专利名称：一种音圈电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超精密运动定位设备，尤其涉及一种音圈电机，属于半导体装备 领域。
背景技术：
具有纳米级运动定位精度的超精密微动台是半导体装备关键部件之一，如光刻机 中的硅片台、掩模台等。为实现执行单元的超精密定位要求，以磁浮约束为支撑方式的音圈 电机作为一种超精密微动台被广泛应用。由通电线圈在永磁阵列气隙磁场中产生的洛仑兹 力提供驱动力和悬浮支撑，通过控制线圈中电流大小来改变执行单元的推力，具有结构简 单、易于在真空环境中应用等优点。目前常用音圈电机结构如图1所示，包括第一线圈组件、第一永磁体组件、第二永 磁体组件。当线圈通电时，将产生洛仑兹力，电机动子在洛仑兹力作用下可沿X轴方向运 动。常用结构中第一线圈组件沿Y方向的长度L与各永磁体组件沿Y轴方向长度相等，当 各永磁体组件与第一线圈组件沿Y方向存在安装误差，或由于外力作用使电机动子沿Y轴 方向移动时，电机动子所受的Y方向洛仑兹力合力不为零，因此电机动子将受到沿Y方向力 而产生Y方向运动，影响了音圈电机的定位精度，同时第一线圈组件与各永磁体之间的有 效面积发生变化，因此电机动子所受的沿X轴方向洛仑兹力大小也将发生变化，与设计推 力不一致，影响了电机推力常数。因此目前音圈电机结构中动子沿Y轴方向的运动受到约 束，工作空间受到限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于半导体装备的音圈电机，不仅满足电机动子在X 方向微动的要求，同时解决目前音圈电机动子在Y方向运动受限的问题。本发明的第一种技术方案如下一种音圈电机，所述音圈电机包括上下两个永磁体组件和一个设置在上下两个永 磁体组件之间的线圈组件；每个永磁体组件包括两个主永磁体和铁轭，主永磁体充磁方向 沿Z轴方向且按常规阵列形式布置，各永磁体组件之间形成封闭磁场；封闭磁场垂直穿过 线圈组件有效表面，电流方向与磁场方向垂直，产生洛仑兹力驱动电机动子沿X方向移动， 其特征在于增加了音圈电机沿Y轴方向移动自由度，即当永磁体组件为动子时，线圈组件 中与Y轴平行部分的线圈沿Y轴方向的长度L2，大于等于永磁体组件沿Y轴方向长度L与 永磁体组件沿Y轴方向移动距离Ll之和；当线圈组件作为动子时，永磁体组件沿Y轴方向 的长度L，大于等于线圈组件中与Y轴平行部分的线圈沿Y轴方向的长度L2与线圈组件沿 Y轴方向移动距离L3之和。本发明的另一种技术方案如下一种音圈电机，所述音圈电机包括上下两个永磁 体组件和设置在上下两个永磁体组件之间的一个或两个线圈组件；每个永磁体组件包括主 永磁体、附永磁体和铁轭；主永磁体充磁方向沿Z轴方向，附永磁体充磁方向沿X轴方向，每个永磁体组件以Halbach阵列形式布置，各永磁体组件之间形成封闭磁场；封闭磁场垂直 穿过线圈组件有效表面，电流方向与磁场方向垂直，产生洛仑兹力驱动电机动子沿X方向 移动，其特征在于当永磁体组件为动子时，线圈组件中与Y轴平行部分的线圈沿Y轴方向 的长度L2，大于等于永磁体组件沿Y轴方向长度L与永磁体组件沿Y轴方向移动距离Ll之 和；当线圈组件作为动子时，永磁体组件沿Y轴方向的长度L，大于等于线圈组件中与Y轴 平行部分的线圈沿Y轴方向的长度L2与线圈组件沿Y轴方向移动距离L3之和。本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果本发明音圈电机结构中，即使各永磁体组件与线圈组件之间存在沿Y方向的安装 误差，或由于外力作用而使电机动子沿Y轴移动，电机动子沿Y轴方向所受的洛仑兹力合力 始终为零，同时各永磁体组件之间磁场通过的有效线圈面积不变，因此电机动子所受的沿X 轴方向洛仑兹力大小不变，不仅满足音圈电机动子在X方向微动的运动要求，同时动子能 够沿Y轴方向做长行程移动，增加了电机Y方向运动自由度，增加了电机的工作空间，解决 了现有音圈电机结构中动子在Y轴方向运动受限的问题。
图1为常用音圈电机结构轴测图。图2为常用音圈电机俯视图。图3为本发明音圈电机方案一结构轴测图。图4为方案一结构俯视图。图5为方案一结构沿A-A面剖视图。图6为本发明音圈电机方案二结构轴测图。图7为方案二结构俯视图。图8为方案二结构沿B-B面剖视图。图9为本发明音圈电机方案三结构轴测图。图10为方案三结构俯视图。图11为方案三结构沿C-C面剖视图。图12为方案四结构轴测图。图13为方案四结构俯视图。图14为方案五结构俯视图。图15为方案六结构轴测图。图16为方案六结构俯视图。图中100-第一永磁体组件；101-第一主永磁体；102-第二主永磁体；103-第一铁轭；103a_第一铁轭表面； 200-第二永磁体组件；201-第三主永磁体；202-第四主永磁体；203-第二铁轭；203a_第二铁轭表面； 300-第一线圈组件；300a-第一线圈组件部分线圈；300b第一线圈组件部分线圈；400-第三永磁体组 件；
111-第一附永磁体；112-第二附永磁体；113-第三附永磁体；500-第四永磁体组 件；211-第四附永磁体；212-第五附永磁体；213-第六附永磁体；600-第二线圈组 件；600a-第二线圈组件有效线圈部分；600b_第二线圈组件有效线圈部分；700-第五 永磁体组件；104-第五主永磁体；800-第六永磁体组件；204-第六主永磁体；
具体实施例方式下面结合附图对本发明的原理、结构和工作过程来进一步说明本发明。图3为本发明提供的音圈电机方案一结构轴测图，图4为图3中方案一结构俯视 图，该结构包括第一永磁体组件100、第二永磁体组件200、第一线圈组件300。各永磁体组 件沿Y轴方向长度为L，电机动子为永磁体组件，且各永磁体组件沿Y轴方向运动的距离为 Li，第一线圈组件300中与Y轴平行的线圈部分沿Y轴长度为L2，本发明中增加了音圈电 机沿Y轴方向移动自由度，即满足第一线圈组件300中与Y轴平行部分的线圈沿Y轴方向 的长度L2，大于等于各永磁体组件沿Y轴方向长度L与永磁体组件沿Y轴方向移动距离Ll 之和，即使各永磁体组件与第一线圈组件300之间存在Y方向的安装误差，或由于外力作用 而使各永磁体组件沿Y轴移动，各永磁体组件受到的沿Y轴方向的洛仑兹力合力始终为零。 另一方面，各永磁体组件沿Y方向移动时，第一永磁体组件100、第二永磁体组件200中的有 效线圈面积不变，因此电机沿X方向的推力大小不变。图5为图3中结构的A-A截面剖视图。方案一结构包括第一永磁体组件100、第二 永磁体组件200和第一线圈组件300。第一线圈组件300位于第一永磁体组件100与第二 永磁体组件200平面骨架间，并留有间隙。如图5所示，第一永磁体组件100包括第一主永磁体101、第二主永磁体102、第一 铁轭103。第二永磁体组件200包括第三主永磁体201、第四主永磁体202、第二铁轭203。 第一主永磁体101与第二主永磁体102粘接固定于第一铁轭103的面103a上，且第一主永 磁体101与第二主永磁体102之间留有间隙。第三主永磁体201与第四主永磁体202粘接 固定于第二铁轭203的面203a上，且第三主永磁体201与第四主永磁体202之间留有间 隙。第二主永磁体102、第四主永磁体202的充磁方向沿Z轴正方向，第一主永磁体101、第 三主永磁体201的充磁方向沿Z轴负方向，第一主永磁体101的N极表面与第三主永磁体 201的S极表面相对，第二主永磁体102的S极表面与第四主永磁体202的N极表面相对， 因此在第一永磁体组件100与第二永磁体组件200之间形成封闭磁路。第一线圈组件300位于第一永磁体组件100与第二永磁体组件200之间。其中第 一线圈组件300的线圈300a部分位于第一主永磁体101与第三主永磁体201之间，第一线 圈组件300的线圈300b部分位于第二主永磁体102与第四主永磁体202之间。线圈300a 部分与线圈300b部分的导线方向沿Y轴方向，第一主永磁体101、第三主永磁体201之间产 生的磁场垂直穿过线圈300a部分表面，第二主永磁体102、第四主永磁体202之间的磁场垂 直穿过线圈300b部分表面。当第一线圈组件300通电时，线圈中电流方向与所在区域的磁
5场方向垂直，因此将产生洛仑兹力。洛仑兹力方向、通电线圈电流方向与磁感应强度方向相 互垂直，致使动子在洛仑兹力作用下实现沿X轴方向运动。图6为本发明音圈电机方案二结构轴测图，图7为方案二结构俯视图，图8为方案 二结构沿B-B面剖视图。方案二结构包括第三永磁体组件400、第四永磁体组件500、第一 线圈组件300。各永磁体组件沿Y轴方向长度为L，电机动子为永磁体组件，且各永磁体组 件沿Y轴方向运动的距离为Li，第一线圈组件300中与Y轴平行的线圈部分沿Y轴长度为 L2，方案二结构中增加了音圈电机沿Y轴方向移动自由度，即满足第一线圈组件300中与Y 轴平行部分的线圈沿Y轴方向的长度L2，大于等于各永磁体组件沿Y轴方向长度L与各永 磁体组件沿Y轴方向移动距离Ll之和。第三永磁体组件400结构中，沿X轴正向方向依次为第一附永磁体111、第一主永 磁体101、第二附永磁体112、第二主永磁体102、第三附永磁体113。各主附永磁体沿X轴 方向相互粘接在一起，并粘接固定于第一铁轭103的表面103a上。在第四永磁体组件500 中，沿X轴正向方向依次为第四附永磁体211、第三主永磁体201、第五附永磁体212、第四主 永磁体202、第六附永磁体213。各主附永磁体沿X轴方向相互粘接在一起，并粘接固定于第 二铁轭203的表面203a上。第一附永磁体111、第三附永磁体113、第五附永磁体212的充 磁方向为X轴正方向，第二附永磁体112、第四附永磁体211、第六附永磁体213的充磁方向 为X轴负方向。各附永磁体与各主永磁体的磁场方向相互垂直，第一主永磁体101的N极 面与第三主永磁体201的S极面正面相对，第二主永磁体102的S极面与第四主永磁体202 的N极面正面相对，在第三永磁体组件400与第四永磁体组件500中分别构成了 Halbach 阵列形式，且第三永磁体组件400与第四永磁体组件500之间形成封闭磁路。与方案一中 各永磁体组件相比，方案二中各永磁体组件增加了附永磁体，因此可以增强磁场及气隙磁 感应强度，增大推力。第一线圈组件300位于第三永磁体组件400与第四永磁体组件500平面骨架之 间。其中线圈的300a线圈部分位于第一主永磁体101与第三主永磁体201之间，且留有间 隙，线圈的300b线圈部分位于第二主永磁体102与第四主永磁体202之间，且留有间隙。线 圈300a部分与线圈300b部分的导线方向沿Y轴方向，第一主永磁体101与第三主永磁体 201之间产生的磁场垂直穿过线圈的300a部分线圈表面，第二主永磁体102与第四主永磁 体202之间的磁场垂直穿过线圈的300b部分线圈表面。当线圈通电时，电流方向与所在区 域的磁场方向垂直，因此将产生洛仑兹力。洛仑兹力方向、通电线圈电流方向与磁感应强度 方向相互垂直，致使音圈电机动子在洛仑兹力作用下实现沿X轴方向运动。图9为本发明音圈电机实施方案三的结构轴测图，图10为方案三结构俯视图，图 11为方案三结构C-C面剖视图。方案三结构包括第五永磁体组件700、第六永磁体组件800、 第一线圈组件300与第二线圈组件600。第一线圈组件300、第二线圈组件600位于第五永 磁体组件700与第六永磁体组件800平面骨架间，并留有间隙。各永磁体组件沿Y轴方向 长度为L，电机动子为永磁体组件，且各永磁体组件沿Y轴方向运动的距离为Li，第一线圈 组件300、第二线圈组件600中与Y轴平行的线圈部分沿Y轴长度为L2，方案三结构中增加 了音圈电机沿Y轴方向移动自由度，即满足第一线圈组件300、第二线圈组件600中与Y轴 平行部分的线圈沿Y轴方向的长度L2，大于等于各永磁体组件沿Y轴方向长度L与各永磁 体组件沿Y轴方向移动距离Ll之和。
每个永磁体组件中的主、附永磁体沿X方向上互相粘接在一起。在永磁体组件700 中，沿X轴正向方向依次为第一主永磁体101、第二附永磁体112、第二主永磁体102、第三附 永磁体113、第五主永磁体104。各主附永磁体沿X轴方向粘接在一起，且粘接固定于第一 铁轭103的表面103a上。在第六永磁体组件800中，沿X轴正向方向依次为第三主永磁体 201、第五附永磁体212、第四主永磁体202、第六附永磁体213、第六主永磁体204。第五主 永磁体104、第六主永磁体204的充磁方向为Z轴负方向。第一主永磁体101的N极面正对 第三主永磁体201的S极面，第二主永磁体102的S极面正对第四主永磁体202的N极面， 第五主永磁体104的N极面正对第六主永磁体204的S极面。各主、附永磁体的磁场方向 相互垂直，因此在第五永磁体组件700与第六永磁体组件800中分别构成了 Halbach阵列 形式，且在第五永磁体组件700与第六永磁体组件800之间形成封闭磁路。方案三结构中有两个线圈组件，即第一线圈组件300与第二线圈组件600。第一线 圈组件300与第二线圈组件600的绕线平面在同一平面内，且位于第五永磁体组件700与 第六永磁体组件800平面骨架之间。其中第一线圈组件300的300a线圈部分位于第一主永 磁体101与第三主永磁体201之间，且留有间隙，第一线圈组件300的300b线圈部分位于 第二主永磁体102与第四主永磁体202之间，且留有间隙。第二线圈组件600的600a线圈 部分位于第二主永磁体102与第四主永磁体202之间，方向沿Y轴方向，第二线圈组件600 的600b线圈部分位于第五主永磁体104与第六主永磁体204之间，方向沿Y轴方向。第一 主永磁体101、第三主永磁体201之间的磁场垂直穿过第一线圈组件的线圈300a部分线圈 表面，第二主永磁体102、第四主永磁体202之间的磁场垂直穿过第一线圈组件的线圈300b 部分线圈表面，第二主永磁体102、第四主永磁体202之间的磁场垂直穿过第二线圈组件的 线圈600a部分线圈表面，第五主永磁体104、第六主永磁体204之间的磁场垂直穿过第二线 圈组件600的600b部分线圈表面。当线圈通电时，电流方向与磁场方向垂直，因此将产生 洛仑兹力。洛仑兹力方向、通电线圈电流方向与磁感应强度方向相互垂直，音圈电机动子在 洛仑兹力作用下实现沿X轴方向运动。图12为本发明音圈电机方案四结构轴测图，图13为方案四结构俯视图，该结构包 括第一永磁体组件100、第二永磁体组件200、第一线圈组件300。方案四结构中电机动子 为第一线圈组件300，各永磁体组件沿Y轴方向的长度L，大于等于第一线圈组件300中与 Y轴平行部分的线圈沿Y轴方向的长度L2与第一线圈组件300沿Y轴方向移动距离L3之 和。图14为本发明音圈电机方案五结构俯视图，该结构包括第三永磁体组件400、第 四永磁体组件500、第一线圈组件300。方案五结构中电机动子为第一线圈组件300，各永磁 体组件沿Y轴方向的长度L，大于等于第一线圈组件300中与Y轴平行部分的线圈沿Y轴方 向的长度L2与第一线圈组件300沿Y轴方向移动距离L3之和。图15为本发明音圈电机方案六结构轴测图，图16为方案六结构俯视图，该结构包 括第五永磁体组件700、第六永磁体组件800、第一线圈组件300、第二线圈组件600。方案 六结构中电机动子为第一线圈组件300与第二线圈组件600，各永磁体组件沿Y轴方向的长 度L，大于等于第一线圈组件300、第二线圈组件600中与Y轴平行部分的线圈沿Y轴方向 的长度L2与第一线圈组件300、第二线圈组件600沿Y轴方向移动距离L3之和。
权利要求
1. 一种音圈电机，所述音圈电机包括上下两个永磁体组件和一个设置在上下两个永磁 体组件之间的线圈组件；每个永磁体组件包括两个主永磁体和铁轭，主永磁体充磁方向沿 Z轴方向且按常规阵列形式布置，各永磁体组件之间形成封闭磁场；封闭磁场垂直穿过线 圈组件有效表面，电流方向与磁场方向垂直，产生洛仑兹力驱动电机动子沿X方向移动，其 特征在于增加了音圈电机沿Y轴方向移动自由度，即当永磁体组件为动子时，线圈组件中 与Y轴平行部分的线圈沿Y轴方向的长度L2，大于等于永磁体组件沿Y轴方向长度L与永 磁体组件沿Y轴方向移动距离Ll之和；当线圈组件作为动子时，永磁体组件沿Y轴方向的 长度L，大于等于线圈组件中与Y轴平行部分的线圈沿Y轴方向的长度L2与线圈组件沿Y 轴方向移动距离L3之和。
2. —种音圈电机，所述音圈电机包括上下两个永磁体组件和设置在上下两个永磁体组 件之间的一个或两个线圈组件；每个永磁体组件包括主永磁体、附永磁体和铁轭；主永磁 体充磁方向沿Z轴方向，附永磁体充磁方向沿X轴方向，每个永磁体组件以Halbach阵列形 式布置，各永磁体组件之间形成封闭磁场；封闭磁场垂直穿过线圈组件有效表面，电流方向 与磁场方向垂直，产生洛仑兹力驱动电机动子沿X方向移动，其特征在于增加了音圈电机 沿Y轴方向移动自由度，即当永磁体组件为动子时，线圈组件中与Y轴平行部分的线圈沿Y 轴方向的长度，大于等于永磁体组件沿Y轴方向长度与永磁体组件沿Y轴方向移动距离之 和；当线圈组件作为动子时，永磁体组件沿Y轴方向的长度L，大于等于线圈组件中与Y轴 平行部分的线圈沿Y轴方向的长度L2与线圈组件沿Y轴方向移动距离L3之和。
全文摘要
一种音圈电机，涉及一种超精密运动定位设备。本发明包括上下两个永磁体组件和设置在上下两个永磁体组件之间的一个或两个线圈组件，其技术特点是增加了音圈电机沿Y轴方向移动的自由度；当电机动子沿Y轴方向移动时，永磁体组件之间的有效线圈面积不变，电机动子沿Y轴方向洛仑兹合力为零且沿X轴方向的洛仑兹力大小不变。本发明不仅满足音圈电机动子在X方向微动的运动要求，同时电机动子能够沿Y轴方向做长行程移动，增加了电机的工作空间，解决了现有音圈电机结构中动子沿Y轴方向运动受限的问题。
文档编号H02K33/18GK102130567SQ20111002387
公开日2011年7月20日 申请日期2011年1月21日 优先权日2011年1月21日
发明者刘羽, 宋玉晶, 尹文生, 张鸣, 徐登峰, 朱煜, 李鑫, 杨开明, 汪劲松, 穆海华, 胡金春 申请人:清华大学