本發(fā)明屬于重力補償結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種低剛度的磁懸浮重力補償器及微動臺結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

在許多先進(jìn)的工業(yè)設(shè)備中，需要實現(xiàn)運動部件的六自由度運動，并對其進(jìn)行精密定位，例如光刻機中的掩膜臺和工件臺等，其中z向執(zhí)行機構(gòu)多采用洛倫茲線圈或者電磁鐵，二者分別利用洛倫茲力或者磁阻力控制運動部件的法向偏移和俯仰偏轉(zhuǎn)。對于光刻機中的超精密定位工件臺，如何使承載硅片的微動臺部件在曝光過程中免受由基礎(chǔ)框架振動引起的干擾至關(guān)重要，因此需要對微動臺進(jìn)行減振和隔振，這就要求z向執(zhí)行機構(gòu)在定位運動的同時應(yīng)具有很低的法向剛度。

以工作臺分系統(tǒng)為例，如何使微動臺在曝光過程中免受工作臺系統(tǒng)和基礎(chǔ)框架振動的干擾至關(guān)重要，需要采取行之有效的方案對微動臺模塊進(jìn)行減振和隔振。磁懸浮重力補償器正是在此背景下出現(xiàn)的新型z向電磁執(zhí)行機構(gòu)，其利用永磁體時間的作用力對運動部件的質(zhì)量進(jìn)行補償，同時利用洛倫茲線圈進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，通過被動隔振與主動減震相結(jié)合的方式，使運動部件形成一個獨立的內(nèi)部系統(tǒng)。

目前，本領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)人員已經(jīng)做了一些研究，如專利cn104847825a公開了一種陣列式磁懸浮重力補償器，所述陣列式磁懸浮重力補償器包括兩個定子結(jié)構(gòu)及一個動子結(jié)構(gòu)，兩個所述動子結(jié)構(gòu)分別從所述動子結(jié)構(gòu)的上、下兩側(cè)對所述動子機構(gòu)施加磁吸力及磁斥力，來實現(xiàn)所述動子結(jié)構(gòu)的重力補償；然而，所述陣列式磁浮重力補償器的法向剛度較高。相應(yīng)地，本領(lǐng)域存在著發(fā)展一種低剛度的磁懸浮重力補償器的技術(shù)需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種低剛度的磁懸浮重力補償器及微動臺結(jié)構(gòu)，其基于磁懸浮重力補償器的工作特點，針對磁懸浮重力補償器的部件及部件聯(lián)接關(guān)系進(jìn)行了設(shè)計。所述低剛度的磁懸浮重力補償器的內(nèi)永磁陣列環(huán)的厚度大于所述外永磁陣列環(huán)的厚度，使得動子磁場徑向分量在所述外永磁陣列環(huán)與所述內(nèi)永磁陣列環(huán)之間的間隙中部具有沿軸向線性變化特性；通過控制所述定子磁環(huán)的壁厚可獲得高次動子懸浮力-軸向位移特性曲線，使得動子結(jié)構(gòu)在工作范圍內(nèi)可近零剛度磁力懸浮，實現(xiàn)動子重力補償及位置調(diào)節(jié)。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種低剛度的磁懸浮重力補償器，其包括動子結(jié)構(gòu)及定子結(jié)構(gòu)，所述動子結(jié)構(gòu)包括外永磁陣列環(huán)、內(nèi)永磁陣列環(huán)及動子支撐框架，所述動子支撐框架形成有環(huán)形槽，所述外永磁陣列環(huán)及所述內(nèi)永磁陣列環(huán)分別設(shè)置在所述環(huán)形槽相對的兩個側(cè)壁上，其特征在于：

所述內(nèi)永磁陣列環(huán)的厚度大于所述外永磁陣列環(huán)的厚度，且所述內(nèi)永磁陣列環(huán)與所述外永磁陣列環(huán)之間形成有環(huán)形的間隙；

所述定子結(jié)構(gòu)包括收容于所述環(huán)形槽內(nèi)的線圈支架及嵌設(shè)在所述線圈支架上的定子永磁環(huán)，所述定子永磁環(huán)的高度大于厚度，所述定子永磁環(huán)位于所述間隙內(nèi)，且所述定子永磁環(huán)與所述內(nèi)永磁陣列環(huán)的間距小于所述定子永磁環(huán)與所述外永磁陣列環(huán)的間距。

進(jìn)一步地，所述定子永磁環(huán)的厚度大于等于4毫米且小于等于4.5毫米。

進(jìn)一步地，所述定子永磁環(huán)的厚度為4.2毫米。

進(jìn)一步地，所述定子永磁環(huán)的最大高度為6毫米。

進(jìn)一步地，所述外永磁陣列環(huán)及所述內(nèi)永磁陣列環(huán)均是由三個充磁方向依次旋轉(zhuǎn)90°的環(huán)形永磁體疊加構(gòu)成。

進(jìn)一步地，所述定子結(jié)構(gòu)還包括第一組線圈及第二組線圈，所述第一組線圈及所述第二組線圈分別設(shè)置在所述線圈支架相背的兩端，且兩者相對于所述線圈支架的幾何中心對稱設(shè)置。

進(jìn)一步地，所述線圈支架呈環(huán)形；所述第一組線圈及所述第二組線圈均包括有兩個線圈，同組的兩個線圈分別嵌設(shè)在所述線圈支架的內(nèi)壁及外壁上。

進(jìn)一步地，所述內(nèi)永磁陣列環(huán)位于所述外永磁陣列環(huán)之內(nèi)；所述線圈支架開設(shè)有與所述環(huán)形槽相連通的環(huán)形收容槽，所述定子永磁環(huán)收容于所述環(huán)形收容槽內(nèi)。

按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種微動臺結(jié)構(gòu)，其其包括承載件，其特征在于：所述微動臺結(jié)構(gòu)還包括如上所述的低剛度的磁懸浮重力補償器，所述磁懸浮重力補償器設(shè)置在所述承載件上。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的低剛度的磁懸浮重力補償器及微動臺結(jié)構(gòu)主要具有以下有益效果：

(1)內(nèi)永磁陣列環(huán)的厚度大于外永磁陣列環(huán)的厚度，使得動子磁場徑向分量在所述外永磁陣列環(huán)與所述內(nèi)永磁陣列環(huán)之間的間隙中部具有沿軸向線性變化特性，且定子永磁環(huán)與內(nèi)永磁陣列環(huán)的間距小于定子永磁環(huán)與外永磁陣列環(huán)的間距，使得定子永磁環(huán)在一定工作范圍內(nèi)位移時，其所處的磁場變化較?。?/p>

(2)通過控制定子永磁環(huán)的壁厚可獲得高次動子懸浮力-軸向位移特性曲線，使得動子結(jié)構(gòu)在工作范圍內(nèi)可近零剛度磁力懸浮，實現(xiàn)動子重力補償及位置調(diào)節(jié)；

(3)磁懸浮重力補償器的結(jié)構(gòu)簡單，適用范圍較廣，如可適用于加工設(shè)備、測量儀器等需要隔振、定位的超精密平臺；

(4)所述微動臺結(jié)構(gòu)具有的磁懸浮重力補償器具有很低的法向剛度，使得所述微動臺結(jié)構(gòu)具有較好的減振和隔振效果，進(jìn)而使得所述微動臺承載的產(chǎn)品免受基礎(chǔ)框架振動引起的干擾。

附圖說明

圖1是本發(fā)明較佳實施方式提供的低剛度的磁懸浮重力補償器的剖視圖；

圖2是圖1中的低剛度的磁懸浮重力補償器的永磁體和線圈的分布圖；

圖3是圖1中的低剛度的磁懸浮重力補償器的定子永磁環(huán)的等效電流模型圖；

圖4是圖1中的低剛度的磁懸浮重力補償器的動子永磁陣列的磁感線分布圖；

圖5是圖1中的低剛度的磁懸浮重力補償器的兩組動子永磁陣列環(huán)之間的五條直線處的磁場徑向分量與軸向位置之間的關(guān)系圖；

圖6是圖1中的低剛度的磁懸浮重力補償器的兩組動子永磁陣列之間的五條直線處的磁場徑向分量變化率與軸向位置之間的關(guān)系圖；

圖7是圖1中的低剛度的磁懸浮重力補償器在不同定子永磁環(huán)厚度時的磁懸浮力與定子結(jié)構(gòu)的法向位移之間的關(guān)系圖；

圖8是圖1中的低剛度的磁懸浮重力補償器在不同定子永磁環(huán)厚度時的法向剛度與定子結(jié)構(gòu)的法向位移之間的關(guān)系圖。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1-第一永磁體，2-第二永磁體，3-第三永磁體，4-第四永磁體，5-第五永磁體，6-第六永磁體，7-第七永磁體，8-第一組線圈，9-第二組線圈，23-線圈，10-動子結(jié)構(gòu)，11-動子永磁陣列環(huán)，12-動子支撐框架，20-定子結(jié)構(gòu)，21-線圈支架，22-定子永磁環(huán)，24-基座。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

請參閱圖1及圖2，本發(fā)明較佳實施方式提供的低剛度的磁懸浮重力補償器，所述磁懸浮重力補償器包括動子結(jié)構(gòu)10及定子結(jié)構(gòu)20，所述定子結(jié)構(gòu)20分別自所述動子結(jié)構(gòu)10的上、下兩側(cè)對所述動子結(jié)構(gòu)10施加磁吸力和磁斥力，以實現(xiàn)所述動子結(jié)構(gòu)10的重力補償。

所述動子結(jié)構(gòu)10包括兩組動子永磁陣列環(huán)11及動子支撐框架12，所述動子支撐框架12形成有環(huán)形槽，兩組所述動子永磁陣列環(huán)11分別設(shè)置在所述環(huán)形槽相對的兩個壁面上，且兩個所述動子永磁陣列環(huán)11相對間隔設(shè)置。本實施方式中，兩組所述動子永磁陣列環(huán)11分別為外永磁陣列環(huán)及內(nèi)永磁陣列環(huán)，所述外永磁陣列環(huán)及所述內(nèi)永磁陣列環(huán)均為halbach永磁陣列環(huán)，所述內(nèi)永磁陣列環(huán)位于所述外永磁陣列環(huán)之內(nèi)。

所述動子結(jié)構(gòu)10產(chǎn)生的磁場(稱動子磁場)集中于所述外永磁陣列環(huán)及所述內(nèi)永磁陣列環(huán)之間的間隙，調(diào)整所述外永磁陣列環(huán)及所述內(nèi)永磁陣列環(huán)的厚度的比值來使得動子磁場徑向分量在所述外永磁陣列環(huán)及所述內(nèi)永磁陣列環(huán)之間的間隙中部具有沿軸向線性變化特性。本實施方式中，所述內(nèi)永磁陣列環(huán)的厚度與所述外永磁陣列環(huán)的厚度之比大于1，即所述內(nèi)永磁陣列環(huán)的厚度大于所述外永磁陣列環(huán)的厚度。

請參閱圖3，所述外永磁陣列環(huán)及所述內(nèi)永磁陣列環(huán)均是由三個充磁方向依次旋轉(zhuǎn)90°的環(huán)形永磁體構(gòu)成。所述內(nèi)永磁陣列環(huán)包括第一永磁體1、第三永磁體3及第六永磁體6，所述第一永磁體1及所述第三永磁體3及所述第六永磁體6自上而下依次疊加設(shè)置，且充磁方向依次旋轉(zhuǎn)90°。本實施方式中，所述第一永磁體1、所述第三永磁體3及所述第六永磁體6均為環(huán)形的永磁體。

所述外永磁陣列環(huán)包括第二永磁體2、第五永磁體5及第七永磁體7，所述第二永磁體2、所述第五永磁體5及所述第七永磁體7自上而下疊加設(shè)置，且充磁方向依次旋轉(zhuǎn)90°，如圖3所示(圖內(nèi)箭頭表示充磁方向)。本實施方式中，所述第二永磁體2、所述第五永磁體5及所述第七永磁體7均為環(huán)形的永磁體。

所述定子結(jié)構(gòu)20包括收容于所述環(huán)形槽內(nèi)的線圈支架21、嵌設(shè)在所述線圈支架21上的定子永磁環(huán)22及連接所述線圈支架21的基座24。所述線圈支架21基本呈環(huán)形，其形成有與所述環(huán)形槽相連通的環(huán)形收容槽。所述定子永磁環(huán)22收容于所述環(huán)形收容槽內(nèi)，其位于所述外永磁陣列環(huán)及所述內(nèi)永磁陣列環(huán)之間。本實施方式中，所述定子永磁環(huán)22的中心軸距離所述內(nèi)永磁陣列環(huán)的距離小于所述定子永磁環(huán)22的中心軸距離所述外永磁陣列環(huán)的距離；所述定子永磁環(huán)22包括第四永磁體4，所述第四永磁體4為環(huán)形。所述定子永磁環(huán)22的厚度與高度之比小于1。所述定子永磁環(huán)22在一定工作范圍內(nèi)位移，其所處的磁場變化小并可產(chǎn)生高次的懸浮力。所述定子永磁環(huán)22的厚度大于等于4毫米且小于等于4.5毫米。

所述定子結(jié)構(gòu)20還包括第一組線圈8及所述第二組線圈9，所述第一組線圈8及所述第二組線圈9分別設(shè)置在所述線圈支架21相背的兩端，且兩者相對于所述線圈支架21的幾何中心對稱設(shè)置。本實施方式中，所述第一組線圈8及所述第二組線圈9均包括兩個線圈23，同組的兩個所述線圈23分別嵌設(shè)在所述線圈支架21的內(nèi)壁及外壁上。

請參閱圖3，環(huán)形永磁體可以用等效電流模型進(jìn)行解析，對于均勻變化的環(huán)形永磁體，永磁體內(nèi)部的等效體電流密度為零，僅存在面電路密度。由于磁化強度與環(huán)形永磁體的兩個側(cè)面的法向量平行，故兩個側(cè)面無等效電流分布，而在環(huán)形永磁體的底面和頂面存在面電流。

假設(shè)等效電流模型的長度為l，底面和頂面存在的面電流為i，底面存在的電流與底面存在的電流的方向相反，在底面有磁場軸向分量by1和徑向分量bx1，在頂面有有軸向分量by2和徑向分量bx2，則該永磁體產(chǎn)生的懸浮力為：

f＝bx1il+bx2il(1)

由公式(1)可以看出，懸浮力大小與所處的磁場徑向分量有關(guān)，而所述定子結(jié)構(gòu)20在工作范圍內(nèi)位移時，永磁體的底面和頂面的磁場也會產(chǎn)生變化，設(shè)底面產(chǎn)生磁場徑向分量變化量為δbx1，頂面產(chǎn)生磁場徑向分量變化量為δbx2，則定子產(chǎn)生的懸浮力為：

f＝(bx1+δbc1)il+(bx2+δbx2)il(2)

由公式(2)可以看出，為了實現(xiàn)近零剛度磁力懸浮，懸浮力應(yīng)該保持不變，則δbx1＝-δbx2，磁場徑向分量應(yīng)該具有沿軸向線性變化特性，本實施方式是通過調(diào)整所述外永磁陣列環(huán)的厚度與所述內(nèi)永磁陣列環(huán)的厚度之間的比值來實現(xiàn)的。

請參閱圖4，將所述外永磁陣列環(huán)與所述內(nèi)永磁陣列環(huán)之間的間隙從左向右每隔2毫米做一條長20毫米的線條，一共有五條，分別為101、102、103、104、105，其中第三條直線103位于所述外永磁陣列環(huán)與所述內(nèi)永磁陣列環(huán)之間的間隙的正中間。自圖4可以看出所述外永磁陣列環(huán)與所述內(nèi)永磁陣列環(huán)之間的磁感線的分布。

請參閱圖5及圖6，b1、b2、b3、b4、b5分別是動子磁場內(nèi)第一直線101、第二直線102、第三直線103、第四直線104、第五直線105上的磁場徑向分量，db1、db2、db3、db4、db5分別是是動子磁場內(nèi)第一直線101、第二直線102、第三直線103、第四直線104、第五直線105上的磁場徑向分量變化率?？梢钥闯?，所述外永磁陣列環(huán)與所述內(nèi)永磁陣列環(huán)之間的間隙的中間區(qū)域內(nèi)存在線性的磁場，且距離所述間隙的中間區(qū)域越遠(yuǎn)，磁場變化越劇烈。

在一定范圍內(nèi)，所述第二直線102上的磁場變化率的值小于所述第四直線104上的磁場變化率的值，所述間隙的中心線與所述內(nèi)永磁陣列環(huán)之間的磁場變化幅度小于所述間隙的中心線與所述外永磁陣列磁環(huán)之間的磁場的變化幅度，而所述定子永磁環(huán)22與所述內(nèi)永磁陣列環(huán)的間距稍小于所述定子永磁環(huán)22與所述外永磁陣列環(huán)的間距。

在軸向位移(即法向位移)[-4,4]mm的區(qū)域內(nèi)，所述間隙的中間區(qū)域處的磁場變化線性。本實施方式中，所述定子結(jié)構(gòu)20的工作范圍是[-1,1]mm，所述定子永磁環(huán)22的最大高度為6毫米，且所述定子永磁環(huán)的厚度與高度之比小于1。

請參閱圖7及圖8，圖內(nèi)的曲線1、2、3分別對應(yīng)所述定子永磁環(huán)22的厚度為4毫米、4.1毫米、4.2毫米時，通過有限元分析在法向位移[-1，1]毫米的工作范圍內(nèi)得到三組懸浮力數(shù)據(jù)，三組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合獲得不同階次動子懸浮力-法向位移特性曲線1、2、3；不同階次的懸浮力-法向位移特性曲線得到的法向剛度-法向位移特性曲線不同，而高次的懸浮力-法向位移特性曲線得到的法向剛度更小且變化更緩慢，形成了剛度臺階。經(jīng)過實驗獲得：在懸浮力為40n時，所述磁懸浮重力補償器在-1mm到+1mm的工作范圍內(nèi)的法向剛度為[-10,+10]n/m。

本發(fā)明還提供了微動臺結(jié)構(gòu)，所述微動臺結(jié)構(gòu)包括承載件。所述微動臺結(jié)構(gòu)還包括如上所述的低剛度的磁懸浮重力補償器，所述磁懸浮重力補償器設(shè)置在所述承載件上。

本發(fā)明提供的低剛度的磁懸浮重力補償器及微動臺結(jié)構(gòu)，其內(nèi)永磁陣列環(huán)的厚度大于所述外永磁陣列環(huán)的厚度，使得動子磁場徑向分量在所述外永磁陣列環(huán)與所述內(nèi)永磁陣列環(huán)之間的間隙中部具有沿軸向線性變化特性；通過控制所述定子磁環(huán)的壁厚可獲得高次動子懸浮力-軸向位移特性曲線，使得動子結(jié)構(gòu)在工作范圍內(nèi)可近零剛度磁力懸浮，實現(xiàn)動子重力補償及位置調(diào)節(jié)。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。