TWI843145B - 磁浮重力補償裝置和微動台 - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種磁浮重力補償裝置和微動台，磁浮重力補償裝置，包括：內基磁體、第一端部磁鋼、第二端部磁鋼、內磁環磁鋼和外線圈，其中，內基磁體沿軸向延伸；第一端部磁鋼和第二端部磁鋼分別位於內基磁體的兩個軸向端並沿軸向延伸，且第一端部磁鋼和第二端部磁鋼的外徑分別沿遠離內基磁體的兩個軸向端方向逐漸增大；內磁環磁鋼呈筒狀，且與內基磁體同軸地位於內基磁體外；外線圈與內基磁體同軸地位於內磁環磁鋼外，外線圈相對內基磁體、第一端部磁鋼和第二端部磁鋼固定。由於包括外線圈，通過控制外線圈內電流的方向和大小，可以控制整個磁浮重力補償裝置在克服工件台的重力和柔性機構的彈力後的輸出力，滿足微動台的高運動性能要求。

Description

磁浮重力補償裝置和微動台

本發明涉及積體電路裝備製造領域，更具體地涉及一種磁浮重力補償裝置以及包括該裝置的微動台。

在半導體製造或者檢測領域，要求工件台具有矽片的交接和精密定位功能，而工件台中的核心執行機構是微動台，其可使矽片實現Z、Rx和Ry垂向三軸的精密定位。通常，垂向三軸微動台採用三點執行器佈局，為保證垂向性能，可應用柔性機構（例如彈性片等）作為微動台的運動解耦和導向，但在小行程範圍內，柔性機構的彈簧剛度為恆定值，其作用在垂向執行器上的反力是隨垂向位移線性增加或者減小的，但隨著工件台行程的增大，柔性機構剛度的非線性也逐漸增大。

因此，微動台執行器的輸出力需隨垂向行程調整，以補償掉柔性結構的變剛度，通常，微動台垂向執行器通常是採用零剛度重力補償裝置+音圈馬達的組合方案，零剛度重力補償裝置用於補償微動台中載台裝置的重力，載台裝置用於放置矽片，並帶動矽片移動，音圈馬達提供柔性機構的彈力和載台裝置垂向運動所需的推拉力，由於在不同垂向行程範圍內，柔性機構的剛度存在線性區域和非線性區域，所以單純控制音圈馬達的推拉力很難完全補償掉柔性機構的彈力和垂向運動的推拉力，而且在高加速度工況下，音圈馬達的出力較大、溫升較高，難以滿足微動台的高運動性能要求。

在現有技術中，一般會採用氣浮重力補償裝置，可通過比例閥來即時調節壓縮氣體的壓力可實現恆剛度的重力補償，但氣浮重力補償裝置結構非常複雜，且氣動的控制存在滯後性，對提高垂向性能有影響。

因此，本發明實施方式的目的在於提供一種磁浮重力補償裝置和微動台，本發明中的磁浮重力補償裝置結構和控制均簡單，並且結構緊湊，同時能夠滿足工件台的高運動性能要求。

為解決上述技術問題，本發明的實施方式提供了一種磁浮重力補償裝置，包括：

內基磁體，所述內基磁體沿軸向延伸；

第一端部磁鋼和第二端部磁鋼，所述第一端部磁鋼和所述第二端部磁鋼分別位於所述內基磁體的兩個軸向端並沿軸向延伸，且所述第一端部磁鋼和所述第二端部磁鋼的外徑分別沿遠離所述內基磁體的所述兩個軸向端方向逐漸增大；

內磁環磁鋼，所述內磁環磁鋼呈筒狀，且與所述內基磁體同軸地位於所述內基磁體外且與所述內基磁體徑向間隔開；

外線圈，所述外線圈與所述內基磁體同軸地位於所述內磁環磁鋼外，且與所述內磁環磁鋼徑向間隔開，所述外線圈相對所述內基磁體、所述第一端部磁鋼和所述第二端部磁鋼固定。

在一實施例中，所述內基磁體的充磁方向為軸向，所述第一端部磁鋼和所述第二端部磁鋼的充磁方向為從所述內基磁體沿軸向向外，所述內磁環磁鋼的充磁方向為從所述內磁環磁鋼的環內往環外。

在一實施例中，所述內基磁體的充磁方向為軸向，所述第一端部磁鋼和所述第二端部磁鋼的充磁方向為從外沿軸向指向所述內基磁體，所述內磁環磁鋼的充磁方向為從所述內磁環磁鋼的環外往環內。

在一實施例中，所述磁浮重力補償裝置還包括：與所述內磁環磁鋼同軸地位於所述外線圈外的外磁環磁鋼，且所述外磁環磁鋼與所述外線圈徑向間隔開，所述外磁環磁鋼相對所述內磁環磁鋼固定；

其中，所述外磁環磁鋼的充磁方向與所述內磁環磁鋼的充磁方向相同。

在一實施例中，所述外磁環磁鋼由沿周向彼此鄰接的多個弧形板組成；

各所述弧形板的充磁方向為徑向方向，或所述弧形板的充磁方向平行於所述弧形板周向中央的徑向方向。

在一實施例中，所述磁浮重力補償裝置還包括：與所述內磁環磁鋼同軸地位於所述外線圈外的外導磁環，所述外導磁環與所述外線圈徑向間隔開。

在一實施例中，所述內基磁體為永磁體，或所述內基磁體為內線圈，或所述永磁體與所述內線圈的組合，所述內線圈繞所述第一端部磁鋼和所述第二端部磁鋼度的軸線周向纏繞。

在一實施例中，所述內磁環磁鋼由沿周向彼此鄰接的多個弧板組成；各所述弧板的充磁方向為徑向方向，或所述弧板的充磁方向平行於所述弧板周向中央的徑向方向。

本發明還提供了一種微動台，包括：

載台裝置；

微動底座，所述載台裝置相對於所述微動底座垂向可滑動地連接至所述微動底座；

柔性機構，所述柔性機構包括彈性片，所述彈性片水平徑向延伸，且所述彈性片的徑向內端連接至所述載台裝置，所述彈性片的徑向外端連接至所述微動底座；以及

上述的磁浮重力補償裝置，所述內基磁體、所述第一端部磁鋼、所述第二端部磁鋼和所述外線圈組合成定子和動子中的一個，所述內磁環磁鋼為所述定子和所述動子中的另一個，所述磁浮重力補償裝置位於載台裝置下方，所述定子固定至所述微動底座，所述動子固定至所述載台裝置。

在一實施例中，所述磁浮重力補償裝置為多個，多個所述磁浮重力補償裝置的等效重心所在垂線與所述載台裝置重心所在垂線共線。

本發明實施方式相對於現有技術而言，本發明的磁浮重力補償裝置解決了現有技術氣動恆剛度重力補償裝置結構複雜，控制複雜，控制存在滯後性等問題；解決了現有重力補償裝置剛度為零或非線性的問題。本發明實現了在外線圈電流為零時，磁浮輸出力在線性區沿行程呈線性的特性，且在零位點處輸出力可抵消載台裝置重力；在非線性區，通過改變外線圈中的電流實現輸出力可調，來補償載台裝置重力和柔性機構的彈力。發明既能夠補償掉載台裝置的重力，又能在大行程範圍內平衡柔性機構的彈性變形反作用力，降低了垂向執行器的負荷，大大提高了微動台的垂向性能。另外，由於磁浮重力補償裝置還包括外線圈，通過控制外線圈內電流的方向和大小，從而可以控制整個磁浮重力補償裝置在克服載台裝置的重力和柔性機構的彈力後的輸出力，從而使得可以精確控制載台裝置的運動速度等，同時能夠滿足載台裝置的高運動性能要求。

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合圖式對本發明的各實施方式進行詳細的闡述。然而，本領域的普通技術人員可以理解，在本發明各實施方式中，為了使讀者更好地理解本申請而提出了許多技術細節。但是，即使沒有這些技術細節和基於以下各實施方式的種種變化和修改，也可以實現本申請所要求保護的技術方案。

在下文的描述中，出於說明各種公開的實施例的目的闡述了某些具體細節以提供對各種公開實施例的透徹理解。但是，相關領域技術人員將認識到可在無這些具體細節中的一個或多個細節的情況來實踐實施例。在其它情形下，與本申請相關聯的熟知的裝置、結構和技術可能並未詳細地示出或描述從而避免不必要地混淆實施例的描述。

除非語境有其它需要，在整個說明書和請求項中，詞語“包括”和其變型，諸如“包含”和“具有”應被理解為開放的、包含的含義，即應解釋為“包括，但不限於”。

以下將結合圖式對本發明的各實施例進行詳細說明，以便更清楚理解本發明的目的、特點和優點。應理解的是，圖式所示的實施例並不是對本發明範圍的限制，而只是為了說明本發明技術方案的實質精神。

在整個說明書中對“一個實施例”或“一實施例”的提及表示結合實施例所描述的特定特點、結構或特徵包括於至少一個實施例中。因此，在整個說明書的各個位置“在一個實施例中”或“在一實施例”中的出現無需全都指相同實施例。另外，特定特點、結構或特徵可在一個或多個實施例中以任何方式組合。

如該說明書和所附請求項中所用的單數形式“一”和“所述”包括複數指代物，除非文中清楚地另外規定。應當指出的是術語“或”通常以其包括“和/或”的含義使用，除非文中清楚地另外規定。

在以下描述中，為了清楚展示本發明的結構及工作方式，將借助諸多方向性詞語進行描述，但是應當將“前”、“後”、“左”、“右”、“外”、“內”、“向外”、“向內”、“上”、“下”等詞語理解為方便用語，而不應當理解為限定性詞語。並且下述各圖中坐標軸沿Z（第一方向Z）的方向為磁浮重力補償裝置的軸線方向，也就是垂向方向，這些方向性詞彙均為方便用語，不應理解為限定性詞語。本文中“X向”、“X方向”和“Y向”、“Y方向”表示沿水平方向彼此相交的方向，“Z向”和“Z方向”表示垂直方向。

需要說明的是，下列各示意圖中箭頭“→”方向代表磁化方向，“×”代表線圈截面。

下文參照圖式描述本發明第一實施例磁浮重力補償裝置，如圖1和圖2所示，磁浮重力補償裝置100包括：內基磁體1、第一端部磁鋼2、第二端部磁鋼3、內磁環磁鋼4和外線圈5，其中，內基磁體1呈圓筒狀並沿軸向延伸，內基磁體1為永磁體。第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3分別位於內基磁體1的兩個軸向端並沿軸向延伸，第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3的外徑分別沿遠離內基磁體1的兩個軸向端方向逐漸增大。內磁環磁鋼4呈圓筒狀，內磁環磁鋼4與內基磁體1同軸地位於內基磁體1外且與內基磁體1徑向間隔開。外線圈5與內基磁體1同軸且位於內磁環磁鋼4外，外線圈5與內磁環磁鋼4徑向間隔開。外線圈5一般配有功率放大器，因此可通過調節外線圈5內的電流來調節外線圈5產生的磁場。外線圈5相對內基磁體1、第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3固定，也就是，外線圈5與第一端部磁鋼2或者第二端部磁鋼3之間可以通過支架或者其他結構固定連接在一起。內基磁體1、第一端部磁鋼2、第二端部磁鋼3和外線圈5共同組成第一框架101，該第一框架101與內磁環磁鋼4之間相互磁作用，從而能夠相對於彼此軸向運動。可以設置成第一框架101為動子，而內磁環磁鋼4為定子，也可以設置成內磁環磁鋼4為動子，而第一框架101為定子。當第一框架101為動子時，則由第一框架101承載並帶動載台裝置運動，當內磁環磁鋼4為動子時，則由內磁環磁鋼4承載並帶動載台裝置運動。下文以第一框架101作為動子的情況為例對本發明的磁浮重力補償裝置100進行描述，下述中磁浮重力補償裝置100的行程或位移即為第一框架101相對於內磁環磁鋼4沿第一方向（Z）的位移。

本發明中的磁浮重力補償裝置100可應用於微動台中，一般而言，微動台包括：載台裝置、柔性機構7、微動底座104和上述實施例中的磁浮重力補償裝置100；載台裝置相對於微動底座104垂向可滑動地連接至微動底座104，如圖15A和圖15B所示，柔性機構7一端連接至載台裝置，另一端連接至微動底座104；磁浮重力補償裝置100位於載台裝置下方並構造成能夠對載台裝置的重力進行力補償。

具體地，如圖15A和圖15B所示，載台裝置包括：載台6和設置在載台6下方的旋轉底座103，其中載台6用於吸附矽片，可以通過真空吸附，也可採用靜電吸附等。柔性機構7包括多個彈性片71，彈性片71在微動底座104與旋轉底座103之間徑向水平延伸並在兩端分別與微動底座104與旋轉底座103固定連接。具體地，柔性機構7的徑向內端連接至旋轉底座103，而徑向外端連接至微動底座104。

如圖1和圖2所示，第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3呈具有軸向通孔的圓臺形，但應理解，第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3也可以採用實心結構而不脫離本發明的範圍。第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3的外徑尺寸均分別從靠近內基磁體1的兩軸向端朝下和朝上逐漸增大。第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3各設有軸向通孔，其軸向通孔與內基磁體1的軸向通孔同軸且具有相同的直徑且彼此連通。第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3的形狀和尺寸彼此相同，且關於內基磁體1的中分徑向面鏡像對稱。內磁環磁鋼4呈圓筒狀，且與內基磁體1同軸地位於內基磁體1外，並與內基磁體1徑向間隔開。在所示實施例中，第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3與內基磁體1鄰接，但應理解，其間也可設置一定的氣隙，該氣隙通常不大於1mm。

本實施例中的磁浮重力補償裝置100具有如下文所述的垂向補償和垂向驅動兩種功能。

如圖2和圖15A所示，第一框架101和內磁環磁鋼4之間無機械連接，在線性行程範圍內，柔性機構7的剛度恆定，且第一框架101與內磁環磁鋼4間相互作用可產生剛度不變的垂向作用力，其中當內磁環磁鋼4和內基磁體1相對於彼此軸向居中時即為裝置零位元點，由於裝置在零位元點時需補償載台裝置的重力，因而其對外輸出磁浮力需與載台裝置重力相等。此時柔性機構7彈力為零，外線圈5不通電，磁浮重力補償裝置100的輸出磁浮力方向垂向向上。由於在載台裝置與底座之間所設置的柔性機構7的彈力在線性行程範圍內隨載台裝置垂向運動而線性變化，因而，只有當磁浮重力補償裝置100的輸出磁浮力也隨載台裝置垂向運動而線性變化、且兩者變化斜率相等時，磁浮重力補償裝置100才能完全實現對載台裝置重力和柔性機構7彈力的補償作用。基於此，裝置中第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3的外徑尺寸需從靠近內基磁體1的兩端分別朝下和朝上逐漸增大，載台裝置在線性行程範圍內，磁浮重力補償裝置100輸出磁浮力等於柔性機構7的輸出彈力和載台裝置的重力之和。

圖5B中示出了磁浮重力補償裝置100的外線圈5中電流為零，線性行程範圍內輸出力模擬曲線。圖中橫軸表示磁浮重力補償裝置100的行程、縱軸表示輸出力。圖中標注了兩相反位移端點和零位點及其對應的輸出力。圖中x、-x為單向的極限位移、G為單個磁浮重力補償裝置100需補償的載台裝置重力，G+F、-F+G是單個磁浮重力補償裝置100在線性行程範圍端點的輸出力，假設磁浮重力補償裝置100的設計剛度為k，則正向行程端點x處磁浮重力補償裝置100的輸出力幅值為G+F=G+kx，由此可知磁浮重力補償裝置100的輸出力範圍為[-F+G，F+G]。從圖中可以看出，該磁浮重力補償裝置100的輸出力隨行程線性變化，從而能夠補償載台裝置的重力以及柔性機構7產生的線性變化的彈力。

綜上所述，在線性行程範圍內，外線圈5中電流為零的情況下，磁浮重力補償裝置100具有垂向補償作用，能夠補償掉載台裝置的重力和柔性機構7的彈力，且磁浮重力補償裝置100具有恆剛度的特性。

相比線性行程範圍內的情況，本磁浮重力補償裝置100還能運用在大行程範圍中。其與線性行程範圍的區別在於，線性行程範圍內柔性機構7的剛度恆定，大行程範圍包括線性行程範圍和超出線性行程範圍的非線性行程範圍，在非線性行程範圍內，柔性機構7的剛度不恆定。另外，如圖5A所示，圖中橫軸為磁浮重力補償裝置100沿第一方向（Z）的位移，縱軸為柔性機構7沿第一方向（Z）的輸出力。由圖可知，在第一方向位移的行程範圍內的線性區域A（既線性行程範圍），柔性機構7輸出剛度恆定，其彈力與位移呈線性變化，當磁浮重力補償裝置100在該區域外運動時，即在行程範圍內的非線性區域B中，此時柔性機構7的輸出剛度隨位移變化，其彈力與位移也呈非線性變化，但是通過第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3補償的力一直是呈線性變化的，在非線性區域運動時，第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3依然只能線性補償，將導致柔性機構7的有一部分彈力無法被補償掉，此時，可通過控制外線圈5內的電流方向和幅值產生相應方向和大小的勞倫茲力，來補償掉不能被第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3補償的該部分彈力。因此本磁浮重力補償裝置100在非線性區域B中也具有垂向補償作用。

結合上面線性行程範圍和非線性行程範圍，磁浮重力補償裝置100的輸出力用於補償載台裝置的重力和柔性機構7的彈力，當磁浮重力補償裝置100的第一框架101相對於內磁環磁鋼4沿第一方向（Z）在線性區域A的行程範圍內位移時，柔性機構7的輸出彈力線性變化，當外線圈5內電流為零時，由於第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3的外徑尺寸均分別從靠近內基磁體1的兩軸向端朝下和朝上逐漸增大，第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3的外徑尺寸變化梯度與柔性機構7輸出彈力的變化梯度一致，在線性區域A內，磁浮重力補償裝置100輸出磁浮力與柔性機構7的輸出彈力和載台裝置重力之和相等。

而在非線性區域，由於柔性機構7的輸出力呈非線性變化，當外線圈5內電流為零時，磁浮重力補償裝置100輸出磁浮力依然呈線性變化，因此浮重力補償裝置100輸出磁浮力不等於柔性機構7的輸出彈力幅值和載台裝置重力之和，此時可在外線圈5內通入電流，通過外線圈5內產生的軸向磁場來調節磁浮重力補償裝置100的輸出力，使得在第一框架101相對於內磁環磁鋼4在處於非線性區域的行程範圍內位移時，磁浮重力補償裝置100輸出磁浮力與柔性機構7的輸出彈力和載台裝置重力之和依然相等。

因此，具體地，本發明中的磁浮重力補償裝置100是一種線性行程範圍內恆剛度重力補償裝置，而在包括線性行程範圍和非線性行程範圍的大行程範圍內輸出力可調的高集成度裝置。即在微動台垂向運動模組的線性行程範圍內，當外線圈5的電流為零時，磁浮重力補償裝置100的輸出力可補償掉載台裝置的重力以及柔性機構7在線性區域內的彈力。在大行程範圍內，通過調節外線圈5的電流大小和方向，從而可以調節第一框架101與內磁環磁鋼4之間的相互作用力，使得磁浮重力補償裝置100的輸出力可調，即可提供柔性機構7在非線性區域的補償力。

在線性行程範圍內，本實施例磁浮重力補償裝置100的垂向補償作用還具有其他特徵，如圖5C所示，圖中橫軸為磁浮重力補償裝置100中第一框架101沿第一方向（Z）的位移，縱軸為磁浮重力補償裝置100沿第一方向（Z）的輸出力。圖中5條曲線分別對應外線圈5不同輸入電流工況下的磁浮重力補償裝置100的輸出力曲線。

需要說明的是，圖5C中外線圈5中電流是恆定的，在實際情況中，當磁浮重力補償裝置100處於大行程範圍時，為了補償掉柔性機構7的彈力，根據需要需逐步調整電流大小。

由圖5C和圖16可知，外線圈5的預設輸入電流分別為-2A、-1A、0A、1A和2A，其在零位點處對應磁浮重力補償裝置100的輸出力分別為m5、m4、m1、m2和m3，當輸入電流為0A時，此輸出力為沿第一方向的作用力m1，輸出力與微動台中磁浮重力補償裝置100的數量的乘積即為載台裝置重力。

當內磁環磁鋼4和內基磁體1相對於彼此軸向居中時即為裝置零位元點，且當外線圈5的電流為零時，磁浮重力補償裝置100輸出力與載台裝置的重力大小相等且方向相反，如果在零位點時磁浮重力補償裝置100無法完全補償掉載台裝置的重力或補償力超出了載台裝置的重力，則可通過改變外線圈5中電流大小來調整磁浮重力補償裝置100的輸出力，使得該輸出力能夠與載台裝置的重力匹配。此外，圖中每條輸出力曲線的線性度都很好（即都表現為恆剛度），利用第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3的錐度實現磁場的線性化，應用第一框架101磁場和內磁環磁鋼4磁場的相互作用實現了零位點處的載台裝置重力補償方案。

因此，本發明既補償了載台裝置的重力，又能根據載台裝置的重力做出調整，工作人員只需要簡單改變外線圈5中的電流便能使整個裝置在零位元點保持平衡，大大提高了生產效率和微動台的穩定性；同時，採用上述方式後，還使得磁浮重力補償裝置100結構緊湊，節約設計空間，集成程度很高。

需要說明的是，上述圖5C中所示出的圖為外線圈5中電流為恆值時的圖，但在實際情況中，當柔性機構7處於非線性區域時，外線圈5中電流需要進行根據柔性機構7的彈力變化而進行變化，從而使得磁浮重力補償裝置100的輸出力能夠完全補償掉載台裝置的重力與柔性機構7的彈力。

本實施例中的磁浮重力補償裝置100除了上述垂向補償作用，還具有垂向驅動作用。如圖5C可知，當外線圈5內輸入不同電流時，磁浮重力補償裝置100具有不同的輸出力。同理，控制外線圈5的電流方向和幅值即可控制載台裝置的運動方向和加速度，起到垂向驅動作用。

在線性行程範圍內，磁浮重力補償裝置100具有恆剛度的特性，磁浮重力補償裝置100始終能補償載台裝置的重力和柔性機構7的彈力。在初始的零點位時，無論外線圈5是否有恆定電流，只需要簡單改變外線圈5中的電流方向和幅值就能提供載台裝置運動所需的加速度力，使載台裝置快速作出反應，例如快速加速或減速，既同時起到垂向補償和垂向驅動的作用。而且這種控制使線圈部分電流較小、溫升較低，可使載台裝置滿足高動態回應的應用需求。

在大行程範圍中，外線圈5需要不斷改變電流方向和幅值以補償部分柔性機構7的非線性彈力，在此基礎上再通過計算改變外線圈5中的電流方向和幅值仍然能夠提供載台裝置運動所需的加速度力。

綜上所述，磁浮重力補償裝置100既具有垂向補償作用，又具有垂向驅動作用。因此，運用到微動台後，可以不需要單獨設置垂向驅動裝置，節約了微動台的設計空間，使微動台的結構更加緊湊，集成程度很高。在本發明中，由於外線圈5只需提供載台裝置運動所需的軸向加速度的力和柔性機構7在非線性區域的補償力，因此其線圈部分電流較小、溫升較低，因此可使載台裝置滿足高動態回應的應用需求，例如快速加速或減速。而且本發明中的磁浮重力補償裝置100因為結構緊湊，因此能夠節約載台裝置設計空間，集成程度很高。

另外，需要說明的是由於設置了外線圈5，因此使得磁浮重力在大行程範圍內也可以實現補償載台裝置的重力和柔性機構7的彈力的作用，如圖5A所示。而且由於增加了外線圈5，當內磁環磁鋼4和內基磁體1相對於彼此軸向居中時即為裝置零位元點，通過調節外線圈5中電流的大小還可以輔助補償載台裝置的重量。

另外，如圖2至圖4所述，具體地，在本實施例中，第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3的充磁方向為從內基磁體1沿軸向向外，內基磁體1的充磁方向可以與第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3中的任意一個相同，在本實施例中，內基磁體1的充磁方向與第一端部磁鋼2相同，內磁環磁鋼4的充磁方向為沿徑向向外。而外線圈5的磁場可以根據需要隨意調整。當然，在有些實施例中，第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3的充磁方向也可以沿軸向從外指向內基磁體1方向，即與上述從內基磁體1沿軸向向外的方向相反，而內磁環磁鋼4的充磁方向也可以相應地設置成徑向向內。

在有些實施例中，如圖1、圖3和圖4所示，內磁環磁鋼4由沿周向鄰接的多個弧板41組成，並且如圖3所示各弧板41的充磁方向設置成沿內磁環磁鋼4的徑向，即弧板41內不同周向位置處的充磁方向均沿徑向方向；或者如圖4所示弧板41的充磁方向平行於弧板41周向中央的徑向方向，即弧板41的各磁感線均平行設置且與弧板41周向對稱平面平行。當弧板41內各磁感線均平行時，方便對各弧板41進行充磁。只需要將弧板41放入平行磁場中，即可完成充磁。

如圖1所示，內磁環磁鋼4由8塊分塊磁鋼拼接而成。其中8塊分塊磁鋼為由一圓筒以45°等角間隔沿徑向平分的弧板41。但應理解，內磁環磁鋼4也可其他數量的分塊磁鋼拼接而成，為了消除內磁環磁鋼4產生的徑向不平衡力，其分塊數N設為偶數，例如2塊、4塊、6塊等。內磁環磁鋼4由分塊磁鋼拼接而成便於磁鋼進行充磁和加工。當然，需要說明的是，在有些實施例中，內磁環磁鋼4還可以是一體式磁環。

本發明第二實施例提供了一種磁浮重力補償裝置100，本實施例與第一實施例基本相同，區別點在於，如圖6和圖7所示，本實施例中的磁浮重力補償裝置100還可以包括外磁環磁鋼8，該外磁環磁鋼8與內磁環磁鋼4同軸設置，並且位於外線圈5外，同時與外線圈5沿徑向間隔開。外磁環磁鋼8的充磁方向與內磁環磁鋼4的充磁方向相同，也就是說，外磁環磁鋼8的充磁方向可徑向向外或徑向向內。

另外，外磁環磁鋼8與內磁環磁鋼4相對固定，外磁環磁鋼8與內磁環磁鋼4可以通過支架或者連接桿等裝置固定在一起，也就是外磁環磁鋼8和內磁環磁鋼4共同組成第二框架102，該第二框架102可以是定子或動子，該第二框架102與上述第一框架101之間產生相互磁作用力而能夠相對於彼此運動，第一框架101和第二框架102中的任意一個為動子，而另一個為定子。

在本發明中的磁浮重力補償裝置100中，第一框架101與第二框架102之間無機械連接，行程範圍內，第一框架101中內基磁體1、第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3與第二框架102中內磁環磁鋼4和外磁環磁鋼8的磁場之間相互作用可產生垂向向上、大小恆定的磁浮作用力，該磁浮作用力與載台裝置垂向運動機構在零位點處的重力相等、方向相反；第一框架101中第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3的外側錐度可使第一框架101的輸出磁力趨於線性化，內基磁體1、第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3與第二框架102中內磁環磁鋼4和外磁環磁鋼8磁場間相互作用可產生垂向向上、剛度恆定的磁浮作用力，兩作用力疊加即可實現輸出恆剛度的垂向磁浮力。

外線圈5通常配有功率放大器，以調節外線圈5的電流輸入，由勞倫茲力定律，即磁場對運動電荷會產生勞倫茲力，外線圈5沿徑向佈置在內磁環磁鋼4和外磁環磁鋼8之間，通過調節所述第一框架101中外線圈5輸入電流的方向和幅值，可使外線圈5與第二框架102磁場相互作用產生不同的勞倫茲力，該勞倫茲力可使第一框架101與第二框架102按照預設軌跡產生相對位移，此時外線圈5無需克服載台裝置的重力，只需提供運動所需的加速度的力和柔性機構7在非線性區域的彈力中超出線性部分的擾動力的補償力即可，因此磁浮重力補償裝置100的電流小、溫升低，載台裝置可滿足高動態回應的應用需求。

另外，如圖6、圖8和圖9所示，外磁環磁鋼8還可以由沿周向彼此鄰接的多個弧形板81組成，或者，在有些實施例中，外磁環磁鋼8還可以是一個完整的磁環，如圖8所示各弧形板81的充磁方向沿外磁環磁鋼8的徑向設置，或如圖9所示弧形板81的充磁方向平行於弧形板81周向中央的徑向方向。也就是弧形板81的各磁感線可以沿外磁環磁鋼8的徑向設置，或者弧形板81的各磁感線均平行設置且與弧板41的周向對稱面平行，當各磁感線均平行時，方便對各弧形板81進行充磁。只需要將弧形板81放入平行磁場中，即可完成充磁。

如圖6所示，外磁環磁鋼8由8塊分塊磁鋼拼接而成。其中8塊分塊磁鋼為由一圓筒以45°等角間隔沿徑向平分的弧形板81磁鋼。但應理解，外磁環磁鋼8也可以其他數量的分塊磁鋼拼接而成，為了消除外磁環磁鋼8產生的徑向不平衡力，其分塊數N設為偶數，例如2塊、4塊、6塊等。外磁環磁鋼8由分塊磁鋼拼接而成便於磁鋼進行充磁和加工。

本實施例的磁感線如圖10所示，圖中給出了圖6的軸向剖面示意圖的一部分，圖中磁感線走向與設計的磁路基本一致。

本發明第三實施例提供了一種磁浮重力補償裝置100，第三實施例與第一實施例基本相同，其主要區別點在於，如圖11所示，在本實施例中的磁浮重力補償裝置100還包括：與內磁環磁鋼4同軸地位於外線圈5外的外導磁環10，外導磁環10與外線圈5徑向間隔開，該外導磁環10採用導磁材料做成，例如鐵或者高導磁（Fe Si B）98（Cu Nb）2非晶合金等導磁材料。通過外導磁環10可以加強整個磁浮重力補償裝置100的磁場。

另外，外導磁環10由沿周向彼此鄰接的多個圓弧板組成，當然，也可以是一體式的圓環。

本發明第四實施例提供了一種磁浮重力補償裝置100，第四實施例與第二實施例基本相同，其主要區別點在於，在第二實施例中，內基磁體1為永磁體，如圖12和圖13所示，而在本實施例中內基磁體1為內線圈12。當然，為了固定內線圈12，內線圈12可沿內環11的軸線纏繞於內環11上，該內環11可以是普通材質，也可以是導磁體或者永磁體。而第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3設置在內環11的軸向方向的兩端。在該內環11由永磁體形成的情況下，永磁體和內線圈12共同構成內基磁體1，與第一端部磁鋼2和第二端部磁鋼3共同形成第一框架101，以與第二框架102相互作用產生磁浮力。應理解，內線圈12也可通過其它方式固定，只要其位於第一端部磁鋼2與第二端部磁鋼3之間且其中的導線繞軸線周向纏繞即可，內線圈12中的電流方向可以根據需要進行調整，如圖13所示，內線圈12通電後，內線圈12的磁力方向沿軸線向上，在有些實施例中，當內線圈12的電流方向相反時，內線圈12的磁力方向可以沿軸線向下。

內線圈12通常配有功率放大器，以調節內線圈12的輸入，由右手螺旋定則，通過調節所述第一框架101中內線圈12輸入電流的方向和幅值，以匹配不同重量的載台裝置的重力，從而提高磁浮重力補償裝置100的適用範圍。

當外線圈5電流為零時，磁浮重力補償裝置100所產生的磁作用力將載台裝置的重力和柔性機構7的彈力補償掉後，可通過調節外線圈5電流的方向和幅值，使磁浮重力補償裝置100沿預設軌跡做高加速度運動，提高了載台裝置沿第一方向（Z）的運動性能。

本實施例給出結構對應的磁感線如圖14A和圖14B所示，圖中給出了圖13的軸向剖面示意圖的一部分，圖14A為內線圈12通電而外線圈5未通電時的磁感線圖，圖14B為內線圈12未通電且外線圈5也未通電時的磁感線圖。由圖可知，磁感線沿第一平面（XoY）鏡像對稱。

以上已詳細描述了本發明的較佳實施例，但應理解到，若需要，能修改實施例的方面來採用各種專利、申請和出版物的方面、特徵和構思來提供另外的實施例。

考慮到上文的詳細描述，能對實施例做出這些和其它變化。一般而言，在請求項中，所用的術語不應被認為限制在說明書和請求項中公開的具體實施例，而是應被理解為包括所有可能的實施例連同這些請求項所享有的全部等同範圍。

另外，需要說明的是，上述各實施例中提到的相關技術細節和所能達到的技術效果在其他實施方式中依然有效，為了減少重複，在有些實施例中就沒有一一重複贅述。

本發明還提供了一種微動台，如圖15A至圖16所示，微動台包括：載台裝置、柔性機構7、微動底座104和上述各實施例中任意實施例中的磁浮重力補償裝置100；載台裝置相對於微動底座104垂向可滑動地連接至微動底座104，柔性機構7包括多個彈性片71，彈性片71水平徑向延伸，且彈性片71的徑向內端連接至載台裝置，彈性片71的徑向外端連接至微動底座104；磁浮重力補償裝置100位於載台裝置下方並構造成能夠對載台裝置進行力補償。具體地，內基磁體1、第一端部磁鋼2、第二端部磁鋼3和外線圈5組合成定子和動子中的一個，內磁環磁鋼4為定子和動子中的另一個，磁浮重力補償裝置100位於載台裝置下方，磁浮重力動子支撐所述載台裝置。

具體地，載台裝置包括：載台6和設置在載台6下方的旋轉底座103，柔性機構7在微動底座104與旋轉底座103之間徑向延伸並在兩端與微動底座104與旋轉底座103固定連接。具體地，柔性機構7的徑向內端連接至旋轉底座103，而徑向外端連接至微動底座104。

另外，如圖15B所示，柔性機構7包括多個彈性片71，各彈性片71繞載台裝置的中心環設在載台裝置的外周，各彈性片71徑向方向的外側與微動台的其他部件連接，磁浮重力補償裝置100為多個，各磁浮重力補償裝置100並列設置，且相互隔開。當然，在有些實施例中，磁浮重力補償裝置100也可以只有一個。

圖16中示出了使用根據本發明的磁浮重力補償裝置100的載台裝置的仰視圖。在載台裝置的下方設有凹腔，用於容納根據本發明的磁浮重力補償裝置100。其中載台裝置下方的凹腔可以是一個、兩個、三個或四個。圖中示出了一個磁浮重力補償裝置100中心點佈置、兩個磁浮重力補償裝置100並排佈置、三個磁浮重力補償裝置100呈例如正三角形佈置以及四個磁浮重力補償裝置100是呈正方形佈置的示意圖，但應理解，也可設置其他數量和其他佈置的磁浮重力補償裝置100。使用磁浮重力補償裝置100的工作臺的形狀也不限於圖示正方形，而是可以根據需要設置成任何形狀。應理解，若干個磁浮重力補償裝置100的等效重心所在垂線需與垂向運動機構重心所在垂線共線。

如圖16所示，根據本發明的磁浮重力補償裝置100能夠提供隨行程線性變化的磁浮力，即能夠補償載台裝置的重力，又能夠補償柔性機構7產生的彈力，能夠滿足某些情況下微動台對於重力補償的需求。又由於外線圈5只需提供載台裝置運動所需的加速度驅動力和柔性機構在變剛度區域的補償力，因此其線圈部分電流較小、溫升較低，使載台裝置可滿足高動態回應的應用需求。而且採用本發明中的磁浮重力補償裝置100因為結構緊湊，因此能夠節約載台裝置設計空間，集成程度很高。

另外，需要說明的是，微動台中的其他部件結構和連接關係可參照公開號為CN112259488B的申請中的描述，該專利公開以參見的方式納入本文。

本領域的普通技術人員可以理解，上述各實施方式是實現本發明的具體實施例，而在實際應用中，可以在形式上和細節上對其作各種改變，而不偏離本發明的精神和範圍。

1:內基磁體 11:內環 12:內線圈 2:第一端部磁鋼 3:第二端部磁鋼 4:內磁環磁鋼 41:弧板 5:外線圈 6:載台 7:柔性機構 71:彈性片 8:外磁環磁鋼 81:弧形板 10:外導磁環 100:磁浮重力補償裝置 101:第一框架 102:第二框架 103:旋轉底座 104:微動底座

一個或多個實施例通過與之對應的圖式中的圖片進行示例性說明，這些示例性說明並不構成對實施例的限定，圖式中具有相同參考數位標號的元件表示為類似的元件，除非有特別申明，圖式中的圖不構成比例限制。 圖1是本發明第一實施例中磁浮重力補償裝置的結構示意圖； 圖2是圖1的軸向剖視圖； 圖3是弧板中磁感線沿徑向設置時的結構示意圖； 圖4是弧板中磁感線平行設置時的結構示意圖； 圖5A是柔性機構的輸出力曲線圖； 圖5B是外線圈電流為零時，線性行程範圍內磁浮重力補償裝置輸出力曲線圖； 圖5C是本發明第一實施例中線性行程範圍內磁浮重力補償裝置輸出力曲線圖； 圖6是本發明第二實施例中磁浮重力補償裝置的結構示意圖； 圖7是圖6的軸向剖視圖； 圖8是弧形板中磁感線沿徑向設置時的結構示意圖； 圖9是弧形板中磁感線平行設置時的結構示意圖； 圖10本發明第二實施例中外線圈不通電時的磁感線圖； 圖11是本發明第三實施例中磁浮重力補償裝置的結構示意圖； 圖12是本發明第四實施例中磁浮重力補償裝置的結構示意圖； 圖13是圖12的軸向剖視圖； 圖14A是本發明第四實施例中內線圈和外線圈均不通電時的磁感線圖； 圖14B是本發明第四實施例中內線圈通電而外線圈均不通電時的磁感線圖； 圖15A是本發明中微動台的結構示意圖； 圖15B是本發明中柔性機構的結構示意圖；以及 圖16是本發明中磁浮重力補償裝置的數量不同時的微動台的結構示意圖。

1:

2:第一端部磁鋼

4:內磁環磁鋼

41:弧板

5:外線圈

Claims (9)

1. 一種磁浮重力補償裝置，其中，包括：內基磁體，所述內基磁體沿軸向延伸；第一端部磁鋼和第二端部磁鋼，所述第一端部磁鋼和所述第二端部磁鋼分別位於所述內基磁體的兩個軸向端並沿軸向延伸，且所述第一端部磁鋼和所述第二端部磁鋼的外徑分別沿遠離所述內基磁體的所述兩個軸向端方向逐漸增大；內磁環磁鋼，所述內磁環磁鋼呈筒狀，且與所述內基磁體同軸地位於所述內基磁體外且與所述內基磁體徑向間隔開；外線圈，所述外線圈與所述內基磁體同軸地位於所述內磁環磁鋼外，且與所述內磁環磁鋼徑向間隔開，所述外線圈相對所述內基磁體、所述第一端部磁鋼和所述第二端部磁鋼固定；所述內基磁體為永磁體，或所述永磁體與內線圈的組合，所述內線圈繞所述第一端部磁鋼和所述第二端部磁鋼度的軸線周向纏繞。
2. 根據請求項1所述的磁浮重力補償裝置，其中，所述內基磁體的充磁方向為軸向，所述第一端部磁鋼和所述第二端部磁鋼的充磁方向為從所述內基磁體沿軸向向外，所述內磁環磁鋼的充磁方向為從所述內磁環磁鋼的環內往環外。
3. 根據請求項1所述的磁浮重力補償裝置，其中，所述內基磁體的充磁方向為軸向，所述第一端部磁鋼和所述第二端部磁鋼的充磁方向為從外沿軸向指向所述內基磁體，所述內磁環磁鋼的充磁方向為從所述內磁環磁鋼的環外往環內。
4. 根據請求項2或3所述的磁浮重力補償裝置，其中，所述磁浮重力補償裝置還包括：與所述內磁環磁鋼同軸地位於所述外線圈外的外磁環磁鋼，且所述外磁環磁鋼與所述外線圈徑向間隔開，所述外磁環磁鋼相對所述內磁環磁鋼固定；其中，所述外磁環磁鋼的充磁方向與所述內磁環磁鋼的充磁方向相同。
5. 根據請求項4所述的磁浮重力補償裝置，其中，所述外磁環磁鋼由沿周向彼此鄰接的多個弧形板組成；各所述弧形板的充磁方向為徑向方向，或所述弧形板的充磁方向平行於所述弧形板周向中央的徑向方向。
6. 根據請求項1所述的磁浮重力補償裝置，其中，所述磁浮重力補償裝置還包括：與所述內磁環磁鋼同軸地位於所述外線圈外的外導磁環，所述外導磁環與所述外線圈徑向間隔開。
7. 根據請求項1所述的磁浮重力補償裝置，其中，所述內磁環磁鋼由沿周向彼此鄰接的多個弧板組成；各所述弧板 的充磁方向為徑向方向，或所述弧板的充磁方向平行於所述弧板周向中央的徑向方向。
8. 一種微動台，其中，包括：載台裝置；微動底座，所述載台裝置相對於所述微動底座垂向可滑動地連接至所述微動底座；柔性機構，所述柔性機構包括彈性片，所述彈性片水平徑向延伸，且所述彈性片的徑向內端連接至所述載台裝置，所述彈性片的徑向外端連接至所述微動底座；以及如請求項1至7任意一項所述的磁浮重力補償裝置，所述內基磁體、所述第一端部磁鋼、所述第二端部磁鋼和所述外線圈組合成定子和動子中的一個，所述內磁環磁鋼為所述定子和所述動子中的另一個，所述磁浮重力補償裝置位於所述載台裝置下方，所述定子固定至所述微動底座，所述動子固定至所述載台裝置。
9. 根據請求項8所述的微動台，其中，所述磁浮重力補償裝置為多個，多個所述磁浮重力補償裝置的等效重心所在垂線與所述載台裝置重心所在垂線共線。