但其层数必须为偶数层，以保证两个引接线孔都在线圈外围，方便出线。垂向出力的圆筒型音圈电机的第二 PCB线圈122的层间连接方式与水平向音圈电机130相同，只是导线排布形状呈圆形排列，如图8所示。
[0052]进一步的，所述PCB线圈120的制造过程为:先将两面均有铜层的芯板上蚀刻与其各自层数对应的导线设计分布图形；然后在各层芯板之间填充树脂，最后将交替排列的树脂和芯板在加热的同时压制成形，在加热的过程中，呈半固化状态的树脂会将导线各匝之间的空隙填充。较佳的，所述树脂为FR4(玻璃纤维环氧树脂)。
[0053]如图9所示，本实施例中，所述水平向音圈电机130中:
[0054]导磁背铁131包括:上、下导磁背铁1311、1312 ；
[0055]水平向磁铁132包括:分别固定在上、下导磁背铁1311、1312上的磁铁S1322和磁铁NI321，位于磁铁NI321和磁铁S1322之间的磁铁Hl323，所述上、下导磁背铁1311、1312上的对应磁铁的极性相反。也就是说，上导磁背铁1311上的磁铁N1321与下导磁背铁1312上的磁铁S1322对应，上导磁背铁1311上的磁铁S1322与下导磁背铁1312上的磁铁N1321对应。
[0056]第一 PCB线圈121位于水平向音圈电机130中间，第一重力补偿磁铁151设置于第一 PCB线圈121中间。
[0057]图9中黑色粗箭头所指方向为上述各磁铁的充磁方向。第一 PCB线圈121为一长方形线圈回路，图9中被分成了两个部分，其左侧部分的通电电流方向垂直纸面向外，该部分所在区域磁密分布垂直向上；右侧部分通电电流垂直纸面向里，该部分所在区域磁密分布垂直向下，根据左手定则，第一 PCB线圈121会受到水平向右的力，对应的上下水平向磁铁132会受到水平向左的反作用力。
[0058]进一步的，本实施例中的三个水平向音圈电机130是偏离微动装置质心设置。当三个水平向音圈电机130的出力方向同为顺时针或逆时针方向时，此反作用力会使微动装置产生Rz方向的转矩；当有一个水平向音圈电机130与其余两个出力方向相反时，会使微动装置产生水平向推力。
[0059]第一重力补偿磁铁151在第一 PCB线圈121的中心位置，对磁铁N1321和磁铁S1322分别存在四个作用力:F01、R)2、R)3、R)4，四个力大小相同，力的方向如图10中细箭头所示，合力方向垂直向上，形成重力补偿力，此补偿力会在微动装置行程范围内存在补偿波动，此波动可以通过垂向出力的三个圆筒型音圈电机进行补偿。当然，因微动结构的行程非常小，因此重力补偿的波动也非常小，约在3%以内。
[0060]如图11?12所示，垂向出力的圆筒型音圈电机包括:主磁极磁铁S1411，主磁极磁铁N1412，第二重力补偿磁铁152，第二 PCB线圈122。
[0061]其中，主磁极磁铁S1411，主磁极磁铁NI412，第二重力补偿磁铁152的充磁方向有两种，分别如图11和图12所示。本实施例以图11中第二重力补偿磁铁152充磁方向向上为例对其重力补偿进行说明。
[0062]请继续参照图11，不通电的情况下，由于磁铁本身磁场的作用，第二重力补偿磁铁152会对主磁极磁铁S1411和主磁极磁铁N1412分别产生垂直向上的作用力F11、F12，二者大小相同，合力方向垂直向上，形成重力补偿力。
[0063]由于所述三个垂向音圈电机140和三个水平向音圈电机130的重力补偿总量小于动子总重量，因此，在六个音圈电机不通电的状态下，动子和电机下方接触，即动子不处于悬浮状态。
[0064]通电状态下，所述第二 PCB线圈122为一个圆环形线圈回路，图11中被分为两部分，其左侧是通电电流方向垂直纸面向外，右侧电流方向垂直纸面向里，根据右手定侧，线圈电流在线圈中心即第二重力补偿磁铁152所在位置，产生的垂直向上的磁场，该磁场加强了第二重力补偿磁铁152的磁场，使得力Fll、F12变大，线圈通电电流越大，对Fll、F12增强作用越大。从上方向下看，当三个圆筒型音圈电机同时通入逆时针方向的电流后，微动装置会产生大于重力补偿总量的垂向力，当三个圆筒型音圈电机通入不同大小的逆时针方向的电流时，结合电机控制算法，可以产生任意水平轴向的转矩。
[0065]图13是垂向出力的圆筒型音圈电机水平向运动时的出力仿真结果。横轴是电机水平向位移，纵轴是出力大小。图中的force_Z包括两个部分:重力补偿力和电机推力常数。仿真过程中线圈通入IA电流时，二者值分别为21.25N、2.50N/A。x、y向的出力干扰均在0.03N以内。Z向出力的最大值和最小值分别在0、0.5_位置处，因此水平向刚度最大值(电机线圈通入IA电流时)为:(23.80-23.70)/(0.5-0)=0.2N/mm。出力干扰和水平向刚度均在可接受范围内。
[0066]图14是垂向出力的圆筒型音圈电机作垂向运动时的出力仿真结果。同样，force_Z包括两个部分:重力补偿力和电机推力常数，二者分别为:21.35Ν、2.5Ν/Α。x、y向的出力干扰均在0.02N以内。Z向出力的最大值和最小值分别在0.3、-0.3_位置处，因此，垂向刚度最大值(电机线圈通入IA电流时)为:(23.99-23.70) / (0.3+0.3) =0.48N/mm0出力干扰和垂向刚度均在可接受范围内。
[0067]需要说明的是，本实施例只示意了 “3+3”的微动电机阵列，S卩3个水平向出力的水平向音圈电机130和3个垂向出力的垂向音圈电机140。实际上，“3+3”只是具有重力补偿功能的六自由度微动装置电机数量最少的一种组合，同样地，可以采用“4+4”、“5+5”....“n+n”的组合方式，此处，η为大于3的正整数。垂向出力和水平向出力的音圈电机间隔依次排列。需要说明的是，η值越大，能够进行冗余补偿的电机数量越多，当η>3时，冗余补偿电机数量为η-3。
[0068]综上所述，本发明的六自由度微动装置，包括:上、下背板110a、110b、设置在所述上、下背板IlOaUlOb之间且间隔设置的水平向音圈电机130和垂向音圈电机140，所述水平向音圈电机130和垂向音圈电机140均采用PCB线圈120，使得微动装置的多个音圈电机结构尺寸更加接近设计值，从而减小了因结构尺寸与设计值存在偏差而导致的推力波动与推力干扰。由于PCB线圈120的工艺限制，使微动装置中电机在同等条件下相对于漆包绕制的传统电机推力常数小，减少额为30%左右。
[0069]显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
【主权项】
1.一种六自由度微动装置，包括:上、下背板、设置在所述上、下背板之间且间隔设置的水平向音圈电机和垂向音圈电机，所述水平向音圈电机和垂向音圈电机均采用PCB线圈。
2.如权利要求1所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述水平向音圈电机和垂向音圈电机的PCB线圈设置在一块PCB板上。
3.如权利要求1所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述水平向音圈电机的PCB线圈中心位置设置有重力补偿磁铁。
4.如权利要求1所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述垂向音圈电机的PCB线圈中心位置设置有重力补偿磁铁。
5.如权利要求1所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述水平向音圈电机为平板型音圈电机，所述垂向音圈电机为圆筒型音圈电机。
6.如权利要求5所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述平板型音圈电机包括:设置在所述PCB线圈上下两侧的一维磁钢阵列。
7.如权利要求6所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述平板型音圈电机还包括上、下导磁背铁，用于固定设置在所述PCB线圈上下两侧的一维磁钢阵列。
8.如权利要求7所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述一维磁钢阵列包括沿一维方向交替排列的S磁铁和N磁铁。
9.如权利要求8所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述一维磁钢阵还包括位于N磁铁和S磁铁之间的H磁铁。
10.如权利要求5所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述平板型音圈电机设置偏离所述六自由度微动装置质心。
11.如权利要求1所述的六自由度微动装置，其特征在在于，所述上、下背板上分别设置有容纳所述平板型音圈电机对应的矩形槽。
12.如权利要求5所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述圆筒型音圈电机包括分别设置在PCB线圈上下两侧的S磁铁和N磁铁。
13.如权利要求1所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述上、下背板上分别设置有容纳所述圆筒型音圈电机的圆柱形槽。
14.如权利要求1所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述PCB线圈的制作过程为:将两面均有铜层的芯板上蚀刻各层的导线设计分布图形，然后在各层芯板之间填充树脂，最后将交替排列的树脂和芯板在加热的同时压制成形。
15.如权利要求14所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述树脂为玻璃纤维环氧树脂。
16.如权利要求1所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述水平向音圈电机和垂向音圈电机的数目分别为N个，N为大于等于3的整数。
17.如权利要求1所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述PCB线圈包括多层线圈，且多层线圈串联。
【专利摘要】本发明公开了一种六自由度微动装置，包括：上、下背板、设置在所述上、下背板之间且间隔设置的水平向音圈电机和垂向音圈电机，所述水平向音圈电机和垂向音圈电机均采用PCB线圈，使得微动装置的多个音圈电机结构尺寸更加接近设计值，从而减小了因结构尺寸与设计值存在偏差而导致的推力波动与推力干扰。由于PCB线圈的工艺限制，使微动装置中电机在同等条件下相对于漆包绕制的传统电机推力常数小，减少额为30%左右。
【IPC分类】H02K3-26, G03F7-20
【公开号】CN104795920
【申请号】CN201410025032
【发明人】段素丙, 陈庆生, 季汉川, 刘小虎, 池峰, 胡兵
【申请人】上海微电子装备有限公司
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2014年1月20日