CN109991814B - 一种位移装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种位移装置，其具有：定子磁体阵列，其包括第一磁体和第二磁体，所述第一磁体和所述第二磁体在第一平面内周期性排列；以及动子，其至少包括由第一X线圈组成的第一X线圈阵列和由第一Y线圈组成的第一Y线圈阵列，所述第一X线圈阵列的主体部分配置在与所述第一平面大致平行的第一导体层内，所述第一Y线圈阵列的主体部分配置在与所述第一平面大致平行的第二导体层内，所述第一导体层和所述第二导体层沿与所述第一平面垂直的方向离开一定间距而配置，所述第一X线圈包括一对在第一方向上延伸的第一XX导体和一对在与所述第一方向大致垂直的第二方向上延伸的第一XY导体，所述第一方向和所述第二方向均与所述第一平面大致平行，所述第一X线圈中，一对所述第一XX导体中的至少一个配置在所述第二导体层中，一对所述第一XY导体均配置在所述第一导体层中。

Description

一种位移装置

技术领域

本发明涉及精密运动系统领域，尤其涉及一种位移装置。

背景技术

近年来，在光刻装置领域，在光刻机的工件台和掩模台中采用了一种被称作磁浮平面电机的能够多自由度驱动的位移装置，它基于洛伦兹力原理，将产生的电磁力直接施加到工件台上，从而能够提供多轴运动。这种磁浮平面电机一般包括磁体阵列和线圈绕组单元两大部分，该磁体阵列中的磁体阵列单元呈交替排列方式，非常便于拓展，有效解决了大行程设计上的技术瓶颈。另外，这种位移装置不但也可以实现六个自由度的运动，而且并可以节省中间传动环节，结构紧凑，整体刚度高，且具有可以直接驱动、无机械摩擦和无反冲等特点，利于实现更高的加速性能和定位精度，有利于提高运动台的运动效率，可以实现更高的定位精度与运动加速度。另外，通过磁浮技术，降低了对运动面型的约束，工作过程无接触磨损，非常适合微电子装备中需要大行程、真空、超洁净、超精密定位的需求。本发明可以应用于多种芯片制造装备中，例如光刻机中用于装载晶圆和实现其精密定位的运动台、光刻机中的掩模台、晶圆检测设备、晶圆切割设备，以及芯片封装设备中装载晶圆和实现其精密定位的运动台。本发明也可以用于光学、数控机床、生物医药制造等设备中精密运动台。

专利文献1公开了一种位移装置，包括在动子线圈阵列和定子磁体阵列，动子可以相对于定子做至少两个方向(X和Y)上的运动。但是，专利文献1中的每个线圈都是中空结构，线圈的排列方式没有相互填充中空的部分，从而降低了导体材料的空间占比，进而限制了电机力的提升。

专利文献1 US7372548

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供一种位移装置，其中，具有：定子磁体阵列，其包括第一磁体和第二磁体，所述第一磁体和所述第二磁体在第一平面内周期性排列；以及动子，其至少包括由第一X线圈组成的第一X线圈阵列和由第一Y线圈组成的第一Y线圈阵列，所述第一X线圈阵列的主体部分配置在与所述第一平面大致平行的第一导体层内，所述第一Y线圈阵列的主体部分配置在与所述第一平面大致平行的第二导体层内，所述第一导体层和所述第二导体层沿与所述第一平面垂直的方向离开一定间距而配置，所述第一X线圈包括一对在第一方向上延伸的第一XX导体和一对在与所述第一方向大致垂直的第二方向上延伸的第一XY导体，所述第一方向和所述第二方向均与所述第一平面大致平行，所述第一方向和所述第二方向大致垂直，所述第一X线圈中，一对所述第一XX导体中的至少一个配置在所述第二导体层中，一对所述第一XY导体均配置在所述第一导体层中。本发明的位移装置中，优选为，所述第一Y线圈包括一对在所述第一方向上延伸的第一YX导体和一对在所述第二方向上延伸的第一YY导体，所述第一Y线圈中，一对所述第一YY导体中的至少一个配置在所述第一导体层中，一对所述第一YX导体均配置在所述第二导体层中。

本发明的位移装置中，优选为，所述动子还包括由第二X线圈组成的第二X线圈阵列，所述第二X线圈包括一对在所述第一方向延伸的第二XX导体和一对在所述第二方向上延伸的第二XY导体，所述第二X线圈中，一对所述第二XX导体中的至少一个配置在所述第二导体层中，一对所述第二XY导体均配置在所述第一导体层中，所述动子还包括由第二Y线圈组成的第二Y线圈阵列，所述第二Y线圈包括一对在所述第一方向上延伸的第二YX导体和一对在所述第二方向上延伸的第二YY导体，所述第二Y线圈中，一对所述第二YY导体中的至少一个配置在所述第一导体层中，一对所述第二YX导体均配置在所述第二导体层中。

本发明的位移装置中，优选为，配置在所述第二导体层中的所述第一XX导体配置在最靠所述第二方向的负方向的所述第一YX导体和所述第二YX导体之间，配置在所述第二导体层内的所述第二XX导体配置在最靠所述第二方向的正方向的所述第一YX导体和所述第二YX导体之间。

本发明的位移装置中，优选为，配置在所述第一导体层中的所述第一YY导体配置在最靠所述第一方向的正方向的所述第一XY导体和所述第二XY导体之间，配置在所述第一导体层中的所述第二YY导体配置在最靠所述第一方向的负方向的所述第一XY导体和所述第二XY导体之间。

本发明的位移装置中，优选为，配置在所述第二导体层中的所述第一XX导体配置在比最靠所述第二方向的负方向的所述第一YX导体或所述第二YX导体的更靠所述第二方向的负方向的一侧，配置在第二导体层的所述第二XX导体配置在比最靠所述第二方向的正方向的所述第一YX导体或所述第二YX导体更靠所述第二方向的正方向的一侧。

本发明的位移装置中，优选为，配置在所述第一导体层中的所述第一YY导体配置在比最靠所述第一方向的正方向的所述第一XY导体或所述第二XY导体的更靠所述第一方向的正方向的一侧，配置在所述第一导体层的所述第二YY导体配置在比最靠所述第一方向的负方向的所述第一XY导体或所述第二XY导体的更靠所述第一方向的负方向的一侧。

本发明的位移装置中，优选为，所述第一X线圈阵列的第一方向负方向的边界和所述第二X线圈阵列的第一方向负方向的边界在所述第一方向上的间距d_xx满足如下条件式：

d_xx＝(1/3+2n/3)λ_x，其中，n＝0,1,2,3,…，

所述第一Y线圈阵列的第二方向正方向的边界和所述第二Y线圈阵列的第二方向正方向的边界在所述第二方向上的间距d_yy满足如下条件式：

d_yy＝(1/3+2n/3)λ_y，其中，n＝0,1,2,3,…，

λx为两个相邻同极磁体在所述第一方向上的间距,λy为两个相邻同极磁体在所述第二方向上的间距。

本发明的位移装置中，优选为，所述第一X线圈阵列的第二方向正方向的边界和所述第二X线圈阵列的第二方向正方向的边界在所述第二方向上的间距d_xy满足如下条件式：

d_xy＝(n+1/6)λ_y，其中，n＝0,1,2,3,…，

所述第一Y线圈阵列的第一方向正方向的边界和所述第二Y线圈阵列的第一方向正方向的边界在所述第一方向上的间距d_yx满足如下条件式：

d_yx＝(n+1/6)λ_x，其中，n＝0,1,2,3,…，

λ_x为两个相邻同极磁体在所述第一方向上的间距,λ_y为两个相邻同极磁体在所述第二方向上的间距。

本发明的位移装置中，优选为，所述第一Y线圈的一对在所述第一方向延伸的所述第一YX导体之间的间距C_n满足如下条件式：

C_n＝(n+1/2)λ_y,其中n＝0,1,2,3,…，

所述第一X线圈的一对在所述第二方向延伸的所述第一XY导体之间的间距C_n满足如下条件式：

C_n＝(n+1/2)λ_x,其中n＝0,1,2,3,…。

附图说明

图1是本发明第一实施方式的位移装置的动子和定子磁体阵列的平面示意图；

图2是本发明第一实施方式的位移装置的动子中的X、Y线圈阵列的平面示意图；

图3是本发明第一实施方式的位移装置的动子中的Y线圈阵列中的其中一个Y线圈的平面示意图；

图4是本发明第二实施方式的位移装置的动子中的X、Y线圈阵列的平面示意图；

图5A是本发明第三实施方式的位移装置的动子中的Y线圈阵列的平面示意图；

图5B是本发明第三实施方式的位移装置的动子中的X线圈阵列的平面示意图；

图5C是本发明第三实施方式的位移装置的动子中的X线圈阵列和Y线圈阵列组合后的平面示意图；

图6是本发明的位移装置的定子磁体阵列的第一变形例的示意图；

图7是本发明的位移装置的定子磁体阵列的第二变形例的示意图；

图8是本发明的位移装置的定子磁体阵列的第三变形例的示意图；

图9是本发明的位移装置的定子磁体阵列的第四变形例的示意图。

图中：

1～位移装置；10～定子磁体阵列；11～第一磁体；12～第二磁体；13～第三磁体；20～动子；L11～第一X线圈；A11～第一X线圈阵列；L12～第一Y线圈；A12～第一Y线圈阵列；C111～第一XX导体；C112～第一XY导体；C121～第一YX导体；C122～第一YY导体；L21～第二X线圈；A21～第二X线圈阵列；C211～第二XX导体；C212～第二XY导体；L22～第二Y线圈；A22～第二Y线圈阵列；C221～第二YX导体；C222～第二YY导体。

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，需要理解的是，术语"上"、"下"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。

第一实施方式

图1是本发明第一实施方式的位移装置的动子和定子磁体阵列的平面示意图。图2是本发明第一实施方式的位移装置的动子中的X、Y线圈阵列的平面示意图。如图1、图2所示，本发明的位移装置1具有：定子磁体阵列10，其包括第一磁体(N磁体)11和第二磁体(S磁体)12，第一磁体11和第二磁体12在第一平面(即X－Y平面)内周期性排列；以及动子20，其至少包括由矩形的第一X线圈L11组成的第一X线圈阵列A11和由矩形的第一Y线圈L12组成的第一Y线圈阵列A12。第一X线圈阵列A11的主体部分配置在与第一平面大致平行的第一导体层内，第一Y线圈阵列A12的主体部分配置在与第一平面大致平行的第二导体层内。这里的“主体部分”，这对导体是指组成各个线圈的导体中用来产生电机力(洛仑兹力)的一对导体，这对导体与磁体阵列作用，产生大小相同、方向相同的洛仑兹力。在本发明的实施方式中，具体是指各线圈中的一对相对较长的导体，详细解释留作后述。并且，第一导体层和第二导体层沿与第一平面垂直的Z方向离开一定间距而配置。

图2是本发明第一实施方式的位移装置的动子中的X、Y线圈阵列的平面示意图。如图2所示，本发明第一实施方式的位移装置的动子中，第一X线圈L11包括配置的一对在X方向(第一方向)上延伸的第一XX导体C111和配置的一对在与X方向大致垂直的Y方向(第二方向)上延伸的第一XY导体C112。该X方向和Y方向均与第一平面大致平行。在第一X线圈L11中，一对第一XX导体C111中的至少其中一个配置在所述第二导体层中，一对所述第一XY导体C112均配置在所述第一导体层中。也就是说，在第一X线圈L11中，一个第一XX导体C111配置在所述第二导体层中，与之相对配置的另一个第一XX导体C111配置在所述第一导体层中，两个所述第一XY导体C112均配置在所述第一导体层中。当然，也可以是，两个第一XX导体C111均配置在所述第二导体层，两个所述第一XY导体C112均配置在所述第一导体层中。本发明的位移装置中，如图2所示，第一Y线圈L12可以包括一对在X方向上延伸的第一YX导体C121和一对在Y方向上延伸的第一YY导体C122。第一Y线圈L12中，一对第一YY导体C122中的至少一个配置在第一导体层中，一对第一YX导体C121均配置在所述第二导体层中。也就是说，第一Y线圈L12中，一个第一YY导体C122配置在第一导体层中，与之相对配置的另一个第一YY导体C122配置在第二导体层中，两个第一YX导体C121均配置在所述第二导体层中。当然，也可以是，两个第一YY导体C122均配置在第一导体层中，两个第一YX导体C121均配置在所述第二导体层中。

另外，如图2所示，本发明的位移装置中，动子20还可以包括由第二X线圈L21组成的第二X线圈阵列A21。第二X线圈L21包括一对在X方向延伸的第二XX导体C211和一对在Y方向上延伸的第二XY导体C212。在第二X线圈L21中，一对第二XX导体C211中的至少一个配置在第二导体层中，一对第二XY导体C212均配置在所述第一导体层中。也就是说，在第二X线圈L21中，一个第二XX导体C211配置在第二导体层中，与之相对配置的另一个第二XX导体C211配置在第一导体层中，两个第二XY导体C212均配置在第一导体层中。当然，也可以是，两个相对配置的第二XX导体C211均配置在第二导体层，而两个相对配置的第二XY导体C212均配置在第一导体层中。

另外，如图2所示，本发明的位移装置中，动子20还可以包括由第二Y线圈L22组成的第二Y线圈阵列A22。该第二Y线圈L22包括一对在X方向上延伸的第二YX导体C221和一对在Y方向上延伸的第二YY导体C222。第二Y线圈L22中，一对第二YY导体C222中的至少一个配置在第一导体层中，一对第二YX导体均配置在所述第二导体层中。也就是说，第二Y线圈L22中，一个第二YY导体C222配置在第一导体层中，与之相对配置的另一个第二YY导体C222配置在第二导体层中，两个第二YX导体均配置在所述第二导体层中。当然，也可以是，两个第二YY导体C222均配置在第一导体层中，两个第二YX导体均配置在所述第二导体层中。

本发明的位移装置中，如图1、图2所示，定子磁体阵列10上的磁体阵列在X－Y平面中延伸，形成一个工作区域。动子20上的各通电线圈配置在与磁体阵列平行的另一个X－Y平面上，与定子磁体阵列10产生作用，从而使动子在工作区范围内可以产生至少两个方向(X方向和Y方向)上的位移。定子磁体阵列10包括第一磁体11(N磁体)和第二磁体12(S磁体)。N磁体和S磁体均可组成磁体排和磁体列。N磁体排和S磁体排交替排列；N磁体列和S磁体列交替排列。本发明的位移装置中，定子磁体阵列10还可以包括磁化方向与X－Y平面平行的第三磁体13(H磁体)，排列成海尔贝克(Halbuch)排列。第三磁体13的磁化方向如图1中第三磁体上的箭头所示，由S磁体指向N磁体以增强定子上方(+Z方向)动子所处位置的磁场强度。定子磁体阵列10所产生的磁场强度在X和Y两个方向成周期分布。在X方向上的空间周期(两个相邻同极磁体间距)为λx,在Y方向上的空间周期(两个相邻同极磁体间距)为λy。

本发明的位移装置中，动子20包括2个X线圈阵列(第一X线圈阵列A11和第二X线圈阵列A21)和2个Y线圈阵列(第一Y线圈阵列A12和第二Y线圈阵列A22)，这四个线圈阵列被集成配置在包括第一导体层和第二导体层的两层结构中。第一导体层和第二导体层均在与第一平面(X－Y平面)平行的平面内延伸。也就是说，两个导体层大致相互平行且与磁体阵列所在的第一平面大致平行。每一个线圈阵列的电流都被独立的驱动器所控制。本发明的位移装置中，假设使用3相换向法则，则每个3相线圈组包括3个线圈，相邻两个线圈电流相位相差120度。当然，也可使用n(n＝2，3，4，…)相换向法则，如此，则每个n相线圈组有n个线圈。本发明的位移装置中，使用3相换向法则。如图1所示，每个线圈阵列有两个3相线圈组。当然，每个线圈阵列也可有n(n＝1，2，3，…)个3相线圈组。在图1中，这些3相线圈组串联连接，由一个3相驱动器控制其电流。当然，这些线圈组也可不串联，每个线圈组由一个单独的3相驱动器控制电流。

在图1中，每个X线圈阵列由一个驱动器控制，从而与磁体阵列作用，由此可以产生一个X方向的作用力和一个Z方向的作用力。由于两个X线圈阵列产生的X方向的作用力和2个X线圈阵列在Y方向上存在位置偏差dxy，因此可以产生Z方向上的力矩。另外，由于第一X线圈阵列A11和第二X线圈阵列A21所产生的Z方向力和第一X线圈阵列A11和第二X线圈阵列A21在Y方向上存在位置偏差dxy，因此可以产生X方向的力矩。同理，两个Y线圈阵列和磁体阵列作用，也可以产生两个Y方向的作用力，两个Z方向上的作用力，一个Z方向上的力矩，和一个Y方向上的力矩。综上所述，四个线圈阵列共可以产生X、Y、Z三个方向上的力和力矩，进而可以使动子产生6个自由度的运动，即在X、Y、Z三个方向上的平动和转动。

本发明第一实施方式的位移装置中，如图2所示，配置在第二导体层中的第一XX导体C111配置在最靠Y方向的负方向(即图中的－Y方向)的第一YX导体C121和第二YX导体C221之间；配置在第二导体层内的第二XX导体C211配置在最靠Y方向的正方向的第一YX导体C121和第二YX导体C221之间。另外，如图2所示，配置在第一导体层中的第一YY导体C122配置在最靠X方向的正方向(即图中的+X方向)的第一XY导体C112和第二XY导体C212之间，配置在第一导体层中的第二YY导体C222配置在最靠X方向的负方向(即图中的－X方向)的第一XY导体C112和第二XY导体C212之间。

本发明第一实施方式的位移装置中，可以是，第一X线圈阵列A11的－X的边界和第二X线圈阵列A12的－X方向的边界在X方向上的间距d_xx满足如下条件式：

d_xx＝(1/3+2n/3)λ_x，其中，n＝0,1,2,3,…，

第一Y线圈阵列A12的第二方向正方向的边界和第二Y线圈阵列A22的+Y方向的边界在Y方向上的间距d_yy满足如下条件式：

d_yy＝(1/3+2n/3)λ_y，其中，n＝0,1,2,3,…，

也就是说，在本发明第一实施方式的位移装置中，如图1所示，第一Y线圈阵列A12和第二Y线圈阵列A22在Y方向上的位置偏差为d_yy＝(1/3+2n/3)λ_y，n＝0,1,2,3,…(图1中采用优先选择的数值n＝0)。第一X线圈阵列A11和第二X线圈阵列A21在X方向上的位置偏差为d_xx＝(1/3+2n/3)λx，n＝0，1，2，3，…(图1中采用优先选择的数值n＝0)。通过这种排列方式，第一X线圈阵列A11的线圈中空部分，刚好容纳第二X线圈阵列A21的Y方向延伸的导体，并且第一Y线圈阵列A12的中空部分刚好容纳第二Y线圈阵列A22的X方向延伸的导体。从而提高了整个线圈阵列的导体空间占比。如此，四个线圈阵列紧密排列，在中部重叠部分的导体空间占比的理论值可以近似达到100％(忽略导体之间的绝缘层所占的空间)，边缘部分的导体空间占比与传统的线圈阵列设计持平，整个线圈阵列的导体空间占比将大幅度高于传统的线圈阵列设计。

另外，本发明第一实施方式的位移装置中，也可以是，第一X线圈阵列的+Y方向的边界和第二X线圈阵列的+Y方向的边界在Y方向上的间距d_xy满足如下条件式：

d_xy＝(n+1/6)λ_y，其中，n＝0,1,2,3,…，

第一Y线圈阵列A12的+X方向的边界和第二Y线圈阵列A22的+X方向的边界在所述X方向上的间距d_yx满足如下条件式：

d_yx＝(n+1/6)λ_x，其中，n＝0,1,2,3,…，

也就是说，第一Y线圈阵列A12和第二Y线圈阵列A22这两个Y线圈阵列在X方向上的位置偏差为d_yx＝(n+1/6)λ_x，n＝0,1,2,3,…(图1中n＝1).第一X线圈阵列A11和第二X线圈阵列A21这两个X线圈阵列在Y方向上的位置偏差为d_xy＝(n+1/6)λ_y，n＝0,1,2,3,…(图1中n＝1)。由此可以进一步提高整个线圈阵列的导体空间占比。

在图1、图2中，动子线圈阵列仅包括第一导体层和第二导体层，该第一导体层和第二导体层包括第一X线圈阵列A11和第二X线圈阵列A21这两个X线圈阵列以及第一Y线圈阵列A12和第二Y线圈阵列A22这两个Y线圈阵列。当然，动子也可以多于两层，从而包括更多的X线圈阵列或Y线圈阵列。

图3是本发明第一实施方式的位移装置的动子中的Y线圈阵列中的其中一个Y线圈的平面示意图。如图3所示，第一Y线圈L12可分为两对宽度c_t相同并且线性延伸的平行导体，一对导体(第一YX导体C121)沿X方向延伸，另一对导体(第一YY导体C122)沿Y方向延伸。为了提高导体的空间占比，宽度c_t要越大越好。对于3相线圈，通常为c_t≤λ_y/6。对于n相线圈，c_t≤λ_y/(2n)。每个导体都可以是一个整块导体，也可以是多个大致平行的导体或导线。对于沿X方向延伸的一对第一YX导体C121，其长度c_f相等，间距为c_n。一般来说，c_n＝(n+1/2)λ_y,n＝0,1,2,3,…。这一对导体跟磁体阵列作用，产生的洛仑兹力大小相等，方向相同。这对第一YX导体C121的功能是产生电机力(洛仑兹力)，因此被称为第一Y线圈L12的“主体部分”。对于沿Y方向延伸的一对第一YY导体C122，其长度cn相等，间距为cf。一般来说，cf＝nλx,n＝1,2,3,…。这一对第一YY导体C122跟定子磁体阵列作用，产生的力的大小相等，方向相反。因此，这对导体只在线圈中起到电连接的作用，不属于线圈的“主体部分”。cf＝nλ_x,n＝1,2,3,…是优先选择，因为3相线圈组在3相电流幅值保持不变的情况下，在X－Y平面运动的过程中，与磁体阵列的作用力保持不变，这样可以简化运动控制算法。也可以是，c_f≥λ_x。同样，X线圈也有相似的尺寸规则。这种线圈设计非常适合用PCB生产技术来制造。

具体来说，本发明第一实施方式的位移装置中，也可以是，第一Y线圈L12的一对在X方向上延伸的第一YX导体C121之间的间距C_n满足如下条件式：

C_n＝(n+1/2)λ_y，其中n＝0,1,2,3,…；

第一X线圈L11的一对在Y方向延伸的第一XY导体C112之间的间距C_n满足如下条件式：

C_n＝(n+1/2)λ_x，其中n＝0,1,2,3,…。

第二实施方式

图4是本发明第二实施方式的位移装置的动子中的X、Y线圈阵列的平面示意图。如图4所示，本发明第二实施方式的位移装置相对于本发明第一实施方式的区别之处在于，第一X线圈阵列A11和第二X线圈阵列A21之间以及第一Y线圈阵列A12和第二Y线圈阵列A22之间的重叠程度进一步提高，动子20的平面面积进一步缩小。

如图4所示，本发明第二实施方式的位移装置中，也可以是，配置在第二导体层中的所述第一XX导体C111配置在比最靠Y方向的负方向(即图中的－Y方向)的第一YX导体C121或第二YX导体C221的更靠－Y方向的一侧。配置在第二导体层的第二XX导体C211配置在比最靠Y方向的正方向(即图4中的+Y方向)的第一YX导体C121或第二YX导体C221更靠+Y方向的一侧。另外，配置在第一导体层中的第一YY导体C122配置在比最靠X方向的正方向(即图4中的+X方向)的第一XY导体C112或第二XY导体C212更靠+X方向的一侧，配置在第一导体层的第二YY导体C222配置在比最靠X方向的正方向(即图中的－X方向)的第一XY导体C111或第二XY导体C212的更靠－X方向的一侧。

而且，第一Y线圈阵列A12和第二Y线圈阵列A22这两个Y线圈阵列在X方向上的位置偏差d_yx满足关系式λ_x/6≤d_yx≤(n+1/2)λ_x，n＝0，1，2，3，…(图4中为n＝0的情况)。第一X线圈阵列A11和第二X线圈阵列A21这两个X线圈阵列在Y方向上的位置偏差dxy满足关系式λ_y/6≤d_xy≤(n+1/2)λ_y，n＝0，1，2，3，…(图4中为n＝0的情况)。如此，第二实施方式的线圈阵列设计相比于第一实施方式的线圈阵列设计而言，线圈所占X－Y平面上的面积更小。

第三实施方式

图5A～图5C示出了本发明第三实施方式的位移装置的动子中的Y线圈阵列的平面示意图。图5A是本发明第三实施方式的位移装置的动子中的Y线圈阵列的平面示意图，图5B是本发明第三实施方式的位移装置的动子中的X线圈阵列的平面示意图，图5C是本发明第三实施方式的位移装置的动子中的X线圈阵列和Y线圈阵列组合后的平面示意图。

如图5A～图5C所示，本发明第三实施方式的位移装置与本发明第二实施方式相比，第一X线圈阵列A11和第二X线圈阵列A21之间以及第一Y线圈阵列A12和第二Y线圈阵列A22之间的重叠程度更进一步提高，动子20的平面面积进一步缩小。在本发明第三实施方式中，第一Y线圈阵列A12和第二Y线圈阵列A22这两个Y线圈阵列在X方向上的位置偏差d_yx在上述关系式d_yx＝(n+1/6)λ_x中取n＝0，从而使得d_yx＝λx/6。另外，第一X线圈阵列A11和第二X线圈阵列A21这两个X线圈阵列在Y方向上的位置偏差d_yx在上述关系式d_xy＝(n+1/6)λ_y中取n＝0，从而使得d_xy＝λy/6。通过采用这种线圈阵列设计，使得整体的导体空间占比的理论值达到100％(忽略导体之间的绝缘层所占的空间)。

图5A中示出了第一Y线圈阵列A12和第二Y线圈阵列A22，黑点表示同一线圈中配置在不同导体层的导体之间的电连接；图5B中示出了第一X线圈阵列A11和第二X线圈阵列A21，黑点表示同一线圈中配置在不同导体层的导体之间的电连接；图5C中示出了第一Y线圈阵列A12和第二Y线圈阵列A22以及第一X线圈阵列A11和第二X线圈阵列A21组合在在一起形成的动子线圈阵列，黑点表示同一线圈中配置在不同导体层的导体之间的电连接。由于第一Y线圈阵列A12和第二Y线圈阵列A22这两个Y线圈阵列在X方向上的位置偏差d_yx以及第一X线圈阵列A11和第二X线圈阵列A21这两个X线圈阵列在Y方向上的位置偏差d_yx的数值均比较小，可能会导致对动子XYZ方向力矩过小，增加控制难度。在这种情况下，可以采用多于一组的图5C所示的线圈阵列，并在X和Y方向上保持一定的间距，由此可以产生更大的力矩(X、Y、Z方向)。

本发明的位移装置中，可以将上述第一至第三实施方式所记载的线圈设计方法结合采用。也就是说，在动子设计中，可采用多于一组的图1～图3所示的线圈阵列，也可以采用图1～图3所示的线圈阵列混合搭配。另外，多组线圈阵列的排放方式，既可以是在X－Y平面上并排放置，也可以在Z方向上重叠放置。在Z方向上重叠放置，也就是采用更多的导体层，可以更大限度上利用空间磁场，从而产生更大的电机力。

在上述各实施方式中，同一个线圈且配置在不同导体层的导体，被连接两个导体层的导体(未在图中显示)连接起来，以实现此线圈的电流回路。不同导体层中的导体可以通过印刷电路板中的通孔实现电连接。

图6～图8示出了上述第一至第三实施方式中所采用的定子磁体阵列的变形设计，它们都没有H磁体，由此成本较低。图6所示的磁体阵列中N磁体和S磁体的配置方式与图1所示的磁体阵列中的N磁体和S磁体的配置方式基本相同。区别在于，图6中的磁体阵列不包含H磁体(即第三磁体)。图7和图8中的磁体阵列的配置方式与图6中的磁体阵列的配置方式基本相同，区别之处在于，图7中，N磁体和S磁体的形状由菱形变成了矩形，图8中，N磁体和S磁体的形状由菱形变成了圆形。

另外，图6～图8中的磁体形状不仅限于菱形，圆形，正方形，也可以是其它形状，例如三角形，正六变形等等。

图9示出了上述第一至第三实施方式中所采用的另一种定子磁体阵列的变形设计，该磁体排列方式也属于海尔贝克阵列。采用图9所示的磁体排列方式，能够在X-Y平面内组合多个本发明的线圈阵列。图9所示的磁体阵列由多个第一磁体子阵列和第二磁体子阵列在X-Y平面上相互交替排列组成。第一磁体子阵列包括沿X方向线性延伸的N磁体、S磁体和H磁体，这些磁体的磁化方向均与X方向垂直且在Y方向上按海尔贝克(Halbuch)方式周期排列，排列的空间周期(两个相邻同极磁体间距)为λy；第二磁体子阵列包括沿Y方向线性延伸的N磁体、S磁体和H磁体，这些磁体的磁化方向均与Y方形垂直且在X方向上按海尔贝克(Halbuch)方式周期排列，排列的空间周期(两个相邻同极磁体间距)为λx。

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。

Claims (8)

1.一种位移装置，其特征在于，

具有：

定子磁体阵列，其包括第一磁体和第二磁体，所述第一磁体和所述第二磁体在第一平面内周期性排列；以及

动子，其至少包括由第一X线圈组成的第一X线圈阵列和由第一Y线圈组成的第一Y线圈阵列，

所述第一X线圈阵列的主体部分配置在与所述第一平面大致平行的第一导体层内，所述第一Y线圈阵列的主体部分配置在与所述第一平面大致平行的第二导体层内，所述第一导体层和所述第二导体层沿与所述第一平面垂直的方向离开一定间距而配置，

所述第一X线圈包括一对在第一方向上延伸的第一XX导体和一对在与所述第一方向大致垂直的第二方向上延伸的第一XY导体，

所述第一方向和所述第二方向均与所述第一平面大致平行，

所述第一方向和所述第二方向大致垂直，

所述第一X线圈中，一对所述第一XX导体中的至少一个配置在所述第二导体层中，一对所述第一XY导体均配置在所述第一导体层中，

所述第一Y线圈包括一对在所述第一方向上延伸的第一YX导体和一对在所述第二方向上延伸的第一YY导体，

所述第一Y线圈中，一对所述第一YY导体中的至少一个配置在所述第一导体层中，一对所述第一YX导体均配置在所述第二导体层中，

所述动子还包括由第二X线圈组成的第二X线圈阵列，

所述第二X线圈包括一对在所述第一方向延伸的第二XX导体和一对在所述第二方向上延伸的第二XY导体，

所述第二X线圈中，一对所述第二XX导体中的至少一个配置在所述第二导体层中，一对所述第二XY导体均配置在所述第一导体层中，

所述动子还包括由第二Y线圈组成的第二Y线圈阵列，

所述第二Y线圈包括一对在所述第一方向上延伸的第二YX导体和一对在所述第二方向上延伸的第二YY导体，

所述第二Y线圈中，一对所述第二YY导体中的至少一个配置在所述第一导体层中，一对所述第二YX导体均配置在所述第二导体层中。

2.根据权利要求1所述的位移装置，其特征在于，

配置在所述第二导体层中的所述第一XX导体配置在最靠所述第二方向的负方向的所述第一YX导体和所述第二YX导体之间，配置在所述第二导体层内的所述第二XX导体配置在最靠所述第二方向的正方向的所述第一YX导体和所述第二YX导体之间。

3.根据权利要求1或2所述的位移装置，其特征在于，

配置在所述第一导体层中的所述第一YY导体配置在最靠所述第一方向的正方向的所述第一XY导体和所述第二XY导体之间，配置在所述第一导体层中的所述第二YY导体配置在最靠所述第一方向的负方向的所述第一XY导体和所述第二XY导体之间。

4.根据权利要求1所述的位移装置，其特征在于，

配置在所述第二导体层中的所述第一XX导体配置在比最靠所述第二方向的负方向的所述第一YX导体或所述第二YX导体的更靠所述第二方向的负方向的一侧，配置在第二导体层的所述第二XX导体配置在比最靠所述第二方向的正方向的所述第一YX导体或所述第二YX导体更靠所述第二方向的正方向的一侧。

5.根据权利要求1或2所述的位移装置，其特征在于，

配置在所述第一导体层中的所述第一YY导体配置在比最靠所述第一方向的正方向的所述第一XY导体或所述第二XY导体的更靠所述第一方向的正方向的一侧，配置在所述第一导体层的所述第二YY导体配置在比最靠所述第一方向的负方向的所述第一XY导体或所述第二XY导体的更靠所述第一方向的负方向的一侧。

6.根据权利要求1、2、4中任一项所述的位移装置，其特征在于，

所述第一X线圈阵列的第一方向负方向的边界和所述第二X线圈阵列的第一方向负方向的边界在所述第一方向上的间距d_xx满足如下条件式：

d_xx＝(1/3+2n/3)λ_x，其中，n＝0,1,2,3,…，

所述第一Y线圈阵列的第二方向正方向的边界和所述第二Y线圈阵列的第二方向正方向的边界在所述第二方向上的间距d_yy满足如下条件式：

d_yy＝(1/3+2n/3)λ_y，其中，n＝0,1,2,3,…，

λ_x为两个相邻同极磁体在所述第一方向上的间距,λ_y为两个相邻同极磁体在所述第二方向上的间距。

7.根据权利要求1、2、4中任一项所述的位移装置，其特征在于，

所述第一X线圈阵列的第二方向正方向的边界和所述第二X线圈阵列的第二方向正方向的边界在所述第二方向上的间距d_xy满足如下条件式：

d_xy＝(n+1/6)λ_y，其中，n＝0,1,2,3,…；

所述第一Y线圈阵列的第一方向正方向的边界和所述第二Y线圈阵列的第一方向正方向的边界在所述第一方向上的间距d_yx满足如下条件式：

d_yx＝(n+1/6)λ_x，其中，n＝0,1,2,3,…，

λx为两个相邻同极磁体在所述第一方向上的间距,λ_y为两个相邻同极磁体在所述第二方向上的间距。

8.根据权利要求1、2、4中任一项所述的位移装置，其特征在于，

所述第一Y线圈的一对在所述第一方向延伸的所述第一YX导体之间的间距C_n满足如下条件式：

C_n＝(n+1/2)λ_y,其中n＝0,1,2,3,…；

所述第一X线圈的一对在所述第二方向延伸的所述第一XY导体之间的间距C_n满足如下条件式：

C_n＝(n+1/2)λ_x,其中n＝0,1,2,3,…。

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