位移装置的制作方法

本发明涉及一种位移装置。一些特定的非限制性实施例提供用于半导体制造业的位移装置。

背景技术：

很多行业应用需要至少在两个彼此大致正交的方向上准确地定位对象。以半导体行业为例，集成电路制造需要在至少两个方向准确地定位对象(例如芯片或标线)，以进行光刻、检验、切割、封装等。传统技术分为多级，其中每一级只能引起单自由度运动，以产生多自由度组合运动。例如，已知的“h桥”设计包括x级和y级，其中，x级用于引起y级沿x方向运动，而y级用于承载对象并引起对象沿y方向运动。x级和y级的共同作用能够在整个x－y平面上定位对象。

近来，引入了位移装置，用于直接引起工作台在至少两个正交的方向运动，例如，x和y方向。这种装置俗称“平面电机”。就一些平面电机而言，可控制工作台在六个自由度方向上运动。平面电机具有两个部分：定子和工作台。在x方向和y方向上，定子的尺寸通常大于工作台，便于提供一个工作区域。该两个部分之一包括磁体系统，另一部分则包括电机线圈系统。载流线圈和磁体之间的交互作用可引起工作台相对于定子发生运动。因为这种交互作用为电磁性质，该两个部分不需要任何机械接触，因此消除了干扰力，例如摩擦力。因此，可实现比传统技术更高的定位精度。定位精度是位移装置的关键性能准则。更高的定位精度意味着对象被定位的实际位置(trueposition)和基准位置之间的误差更小。由于采用紧凑型设计，工作台的质量比传统技术要低得多。因此，更小的作用力便可实现相同的加速度。与传统技术相比，“平面电机”技术的其他优点为装配更方便、少维修、适用于真空或超洁净度环境。

美国专利6,496,093号中描述了一种动圈式平面电机，其中磁体与定子固定，线圈与工作台固定。该磁体以行和列的方式排列，磁体与线圈的方向成45度角。该45度角使得难以将磁体装配至定子上，也难以使线圈与磁体对齐。线圈相对于磁体的对准误差会影响定位精度。此外，其制造成本很高，因为需要大量磁体。

国际公布文本wo2009/083889描述了一种动圈式平面电机，其中磁体与工作台固定，线圈与定子固定。该磁体分为两类磁体块：第一类磁体块，其包括沿着x方向延伸的磁体；以及第二类磁体块，其包括沿着y方向延伸的磁体。该两类磁体块以行和列的方式排列，其中的行与x方向平行，而其中的列与y方向平行。该线圈由两种线圈迹线(coiltrace)构成：沿着x方向持续延展在整个定子上的第一类线圈迹线和沿着y方向持续延展在整个定子上的第二类线圈迹线。该线圈迹线设置有多层，每层均由单一类型(要么第一类型，要么第二类型)的线圈迹线构成。

该定子的x尺寸和y尺寸必须足够大，以实现工作台所需的位移范围。如国际公布文本wo2009/083889中所描述，若线圈与定子固定在一起，则定子必须包括大量线圈，而且所有线圈必须通电。这带来一个问题：要么需要大量功率放大器，要么必须根据工作台的位置开启和关闭该定子(以便减少功率放大器的数量)，前者意味着将带来高成本，后者意味着高复杂性和低可靠性。国际公布文本wo2009/083889中还提及，该线圈可以与该工作台固定，作为替代方案，该磁体也可以与该定子固定。然而，这样会给平面电机带来诸多问题。首先，应用多相整流时，施加在该线圈迹线上的洛伦兹力随该工作台相对于该定子的位置的改变而变化(与位置有关)。洛伦兹力的变化与干扰力有同等效果，它将降低定位精度。其次，这些与位置有关的洛伦兹力在某些方向在某些工作台相对于定子的位置上无法产生转矩，而无论提供给线圈的电流大小。在这些位置上，工作台在特定方向上的旋转运动不可控制，因此需要安装额外轴承(例如机械轴承、空气轴承等)以限制工作台的旋转运动。采用这些轴承并非理想做法，因为它们会带来干扰，进一步降低定位精度。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种位移装置，解决现有技术诸多问题中至少一个问题。

因此，根据第一方面，本发明提供一种包括工作台和定子的位移装置，其中，该定子设计有一个工作区域并且包括磁体块系统。

该磁体块系统包括：

多个第一类磁体块以及多个第二类磁体块，其中，每个该第一类磁体块包括多个在第一方向上大致线性延伸的第一磁体，每个第一磁体具有与该第一方向大致正交的磁化方向，而且该第一磁体中至少两个第一磁体具有彼此不同的磁化方向；

每个该第二类磁体块包括多个第二磁体，这些第二磁体在第二方向上大致线性延伸，每个第二磁体具有与该第二方向大致正交的磁化方向，而且该第二磁体中至少两个第二磁体具有彼此不同的磁化方向。

优选为，在该第一方向和第二方向上，该定子的尺寸通常大于工作台，便于提供一个工作区域。

该工作台与该定子邻接而配置，可沿着与该第一方向和第二方向均大致正交的第三方向移动，该工作台包括电机线圈系统，该电机线圈系统包括第一类线圈组件，每个该第一类线圈组件包括多个沿着第一方向大致线性延伸的导电体。

该电机线圈系统还包括第二类线圈组件，每个该第二类线圈组件包括多个沿着第二方向大致线性延伸的导电体。

该第一类线圈组件在第一方向上的尺寸基本上等于n(m1+m2)，其中n＝1,2,3,…，且m1是特定的该第一类磁体块在第一方向上的尺寸，而m2是与所述特定的该第一类磁体块相邻接的第二类磁体块在第一方向上的尺寸，而该第二类线圈组件在第一方向上的尺寸基本上等于n(m1+m2)，其中n＝1,2,3,…，且m1是特定的该第一类磁体块在第一方向上的尺寸，而m2是与所述特定的该第一类磁体块相邻接的该第二类磁体块在第一方向上的尺寸。

该位移装置还包括一个或多个功率放大器，用于为该第一类和第二类线圈组件提供电流，从而在至少两个方向上影响该定子和该工作台之间的相对运动。

本发明中所描述的位移装置是一种动圈式平面电机，其具有下列优点。与美国专利6,496,093号相比较，所需磁体的数量更少，而且磁体的装配更简便，故而成本更低。此外，工作台与定子更易于对准，因为线圈组件的方向要么与磁体的方向垂直，要么与磁体的方向平行。

与国际公布文本wo2009/083889相比较，本发明所记载的动圈式平面电机需要更少的功率放大器，因而复杂性更低、可靠性更高。此外，每个线圈组件的尺寸与磁体块的尺寸具有特定关系，因此，通过应用适当的多相整流，能够使得施加在每个线圈组件上的洛伦兹力保持恒定或基本恒定，无论工作台相对于定子的位置如何(与位置无关)。由于不存在洛伦兹力的变化，因此可以实现更高的定位精度。每个第一类线圈组件可以用来在y方向与z方向产生独立控制的力。每个第二类线圈组件可用来在x方向与z方向产生独立控制的力。在所有线圈组件的共同作用下，可控制工作台沿着三个方向(x、y及z)做平移运动。然而，仍然需要额外的轴承(例如机械球轴承、空气轴承等)来限制工作台的旋转运动，因为无法独立控制工作台做旋转运动所需的转矩。

在一个实施例中，该电机线圈系统包括一个或多个额外的第一类线圈组件，其中，至少两个第一类线圈组件的质心点设置于第一方向的不同位置，而且至少三个线圈组件的质心点并非线性对准。应用适当的多相整流时，该两个第一类线圈组件的中每一个均可在y方向和z方向产生独立控制的力。两个独立控制的力与力臂形成独立控制的转矩。在所有线圈组件的共同作用下，可控制工作台沿着三个方向(x、y、z)做平移运动并沿着三个方向(x、y、z)做旋转运动，即称为六自由度运动。因此，仅需磁场即可稳定控制并支撑该工作台，不需要额外的轴承。因此，可实现更高的定位精度。

在一个实施例中，该磁体块系统包括一个一维阵列，该一维阵列包括具有多列的行，该行包括由第一类磁体块组成的列与由第二类磁体块组成的列，这些列交替排列，该行与第一方向大致平行，该列中每一列均与大致第二方向平行。此实施例的优点之一在于进一步减少了该定子所需的磁体的数量，进而进一步降低了该定子的制造成本。

其他优选的实施例及其优点将在下列结合附图的说明中更加清楚。

附图说明

通过参考下面描述的实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的并且将得到说明。在附图中，

图1a是根据本发明的一个具体实施例的位移装置的x－y平面视图；

图1b是图1a所示的位移装置的x－z平面视图；

图1c示出了图1a所示的根据一个具体实施例的位移装置的一层线圈组件的其他细节；

图1d示出了图1a所示的根据一个具体实施例的位移装置的另外一层线圈组件的其他细节；

图1e是图1a所示的根据一个具体实施例的位移装置的磁体块排列的x－z平面视图；

图1f是图1a所示的根据一个具体实施例的位移装置的磁体块排列的y－z平面视图；

图2a～图2d示出了适合用于图1a所示的根据一个具体实施例的位移装置的线圈组件的其他细节；

图3a～图3e示出了适合用于图1a所示的根据一个具体实施例的位移装置的磁体块的其他细节；

图4a～图4d示出了适合用于图1a所示的根据一个具体实施例的位移装置的多层线圈组件的其他细节；

图5a～图5e示出了适合用于图1a所示的根据一个具体实施例的位移装置的线圈组件系统的其他细节；

图6a是根据本发明的一个具体实施例的位移装置的x－y平面视图；

图6b是图6a所示的位移装置的x－z平面视图；

图7示出了适合用于控制图1a和图6a所示的位移装置的控制系统的示意性框图；

图8是根据本发明的一个具体实施例的具有多个工作台的位移装置的x－y平面视图。

应当指出的是不同附图的中具有相同附图标记的项目拥有相同的构造特性和相同的功能，或是相同的信号。若这类项目的功能和/或结构已做解释，不必详细地重复说明其功能和/或结构。

具体实施方式

以下说明的具体细节旨在便于本领域技术人员获得更深入的了解。然而，公知的部件可能并未示出，也未做详细说明，这是了避免对本公开的理解造成不必要的干扰。因此，这些说明和附图应视为说明性而非限制性。

本发明所提供的位移装置包括定子与工作台。该工作台包括多个线圈组件，用于在一层或多层上提供多个导电体。多层线圈组件可以在z方向(又称作第三方向)上彼此相邻配置。该定子包括多个磁体块。每个磁体块可包括多个在相应方向上彼此相邻配置的磁体，其中至少两个磁体具有不同的磁化方向。在本说明书中，这些磁体以所谓的海尔贝克(halbach)排列布置。这种排列可导致磁场强化，因此运动方向上的作用力更大。可选择性地连接一个或多个放大器，以驱动线圈组件中的电流，从而影响该定子和该工作台之间的相对运动。

具体实施例

图1a是根据本发明的一个具体实施例的位移装置100的x－y平面视图；图1b是位移装置100的x－z平面视图；位移装置100包括定子110和工作台120，二者相对彼此运动。定子110包括系统111即磁体块112x、112y(统称为磁体块112)。系统111包括二维磁体块112阵列，该阵列具有多个相互正交的行与列。该行与x方向(又称作第一方向)平行，而该列与y方向(又称作第二方向)平行。每行和每列交替性地包含磁体块112x和磁体块112y。

在图1a所示的实施例中，所有行具有基本相等的x尺寸，所有列具有基本相等的y尺寸。此为优选的实施方式，因其可以降低定子110的制造成本，但并非必须。在一些实施例中，第一列(如图1a中m1所示)的x尺寸可以与位于第一列旁边的第二列(如图1a中m2所示)的x尺寸不同。在一些实施例中，第一行(如图1a中m3所示)的y尺寸可以与位于第一行旁边的第二行(如图1a中m4所示)的y尺寸不同。单一列中的所有磁体块112具有基本相等的x尺寸，单一行中的所有磁体块112具有基本相等的y尺寸。因此，m1可为多个磁体块112y的x尺寸，m2可为多个磁体块112x的x尺寸，m3可为多个磁体块112y的y尺寸，而m4可为多个磁体块112x的y尺寸。

每个磁体块112x包括多个(例如在所示实施例中为四个)磁体113x，这些磁体在x方向上相邻配置，大致沿着y方向延伸。每个磁体块112y包括多个(例如在所示实施例中为四个)磁体113y，这些磁体在y方向上相邻配置，大致沿着x方向延伸。磁体113x的磁化方向大致垂直于y方向，而磁体113y的磁化方向大致垂直于x方向。磁体113x、113y(统称为磁体113)拥有三种类型：第一种n型、第二种s型及第三种h型，分别称作n型磁体、s型磁体、h型磁体。每个磁体块112的磁体113以所谓的海尔贝克(halbach)排列布置，这样工作台120所处的磁场得到强化。每个n型磁体和s型磁体的磁化方向与z方向平行，n型磁体的磁化方向指向工作台120，s型磁体的磁化方向背离工作台120，如图1b中的箭头所示。磁体块112x的h型磁体的磁化方向大致与x方向平行，指向磁体块112x的相邻n型磁体、背离磁体块112x的相邻s型磁体。磁体块112y的h型磁体的磁化方向大致与y方向平行，指向磁体块112y的相邻n型磁体、背离磁体块112y的相邻s型磁体。

在所示的实施例(如图1a所示)中，磁体113x包括四个不同的磁化方向：+z、－x、－z、+x，它们一起提供磁场空间周期λx，而磁体113y包括四个不同的磁化方向：+z、－y、－z、+y，它们一起提供磁场空间周期λy。此为根据海尔贝克(halbach)排列进行布置的，是优选的实施方式，但并非必须。在一些实施例中，磁体块112可只包括两个具有不同磁化方向的磁体113来提供磁场空间周期，而在一些实施例中，磁体块112可包括超过四个具有不同磁化方向的磁体113来提供磁场空间周期。

在所示实施例(如图1a所示)中，属于单个磁体块112的磁体113拥有相等的长度(磁体113延伸方向的尺寸)。此为优选实施方式，但并非必须。在一些实施例中，属于单个磁体块112的磁体113可拥有不相等的长度。在所示实施例(如图1a所示)中，属于单个磁体块112x的磁体113x的质心点在y方向上具有相同的位置，属于单个磁体块112y的磁体113y的质心点在x方向上具有相同的位置。此为优选实施方式，但并非必须。在一些实施例中，属于单个磁体块112x的磁体113x的质心点在y方向上可以具有不同的位置，属于单个磁体块112y的磁体113y的质心点在x方向上可以具有不同的位置。

在所示的实施例(如图1a所示)中，磁体块112x的磁体113x具有相同或基本相同的x尺寸，而磁体块112y的磁体113y具有相同或基本相同的y尺寸。此为优选实施方式，但并非必须。在一些实施例中，磁体块112x的z尺寸可以等于磁体块113x的x尺寸，磁体块112y的z尺寸可以等于磁体块113y的y尺寸。此为优选实施方式，但并非必须。这些优选实施例的优点在于所产生的磁场更接近正弦波，因为这样谐波失真更少。许多早期公布文本对该优点已有描述，例如，国际公布文本wo2009/083889。在一些实施例中，h型磁体可与n型磁体和s型磁体具有不同的尺寸。在一些实施例中，可以不含h型磁体。在一些实施例中，磁体块112y的z尺寸可为其他值。

磁体块112x的x尺寸m2等于或基本等于nλx/2，其中n＝1,2,3,…(在图1a所示的实施例中，n选为2)，磁体块112y的y尺寸m3等于或基本等于nλy/2，其中n＝1,2,3,…(在图1a所示的实施例中，n选为2)。本优选实施例的优点之一在于可以降低磁体块112的系统111的制造成本。在一些实施例中，m2可以为大于λx/2的任意值，而m3可以为大于λy/2的任意值。

在所示的实施例(如图1a所示)中，所有磁体块112x具有相同的磁体113x排列，而所有磁体块112y具有相同的磁体113y排列。此实施方式并非必须。在一些实施例中，其可设计为，仅位于同一列的磁体块112x具有相同的磁体113x排列，仅位于同一行的磁体块112y具有相同的磁体113y排列。在一些实施例中，磁体块112的磁体113的排列可以与任何其他磁体块112的排列不同。

图1e是磁体块112的系统111的排列的x－z平面视图，其中，磁体块112y设置为透明，仅磁体块112x可见。以虚线轮廓示出的磁体块112x与以实线迹线示出的磁体块112x位于不同行(y方向的不同位置)。通过将磁体块112y设置为透明，磁体块112x的空间周期λx以及其与磁体块112x的x尺寸(m1和m2)的关系可更明了地显示。图1f是磁体块112的系统111的排列的y－z平面视图，其中，磁体块112x设置为透明，仅磁体块112y可见。以虚线迹线示出的磁体块112y与以实线迹线示出的磁体块112y位于不同列(x方向的不同位置)。通过将磁体块112x设置为透明，更清楚地显示了磁体块112y的空间周期λy以及其与磁体块112y的y尺寸(m3和m4)的关系。需要注意的是，对所示实施例而言，m1＝m2和m3＝m4。通过比较图1e和图1f可得出的一个重要观察结论为，磁体块112x的特性可以与磁体块112y的特性相似，只是x方向和y方向互换。例如，磁体块112x和磁体块112y的磁体113的磁化方向的型式为：n、h、s、h、n、h、s、h……。此为优选实施方式，但并非必须。在一些实施例中，磁体块112x和磁体块112y可具有不同的特性。

在所示的实施例(如图1b所示)中，工作台120包括电机线圈系统，该电机线圈系统具有多层(例如，在所示实施例中为四层)123a、123b、123c、123d(统称为层123)以及位于层中的线圈组件单元122a、122b、122c、122d(统称为线圈组件单元122)。层123在z方向上相邻配置。图1c和1d中进一步示出了层123和线圈组件单元122的细节，下文将做更详细的阐述。应当意识到，对特定实施例而言，工作台120的层123的数量及层123中的线圈组件单元122的数量可以改变，所示的实施例中示出的层123的数量及层123中的线圈组件单元122的数量仅为便于说明。

在所示实施例(如图1c所示)中，123a、123c各层包括多个(例如，在所示实施例中为两个)线圈组件单元122a、122b，它们在x方向上相邻配置。每个线圈组件单元122a、122b包括一个或多个(例如，在所示实施例中为两个)线圈组件121y，它们在y方向上相邻配置。每个线圈组件121y包括多个(例如，在所示实施例中为十二个)导电体124y，它们沿着x方向大致线性延伸，在y方向上相邻配置。当处于磁体块112的系统111的磁场中时，施加在线圈组件单元122a、122b上的洛伦兹力能够引起工作台120沿着y方向和z方向做平移运动、以及工作台120沿着三个方向(x、y、z)做旋转运动。

在所示实施例(如图1d所示)中，123b、123d各层包括多个(例如，在所示实施例中为两个)线圈组件单元122c、122d，它们在y方向上相邻配置。每个线圈组件单元122c、122d包括一个或多个(例如，在所示实施例中为两个)线圈组件121x，它们在x方向上相邻配置。每个线圈组件121x包括多个(例如，在所示实施例中为十二个)导电体124x，它们沿着y方向大致线性延伸，在x方向上相邻配置。当处于磁体块112的系统111的磁场中时，施加在线圈组件单元122c、122d上的洛伦兹力可引起工作台120沿着x方向和z方向做平移运动、以及工作台120沿着三个方向(x、y、z)做旋转运动。

线圈组件121x和121y统称为线圈组件121。导电体124x和121y统称为导电体124。每个线圈组件121由p相系统提供，其中p＝2,3,4,…(在所示的实施例中，p选为3)。图1c中的长度by定义为线圈组件121y中的两个相邻导电体124y的质心点在y方向上的间距，该长度等于或基本等于其中n＝1,2,3,…(在所示的实施例中，n选为1)，而图1d中的长度bx定义为线圈组件121x中的两个相邻导电体124x的质心点在x方向上之间距，该长度等于或基本等于其中n＝1,2,3,…(在所示的实施例中，n选为1)。线圈组件121y的x尺寸定义为线圈组件121y中每个导电体124y的长度，如图1c中c1所示。线圈组件121y的y尺寸如图1c中c3所示，其定义为jby，其中j是线圈组件121y中导电体124y的数量(在所示的实施例中，j选为12)。线圈组件121x的y尺寸定义为线圈组件121x中每个导电体124x的长度，如图1d中c4所示。线圈组件121x的x尺寸如图1d中c2所示，其定义为jbx，其中j是线圈组件121x中导电体124x的数量(在所示的实施例中，j选为12)。

在所示的实施例(如图1c及1d所示)中，所有线圈组件121包括相同数量的导电体124。此为优选实施方式，但并非必须。在一些实施例中，线圈组件121可能具有不同数量的导电体124。在所示的实施例中，属于单个线圈组件121的所有导电体124具有基本相等的长度(在导电体124所延伸的方向上的尺寸)。此为优选实施方式。

线圈组件121y的x尺寸等于或基本等于n(m1+m2)，其中n＝1,2,3,…(在图1c所示的实施例中，n选为1)。线圈组件121y的x尺寸等于或基本等于2nm1，其中，若m1与m2彼此相等或基本相等，则n＝1,2,3,…。这一优选参数选择可以成为在线圈组件121y上获得与位置无关的洛伦兹力的第一充分条件。应用适当的多相整流(多相整流对本领域技术人员而言是显而易见的)时，可独立控制在y方向和z方向施加在线圈组件121y上的洛伦兹力并且可以与位置无关，在x方向施加在线圈组件121y上的洛伦兹力可以为零(与位置无关)。与位置无关的洛伦兹力可带来更高的定位精度。

线圈组件121y的y尺寸等于或基本等于n(m3+m4)，其中n＝1,2,3,…(在图1c所示的实施例中，n选为1)。线圈组件121y的y尺寸等于或基本等于2nm3，其中，若m3与m4彼此相等或基本相等，则n＝1,2,3,…。这一优选参数选择可以成为在线圈组件121y上获得与位置无关的洛伦兹力的第二充分条件。通过满足在线圈组件121y上获得与位置无关的洛伦兹力的第一及第二充分条件，可带来一个额外优点，以下将详细说明。对线圈组件121y进行整流以获得与位置无关的洛伦兹力使得z方向上转矩为零或基本为零。该转矩将形成干扰，因为它伴随着洛伦兹力。不存在该转矩时，可实现更高的定位精度，而且可降低控制器的复杂性。

线圈组件121x的y尺寸等于或基本等于n(m3+m4)，其中n＝1,2,3,…(在图1d所示的实施例中，n选为1)。线圈组件121z的y尺寸等于或基本等于2nm3，其中，若m3与m4彼此相等或基本相等，则n＝1,2,3,…。这一优选参数选择可以成为在线圈组件121x上获得与位置无关的洛伦兹力的第一充分条件。应用适当的多相整流时，可独立控制在x方向和z方向施加在线圈组件121x上的洛伦兹力并且可以与位置无关，在y方向施加在线圈组件121x上的洛伦兹力可以为零(与位置无关)。与位置无关的洛伦兹力可带来更高的定位精度。

线圈组件121x的x尺寸等于或基本等于n(m1+m2)，其中n＝1,2,3,…(在图1d所示的实施例中，n选为1)。这一优选参数选择是在线圈组件121x上获得与位置无关的洛伦兹力的第二充分条件。通过满足在线圈组件121x上获得与位置无关的洛伦兹力的第一及第二充分条件，可带来一个额外优点，以下将详细说明。对线圈组件121x进行整流以获得与位置无关的洛伦兹力导致z方向上转矩为零或基本为零。该转矩将形成干扰，因为它伴随着洛伦兹力。不存在该转矩时，可实现更高的定位精度，而且可降低控制器的复杂性。

在一些实施例中，多个相同类型(121x或121y)的线圈组件121的x尺寸之和可以等于或基本等于n(m3+m4)，其中n＝1,2,3,…。在一些实施例中，多个相同类型(121x或121y)的线圈组件121的y尺寸之和可以等于或基本等于n(m1+m2)，其中n＝1,2,3,…。在一些实施例中，线圈组件121可以具有其他尺寸。

为了获得平行于z方向的恒定洛伦兹力或垂直于z方向的恒定洛伦兹力，对线圈组件121的导电体124进行电流分布(整流)还形成与z方向平行的局部作用力，该作用力形成垂直于z方向的干扰转矩。该转矩将形成干扰，因为它伴随着洛伦兹力。在一优选实施例(如图1c所示)中，在同一线圈组件单元内的两个相邻线圈组件121y的质心点在y方向上的距离，如图1c中dy所示，等于或基本等于其中k是线圈组件单元122a、122b内的线圈组件121y的数量(在所示的实施例中，k选为2)，而n＝1,2,3,…(在所示的实施例中，n选为3)。在一优选实施例(如图1d所示)中，在同一线圈组件单元内的两个相邻线圈组件121x的质心点在x方向上的距离，如图1d中dx所示，等于或基本等于其中k是线圈组件单元122c、122d内的线圈组件121x的数量(在所示的实施例中，k选为2)，而n＝1,2,3,…(在所示的实施例中，n选为3)。这些是优选参数选择，其优点在于位于同一线圈组件单元122上的线圈组件121产生的干扰转矩彼此抵消，因而基本上不产生作用在线圈组件单元122上的转矩，因此，可实现更高的定位精度，并且可降低控制器的复杂性。

通过比较图1c和图1d可得出的一个重要观察结论为，线圈组件121x和导电体124x的特性可以与线圈组件121y和导电体124y的特性相似，只是x方向和y方向互换。例如，线圈组件121x和线圈组件121y可拥有相同数量、尺寸相同的导电体124并且均可由三相系统提供。此实施方式并非必须。在一些实施例中，线圈组件121x和导电体124x可以与线圈组件121y和导电体124y具有不同的特性。

一些线圈组件实施例

图2a～图2d示出了适合与图1a所示的位移装置100和图6a所示的位移装置100配套使用的线圈组件121的实施例。线圈组件121的实施例如图1c(线圈组件121y)和图1d(线圈组件121x)所示。在以下对线圈组件121的说明中，将以线圈组件121y为例进行详细的说明。在以下将要说明的线圈组件121y的实施例中，线圈组件121y包括多个导电体124y，它们在y方向上相邻配置，沿着x方向大致线性延伸，线圈组件121y由p－相系统提供(对于图2a–图2d所示的实施例而言，p＝3)。根据本发明，p可以为p＝2,3,4,…。这样，线圈组件121y中导电体124y的数量以及两个相邻导电体124y之间在y方向上的距离必须相应调整。在以下将要说明的线圈组件121y的实施例中，导电体124y可由一根或多根金属丝构成，还可以使用额外的导体(未显示)连接任意两个导电体124y。在以下将要说明的线圈组件121y的实施例中，线圈组件121y的x尺寸定义为线圈组件121y中每个导电体124y的长度，如相应的图示中c1所示。根据具体实施例的不同，线圈组件121y的y尺寸的定义可能存在差异，以下将予以说明。为了简洁，故在此将不再描述线圈组件112x的相似的实施例，因为线圈组件121x和导电体124x可以包含与线圈组件121y和导电体124y相似的特性，其中，x方向和y方向及其尺寸相应互换。

图2a是线圈组件121y的一个实施例的x－y平面视图，其中线圈组件121y包括六个导电体124y。线圈组件121y中的两个相邻导电体124y的质心点在y方向上的距离by等于或基本等于其中n＝1,2,3,…(在所示的实施例中，n＝1)。线圈组件121y的y尺寸如图2a中c3所示，其定义为jby，其中j是线圈组件121y中导电体124y的数量(在所示的实施例中，j＝6)。导电体124y的质心点均匀分布在y方向上，在x方向上拥有相同的位置或基本相同的位置。

图2b是线圈组件121y的一个实施例的x－y平面视图，其中线圈组件121y包括六个导电体124y。导电体124y的质心点不均匀分布在y方向上，在x方向上拥有相同的位置或基本相同的位置。第二和第三或第四和第五导电体124y的质心点之间的y向距离，如图2b中by所示，等于或基本等于其中n＝1,2,3,…(在所示的实施例中，n＝1)。第一和第二、或第三和第四、或第五和第六导电体124y(其长度bg如图2b中所示)的质心点之间的y向距离等于或基本等于其中n＝1,2,3,…(在所示的实施例中，n＝1)。线圈组件121y的y尺寸(如图2b中c3所示)定义为长度3by+3bg。

图2c示意性地示出了线圈组件121y的一个实施例的x－y平面视图，其中线圈组件121y包括十二个导电体124y。导电体124y的质心点均匀分布在y方向上。导电体124y可分为三组。同一组导电体124y的质心点在x方向上的位置相同或基本相同，不同组导电体124y的质心点在x方向上的位置各不相同。第一组包括第一、第四、第九和第十二导电体124y，第二组包括第二、第五、第八和第十一导电体124y，第三组包括第三、第六、第七和第十导电体124y。两个相邻导电体124y的质心点在y方向上的距离(其长度by如图2c中所示)等于或基本等于其中n＝1,2,3,…(在所示的实施例中，n＝1)。线圈组件121y的y尺寸如图2c中c3所示，其定义为jby，其中j是线圈组件121y中导电体124y的数量(在所示的实施例中，j＝12)。

图2d是线圈组件121y的一个实施例的x－y平面视图，该线圈组件121y包括十二个导电体124y。导电体124y的质心点不均匀分布在y方向上。与图2d所示的实施例对应的线圈组件121y由与图2b所示的实施例对应的两个线圈组件121y以特定方式排列而成，其中，与图2b所示的实施例对应的两个线圈组件121y的质心点具有等于2by的y向距离bd和等于或大于by的x向距离。与图2d所示的实施例对应的线圈组件121y的y尺寸(如c3所示)被定义为与图2b所示的实施例对应的线圈组件121y的y尺寸。

一些磁体块的实施例

上面已结合图1a、图1e和图1f对磁体块112系统111的一种实施方式进行了说明，其中，图1a是磁体块112的x－y平面视图，在图1e中，磁体块112y为透明，仅磁体块112x可见，而在图1f中，磁体块112x为透明，仅磁体块112y可见。在以下对磁体块112的说明中，将以例示性的磁体块112系统111为例进行详细说明，其中，磁体块112y为透明，仅磁体块112x可见。磁体块112中磁体113的排列适用于图1a所示的位移装置100和图6a所示的位移装置100。以虚线迹线示出的磁体块112x与以实线迹线示出的磁体块112x位于不同行(从x方向看为不同位置)。每个磁体块112x包括多个(例如，在所示实施例中为四个)磁体113x，这些磁体在x方向上相邻配置，并且大致沿着y方向延伸。磁体113x的磁化方向大致垂直于y方向。在相应的磁体块112的系统111中，没有描述磁体块112x为透明而仅磁体块112y可见的情形，因为磁体块112y和磁体113y可以包括与磁体块112x和磁体113x类似的特性，其中，x方向和y方向及其尺寸相应互换。

图3a示意性地示出了磁体块112的系统111的一实施例的x－z平面视图。磁体113x的磁化方向包含+z、－x、－z、+x的型式，该型式重复并构成磁场空间周期λx。图3a所示的实施例中的磁体块112x的x尺寸m2等于或基本等于一个重要观察结论为，一列磁体块112x的磁体113x的排列与相邻列磁体块112x的磁体113x的排列不同。

图3b示意性地示出了磁体块112的系统111的一实施例的x－z平面视图。磁体113x的磁化方向包含+z、－x、－z、+x的型式，该型式重复并构成磁场空间周期λx。图3b所示的实施例中的磁体块112x的x尺寸m2等于或基本等于一列磁体块112x的磁体113x的排列与相邻列的磁体块112x的磁体113x的排列不同。

图3c示意性地示出了磁体块112的系统111的一实施例的x－z平面视图。磁体113x的磁化方向包含+z、－x、－x、－z、+x、+x的型式，该型式重复并构成磁场空间周期λx。图3c所示的实施例中的磁体块112x的x尺寸m2基本等于两个相邻h型磁体的x尺寸之和等于或基本等于n型磁体和s型磁体的x尺寸。此为优选实施方式，但并非必须。在一些实施例中，两个相邻h型磁体的x尺寸之和可为其他值。在一些实施例中，h型磁体的x尺寸τg可为零与λx之间的任意值。在一些实施例中，磁体113x的磁化方向可包含+z、+z、－x、－z、－z、+x的型式。

图3d示意性地示出了磁体块112的系统111的一实施例的x－z平面视图。磁体113x的磁化方向包含+x、－x的型式，该型式重复并构成磁场空间周期λx。图3d所示的实施例中的磁体块112x的x尺寸m2基本等于λx。磁体块112x仅由h型磁体组成。两个h型磁体之间存在间隙。该间隙不会产生任何磁场。在一些实施例中该间隙可以为零。

图3e示意性地示出了磁体块112的系统111的一实施例的x－z平面视图。磁体113的磁化方向包含+z、－z的型式，该型式重复并构成磁场空间周期λx。图3e所示的实施例中的磁体块112x的x尺寸m2基本等于λx。磁体块112x不包含任何h型磁体。n型磁体和s型磁体之间存在间隙。该间隙不会产生任何磁场。在一些实施例中该间隙可以为零。

多层线圈组件单元的一些实施例

图4a和图4c示意性地示出了层123a、123c的实施例的x－y平面视图。图4b和图4d是层123b、123d的实施例的x－y平面视图。层123的这些实施例适合与图1a所示的位移装置100和图6a所示的位移装置100配套使用。层123a、123c的每层包括多个(例如在图4a和图4c所示实施例中为两个)线圈组件单元122a、122b，它们在x方向上相邻配置。层123b、123d的每层包括多个(例如在图4b和图4d所示实施例中为两个)线圈组件单元122c、122d，它们在y方向上相邻配置。线圈组件单元122a、122b、122c、122d统称为线圈组件单元122。

图4a所示的实施例与图1c所示的实施例在两方面不同。首先，每个线圈组件单元122仅包含一个线圈组件121且每层123仅包含两个线圈组件121。其次，两个线圈组件121y的质心点之间的y向距离(在图4a中示为dy)等于或基本等于其中n＝1,2,3,…(对图4a所示的实施例而言，n＝1)，而k是层123上的线圈组件121y的数量(对图4a所示的实施例而言k＝2)。图4b所示的实施例与图1d所示的实施例存在类似的差异。两个线圈组件121x的质心点之间的x向距离(在图4b中示为dx)等于或基本等于其中n＝1,2,3,…(对图4b所示的实施例而言，n＝1)，而k是层123上的线圈组件121x的数量(对图4b所示的实施例而言k＝2)。

图4c所示的实施例与图1c所示的实施例的差异在于，在图4c所示的实施例中，每个线圈组件单元122包含三个线圈组件。这也是图4d所示的实施例与图1d所示的实施例的差异。图4c与图4d之间的距离dx及dy必须相应调整(对于图4c所示的实施例与图4d所示的实施例而言，k＝3)。

一种工作台的一些实施例

图5a～图5e所示的工作台120的实施例适合与图1a所示的位移装置100和图6a所示的位移装置100配套使用。图5a～图5e所示的工作台120中的线圈组件的排列还可用于一个或多个层123。工作台120包括多层123的优点在于，可利用印刷电路板技术制造工作台120。

图5a示意性地示出了工作台120的一个实施例的x－y平面视图，该工作台120包括单层多个线圈组件单元122a、122b、122c、122d(统称为线圈组件单元122)。线圈组件单元在z方向上彼此对准而具有相等或基本相等的位置。每个线圈组件单元122a、122b包括线圈组件121y，当由多相系统适当供电且位于由磁体块112的系统111产生的磁场中时，该线圈组件121y可在y方向提供一个恒定的作用力并且可在z方向提供一个恒定的作用力，如箭头所示。每个线圈组件单元122c、122d包括线圈组件121x，当由多相系统适当供电且位于由磁体块112的系统111产生的磁场中时，该线圈组件121x可在x方向提供一个恒定的作用力并且可在z方向提供一个恒定的作用力，如箭头所示。两个线圈组件121y的质心点之间的x向间距不为零，而y向间距(在图5a中示为d)等于或基本等于其中n＝1,2,3,…。两个线圈组件121x的质心点之间的y向间距不为零，而x向间距(在图5a中示为dx)等于或基本等于其中n＝1,2,3,…。施加在线圈组件121上的洛伦兹力的共同作用可引起六自由度运动，即，沿着三个方向(x、y、z)做平移运动并沿着三个方向(x、y、z)做旋转运动。

图5b示意性地示出了工作台120的一个实施例的x－y平面视图，工作台120包括单层多个线圈组件单元122a、122b、122c、122d(统称为线圈组件单元122)。线圈组件单元122在z方向上彼此对准而具有相等或基本相等的位置。每个线圈组件单元122a、122b包括两个线圈组件121y，它们的质心点的y向间距(在图5b中示为dy)等于或基本等于其中n＝1,2,3,…。每个线圈组件单元122c、122d包括两个线圈组件121x，它们的质心点的x向间距(在图5b中示为dx)等于或基本等于其中n＝1,2,3,…。这种排列消除了可能导致摇摆运动的干扰转矩。可对导电体124进行电流分布(整流)，这样当处于由磁体块112的系统111产生的磁场中时，每个线圈组件单元122a、122b在y方向提供一个恒定的作用力并在z方向提供一个恒定的作用力，而每个线圈组件单元122c、122d在x方向提供一个恒定的作用力并在z方向提供一个恒定的作用力，如箭头所示。两个线圈组件单元122a、122b在x方向具有不同的位置，两个线圈组件单元122c、122d在y方向具有不同的位置。施加在线圈组件单元122上的洛伦兹力的共同作用可引起六自由度运动。

图5c示意性地示出了工作台120的一个实施例的x－y平面视图，该工作台120包括多个线圈组件单元122a、122b、122c、122d(统称为线圈组件单元122)，这些线圈组件单元在z方向上彼此对准而具有相等或基本相等的位置。图5c所示的实施例与图5b所示的实施例相似，只是每个线圈组件单元122包括三个线圈组件121，而非两个，相应地，两个相邻线圈组件121y的质心点之间距(在图5c中示为dy)等于或基本等于其中n＝1,2,3,…，而两个相邻线圈组件121x的质心点之间距(在图5c中示为dx)等于或基本等于其中n＝1,2,3,…。施加在图5c所示的实施例中的线圈组件单元122上的洛伦兹力的共同作用可引起六自由度运动。

图5d示意性地示出了工作台120的一个实施例的x－y平面视图，工作台120包括两个线圈组件单元122a、两个线圈组件单元122b和一个线圈组件单元122c(统称为线圈组件单元122)，这些线圈组件单元在z方向上彼此对准而具有相等或基本相等的位置。四个线圈组件单元122a和122b位于矩形工作台320的四个角落。每个线圈组件单元122a和122b包括多个线圈组件121y。两个相邻线圈组件121y的质心点之间距(图5d中示为dy)等于或基本等于其中k是相应线圈组件单元中线圈组件的数量，且n＝1,2,3,…。线圈组件单元122c位于工作台120的中央，其包括多个线圈组件121x。两个相邻线圈组件121x的质心点之间距(图5d中示为dx)等于或基本等于其中k是相应线圈组件单元中线圈组件的数量，且n＝1,2,3,…。施加在线圈组件单元122上的洛伦兹力的共同作用可引起六自由度运动。

图5e示意性地示出了工作台120的一个实施例的x－y平面视图，该工作台120包括三个线圈组件单元122a、122b、122c(统称为线圈组件单元122)，这些线圈组件单元在z方向上彼此对准而具有相等或基本相等的位置。三个线圈组件单元122的质心点并非线性对准，可形成三角形。每个线圈组件单元122a和122b包括多个线圈组件121y。两个相邻线圈组件121y的质心点之间距(图5e中示为dy)等于或基本等于其中k是相应线圈组件单元中线圈组件的数量，且n＝1,2,3,…。线圈组件单元122c包括多个线圈组件121x。两个相邻线圈组件121x的质心点之间距(图5e中示为dx)等于或基本等于其中k是相应线圈组件单元中线圈组件的数量，且n＝1,2,3,…。施加在线圈组件单元122上的洛伦兹力的共同作用可引起六自由度运动。

一种位移装置的一些实施例

图6a是根据本发明的一具体实施例的位移装置100的x－y示意性平面视图；图6b是根据图6a所示的实施例的位移装置100的x－z示意性平面视图；位移装置100包括定子110和工作台120，二者彼此相对运动。定子110包括磁体块512x、512y(统称为磁体块512)的阵列511。磁体块512的阵列511是一维阵列，其由一行多列构成。该行平行于x方向，该列平行于y方向。多列磁体块512x和磁体块512y沿x方向彼此交替排列。如图6a中所示，m2和m1分别是磁体块512x和512y的x尺寸。

在所示的实施例(如图6a所示)中，每个磁体块512x包括多个(例如在所示实施例中为四个)磁体113x，这些磁体113x在x方向上相邻配置，其磁化方向大致垂直于y方向。磁体113x包含多个不同的磁化方向，它们一起提供磁场空间周期λx。每个磁体块512y包括多个(例如在所示实施例中为四个)磁体113y，这些磁体113y在y方向上相邻配置，其磁化方向大致垂直于x方向。磁体113y包含多个不同的磁化方向，它们一起提供磁场空间周期λy。磁体块512的磁体113的排列与磁体块112的磁体的排列相似。

在所示的实施例(如图6b所示)中，该工作台120包括电机线圈系统，该电机线圈系统具有多层(例如在所示实施例中为四层)523a、523b、523c、523d(统称为层523)线圈组件单元122a、122b、122c、122d(统称为线圈组件单元122)。应当认识到，工作台120中层523的数量在特定实施例中可以改变，在所示的实施例中示出的层523的数量仅为便于说明。523a、523c各层包括多个(例如，在所示实施例中为两个)线圈组件单元122a、122b，它们在y方向上相邻配置。523b、523d各层包括多个(例如在所示实施例中为两个)线圈组件单元122c、122d，它们在x方向上相邻配置。

优选实施例为其中n＝1,2,3,…(在图6a所示的实施例中，n＝2)以及其中n＝1,2,3,…(在图6a所示的实施例中，n＝2)。磁体块512的这些参数选择一并作为在线圈组件121x上获得与位置无关的洛伦兹力的必要条件。此外，可以降低磁体块512阵列511的制造成本。

优选实施例为，线圈组件121y的x尺寸，亦即导电体124y的长度，等于或基本等于n(m1+m2)，其中n＝1,2,3,…。该参数选择的优点在于，在y方向和z方向施加在每个线圈组件121y上的洛伦兹力与位置无关，并且在x方向施加在每个线圈组件121y上的洛伦兹力为零(与位置无关)。两个线圈组件单元122a和122b的质心点的x方向间距gc等于或基本等于其中n＝1,2,3,…。需要指出的是，gc也可以是在x方向上相邻配置的两个线圈组件121y的质心点的x向间距。该参数选择的优点在于，两个线圈组件121在z方向上产生的干扰转矩彼此抵消。当线圈组件121y在x方向上相对于定子110改变位置时，即产生该干扰转矩。因此，该干扰转矩与位置有关，并且与不依赖于位置的洛伦兹力耦合。

每个线圈组件单元122a和122b的两个线圈组件121y的质心点的y向间距(在图6a中示为by)等于或基本等于其中，k是线圈组件单元122a和122b中线圈组件121y的数量(例如在所示的实施例中，k＝2)并且n＝1,2,3,…。相应的优点在于，每个线圈组件单元122a和122b的两个线圈组件121y在x方向上产生的干扰转矩彼此抵消。

优选的实施例为，每个线圈组件121x的x尺寸等于或基本等于n(m1+m2)，其中n＝1,2,3,…，每个线圈组件121x的y尺寸等于或基本等于nλy，其中n＝1,2,3,…。该参数选择的优点在于，在x方向和z方向施加在每个线圈组件121x上的洛伦兹力可以与位置无关，在y方向施加在每个线圈组件121x上的洛伦兹力可以为零(与位置无关)。

每个线圈组件单元122c和122d的两个线圈组件121x的质心点的x向间距(在图6a中示为bx)等于或基本等于其中，k是线圈组件单元122c和122d中线圈组件121x的数量(例如，在所示的实施例中，k＝2)并且n＝1,2,3,…。其优点在于，每个线圈组件单元122c和122d的两个线圈组件121x在y方向上产生的干扰转矩彼此抵消。

施加在所有线圈组件上的洛伦兹力的共同作用可引起工作台120六自由度运动。

控制图解

图7示出了适合用于控制位移装置100的控制系统150的示意性框图；控制系统150可由适当的可编程控制器(未示出)来实现。这类控制器(及其组件)可包括硬件、软件、固件(firmware)或它们的任意组合。例如，这类控制器可以在包含一个或多个处理器、用户输入设备、显示器等程控计算机系统中实现。这类控制器可以作为具有适当用户界面的嵌入式系统予以实现，其包括一个或多个处理器、用户输入设备、显示器等。处理器可包括微处理器、数字信号处理器、图形处理器、现场可编程门阵列等。控制器的组件可以是组合件或分成更多组件，控制器的组件可包括与控制器的其他组件共享的次组件。控制器的组件可彼此相隔。控制器可用于控制一个或多个放大器(未示出)驱动导电体124上的电流，从而以可控方式使可动工作台120相对于定子110移动。

在控制系统150中，信号r表示基准位置151的输出，基准位置151是工作台120相对于期望参考(desiredreference)(未显示)的预期位置。该期望参考为在所示的实施例中的定子110。在一些实施例中，该期望参考可以为不同于定子110和工作台120的独立机架。信号qm表示反馈位置坐标变换157的输出，即为工作台120相对于期望参考的测量位置。误差信号e是位置误差，由e＝r-qm得出。每个信号r、qm、e通常是具有至少两个尺寸的向量。反馈控制器152将误差信号e作为输入和输出了一个信号向量wc，其表示引起工作台120运动的力和转矩。在所示的实施例中，前馈控制器(feedforwardcontroller)158将基准位置r作为输入和输出了信号向量wf，其表示用于使工作台120产生所期望的运动的力和转矩。此为优选实施方式，因其可以降低定位误差，但并非必须。在一些实施例中，可以不存在前馈控制器158。组合信号向量wa，由wa＝wf+wc得出，用于通过力转换模块153计算信号向量fa，可以利用也可以不利用qm中包含的信息。信号向量fa包含每个线圈组件的指令力。线圈组件电流整流模块154将fa、qm视为输入和输出了信号向量ia，该信号向量包含每个导电体的指令电流。由ia提供指令，功率放大器155用于放大每个导电体的电流，进而引起位移装置100的工作台120的运动。这些运动可由位置传感器156测量，在此产生信号向量qs并由坐标变换模块157转换为qm。位置传感器156可包括电感式传感器、电容式传感器、涡流式传感器、霍尔传感器、激光三角传感器、激光干涉仪、视觉传感器或它们的任意组合。每个功率放大器155可为多相系统，例如三相系统。

多工作台

图8示意性地示出了位移装置200的x－y平面视图，位移装置200包括定子110和多个(在所示的实施例中为三个)工作台120。每个工作台120的运动由位置传感器测量并由控制系统150进行控制。

应当注意的是，上述实施例仅用于说明本发明，而非用于限制本发明，任何本领域技术人员均可设计许多替代实施例。

在权利要求书中，不应将括号中添加的任何参考符号视为对申请专利范围的限制。动词“包括”及其变体的使用并不排除存在除权利要求中所述的组件或步骤以外的组件或步骤。组件之前的冠词“一个”不排除存在多个这类组件。本发明可以通过一个包括几个不同组件的硬件来实现，也可以通过一个适当的程控计算机来实现。在列举几个装置的设备权利要求中，几个这种装置可通过同一种硬件来实现。事实上，某些措施在几个彼此不同的从属权利要求中均有叙述，这并不意味着这些措施的组合不能加以利用。