件相对于彼此轴向运动的行程为S，λ2＝Lc/Lb，λ2的取值为1/4至3/8。
14.根据权利要求1所述的磁浮重力补偿装置，其特征在于，所述第一磁钢和所述第二磁钢之间的间距为Rg，Rg不小于所述第二磁钢与所述端部磁钢之间的间隙的十倍。
15.一种工作台，其特征在于，包括工作台本体，所述工作台本体下方设有凹腔，用于容纳根据权利要求1-14中任一项所述的磁浮重力补偿装置。
16.根据权利要求15所述的工作台，其特征在于，所述凹腔为三个凹腔或四个凹腔。
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