TWI558071B - Six - degree - of - freedom linear motor - Google Patents
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Description
本發明有關於光蝕刻領域，特別有關於一種六自由度線性電動機。
隨著光蝕刻技術的進步和半導體工業的快速發展，對於光蝕刻設備有四項基本性能指標：線寬均勻性(CD，Critical Dimension Uniformity)、聚焦深度(Depth of Focus)、層疊(Overlay)和產率(Throughput)。為了提高線寬均勻性，工件台或遮罩台必須提高水平方向精密定位能力；為了提高聚焦深度誤差精度，工件台或遮罩台必須提高垂直方向精密定位能力；為了提高光蝕刻機層疊誤差精度，工件台或遮罩台必須提高其內部模態來提升動態定位特性。此外，光蝕刻設備必須增加產率，因此工件台或遮罩台還必須高速運動，快速啟動和停止。光蝕刻設備的高速、高加速和高精密的定位能力是相互矛盾的，增加掃描速度需要功率更大的電動機，實現大行程和高速度運動，並具有多自由度運動來進行光蝕刻曝光和對準。線性電動機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置，相比旋轉電機具有結構簡單、定位精度高以及傳動效率高等優勢，因此廣泛應用於光蝕刻設備的高精度定位平台中。
如圖1、2所示，傳統的線性電動機通常包括海爾貝克
(Halbach)磁鐵陣列101和三相線圈102a、102b、102c，對三相線圈102a、102b、102c通以三相電流之後，Halbach磁鐵陣列101與三相線圈102a、102b、102c相互作用以形成驅動力，原理如下：假設三相線圈102a、102b、102c通入的電流分別ia、ib、ic，線性電動機沿Y軸方向的運動位移為y，兩塊永久磁鐵之間的磁極矩為τ，相鄰兩個線圈的中心距離為4 τ/3，三相線圈102a、102b、102c沿Y軸方向的磁場磁力密度Bya、Byb、Byc和沿Z軸方向的磁場磁力密度Bza、Bzb、Bzc表示如下：
其中為Halbach磁鐵陣列101沿Y軸方向的磁力密度幅值，為Halbach磁鐵陣列101沿z軸方向的磁力密度幅值。
根據三相電動機的向量控制技術，採用直軸交軸(DQ)分解法進行控制，其中直軸電流控制垂直方向力，交軸電流控制水平方向力(即沿XY平面的力)，三相線圈102a、102b、102c的電流ia、ib、ic可以表達為直軸電流id和交流電流iq的函數：
由此得對線性電動機在Y軸和Z軸上產生的力Fy、Fz為：
沿Y軸的水平方向力Fy和沿Z軸的垂直方向力Fz使線性電動機分別在Y軸和Z軸方向上進行移動。但是光蝕刻設備在進行光蝕刻曝光和對準過程中需要實現六自由度運動，包括沿X軸、Y軸、Z軸方向的直線運動和繞X軸、Y軸、Z軸的微小轉動，因此傳統線性電動機不能很好的滿足高精度定位的要求。
為了解決以上問題，現有技術提供一種可以實現六自由度的線性電動機，藉由4組Halbach型線性電動機的互相配合以產生光蝕刻平台所需要的六自由度運動，然而由於受到磁鐵陣列的佈局限制，從而使得線性電動機在水平方方向上的運動行程受限，難以實現大行程運動。
本發明為了克服以上不足，提供一種可以同時實現大行程和多自由度運動的六自由度線性電動機。
為了解決上述技術問題，本發明提供一種六自由度線性電動機，包括一磁鐵陣列和位於磁鐵陣列上方的一線圈繞組，其中，該磁鐵陣列包括第一海爾貝克磁鐵陣列和第二海爾貝克磁鐵陣
列，該第一海爾貝克磁鐵陣列沿由X軸及Y軸定義的一平面的剖面為平行四邊形，該第一海爾貝克磁鐵陣列具有平行於Y軸的第一邊以及與Y軸的夾角為θ的第二邊，該第二海爾貝克磁鐵陣列與第一海爾貝克磁鐵陣列於Y軸鏡像對稱；該線圈繞組的軸線與Y軸的夾角為θ且包括第一線圈繞組、第二線圈繞組、第三線圈繞組和第四線圈繞組，該第一線圈繞組與第三線圈繞組於Y軸鏡像對稱，該第二線圈繞組與第四線圈繞組於Y軸鏡像對稱。
進一步的，該第一海爾貝克磁鐵陣列包括多個由4塊永久磁鐵沿Y軸方向依次拼接而成的海爾貝克單元，該永久磁鐵沿該平面的剖面為平行四邊形。
進一步的，該4塊永久磁鐵沿Y軸方向依次為S磁鐵、H磁鐵、N磁鐵和H磁鐵，該S磁鐵的磁化方向為沿與該平面垂直的Z軸的方向，該N磁鐵的磁化方向為沿與Z軸的方向的反方向，該H磁鐵的磁化方向沿該平面指向N磁鐵。
進一步的，該等海爾貝克單元的個數為6。
進一步的，該第一線圈繞組由三個線圈沿Y軸方向水平排列而成，該第二、三、四線圈繞組與該第一線圈繞組結構相同，該第一線圈繞組與第二線圈繞組沿Y軸方向依次排列。
進一步的，該第二線圈繞組與第一線圈繞組沿Y軸方向的中心線位於同一水平線上。
進一步的，該第二線圈繞組與第一線圈繞組沿Y軸方向的中心線在X軸方向設有間距。
進一步的，該夾角θ大於0度小於90度。
進一步的，該線圈繞組外周設有封裝殼。
本發明提供的六自由度線性電動機，藉由沿由X軸及Y軸定義的XY平面的剖面為平行四邊形的第一Halbach磁鐵陣列和第二Halbach磁鐵陣列與四個線圈繞組相互作用產生多個沿Z軸的垂直方向力和多個沿XY平面的水平方向力，並藉由力的分配控制，從而使線性電動機實現六自由度的運動，此外藉由調整第一Halbach磁鐵陣列和第二Halbach磁鐵陣列中Halbach單元的數量，可以實現線性電動機在Y軸方向上的長行程運動。
101‧‧‧Halbach磁鐵陣列
102a、102b、102c‧‧‧三相線圈
201‧‧‧磁鐵陣列
201a‧‧‧第一Halbach磁鐵陣列
2011a‧‧‧Halbach單元
201b‧‧‧第二Halbach磁鐵陣列
2012‧‧‧S磁鐵
2013‧‧‧N磁鐵
2014‧‧‧H磁鐵
202‧‧‧封裝殼
203‧‧‧第一線圈繞組
203a、203b、203c‧‧‧第一線圈
204‧‧‧第二線圈繞組
204a、204b、204c‧‧‧第二線圈
205‧‧‧第三線圈繞組
205a、205b、205c‧‧‧第三線圈
206‧‧‧第四線圈繞組
206a、206b、206c‧‧‧第四線圈
θ‧‧‧夾角
L‧‧‧間距
圖1是傳統線性電動機的結構示意圖；圖2是傳統線性電動機的剖視圖；圖3是本發明實施例1中六自由度線性電動機的結構示意圖；圖4是本發明實施例1中Halbach單元的結構示意圖；圖5是本發明實施例1中線圈繞組分佈的示意圖；以及圖6是本發明實施例2中線圈繞組分佈的示意圖。
下面結合附圖對本發明作詳細描述。
如圖3所示，本發明提供一種六自由度線性電動機，包括磁鐵陣列201和線圈繞組，磁鐵陣列201包括第一Halbach磁鐵陣列201a和第二Halbach磁鐵陣列201b，第一Halbach磁鐵陣列201a沿XY平面的剖面為平行四邊形，第一Halbach磁鐵陣列201a包括一組與Y軸平行的水平邊和一組與Y軸的夾角為θ的傾斜邊，夾角θ大於0
度小於90度，第二Halbach磁鐵陣列201b與第一Halbach磁鐵陣列201a結構相同，兩者於Y軸鏡像對稱；線圈繞組傾斜設置在該磁鐵陣列上方，且其軸線與Y軸的夾角為θ，即線圈繞組傾斜邊與Y軸的夾角為θ，θ大於0度小於90度，線圈繞組包括第一線圈繞組203、第二線圈繞組204、第三線圈繞組205和第四線圈繞組206，該第一線圈繞組203與第三線圈繞組205於Y軸鏡像對稱，該第二線圈繞組204與第四線圈繞組206於Y軸鏡像對稱，且線圈繞組外周設有封裝殼202，藉由沿XY平面的剖面為平行四邊形的第一Halbach磁鐵陣列201a和第二Halbach磁鐵陣列201b與四個線圈繞組相互作用產生多個沿Z軸的垂直方向力和多個沿XY平面的水平方向力，並藉由力的分配控制，從而使線性電動機實現六自由度的運動。
請參照圖3和圖4，第一Halbach磁鐵陣列201a包括若干個由4塊永久磁鐵沿Y軸方向拼接而成的Halbach單元2011a，永久磁鐵沿XY平面的剖面為平行四邊形，Halbach單元2011a的數量可根據實際需要沿Y軸方向的運動行程進行調整，本實施例中Halbach單元2011a的數量為6個，第二Halbach磁鐵陣列201b的結構與第一Halbach磁鐵陣列201a完全相同，兩者沿Y軸鏡像對稱分佈，藉由調整第一Halbach磁鐵陣列201a和第二Halbach磁鐵陣列201b中Halbach單元2011a的數量，可以實現線性電動機在Y軸方向上的長行程運動。
請重點參照圖4，該4塊永久磁鐵依次為S磁鐵2012、H磁鐵2014、N磁鐵2013和H磁鐵2014，其中，S磁鐵2012的磁化方向沿Z軸負方向，N磁鐵2013的磁化方向沿Z軸正方向，H磁鐵2014
的磁化方向沿XY平面始終指向N磁鐵2013。請重點參照圖5，第一線圈繞組203由三個第一線圈203a、203b、203c沿Y軸方向水平排列而成，第二線圈繞組204由三個第二線圈204a、204b、204c沿Y軸方向水平排列而成，第三線圈繞組205由三個第三線圈205a、205b、205c沿Y軸方向水平排列而成，第四線圈繞組206由三個第四線圈206a、206b、206c沿Y軸方向水平排列而成，第一線圈203a、203b、203c傾斜設置，且第一線圈203a、203b、203c的一組傾斜邊與第一Halbach磁鐵陣列201的一組傾斜邊平行，該第二、三、四線圈繞組204、205、206與第一線圈繞組203結構相同，第一線圈繞組203與第二線圈繞組204沿Y軸方向依次排列，且第二線圈繞組204與第一線圈繞組203沿Y軸方向的中心線位於同一水平線上。
在本發明提供的六自由度線性電動機中，磁鐵陣列201與線圈繞組相互作用形成驅動力的原理如下：假設對每個線圈繞組的三個線圈通入的電流分別為ia'、ib'、ic'，兩塊永久磁鐵之間的磁極矩為τ'，相鄰兩個線圈的中心距離W為4 τ'/3或5 τ'/3，以4 τ'/3為例，第一線圈203a、203b、203c和第三線圈205a、205b、205c沿y'方向的磁場磁力密度Bya'、Byb'、Byc'和沿Z軸方向的磁場磁力密度Bza'、Bzb'、Bzc'表示如下：
第二線圈204a、204b、204c和第四線圈206a、206b、206c沿y'方向的磁場磁力密度Bya'、Byb'、Byc'和沿Z軸方向的磁場磁力密度Bza'、Bzb'、Bzc'表示如下：
其中，為磁鐵陣列201沿y'軸方向的磁力密度幅值，為磁鐵陣列201沿Z軸方向的磁力密度幅值，y'=線性電動機沿Y軸方向的運動位移* sin θ，*為數學乘法運算，D為第一線圈繞組203和第二線圈繞組204之間沿y'軸方向的中心距離。
根據三相電動機的向量控制技術，採用直軸交軸(DQ)分解法進行控制，其中直軸電流控制垂直方向力，交軸電流控制水平方向力(即沿XY平面的力)，第一線圈203a、203b、203c和第三線圈205a、205b、205c的電流ia'、ib'、ic'可以表達為直軸電流id和交軸電流iq的函數：
第二線圈204a、204b、204c和第四線圈206a、206b、206c的電流ia'、ib'、ic'可以表達為id、iq的函數：
由此得出線性電動機產生的水平方向出力Fh以及垂直方向出力Fv可表示為：
將水平方向力Fh以及垂直方向力Fv轉換到X、Y、Z軸方向上的力Fx、Fy、Fz為：
如圖5所示，第一線圈繞組203產生沿Z軸方向的垂直方向力Fv1和沿XY平面的水平方向力Fh1；第二線圈繞組204產生沿Z軸方向的垂直方向力Fv2和沿XY平面的水平方向力Fh2；第三線圈繞組205產生沿Z軸方向的垂直方向力Fv3和沿XY平面的水平方向力Fh3；第四線圈繞組206產生沿Z軸方向的垂直方向力Fv4和沿XY平面的水平方向力Fh4，其中，水平方向力Fh1、Fh2沿Y軸方向的分
量處於同一水平線上，水平方向力Fh3、Fh4沿Y軸方向的分量處於同一水平線上。根據力的分配控制原理，沿XY平面的水平方向力Fh1、Fh2、Fh3、Fh4控制線性電動機沿X軸、Y軸方向移動以及繞Z軸方向的微小轉動，垂直方向力Fv1、Fv2、Fv3、Fv4控制線性電動機沿Z軸方向的微小運動以及繞X軸、Y軸的微小轉動，從而實現線性電動機六個自由度的運動，實現高精度定位。
與實施例1不同的是，本實施例中，該第二線圈繞組204與第一線圈繞組203沿Y軸方向的中心線沿X軸方向設有間距L，由於第三線圈繞組205與第一線圈繞組203沿Y軸鏡像對稱分佈，第四線圈繞組206與第二線圈繞組204沿Y軸鏡像對稱分佈，因此第四線圈繞組206與第三線圈繞組205沿Y軸方向的中心線沿X軸方向也存在間距L，如圖6所示，第一線圈繞組203產生沿Z軸方向的垂直方向力Fv1和沿XY平面的水平方向力Fh1；第二線圈繞組204產生沿Z軸方向的垂直方向力Fv2和沿XY平面的水平方向力Fh2；第三線圈繞組205產生沿Z軸方向的垂直方向力Fv3和沿XY平面的水平方向力Fh3；第四線圈繞組206產生沿Z軸方向的垂直方向力Fv4和沿XY平面的水平方向力Fh4，其中，水平方向力Fh1、Fh2沿Y軸方向的分量沿X軸方向的間距為L，水平方向力Fh3、Fh4沿Y軸方向的分量沿X軸方向的間距為L。根據力的分配控制原理，沿XY平面的水平方向力Fh1、Fh2、Fh3、Fh4控制線性電動機沿X軸、Y軸方向移動以及繞Z軸方向的微小轉動，垂直方向力Fv1、Fv2、Fv3、Fv4控制線性電動機沿Z軸方向的微小運動以及繞X軸、Y軸的微小轉動，從而實現線性電動機六
個自由度的運動。
藉由上述方法佈置線圈繞組的位置，可以實現本實施例六自由度線性電動機在Y方向上的冗餘驅動，需要說明的是，冗餘驅動是指用超過運動控制自由度所需數量的執行器參與驅動，從而減少運動過程中的振動提高控制頻寬，或者在頻寬指標不變的情況下，降低線性電動機運動體質量，從而提高線性電動機的性能。
雖然說明書中對本發明的實施方式進行說明，但這些實施方式只是作為提示，不應限定本發明的保護範圍。在不脫離本發明宗旨的範圍內進行各種省略、置換和變更均應包含在本發明的保護範圍內。
201‧‧‧磁鐵陣列
201a‧‧‧第一Halbach磁鐵陣列
201b‧‧‧第二Halbach磁鐵陣列
202‧‧‧封裝殼
203a、203b、203c‧‧‧第一線圈
204a、204b、204c‧‧‧第二線圈
205a、205b、205c‧‧‧第三線圈
206a、206b、206c‧‧‧第四線圈
θ‧‧‧夾角
Claims (9)
- 一種六自由度線性電動機，包括一磁鐵陣列和位於該磁鐵陣列上方的一線圈繞組，其特徵在於：該磁鐵陣列包括一第一海爾貝克磁鐵陣列和一第二海爾貝克磁鐵陣列，該第一海爾貝克磁鐵陣列沿由X軸及Y軸定義的一平面的剖面為平行四邊形，該第一海爾貝克磁鐵陣列具有平行於Y軸的第一邊以及與Y軸的夾角為θ的第二邊，該第二海爾貝克磁鐵陣列與該第一海爾貝克磁鐵陣列於Y軸鏡像對稱；該線圈繞組的軸線與Y軸的夾角為θ且包括一第一線圈繞組、一第二線圈繞組、一第三線圈繞組和一第四線圈繞組，該第一線圈繞組與該第三線圈繞組於Y軸鏡像對稱，該第二線圈繞組與該第四線圈繞組於Y軸鏡像對稱。
- 如請求項1之六自由度線性電動機，其中，該第一海爾貝克磁鐵陣列包括複數個由4塊永久磁鐵沿Y軸方向依次拼接而成的海爾貝克單元，該4塊永久磁鐵沿該平面的剖面為平行四邊形。
- 如請求項2之六自由度線性電動機，其中，4塊永久磁鐵沿Y軸方向依次為一S磁鐵、一第一H磁鐵、一N磁鐵和一第二H磁鐵，該S磁鐵的磁化方向為沿與該平面垂直的Z軸的方向，該N磁鐵的磁化方向為沿與Z軸的方向的反方向，該第一H磁鐵及該第二H磁鐵的磁化方向沿該平面指向該N磁鐵。
- 如請求項3之六自由度線性電動機，其中，該等海爾貝克單元的個數為6。
- 如請求項1之六自由度線性電動機，其中，該第一線圈繞組由三個線圈沿Y軸方向水平排列而成，該第二、三、四線圈繞組與該第一線圈繞組結構相同，該第一線圈繞組與該第二線圈繞組沿Y軸 方向依次排列。
- 如請求項5之六自由度線性電動機，其中，該第二線圈繞組與該第一線圈繞組沿Y軸方向的中心線位於同一水平線上。
- 如請求項5之六自由度線性電動機，其中，該第二線圈繞組與該第一線圈繞組沿Y軸方向的中心線在X軸方向設有間距。
- 如請求項1之六自由度線性電動機，其中，該夾角θ大於0度小於90度。
- 如請求項1之六自由度線性電動機，其中，該線圈繞組外周設有封裝殼。
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