TWI531138B - Flat voice coil motor - Google Patents

Description

平板音圈電動機

本發明有關於一種半導體加工設備，特別有關於一種平板音圈電動機。

基於安培力原理製造的平板型音圈電動機的結構簡單、維護方便、可靠性高、能量轉換效率高，具有固定行程和直接驅動特性以及平滑的力行程輸出和線性控制的特點，而且電氣與機械時間常數低，推力/品質比高，無齒槽效應，不需要換向，理論上有無限的位置靈敏度，無嵌齒、無滯後響應，使音圈電動機可以很好地應用在需要高速、高加速度、直線力或轉矩響應的伺服控制，基於上述特性，音圈電動機十分適用於要求快速、高精度定位的光蝕刻機精密定位單元。

近年來，隨著半導體元件集成化程度的提高，半導體加工設備之光蝕刻機中的多自由度精密定位工件台的操作精度要求達到次微米級，為抑制工件台振動，使其定位更精確，通常使用音圈電動機進行驅動。另外，音圈電動機也可用於光蝕刻機蝕刻調焦系統中作為光學頭調焦的執行機構使用，以提高蝕刻精度。

現有的平面音圈電動機均無轉子的重力補償功能，從而使得電動機的運作會受到重力作用產生不必要的誤差，如果藉由外加的設備實現該重力補償功能，又很有可能造成增加電動機發熱的不利 效果。

本發明要解決的技術問題是提供一種能夠實現轉子的重力補償的平板音圈電動機。

為了解決這一技術問題，本發明提供了一種平板音圈電動機，包括線圈單元和兩個主磁極單元，兩個該主磁極單元對該線圈單元施加安培力，該線圈單元內包括弱磁性小磁鐵，該兩個主磁極單元對該弱磁性小磁鐵作用合力為垂直向上。

每個該主磁極單元至少包括一對主磁極磁鐵，該一對主磁極磁鐵距該線圈單元的距離相等，該兩個主磁極單元相對於該線圈單元係對稱。

兩個該主磁極單元中對稱的主磁極磁鐵的充磁方向係相同，同個該主磁極單元內的一對主磁極磁鐵的充磁方向係相反。

該兩個主磁極單元排列在該線圈單元的左右兩側以形成橫向的主磁場，該線圈單元包括2個切割該主磁場的通電導體部分，且該2個通電導體部分為上下排列。

兩個該主磁極單元對該線圈單元施加垂直向上的安培力，該弱磁性小磁鐵的充磁方向與位於其上方的兩個該主磁極磁鐵的充磁方向係相同。

位於該弱磁性小磁鐵上方的兩個該主磁極磁鐵對該弱磁性小磁鐵施加垂直向上的磁吸合力；位於下方的兩個該主磁極磁鐵對該弱磁性小磁鐵施加垂直向上的磁斥合力。

該兩個主磁極單元排列在該線圈單元的上下兩側形成垂直方向的主磁場，該線圈單元包括2個切割該主磁場的通電導體部 分，且該2個通電導體部分為左右排列。

該弱磁性小磁鐵的充磁方向與該線圈單元被施加的安培力方向係相同。

位於該弱磁性小磁鐵上方的兩個該主磁極磁鐵對該弱磁性小磁鐵施加垂直向上的磁吸合力；位於其下方的兩個該主磁極磁鐵對該弱磁性小磁鐵施加垂直向上的磁斥合力。

該平板音圈電動機還包括間隔磁鐵和背鐵，該間隔磁鐵位於一對該主磁極磁鐵之間，該間隔磁鐵和一對主磁極磁鐵均固定設在該背鐵上。

該平板音圈電動機還包括間隔磁鐵，該間隔磁鐵位於一對該主磁極磁鐵之間，左側的該間隔磁鐵的充磁方向與該線圈單元被施加的安培力方向係相反，右側的該間隔磁鐵的充磁方向與該線圈單元被施加的安培力方向係相同。

該平板音圈電動機還包括間隔磁鐵，該間隔磁鐵位於一對該主磁極磁鐵之間，下方的該間隔磁鐵的充磁方向與該線圈單元被施加的安培力方向係相同，上方的該間隔磁鐵的充磁方向與該線圈單元被施加的安培力方向係相反。

該弱磁性小磁鐵在該線圈單元中2個切割該主磁場的該通電導體部分之間的方向上的長度小於該弱磁性小磁鐵與主磁極磁鐵平行方向上的長度。

該線圈單元還包括繞線柱和線圈，該弱磁性小磁鐵在該繞線柱內，該線圈繞設在該繞線柱外，柱體所在方向即繞製軸線的方向。

該平板音圈電動機還包括背鐵，該一對主磁極磁鐵固定 設在該背鐵上，該繞線柱所在的該線圈的繞製軸線平行於該兩個主磁極單元形成的主磁場方向，該繞線柱所在的該線圈的繞製軸線垂直於兩端的該背鐵。

本發明在線圈單元中設置弱磁性小磁鐵，藉由該弱磁性小磁鐵與主磁極單元之間的磁斥力或者磁吸力始終為線圈單元提供垂直向上的力，從而實現了重力的補償，且該結構的設置僅僅是將線圈單元中的部分構件換成弱磁性小磁鐵，既不會影響線圈單元中的線圈所受到的安培力，也不會因結構的增加而產生增加電動機發熱的不利後果。提供一種能夠實現轉子的重力補償的平板音圈電動機。

101a、101b、102a、102b‧‧‧主磁極磁鐵

103a、103b‧‧‧間隔磁鐵

104‧‧‧線圈

105‧‧‧繞線柱

106‧‧‧背鐵

107‧‧‧弱磁性小磁鐵

圖1是本發明實施例1所提供的平板音圈電動機的機構原理示意圖；圖2是本發明實施例1所提供的平板音圈電動機的弱磁性小磁鐵的受力示意圖；圖3是本發明實施例1所提供的平板音圈電動機的弱磁性小磁鐵的立體結構示意圖；圖4是本發明實施例1所提供的平板音圈電動機的弱磁性小磁鐵的橫剖結構示意圖；圖5是本發明實施例1所提供的平板音圈電動機的弱磁性小磁鐵的縱剖結構示意圖；圖6是本發明實施例2所提供的平板音圈電動機的機構原理示意圖；圖7是本發明實施例2所提供的平板音圈電動機的弱磁性小磁鐵 的受力示意圖；圖8是本發明實施例2所提供的平板音圈電動機的弱磁性小磁鐵的立體結構示意圖；圖9是本發明實施例2所提供的平板音圈電動機的弱磁性小磁鐵的橫剖結構示意圖；圖10是本發明實施例2所提供的平板音圈電動機的弱磁性小磁鐵的縱剖結構示意圖；圖11是本發明實施例3所提供的平板音圈電動機的機構原理示意圖；圖12是本發明實施例3所提供的平板音圈電動機的弱磁性小磁鐵的立體結構示意圖；圖13是本發明實施例3所提供的平板音圈電動機的弱磁性小磁鐵的橫剖結構示意圖；圖14是本發明實施例3所提供的平板音圈電動機的弱磁性小磁鐵的縱剖結構示意圖；圖15是本發明實施例4所提供的平板音圈電動機的機構原理示意圖；圖16是本發明實施例4所提供的平板音圈電動機的弱磁性小磁鐵的立體結構示意圖；圖17是本發明實施例4所提供的平板音圈電動機的弱磁性小磁鐵的橫剖結構示意圖；圖18是本發明實施例4所提供的平板音圈電動機的弱磁性小磁鐵的縱剖結構示意圖。

以下將結合圖1至圖18，藉由四個實施例對本發明提供的具有重力補償功能的平板音圈電動機進行詳細的描述，其為本發明四個可選的實施例，可以認為本領域的技術人員在不改變本發明精神和內容的範圍內能夠對其進行修改和潤色。

[實施例1]

請參考圖1，本實施例提供一種具有重力補償功能的平板音圈電動機，包括一線圈單元和兩個主磁極單元，兩個該主磁極單元對該線圈單元施加安培力T，該線圈單元包括弱磁性小磁鐵107、線圈104和繞線柱105，該兩個主磁極單元對該弱磁性小磁鐵107作用合力為垂直向上，以實現該線圈單元的重力補償。

本實施例在線圈單元中設置了弱磁性磁鐵107，藉由該弱磁性磁鐵107與主磁極單元之間的磁斥力或者磁吸力始終為線圈單元提供垂直向上的力，從而實現了重力的補償，且該結構的設置僅僅是將線圈單元中的部分構件換成弱磁性小磁鐵107，既不會影響線圈單元中的線圈104所受到的安培力，也不會因結構的增加而產生增加電動機發熱的不利後果。提供一種能夠實現轉子的重力補償的平板音圈電動機。

請參考圖1，並結合圖3至圖5，每個該主磁極單元至少包括一對主磁極磁鐵，分別被標註為101a和102a以及101b和102b，該主磁極磁鐵101a和101b以及102a和102b距該線圈單元的距離相等，該兩個主磁極單元相對於該線圈單元係對稱。

兩個該主磁極單元中對稱的主磁極磁鐵的充磁方向係相同，即本實施例中的主磁極磁鐵101a與101b的充磁方向係相同，主 磁極磁鐵102a與102b的充磁方向係相同，同個該主磁極單元內的一對主磁極磁鐵的充磁方向係相反，即本實施例中主磁極磁鐵101a與主磁極磁鐵102a的充磁方向係相反，主磁極磁鐵101b與主磁極磁鐵102b的充磁方向係相反。

在本實施例中，請參考圖1和圖2，該線圈單元和兩個主磁極單元均沿垂直方向延伸，同一主磁極單元內的兩個主磁極磁鐵沿垂直方向排列，亦即圖1中的主磁極磁鐵101a與主磁極磁鐵102a是沿垂直方向排列的，主磁極磁鐵101b與主磁極磁鐵102b是沿垂直方向排列的。

在本實施例中，請參考圖1，並結合圖4，該兩個主磁極單元形成橫向的主磁場，即該主磁極單元中的主磁極磁鐵的充磁方向沿水平方向設置，切割該主磁場的該線圈單元的2部分通電導體為上下排列。

在本實施例中，請參考圖2，並結合圖1，位於該弱磁性小磁鐵107上方的兩個該主磁極磁鐵101a與101b與該弱磁性小磁鐵107間的磁吸力F101a與F101b組合疊加以後對該線圈單元施加了一個垂直向上的磁吸力；位於該弱磁性小磁鐵107下方的兩個該主磁極磁鐵102a與102b與該弱磁性小磁鐵107間的磁斥力F102a與F102b組合疊加以後對該線圈單元施加了一個垂直向上的磁斥力。

在本實施例中，兩個該主磁極單元對該線圈單元施加垂直向上的安培力，該弱磁性小磁鐵107的充磁方向與位於上方的兩個該主磁極磁鐵的充磁方向係相同。請參考圖1和圖2，主磁極磁鐵101a、101b、102a和102b的充磁方向均沿水平方向設置，本實施例中主磁極磁鐵101a與101b的充磁方向為水平向左，主磁極磁鐵102a與102b的充 磁方向為水平向右，該弱磁性小磁鐵107的充磁方向與位於上方的兩個該主磁極磁鐵101a和101b的充磁方向係相同。具體來說，參考圖中的充磁方向可知，主磁極磁鐵101a、101b和弱磁性小磁鐵107的均為左端N極，右端S極，所以N極與S極之間會產生磁吸合力，該磁吸力的方向為如圖2所示的斜向上，兩個主磁極磁鐵101a與101b之間的磁吸力在水平方向上的分量互相抵消，故而會對弱磁性小磁鐵107，亦即對線圈單元施加一個垂直向上的力。類似的道理，藉由磁斥力的作用，主磁極磁鐵102a與102b的充磁方向為水平向右，會對弱磁性小磁鐵107產生磁斥合力，亦即對線圈單元施加一個垂直向上的力。

請參考圖1，該平板音圈電動機還包括間隔磁鐵103a、103b和背鐵106，該間隔磁鐵103a、103b和一對主磁極磁鐵101a、102a與101b、102b均固定設在該背鐵106上，該間隔磁鐵103a、103b位於一對該主磁極磁鐵101a、102a與101b、102b之間。該間隔磁鐵103a、103b的充磁方向垂直於該主磁極磁鐵101a、102a和101b、102b的充磁方向。兩個主磁極單元的該間隔磁鐵103a、103b的充磁方向係相反，在本實施例中，即間隔磁鐵103a與103b的充磁方向係相反。

請參考圖1，位於該弱磁性小磁鐵107的左側的間隔磁鐵103a的充磁方向與該線圈單元被施加的安培力方向係相反，即垂直向下，位於該弱磁性小磁鐵107的右側的間隔磁鐵103b的充磁方向與該線圈單元被施加的安培力方向係相同，即垂直向上。

該弱磁性小磁鐵107沿該線圈單元所受安培力方向的長度大於該弱磁性小磁鐵107的沿兩個對應的該間隔磁鐵103a、103b方向上的長度。在本實施例中，請著重參考圖1，安培力T的方向係垂直向上，弱磁性小磁鐵107在垂直方向上的長度大於該弱磁性小磁鐵107在 水平方向上的長度。

請參考圖1，該線圈單元還包括繞線柱105和線圈104，該弱磁性小磁鐵107在該繞線柱105內，該線圈104繞設在該繞線柱105上。該繞線柱105平行於該兩個主磁極單元形成的主磁場方向，該繞線柱垂直於兩端的該背鐵106。從而保證該線圈的電流流向滿足如圖1所示，進而產生垂直向上的安培力。

本領域技術人員可以理解的是，將圖1中所有磁鐵101a、101b、102a、102b、103a、103b、107的充磁方向都改為相反方向同樣能使該兩個主磁極單元對該弱磁性小磁鐵107產生垂直向上的作用合力，實現該線圈單元的重力補償，因而也在本發明的保護範圍之內。

[實施例2]

請參考圖6和圖7，並結合圖8至圖10，本實施例與實施例1的差別主要在於：該兩個主磁極單元形成垂直方向的主磁場，切割該主磁場的該線圈單元的2部分通電導體為左右排列。該弱磁性小磁鐵107的充磁方向與該線圈單元被施加的安培力方向相同。位於該線圈單元上方的兩個該主磁極磁鐵101a與102a對該弱磁性小磁鐵107施加垂直向上的磁吸力；位於該線圈單元下方的兩個該主磁極磁鐵101b和102b對該弱磁性小磁鐵107施加垂直向上的磁斥力。從而藉由S極與N極之間的異性相吸的作用產生如圖7所示的斜向上的F102a和F101a，兩個力在水平方向上的分量互相抵消，從而對弱磁性小磁鐵107施加垂直向上的力，亦即對該線圈單元施加垂直向上的力，由於線圈單元下方的主磁極磁鐵101b與102b的充磁方向和上方的主磁極磁鐵101a與102a是同向的， 則必然會導致主磁極磁鐵101b和102b的N極與S極與弱磁性小磁鐵107的N極與S極靠近設置，藉由同性相斥的作用就會產生如圖7所示的F102b和F101b，進而對弱磁性小磁鐵107施加垂直向上的力，亦即對該線圈單元施加垂直向上的力。

在本實施例中，該平板音圈電動機還包括間隔磁鐵103a、103b，該間隔磁鐵103a、103b位於一對該主磁極磁鐵101a、102a與101b、102b之間，下方的該間隔磁鐵103b的充磁方向與該線圈單元被施加的安培力方向係相同，上方的該間隔磁鐵103a的充磁方向與該線圈單元被施加的安培力方向係相反。

除此以外，其具體結構與實施例1是相似的，具體來說，其也設有背鐵106和磁鐵103a、103b，其線圈單元的結構設置也是與實施例1一致的，具體可參考圖8至圖10示意性地表示出來。

本領域技術人員可以理解的是，將圖6中所有磁鐵101a、101b、102a、102b、103a、103b、107的充磁方向都改為相反方向同樣能使該兩個主磁極單元對該弱磁性小磁鐵107產生垂直向上的作用合力，實現該線圈單元的重力補償，因而也在本發明的保護範圍之內。

[實施例3]

請參考圖11至圖14，本實施例與實施例1的區別僅僅在於本實施例中不設有磁鐵103a、103b，作用原理與實施例1是一致的，本實施例中的該主磁極單元包括兩個主磁極磁鐵和背鐵，該主磁極磁鐵固定設在該背鐵上一對該主磁極磁鐵之間設有間隔距離，該弱磁性小磁鐵沿該線圈單元所受安培力方向的長度大於該弱磁性小磁鐵的沿兩個對應的 該兩處間隔方向上的長度。除了該區別以外，其他包括主磁極單元的結構、線圈單元的結構以及各構件的排列方式均與實施例1中一致。

[實施例4]

請參考圖15至圖18，本實施例與實施例2相似，主磁極單元、線圈單元均是垂直方向設置，線圈單元的結構是相同的，主磁極單元的結構是類似的，作用原理也是一致的，其與實施例2的唯一的區別在於本實施例中的主磁極單元不設有磁鐵103a、103b。同時，其實施例與實施例3也是相似的，其與實施例3的唯一區別僅僅在於主磁極單元和線圈單元的是沿水平方向設置的，除此之外的其他具體結構與實施例3是相似的，所以，其結構可參考圖16至圖18示意性地表示出來。

該改進方案是為了解決微動向量電動機之垂直方向出力的音圈電動機發熱太大的問題。微動向量電動機由六個電動機組成：三個水平方向出力和三個垂直方向出力的音圈電動機。電動機負載設計品質是20KG，分攤給三個垂直方向出力的平板音圈電動機，因此每個音圈電動機在無加速度的磁浮狀態下需要出力66N，每個電動機持續發熱近50W(加速狀態下更加恐怖)，這會對電動機水冷結構造成很大壓力。

音圈電動機屬單相短行程電動機，但只具有一個自由度，需要垂直方向出力時(圖1)，電動機線圈會因為負載重力產生相當一部分能量耗損，重力不變，所以該能量耗損不變。如果加入了重力補償，對於垂直方向出力的音圈電動機只需要應付少量重力，大部分被磁鐵之間的作用力補償掉，當電動機在有向上的加速度時，才需要通入更大的電流。這一改進可以為垂直方向出力的音圈電動機減小約 90%的能量耗損。

綜上所述，本發明在線圈單元中設置弱磁性小磁鐵，該弱磁性小磁鐵與主磁極單元之間的磁斥力或者磁吸力始終為線圈單元提供垂直向上的力，從而實現了重力的補償，且該結構的設置僅僅是將線圈單元中的部分構件換成弱磁性小磁鐵，既不會影響線圈單元中的線圈所受到的安培力，也不會因結構的增加而產生增加電動機發熱的不利後果。提供一種能夠實現轉子的重力補償的平板音圈電動機。在實際應用中，由於弱磁性小磁鐵本身較為脆弱，並且所需求的重力補償力較小，因此弱磁性小磁鐵要更小，更短。需要將弱磁性小磁鐵嵌入繞線柱，以保證弱磁性小磁鐵不破裂。

101a、101b、102a、102b‧‧‧主磁極磁鐵

103a、103b‧‧‧間隔磁鐵

104‧‧‧線圈

105‧‧‧繞線柱

106‧‧‧背鐵

107‧‧‧弱磁性小磁鐵

Claims (15)

1. 一種平板音圈電動機，包括線圈單元和兩個主磁極單元，兩個該主磁極單元對該線圈單元施加安培力，其特徵在於：該線圈單元內包括弱磁性小磁鐵，該兩個主磁極單元對該弱磁性小磁鐵作用合力為垂直向上。
2. 如申請專利範圍第1項之平板音圈電動機，其中，每個該主磁極單元至少包括一對主磁極磁鐵，該一對主磁極磁鐵距該線圈單元的距離相等，該兩個主磁極單元相對於該線圈單元係對稱。
3. 如申請專利範圍第2項之平板音圈電動機，其中，兩個該主磁極單元中對稱的主磁極磁鐵的充磁方向係相同，同個該主磁極單元內的一對主磁極磁鐵的充磁方向係相反。
4. 如申請專利範圍第3項之平板音圈電動機，其中，該兩個主磁極單元排列在該線圈單元的左右兩側以形成橫向的主磁場，該線圈單元包括2個切割該主磁場的通電導體部分，且該2個通電導體部分為上下排列。
5. 如申請專利範圍第4項之平板音圈電動機，其中，兩個該主磁極單元對該線圈單元施加垂直向上的安培力，該弱磁性小磁鐵的充磁方向與位於其上方的兩個該主磁極磁鐵的充磁方向係相同。
6. 如申請專利範圍第5項之平板音圈電動機，其中，位於該弱磁性小磁鐵上方的兩個該主磁極磁鐵對該弱磁性小磁鐵施加垂直向上的磁吸合力；位於下方的兩個該主磁極磁鐵對該弱磁性小磁鐵施加垂直向上的磁斥合力。
7. 如申請專利範圍第3項之平板音圈電動機，其中，該兩個主磁極單元排列在該線圈單元的上下兩側以形成垂直方向的主磁場，該線圈單元包括2個切割該主磁場的通電導體部分，且該2個通電導體部分為左右排列。
8. 如申請專利範圍第7項之平板音圈電動機，其中，該弱磁性小 磁鐵的充磁方向與該線圈單元被施加的安培力方向係相同。
9. 如申請專利範圍第8項之平板音圈電動機，其中，位於該弱磁性小磁鐵上方的兩個該主磁極磁鐵對該弱磁性小磁鐵施加垂直向上的磁吸合力；位於其下方的兩個該主磁極磁鐵對該弱磁性小磁鐵施加垂直向上的磁斥合力。
10. 如申請專利範圍第2項之平板音圈電動機，還包括間隔磁鐵和背鐵，該間隔磁鐵位於一對該主磁極磁鐵之間，該間隔磁鐵和一對主磁極磁鐵均固定設在該背鐵上。
11. 如申請專利範圍第4項之平板音圈電動機，還包括間隔磁鐵，該間隔磁鐵位於該一對主磁極磁鐵之間，左側的該間隔磁鐵的充磁方向與該線圈單元被施加的安培力方向係相反，右側的該間隔磁鐵的充磁方向與該線圈單元被施加的安培力方向係相同。
12. 如申請專利範圍第7項之平板音圈電動機，還包括間隔磁鐵，該間隔磁鐵位於該一對主磁極磁鐵之間，下方的該間隔磁鐵的充磁方向與該線圈單元被施加的安培力方向係相同，上方的該間隔磁鐵的充磁方向與該線圈單元被施加的安培力方向係相反。
13. 如申請專利範圍第4或7項之平板音圈電動機，其中，該弱磁性小磁鐵沿該線圈單元所受安培力方向的長度大於該弱磁性小磁鐵的沿兩個該間隔磁鐵方向上的長度。
14. 如申請專利範圍第1項之平板音圈電動機，其中，該線圈單元還包括繞線柱和線圈，該弱磁性小磁鐵在該繞線柱內，該線圈繞設在該繞線柱外。
15. 如申請專利範圍第14項之平板音圈電動機，還包括背鐵，該一對主磁極磁鐵固定設在該背鐵上，該繞線柱所在的該線圈的繞製軸線平行於該兩個主磁極單元形成的主磁場方向，該繞線柱所在的該線圈的繞製軸線垂直於兩端的該背鐵。