一种基于混合位移传感器和平面电机的位移装置的制作方法
本发明涉及精密运动系统领域，尤其涉及一种基于混合位移传感器和平面电机的位移装置。
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。
在本发明人的提交申请的专利1和2中描述的基于平面电机的位移装置，线圈阵列设置在动子上，磁体阵列设置在定子上。动子可以相对于定子做两个自由度(沿x方向平动和沿y方向平动)的长距离运动和在另外四个自由度(沿z平动和绕x、y和z方向转动)的短距离运动。如果要实现这六个自由度的运动，则需要一种实时的位移测量系统，以向闭环控制提供位移反馈信号。
专利文献1：pct/ep2016/063454
专利文献2：cn201680039160.4
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明公开一种基于混合位移传感器和平面电机的位移装置，包括工作台和定子，其中所述定子设计有一个工作区域并且所述定子包括磁体块系统，所述磁体块系统包括：多个第一类磁体块，每个所述第一类磁体块包括多个在第一方向(x)上大致线性延伸的第一磁体，每个所述第一磁体具有与所述第一方向(x)大致正交的磁化方向，而且至少两个所述第一磁体具有彼此不同的磁化方向；以及多个第二类磁体块，每个所述第二类磁体块包括多个在第二方向(y)上大致线性延伸的第二磁体，所述第二方向(y)与所述第一方向(x)大致正交，每个所述第二磁体具有与所述第二方向(y)大致正交的磁化方向，而且至少两个所述第二磁体具有彼此不同的磁化方向，其中，所述工作台沿第三方向(z)可移动地与所述定子邻接配置，所述第三方向(z)与所述第一方向(x)和所述第二方向(y)均大致正交，所述工作台包括电机线圈系统，所述电机线圈系统包括：第一类线圈组件，每个所述第一类线圈组件包括多个导电体，这些导电体沿着第一方向(x)大致线性延伸；以及第二类线圈组件，每个所述第二类线圈组件包括多个导电体，这些导电体沿着第二方向(y)大致线性延伸；所述电机线圈系统与所述磁体块系统作用，使所述工作台在工作区范围内产生沿第一方向(x)和第二方向(y)平动的长距离位移，以及沿第三方向(z)平动、绕第一方向(x)、第二方向(y)和第三方向(z)转动的短距离位移，
所述第一类线圈组件在第一方向(x)上的尺寸基本上等于n(m1+m2)，其中n＝1，2，3，...，且m1是特定的所述第一类磁体块在第一方向上的尺寸，而m2是与所述特定的所述第一类磁体块邻接配置的所述第二类磁体块在第一方向上的尺寸，并且所述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是特定的所述第一类磁体块在第一方向上的尺寸，而m2是与所述特定的所述第一类磁体块邻接配置的所述第二类磁体块在第一方向上的尺寸，
还包括多个长距离无接触位移传感器和多个短距离无接触位移传感器，所述长距离无接触位移传感器安装在所述定子上，通过所述多个长距离无接触位移传感器的反馈信号得出所述工作台沿第一方向(x)和第二方向(y)平动以及绕第三方向(z)转动的三个自由度运动的位移，所述短距离无接触位移传感器以平行于z方向且指向定子的方式安装在所述工作台上，用于测量所述工作台和所述定子的间距。
本发明的基于混合位移传感器和平面电机的位移装置中，优选为，所述长距离无接触位移传感器至少为三个，所述短距离无接触位移传感器至少为三个。
本发明的基于混合位移传感器和平面电机的位移装置中，所述长距离无接触位移传感器中，第一长距离无接触位移传感器和第二长距离无接触位移传感器以一定间距平行于第一方向(x)设置，第三长距离无接触位移传感器平行于第二方向(y)设置。
本发明的基于混合位移传感器和平面电机的位移装置中，所述短距离无接触位移传感器在所述工作台上的安装位置点组成一个四边形或者三角形。
本发明的基于混合位移传感器和平面电机的位移装置中，所述四边形为正方形。
本发明的基于混合位移传感器和平面电机的位移装置中，所述长距离无接触位移传感器可以使用激光干涉原理的传感器，也可以使用激光三角尺。
本发明的基于混合位移传感器和平面电机的位移装置中，所述短距离无接触位移传感器选用超声波位移传感器、电涡流位移传感器、电容位移传感器或红外位移传感器。
本发明的基于混合位移传感器和平面电机的位移装置中，所述长距离传感器包括反射镜、分光镜、光源以及光信号接收和处理单元。
附图说明
图1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2是图1所示根据一个具体实施例的位移装置的x－z平面视图；
图3是图1所示的根据一个具体实施例的位移装置的电机线圈系统的x－z平面视图；
图4示出了图3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5示出了图3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6是图1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7是图1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；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“垂直”“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。
图1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2是图1所示根据本发明的一个具体实施例的位移装置的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1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1中m1所示)的x尺寸可以与位于第一列旁边的第二列(如图1中m2所示)的x尺寸不同。在一些实施例中，第一行(如图1中m3所示)的y尺寸可以与位于第一行旁边的第二行(如图1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2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1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1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1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1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1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1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2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6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7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6和图7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1所示)中，长距离无接触位移传感器132a,132b,132c安装在定子110上，通过长距离无接触位移传感器132a,132b,132c的反馈信号可以得出工作台120沿x方向和y方向平动以及绕z方向转动的三个自由度运动的位移。其中，第一长距离无接触位移传感器132a和第二长距离无接触位移传感器132b以一定间距平行于x方向设置，第三长距离无接触位移传感器132c平行于y方向设置。长距离传感器包括反射镜、分光镜、光源以及光信号接收和处理单元。长距离无接触位移传感器可以进行长距离(几百毫米)无接触的位移测量，可以使用激光干涉原理的传感器，也可以使用激光三角尺等。
短距离无接触位移传感器131a,131b,131c,131d以平行于z方向且指向定子110的方式安装在工作台120上(如图1和图2所示)，用于测量工作台120和定子110的间距。短距离无接触位移传感器包括一个探测头，探测头与定子110表面大致垂直，定子110不需要安装信号发射源和导线。短距离无接触位移传感器可以选用超声波位移传感器、电涡流位移传感器、电容位移传感器、红外位移传感器等。
在所示的实施例中(如图1所示)，长距离无接触位移传感器132a,132b,132c的数量为三个，短距离无接触位移传感器131a,131b,131c,131d为四个。此为优选实施方式，但并非必须。长距离无接触位移传感器的数量可以是多个，优选为三个以上。短距离无接触位移传感器的数量可以是多个，优选为三个以上。
在所示的实施例中(如图1所示)，短距离无接触位移传感器在工作台120上的安装位置点组成一个正方形。此为优选实施方式，但并非必须。在一些实施例中，短距离无接触位移传感器在工作台120上的安装位置点还可以组成矩形、平行四边形等其他形状的四边形，而在一些实施例中，短距离无接触位移传感器在工作台120上的安装位置点还可以组成三角形。
在所示的实施例(如图3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4和图5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4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5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4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(n-1)
在所示的实施例(如图4及图5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4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4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5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5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4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4中dy所示，等于或基本等于
通过比较图4和图5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。
关于位移装置的线圈组件的一些实施例，磁体块的一些实施例，多层线圈组件单元的一些实施例，工作台的一些实施例，通过引用的方式将专利1中的相关内容全部纳入本说明书中。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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