CN211880280U - 平面电机位移装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种平面电机位移装置，包括动子和定子，其中定子上设有磁体阵列，形成工作区域，工作区域内平铺有彼此不交叠的至少一个第一方向平面栅尺和至少一个第二方向平面栅尺，至少一个第一方向平面栅尺的迹线彼此平行且沿第一方向间隔排列，至少一个第二方向平面栅尺的迹线彼此平行且沿第二方向间隔排列，第一方向和第二方向彼此相交；动子上设有第一方向三相线圈阵列和第二方向三相线圈阵列，并设置成能够在工作区域上方运动，且设有至少一个第一方向读数头和至少一个第二方向读数头，至少一个第一方向读数头和至少一个第二方向读数头随着动子的运动分别在至少一个第一方向平面栅尺和至少一个第二方向平面栅尺的平铺范围内移动。

Description

平面电机位移装置

技术领域

本实用新型涉及精密运动领域，具体涉及一种平面电机位移装置。

背景技术

磁浮平面电机运动台主要用于半导体装备中，例如扫描投影光刻机、晶圆切割机、倒装键合机等，其功能是承载晶圆做微纳米精度的精密运动，以实现对晶圆的精确加工。磁浮平面电机运动台一般包括一套平面电机、一套六自由度位移测量系统、一套功率放大器、一套运动控制器。例如专利号US6496093和EP3320400B1的文献对平面电机的拓扑结构做出创新，六自由度位移测量系统还是沿用传统的解决方案。

传统的六自由度位移测量系统集成了一套三轴激光干涉仪和一套电涡流位移传感器。其中，三轴激光干涉仪用于实时测量运动台的X方向平动、Y方向平动和Z方向转动；至少三个电涡流位移传感器用来实时测量运动台的X方向转动、Y方向转动和Z方向平动。然而，激光干涉仪成本高昂，其精度对测量环境非常敏感：温度变化、湿度变化、空气流动都会造成扰动，降低其精度。电涡流位移传感器的成本也非常高昂。另一套方案是使用平面栅尺系统来代替激光干涉仪，但是平面栅尺的成本跟激光干涉仪在一个数量级。这两种方案都非常容易受到环境干扰，比如气流、颗粒污染、污渍等，导致传感器精度降低甚至完全失效，造成运动台故障。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种位移装置，以解决现有技术中存在的磁浮平面电机运动台的成本过高、易受环境干扰的问题。

为此，本实用新型提供一种平面电机位移装置，包括动子和定子，其中

所述定子上设有在一个平面上延伸的磁体阵列，所述磁体阵列形成工作区域，所述定子上还平铺有至少一个第一方向平面栅尺和至少一个第二方向平面栅尺，所述至少一个第一方向平面栅尺的迹线彼此平行且沿第一方向间隔排列，所述至少一个第二方向平面栅尺的迹线彼此平行且沿第二方向间隔排列，所述第一方向和所述第二方向彼此相交；

所述动子上设有第一方向三相线圈阵列和第二方向三相线圈阵列，并设置成能够在所述工作区域上方运动，且设有至少一个第一方向读数头和至少一个第二方向读数头，所述至少一个第一方向读数头和至少一个第二方向读数头随着所述动子的运动分别在所述至少一个第一方向平面栅尺和所述至少一个第二方向平面栅尺的平铺范围内移动。

在一实施例中，所述至少一个第一方向平面栅尺和/或所述至少一个第二方向平面栅尺的迹线由导电材料制成。

在一实施例中，所述第一方向和所述第二方向彼此正交，所述磁体阵列为二维Halbach阵列。

在一实施例中，所述至少一个第一方向读数头为至少两个第一方向读数头，或所述至少一个第二方向读数头为至少两个第二方向读数头。

在一实施例中，所述至少一个第一方向读数头为位于所述工作台一对对角角部位置的两个第一方向读数头，所述至少一个第二方向读数头为位于所述工作台另一对对角角部位置的两个第二方向读数头。

在一实施例中，所述至少一个第一方向平面栅尺为覆盖所述工作区域相应一对对角区域的两个第一方向平面栅尺，和/或所述至少一个第二方向平面栅尺为覆盖所述工作区域相应另一对对角区域的两个第二方向平面栅尺，所述至少一个第一方向平面栅尺的迹线和所述至少一个第二方向平面栅尺的迹线等间距间隔排列。

在一实施例中，所述至少一个第一方向读数头为位于所述工作台一条边缘上间隔开位置的两个第一方向读数头，所述至少一个第二方向读数头为位于所述工作台上与所述一条边缘相对边缘上的一个第二方向读数头。

在一实施例中，所述至少一个第一方向平面栅尺为覆盖所述工作区域相应一条边缘附近区域的至少一个第一方向平面栅尺，所述至少一个第二方向平面栅尺为覆盖所述工作区域相应一条边缘附近区域的一个第二方向平面栅尺。

在一实施例中，所述工作台上设有至少三个不在同一直线上的霍尔传感器阵列。

在一实施例中，所述霍尔传感器阵列包括不在同一直线上的三个霍尔传感器。

在一实施例中，所述三个霍尔传感器位于等腰直角三角形的顶点。

在一实施例中，所述等腰直角三角形的斜边沿所述第一方向或所述第二方向延伸。

在一实施例中，所述磁体阵列中相邻的N磁体与S磁体的中心间距为τ，所述等腰直角三角形的直角边长为a，则a＝τ/2+nτ，n为不小于零的整数。

在一实施例中，所述位移装置包括4个所述霍尔传感器阵列，4个所述霍尔传感器阵列均匀间隔地配置在所述动子的外周。

本实用新型提出的位移装置集成了平面电机和单向平面栅尺，使用单向平面栅尺和单向读数头代替激光干涉仪和平面栅尺，将位移传感器的成本降低两个数量级，大幅降低了平面电机运动台的整体成本，增强其市场竞争力，同时提高其测量精度。其中，基于电涡流效应的单向平面栅尺的精度可达到十纳米级，而且其不易受环境影响；光学单向平面栅尺的精度可达到纳米或亚纳米级，其精度更高。再集成霍尔传感器阵列，整个装置可实现六自由度磁悬浮运动，即X方向和Y方向的长行程运动，以及其它四个自由度的微调。

附图说明

图1是根据本实用新型一实施例的位移装置的示意图；

图2是根据本实用新型再一实施例的位移装置的示意图

图3是根据本实用新型另一实施例的磁体阵列的示意图；

图4是根据本实用新型又一实施例的磁体阵列的示意图；

图5是根据本实用新型再一实施例的磁体阵列的示意图。

附图标记列表：

500-位移装置；100-定子；200-动子；10-磁体阵列；10X-第一磁体组；10Y-第二磁体组；101-第一磁体块；102-第二磁体块；103-第三磁体块；104-第四磁体块；20-线圈阵列；201-第一X向三相线圈组；202-第一Y向三相线圈组；203-第二X向三相线圈组；204-第二Y向三相线圈组；30X-X向平面栅尺；30Y-Y向平面栅尺；301-第一X向平面栅尺；302-第一Y向平面栅尺；303-第二X向平面栅尺；304-第二Y向平面栅尺；40X-X向读数头；30Y-Y向读数头；401-第一X向读数头；402-第一Y向读数头；403-第二X向读数头；404-第二Y向读数头；50-霍尔传感器阵列。

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“左”、“右”、“外”、“内”、“上”、“下”等词语理解为方便描述相对位置关系的用语，而不应当理解为限定性词语。

参见图1，其中示出了根据本实用新型一实施例的平面电机位移装置500的俯视图。该平面电机位移装置500包括定子100和动子200。如图所示，该图的图面为XY平面，其中图面中水平向右为X向，图面中向上为Y向，垂直于图面方向为Z向。该实施例中，X向、Y向及Z向相互正交。但应理解，X向、Y向及Z向不一定彼此正交，只要彼此相交即可。本实用新型的下述实施例以X向、Y向及Z向相互正交的情况为例进行描述。

定子100上设有大致在一个平面上延伸的磁体阵列10，该磁体阵列10形成工作区域。较佳地，磁体阵列10在一XY平面上延伸。动子200上设有线圈阵列20，从而通过与磁体阵列10的相互作用动子200可悬浮在工作区域上方。在所示实施例中，动子200呈大致方形板，但应理解，根据需要，动子200也可设置成其他形状，例如矩形板、圆形板等。所示实施例中，线圈阵列20设置在动子200的上表面。但应理解，线圈阵列20也可设置在动子200的下表面。所示实施例中，线圈阵列20包括第一X向三相线圈组201、第一Y向三相线圈组202、第二X向三相线圈组203、以及第二Y向三相线圈组204。其中第一X向三相线圈组201和第二X向三相线圈组203布置在三相线圈阵列20的一对对角区域，而第一Y向三相线圈组202和第二Y向三相线圈组204布置在线圈阵列20的另一对对角区域。其中各三相线圈组较佳地布置在同一平面上，第一和第二X向三相线圈组201和203能够与磁体阵列10相互作用产生X向和Z向的推力，而第一和第二Y向三相线圈组202和204能够与磁体阵列10相互作用产生Y向和Z向的推力，由此可带动动子200在工作区域范围内进行六个自由度的运动，即X、Y、Z方向的平动以及绕X、Y、Z方向的转动。还应理解，各三相线圈组也可呈其他方式排布在动子200上。动子200上设置一个X向三相线圈组和一个Y向三相线圈组即可实现动子200沿X向、Y向、Z向的平动以及X向和Y向的转动，而再增加一个X向或Y向三相线圈组即可实现动子200的Z向转动。因此，为了实现六个自由度的运动，需要设置至少三个三相线圈组，其中包括至少一个X向线圈组和至少一个Y向线圈组。

如图1所示，在动子200上设有四个读数头：第一X向读数头401、第一Y向读数头402、第二X向读数头403、以及第二Y向读数头404，分别设置在动子200的四个顶点附近。但应理解，上述四个读头的位置并不限于此，只要能形成一个四边形即可。在动子200上相应地铺设有四个平面栅尺：第一X向平面栅尺301、第一Y向平面栅尺302、第二X向平面栅尺303以及第二Y向平面栅尺304。各平面栅尺可以是光栅，也可以是磁栅、电容性栅尺或者电涡流原理的栅尺。相应地，栅尺的迹线可由导光材料(即透明材料)、导磁材料或者导电材料制成。优选地，迹线由导电材料制成。较佳地，各平面栅尺在工作区域内不交叠，从而防止读数头通过光栅迹线读取的坐标值发生混淆。在所示实施例中，第一X向平面栅尺301和第二X向平面栅尺303分别位于工作区域的一对对角区域，在所示附图中为左下角区域和右上角区域；而第一Y向平面栅尺302和第二Y向平面栅尺304位于工作区域的另一对对角区域，在所示附图中为左上角区域和右下角区域。相应地，在动子200运动期间，上述四个读数头分别在第一X向平面栅尺301、第一Y向平面栅尺302、第二X向平面栅尺303以及第二Y向平面栅尺304的平铺范围内移动，从而通过平面栅尺的迹线读取第一和第二X向读数头的X坐标以及第一和第二Y向读数头的Y坐标。通过四个读数头读取位移信号，并将位移信号反馈到控制器，由控制器提供控制信号，以控制动子200的X、Y方向的平动以及绕Z方向的转动。

尽管在所示实施例中，一共设有四个平面栅尺和四个读数头，但应理解，X向读数头和Y向读数头的数量并不限于此，可设置至少一个X向读数头和至少一个Y向读数头以及相应的至少一个X向平面栅尺和至少一个Y向平面栅尺。当仅设置一个X向读数头和一个Y向读数头时，根据从该两个读数头读取的坐标值，能够计算并控制动子200的X、Y方向的平动。而当再设置另一个X向读数头或另一个Y向读数头时，即可通过从三个读数头读取位移信号并将位移信号反馈到控制器，由控制器提供控制信号，以控制动子200的X、Y方向的平动以及绕Z方向的转动。还应理解，为了扩大动子200在工作区域内沿X向和Y向的运动行程，X向读数头和Y向读数头应间隔尽可能远，从而最大程度避免X向平面栅尺与Y向平面栅尺产生交叠。还应理解，动子200上读数头以及工作区域内平面栅尺的设置并不限于上述实施例，只要各读数头适当间隔开，且与各读数头对应的平面栅尺的铺设范围不小于动子200上各读数头的运动范围即可。

图2示出了动子200上设置三个读数头和两个平面栅尺30X和30Y的实施例，其中设有X向读数头40X以及第一Y向读数头302和第二Y向读数头304。其中第一Y向读数头302和第二Y向读数头304设置在动子200相邻的两个角部位置，在附图中为左上角和右上角，而X向读数头40X设置在与两个Y向读数头所在边缘相对的边缘中点处。相应地，X向平面栅尺30X设置在工作区域的下方，Y向平面栅尺30Y设置在工作区域的上方。但应理解，三个读数头的位置并不限于此。只要各读数头适当间隔开，以使对应的平面栅尺不交叠，且对应的平面栅尺的平铺范围不小于动子200上各读数头的运动范围即可。该实施例中两个Y向读数头对应于一个Y向平面栅尺，但应理解，也可设置彼此间隔开的两个Y向平面栅尺。依此配置，3个读数头可以用于测量并控制动子200的三个自由度的运动，即X方向位移、Y方向位移、以及Z方向转动。

图1中所示磁体阵列10为二维Halbach阵列，其中多个N磁体、S磁体以及H磁体沿一XY平面以二维Halbach方式成排成周期排列。即，在相邻的N磁体与S磁体之间设有H磁体，H磁体的磁化方向指向N磁体。其中，相邻N磁体与S磁体的中心间距为τ，磁体N-H-S-H-N-H-S-H的排布方向与X方向的角度为α＝π/4。

图3中示出了磁体阵列10的另一实施例的俯视图，与图1所示磁体阵列10的实施例相比，区别仅在于图2中的磁体阵列移除了图1中所示磁体阵列实施例中的H磁体。同样地，N磁体和S磁体沿一XY平面成排成列周期排列，N磁体和相邻S磁体之间间隔开，且相邻的N磁体与S磁体的中心间距为τ，磁体S-N-S-N的排布方向与X方向的角度为α＝π/4。

图4中示出了磁体阵列10的又一实施例的俯视图。其中磁体阵列10包括第一磁体组10X和第二磁体组10Y，第一磁体组10X和第二磁体组10Y沿X向和Y向成排成列交替排列配置。第一磁体组10X包括沿Y方向以一维Halbach阵列依次排列的四个磁体：S磁体、H磁体、N磁体和H磁体，成S-H-N-H的排列，其中H磁体的磁化方向指向N磁体，相邻的N磁体与S磁体的中心间距为τ。第二磁体组10Y包括沿X方向以一维Halbach阵列依次排列的四个磁体：S磁体、H磁体、N磁体和H磁体，成S-H-N-H的排列，其中H磁体的磁化方向指向N磁体，相邻的N磁体与S磁体的中心间距为τ。即，第二磁体组10Y由第一磁体组10X在俯视图中沿XY平面逆时针转动90°而成。

图5中示出了磁体阵列10的再一实施例的俯视图。其中磁体阵列10包括沿X向和Y向成行成列周期排列的多个方形子阵列，该子阵列由第一磁体块101、第二磁体块102、第三磁体块103和第四磁体块104组成。在所示实施例中，第一磁体块101布置在子阵列的左上区域，第二磁体块102布置在子阵列的左下区域，第三磁体块103布置在子阵列的右下区域，第四磁体块104布置在子阵列的右上区域。其中，第一磁体块101包括沿Y向依次排列的S磁体和H磁体，其中H磁体的磁化方向背离S磁体。第二磁体块102包括沿X向依次排列的S磁体和H磁体，其中H磁体的磁化方向背离S磁体。第三磁体块103包括沿Y向依次排列的N磁体和H磁体，H磁体的磁化方向指向N磁体。第四磁体块104包括沿X向依次排列的N磁体和H磁体，H磁体的磁化方向指向N磁体。其中第二磁体块102为第一磁体块101在俯视图中沿XY平面逆时针旋转90°而成。第四磁体块104为第三磁体块103在俯视图中沿XY平面逆时针旋转90°而成。第一磁体块101中的S磁体与第三磁体块103中的N磁体的Y向中心间距为τ，第二磁体块102中的S磁体与第四磁体块104中的N磁体的X向中心间距为τ。

尽管本说明书仅描述了磁体阵列10的上述四个实施例，但应理解，本实用新型的磁体阵列10可采用任何平面电机定子的、现有的或待开发的磁体阵列。

为了实现六个自由度的运动，在动子200上还设置有霍尔传感器阵列50。每个霍尔传感器阵列50可以通过测量磁体阵列10产生的磁场强度获得其在Z方向的位移，霍尔传感器可以按照测量X方向、Y方向或Z方向的磁场强度来配置，优选配置为测量Z方向磁场强度。通过设置不在同一条直线上的至少三个霍尔传感器阵列50来测量动子三个位置的Z方向位移，综合三个霍尔传感器阵列的输出信号，可以结算出动子200三个自由度的位移，即动子200沿Z向的平动、X向的转动以及Y向的转动。各霍尔传感器阵列50较佳地布置在同一平面上，且更佳地，与所述三相线圈组所在平面相比，霍尔传感器所在平面更加远离磁体阵列。

在图1所示实施例中，动子200包括4个霍尔传感器阵列50，4个霍尔传感器阵列50设置在动子200的外周且彼此均匀地间隔开。每个霍尔传感器阵列50均包括呈三角形分布的3个霍尔传感器，在所示实施例中，3个霍尔传感器位于一等腰直角三角形的顶点。等腰直角三角形的斜边沿X向或Y向延伸，该实施例中磁体阵列10中相邻N磁体与S磁体的中心间距为τ，则等腰直角三角形的直角边长为a，则

a＝τ/2+nτ，n为不小于零的整数。

该布置的霍尔传感器阵列50可应用于磁体阵列10中的各磁体沿与X向的角度α＝π/4成行成列排列的情况。例如，当采用图2所示磁体阵列10的实施例时，也可应用呈上述等腰直角三角形排布的霍尔传感器阵列50。

尽管上文仅描述了一种霍尔传感器阵列50的实施例，但应理解，霍尔传感器阵列50中的传感器数量和排布也可根据需要变化而不脱离本实用新型的范围。

多个霍尔传感器阵列信号和读数头信号反馈到控制器，控制器根据预设的控制算法计算出控制信号，并通过驱动器来控制线圈电流，从而产生运动台的6个自由度的位移。

根据本实用新型的平面电机位移装置，通过采用霍尔传感器阵列来代替电涡流位移传感器并采用平面栅尺和读数头来代替激光干涉仪，显著降低了平面电机位移装置的成本，并提高了运动控制精度。

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 (14)

1.一种平面电机位移装置，其特征在于，

包括动子和定子，其中

所述定子上设有在一个平面上延伸的磁体阵列，所述磁体阵列形成工作区域，所述定子上还平铺有至少一个第一方向平面栅尺和至少一个第二方向平面栅尺，所述至少一个第一方向平面栅尺的迹线彼此平行且沿第一方向间隔排列，所述至少一个第二方向平面栅尺的迹线彼此平行且沿第二方向间隔排列，所述第一方向和所述第二方向彼此相交；

所述动子上设有第一方向三相线圈阵列和第二方向三相线圈阵列，并设置成能够在所述工作区域上方运动，且设有至少一个第一方向读数头和至少一个第二方向读数头，所述至少一个第一方向读数头和至少一个第二方向读数头随着所述动子的运动分别在所述至少一个第一方向平面栅尺和所述至少一个第二方向平面栅尺的平铺范围内移动。

2.根据权利要求1所述的平面电机位移装置，其特征在于，所述至少一个第一方向平面栅尺和/或所述至少一个第二方向平面栅尺的迹线由导电材料制成。

3.根据权利要求1所述的平面电机位移装置，其特征在于，所述第一方向和所述第二方向彼此正交，所述磁体阵列为二维Halbach阵列。

4.根据权利要求1所述的平面电机位移装置，其特征在于，所述至少一个第一方向读数头为至少两个第一方向读数头，或所述至少一个第二方向读数头为至少两个第二方向读数头。

5.根据权利要求1和4任一项所述的平面电机位移装置，其特征在于，所述至少一个第一方向读数头为位于所述工作台一对对角角部位置的两个第一方向读数头，所述至少一个第二方向读数头为位于所述工作台另一对对角角部位置的两个第二方向读数头。

6.根据权利要求1所述的平面电机位移装置，其特征在于，所述至少一个第一方向平面栅尺为覆盖所述工作区域相应一对对角区域的两个第一方向平面栅尺，和/或所述至少一个第二方向平面栅尺为覆盖所述工作区域相应另一对对角区域的两个第二方向平面栅尺，所述至少一个第一方向平面栅尺的迹线和所述至少一个第二方向平面栅尺的迹线等间距间隔排列。

7.根据权利要求1和4任一项所述的平面电机位移装置，其特征在于，所述至少一个第一方向读数头为位于所述工作台一条边缘上间隔开位置的两个第一方向读数头，所述至少一个第二方向读数头为位于所述工作台上与所述一条边缘相对边缘上的一个第二方向读数头。

8.根据权利要求7所述的平面电机位移装置，其特征在于，所述至少一个第一方向平面栅尺为覆盖所述工作区域相应一条边缘附近区域的至少一个第一方向平面栅尺，所述至少一个第二方向平面栅尺为覆盖所述工作区域相应一条边缘附近区域的一个第二方向平面栅尺。

9.根据权利要求1所述的平面电机位移装置，其特征在于，所述工作台上设有至少三个不在同一直线上的霍尔传感器阵列。

10.根据权利要求9所述的平面电机位移装置，其特征在于，所述霍尔传感器阵列包括不在同一直线上的三个霍尔传感器。

11.根据权利要求10所述的平面电机位移装置，其特征在于，所述三个霍尔传感器位于等腰直角三角形的顶点。

12.根据权利要求11所述的平面电机位移装置，其特征在于，所述等腰直角三角形的斜边沿所述第一方向或所述第二方向延伸。

13.根据权利要求11所述的平面电机位移装置，其特征在于，所述磁体阵列中相邻的N磁体与S磁体的中心间距为τ，所述等腰直角三角形的直角边长为a，则a＝τ/2+nτ，n为不小于零的整数。

14.根据权利要求9所述的平面电机位移装置，其特征在于，所述位移装置包括4个所述霍尔传感器阵列，4个所述霍尔传感器阵列均匀间隔地配置在所述动子的外周。

Images