CN108336884B - 位移装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种位移装置，具有：定子，其包括第一线圈和第二线圈；以及动子平台，其包括动子磁体阵列，该动子磁体阵列至少包括：第一磁体子阵列，其包括由第一磁体形成的、相互平行的多个第一磁体列；第二磁体子阵列，其包括由第二磁体形成的、相互平行的多个第二磁体列；和第三磁体子阵列，其包括由第三磁体形成的、相互平行的多个第三磁体列，第一磁体列、第二磁体列、第三磁体的磁化方向均与所述第二平面大致垂直。与所述第一线圈的某一匝线圈导线在所述第三方向上重叠的所述第二磁体子阵列或所述第三磁体子阵列中存在磁化方向相反的磁体，以使得所述动子平台与所述定子相互作用产生绕所述第二方向的力矩和绕所述第三方向的力矩。

Description

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。该位移装置可广泛用于光刻，晶圆切割，晶圆检测，芯片封装，精密机床等的精密运动系统，以实现目标物体(例如晶圆)在至少两个方向上的位移。

专利文献CN103891114A中描述的磁体移动平面电机，磁体动子可以相对于线圈定子做至少两个方向(X和Y)上的运动。定子的面积决定了电机的工作范围，增大电机工作范围则需要增加线圈数量。每个线圈都需要单独供电和单独控制，线圈数量增加会增加成本和控制难度。如果需要把定子在X轴方向的长度增大到之前的n倍，则第二线圈12数量需要增加到之前的n倍；如果在Y轴方向上的长度增大到之前的n倍，第一线圈11数量需要增大到之前的n倍。成本较高，且难于实现结构紧凑和小型化。

发明内容

本发明鉴于上述问题而提出，设计了一种创新的磁体移动平面电机，在Y轴方向仅需一组线圈。如果需要把定子在Y轴方向的长度增大到之前的n倍，线圈数量维持不变；如果需要把定子在X轴方向的长度增大到之前的n倍，则第二线圈12数量需要增加到之前的n倍。线圈数量比专利申请CN103891114A大幅减少，从而减少了成本和控制难度。

本发明公开一种位移装置，其具有：定子，其包括在第一平面内配置的沿着第一方向线性延伸的第一线圈和沿第二方向线性延伸的第二线圈，所述第一线圈和所述第二线圈在与所述第一方向和所述第二方向大致正交的第三方向上重叠；以及动子平台，其配置在与所述第一平面大致平行的第二平面内并包括动子磁体阵列，所述动子磁体阵列的磁场与所述第一线圈和所述第二线圈相互作用而产生相对位移，所述动子磁体阵列至少包括：第一磁体子阵列，其包括由第一磁体周期性地在第二平面内延伸配置而形成的、相互平行的多个第一磁体列，所述第一磁体的磁化方向均与所述第二平面大致垂直；第二磁体子阵列，其包括由第二磁体周期性地在第二平面内延伸配置而形成的、相互平行的多个第二磁体列，所述第二磁体的磁化方向均与所述第二平面大致垂直；和第三磁体子阵列，其包括由第三磁体周期性地在第二平面内延伸配置而形成的、相互平行的多个第三磁体列，所述第三磁体的磁化方向均与所述第二平面大致垂直，与所述第一线圈的某一匝线圈导线在所述第三方向上重叠的所述第二磁体子阵列或所述第三磁体子阵列中存在磁化方向相反的磁体，以使得所述动子平台与所述定子相互作用产生绕所述第二方向的力矩和绕所述第三方向的力矩。

本发明的位移装置中，优选为，还具备：第四磁体子阵列，其包括由第四磁体周期性地在第二平面内延伸配置而形成的、相互平行的多个第四磁体列，所述第四磁体的磁化方向均与所述第二平面大致垂直，所述第一磁体子阵列和所述第四磁体子阵列在所述第二平面内沿着所述第二方向离开一定距离而配置，所述第二磁体子阵列和所述第三磁体子阵列在由所述第一磁体子阵列和所述第四磁体子阵列离开一定距离配置而形成的间隔位置内沿所述第一方向而配置。

本发明的位移装置中，优选为，每个所述第一磁体列和每个所述第四磁体列在所述第二平面内的延伸方向相对于所述第一方向倾斜，每个所述第二磁体列和每个所述第三磁体列在所述第二平面内延伸方向相对于所述第一方向倾斜。

本发明的位移装置中，优选为，与所述第二线圈的某一匝线圈在所述第三方向上重叠的所述第一磁体、所述第二磁体、和所述第四磁体的磁化方向相同，与所述第二线圈的某一匝线圈在所述第三方向上重叠的所述第一磁体、所述第三磁体、和所述第四磁体的磁化方向相同，所述第二线圈的每匝相互串联连接，其电流由一个三相驱动器控制。

本发明的位移装置中，优选为，每个所述第一磁体列和每个所述第四磁体列在所述第二平面内的延伸方向相对于所述第一方向倾斜，每个所述第二磁体列在所述第二平面内的延伸方向相对于所述第一方向方向大致垂直，每个所述第三磁体列在所述第二平面内的延伸方向相对于所述第一方向大致垂直。

本发明的位移装置中，优选为，与所述第二线圈的某一匝线圈在所述第三方向上重叠的所述第一磁体和所述第四磁体的磁化方向相同，所述第二线圈的每匝相互串联连接，其电流由一个驱动器控制。

本发明的位移装置中，优选为，所述第一磁体子阵列包括沿所述第一方向延伸的第一方向磁体列和沿所述第二方向延伸的第二方向磁体列，所述第四磁体子阵列包括沿所述第一方向延伸的第一方向磁体列和沿所述第二方向延伸的第二方向磁体列，每个所述第二磁体列和所述第三磁体列在所述第二平面内延伸方向相对于所述第一方向大致垂直。

本发明的位移装置中，优选为，与所述第二线圈的某一匝线圈在所述第三方向上重叠的所述第一磁体子阵列的第一方向磁体列中的所述第一磁体和所述第四磁体子阵列的第一方向磁体列中的所述第四磁体的磁化方向相同，所述第二线圈的每匝相互串联连接，其电流由一个三相驱动器控制。

本发明的位移装置中，优选为，所述第一磁体子阵列、第二磁体子阵列、第三磁体子阵列、第四磁体子阵列中存在有磁化方向与所述第一平面平行的磁体。

本发明的位移装置中，优选为，所述第一磁体、所述第四磁体、所述第二磁体、所述第三磁体与所述第一平面平行的截面是矩形、正方形、圆形、椭圆形、或正多边形。

附图说明

图1是本发明第一实施方式的位移装置的磁体阵列与定子线圈的平面配置示意图；

图2是本发明第二实施方式的位移装置的磁体阵列的平面配置示意图；

图3是本发明第三实施方式的位移装置的磁体阵列的平面配置示意图；

图4是本发明第四实施方式的位移装置的磁体阵列的平面配置示意图。

图中：

1：定子；11：第一线圈；12：第二线圈；2：动子平台；20、30、40、50：磁体阵列；A21、A31、A41、A51：第一磁体子阵列；A22、A32、A42、A52：第二磁体子阵列；A23、A33、A43、A 53：第三磁体子阵列；A24、A34、A44、A 54：第四磁体子阵列；M21、M31、M41、M51：第一磁体；M22、M32、M42、M52：第二磁体；M23、M33、M43、M53：第三磁体；M24、M34、M44、M54：第四磁体，L21、L31：第一磁体列，L22、L32、L43：第二磁体列，L23、L33、L44：第三磁体列，L24、L34：第四磁体列，L41、L45：X轴方向磁体列，L42、L46：Y轴方向磁体列。

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。

以下结合附图，对本发明的位移装置的实施方式进行说明。图1是本发明第一实施方式的位移装置的磁体阵列的平面配置示意图。如图1所示，本发明的位移装置10具有：具有：定子1，其包括在第一平面内配置的沿着第一方向(X轴方向)线性延伸的第一线圈11和沿第二方向(Y轴方向)线性延伸的第二线圈12，第一线圈11和第二线圈12在与第一方向和第二方向大致正交的第三方向(Z轴方向)上重叠；以及动子平台2，其配置在与所述第一平面大致平行的第二平面内并包括动子磁体阵列21，该动子磁体阵列21的磁场与第一线圈11和第二线圈12相互作用而产生相对位移，该动子磁体阵列至少包括：第一磁体子阵列A21，其包括由第一磁体M21周期性地在第二平面内延伸配置而形成的、相互平行的多个第一磁体列L21，所述第一磁体的磁化方向均与所述第二平面大致垂直；第二磁体子阵列A22，其包括由第二磁体M22周期性地在第二平面内延伸配置而形成的、相互平行的多个第二磁体列L22，第二磁体M22的磁化方向均与第二平面大致垂直；和第三磁体子阵列，其包括由第三磁体M23周期性地在第二平面内延伸配置而形成的、相互平行的多个第三磁体列L23，第三磁体M23的磁化方向均与第二平面大致垂直，与第一线圈11的某一匝线圈导线在Z轴方向上重叠的第二磁体子阵列A22或第三磁体子阵列A23中存在磁化方向相反的磁体，以使得动子平台2与定子1相互作用产生绕所述第二方向的力矩和绕所述第三方向的力矩。

本发明第一实施方式的位移装置还可以具备：第四磁体子阵列A24，其包括由第四磁体M24周期性地在第二平面内延伸配置而形成的、相互平行的多个第四磁体列L24，第四磁体M24的磁化方向均与第二平面大致垂直。如图1所示，第一磁体列L21、第二磁体列L22、第三磁体列L23、第四磁体列L24内各相邻磁体的磁化方向可以相反。第一磁体子阵列A21和第四磁体子阵列A24在第二平面内沿着Y轴方向离开一定距离而配置，第二磁体子阵列A22和第三磁体子阵列A23在由第一磁体子阵列A21和第四磁体子阵列A24离开一定距离配置而形成的间隔位置内沿X轴方向而配置。

优选为，第一磁体子阵列A21和第四磁体子阵列A24在第二平面内以位于连接二者的中心的连线的中点且沿所述第一方向(X轴方向)延伸的轴线呈轴对称配置。进一步优选为，第二磁体子阵列A22和第三磁体子阵列A23在第二平面内以连接第一磁体子阵列A21和第四磁体子阵列A24中心的轴线为中心而呈180度旋转对称配置，也就是说，将第一磁体子阵列A21绕二者沿Y轴方向中心轴线旋转后，第一磁体子阵列A21与第四磁体子阵列A24重叠，且磁化方向相同。

本发明第一实施方式的位移装置中，也可以是，如图1所示，每个第一磁体列L21和每个第四磁体列L24在第二平面内相对于X轴方向倾斜配置。具体来说，每个第一磁体列L21在第二平面内的延伸方向与－X方向形成一定角度(例如45度)的夹角，每个第四磁体列L24在第二平面内的延伸方向与+X方向形成一定角度(例如45度)的夹角。每个第二磁体列L22和每个第三磁体列L23在第二平面内也相对于所述X轴方向倾斜配置。具体来说，每个第二磁体列L22在第二平面内的延伸方向与－X方向形成一定角度(例如45度)的夹角，每个第三磁体列L23在第二平面内的延伸方向与+X方向形成一定角度(例如45度)的夹角。

具体来说，本发明的位移装置中，定子是分层的线圈阵列，在X轴方向上和Y轴方向上线性延伸，构成电机的工作区域。定子至少有两层，在Z轴方向上重叠，也可以设为多于两层。动子是磁体阵列，包括四个磁体子阵列(A21、A22、A23、A24)，每个磁体子阵列中的磁体按照周期性配置，符合海尔贝克设计。在Y轴方向上，N极磁体(图案是圆点)和S极磁体(图案是叉)都呈线性排列，沿垂直于线圈所在的平面(第一平面)的竖直方向磁化。带箭头的磁体都是在水平方向(第二平面内)沿箭头方向磁化。磁体子阵列中也可以没有水平方向磁化的磁体。本发明第一实施方式中，优选为，磁体阵列中的N极磁体和S极磁体交替排列形成的磁体列与X轴的正方向或负方向成45度的夹角。第二磁体子阵列A22和第三磁体子阵列A23的位置对称、磁化方向相反，即两个磁体阵列中的各磁体M22和M23的排列图案呈轴对称，但其磁化方向相反，也就说是，第二磁体子阵列A22绕其与第三磁体子阵列A23的沿Y轴方向的对称轴旋转180度后，第二磁体子阵列A22与第三磁体子阵列A23中的各磁体重叠，且磁化方向相同。由于该种设计，结果为，第二磁体子阵列A22和第三磁体子阵列A23与第一线圈11作用，产生完全相反的作用力，从而产生力矩，进而能够驱动动子在一定角度内转动。具体来说，第二磁体子阵列A22与第三磁体子阵列A23与下方的第一线圈11作用，第一线圈11中的同一匝线圈导线既穿过第二磁体子阵列A22下方，又穿过第三磁体子阵列A23下方，由于电流相同，因而产生大小相同的力，但是由于该匝线圈导线上方的第二磁体子阵列A22中的第二磁体M22的极性均与该匝线圈导线上方的第三磁体子阵列A23中的第三磁体M23的极性极相反，因此所产生的力的方向相反。假设第一线圈11中的某匝线圈导线穿过第二磁体子阵列A22中的表示为叉的磁体同时也穿过第三磁体子阵列A23中的表示为黑点的磁体，其中的电流方向是从－X方向到+X方向，则根据洛伦兹原理，第二磁体子阵列A22产生+Y方向的力，而第三磁体子阵列A23产生－Y方向的力，这两个方向相反的力同时作用产生绕Z轴力矩，进一步产生使动子平台2绕Z轴旋转的效果。由于第二磁体子阵列A22和第三磁体子阵列A22产生周期性分布的磁场，因此第二磁体子阵列A22与第一线圈11中的该匝线圈导线作用也产生+Z方向的力，即图1中垂直于纸面向外的力。第二磁体子阵列A22与第三磁体子阵列A23产生周期性分布磁场，除了Y轴方向，还有Z轴方向。由此，第二磁体子阵列A22和其下方的第一线圈既可以产生产生Y轴方向的力又可以产生Z轴方向的的力，同样，第三磁体子阵列A23和其下方的第一线圈既可以产生Y轴方向的力又可以产生Z轴方向的力。但是，由于第二磁体子阵列A22和第三磁体子阵列A23的对称关系，即位置对称，磁化方向相反。因此第二磁体子阵列A22和第三磁体子阵列A23无论是在Y轴方向还是在Z轴方向产生的力都是大小相同，方向相反。由此，第二磁体子阵列A22和第三磁体子阵列A23协同作用而产生两个力矩，一个是绕Z轴旋转的力矩，另外一个是绕Y轴旋转的力矩。这是现有技术所不能够实现的。具体来说，如果第二磁体子阵列A22磁体子阵列产生+Z方向的力，则第三磁体子阵列A23产生－Z方向的力，两个力的作用产生绕Y轴旋转的力矩。在角度受限的情况下，产生小角度的旋转。虽然旋转角度较小，但是力矩是存在的。第二磁体子阵列A22和第三磁体子阵列A23一起与第一线圈11相互作用对动子平台2产生的作用不是力，而是力矩。

本发明第一实施方式中，第一磁体子阵列A21和第四磁体子阵列A24的设计的特点在于，由于第一线圈11可以直接产生两个方向的力矩，因此可以将与第一线圈11相正交而配置的第二线圈12的各匝线圈导线串联起来。第一磁体子阵列A21与第一线圈11产生Y轴方向、Z轴方向的力。第四磁体子阵列A24也与第一线圈11产生Y轴方向、Z轴方向的力。由于通过第一磁体子阵列A21下方的线圈与通过第四磁体子阵列A24下方的线圈不同，因此两个线圈的电流可以分别独立控制。由此，可以控制为，第一磁体子阵列A21与其下方的第一线圈11相互作用产生+Y轴方向的力，第四磁体子阵列A24与其下方的第一线圈11相互作用可以产生+Y轴方向的力；也可以控制为，第一磁体子阵列A21与其下方的第一线圈11相互作用产生－Y方向的力。也就是说，通过分别单独控制，可以使第四磁体子阵列A24和其下方的第一线圈11相互作用产生的力与第四磁体子阵列A24和其下方的第一线圈11相互作用产生的力相同或者不同。

另外，通过分别单独控制第一磁体子阵列A21和第四磁体子阵列A24，既可以产生Y轴方向的力，又可以产生Z轴方向的力。若第一磁体子阵列A21和第四磁体子阵列A24所产生的沿Z轴方向的力的方向相同，则可以产生沿Z轴方向的力。若方向相反、大小相同，则可以产生力矩。如此控制，第一磁体子阵列A21和第四磁体子阵列A24这两个磁体子阵列协同作用，可以产生绕X轴旋转的力矩，而且也可以产生沿Y轴方向的力和沿Z轴方向的力，即两个方向的力和一个力矩。具体来说，可以产生绕X轴的力矩和沿Y、Z轴的力。如此，本发明的位移装置能够在空间中产生六个自由度的运动：沿X、Y、Z轴的平动和绕X、Y、Z轴的转动。具体如下实现：(1)第二磁体子阵列A22和第四磁体子阵列A23一起与通电的线圈作用，产生绕Y轴旋转的力矩和绕Z轴旋转的力矩；(2)第一磁体子阵列A21和第四磁体子阵列A24与第一线圈作用，产生绕X轴的力矩和沿Y、Z轴方向的力；第一磁体子阵列A21和第四磁体子阵列A24与第二线圈作用，产生沿X、Z轴方向的力。

也就是说，所有的磁体子阵列与第二线圈12作用，可以产生X轴方向的力，也可以产生Z轴方向的力，不过这个Z轴方向的力就是叠加效应(可以另行对其方向和大小单独进行控制，在此不予考虑)。例如，第二线圈12的其中一匝线圈导线均穿过第一磁体子阵列A21、第二磁体子阵列A22、第四磁体子阵列A24中标为黑点的磁体(即N极朝向纸面外部的磁体，磁场线方向为+Z方向)，其中与该匝线圈相近邻(图中并非邻接)的线圈均穿过第一磁体子阵列A21、第二磁体子阵列A22、第四磁体子阵列A24中标为为叉的磁体(即N极朝向纸面里边的磁体，磁场线方向为－Z方向)。这种情况对于第一磁体子阵列A21、第三磁体子阵列A23、第四磁体子阵列A24也是如此。由此，第二线圈12可以全部串联成一组三相换向线圈，其电流由单个三相电机驱动控制。这是以往技术中的位移装置所不能够实现的。

第一磁体子阵列A21、第二磁体子阵列A22、第四磁体子阵列A24产生相同的X轴方向的力，第一磁体子阵列A21、第三磁体子阵列A23、第四磁体子阵列A24也产生相同的X轴方向的力。由此第一磁体子阵列A21、第二磁体子阵列A22、第三磁体子阵列A23、第四磁体子阵列A24与第二线圈12相互作用只产生X轴方向的力，不产生绕Z轴方向的力矩。

综上所述，本发明通过按照以上方式配置第一磁体子阵列A21、第二磁体子阵列A22、第三磁体子阵列A23、第四磁体子阵列A24，能够达到如下效果：(1)第二磁体子阵列A22、第三磁体子阵列A23协同作用产生力矩；(2)所有第二线圈12可以串联起来由一组三相电力驱动控制。每个第二线圈12穿过磁场线朝向纸面里边的磁体的下方或穿过磁场线朝向纸面外方的磁体的下方，由此通过将第二线圈12的各匝串联，使得产生的相同方向的力。线圈可以采用PCB板线圈或绕线组。其他位移装置中的第二线圈12并非串联，而是必须分成几组，每一组单独控制，成本较高。若希望作为位移装置的平面电机的移动范围增大一倍，则必须将X轴方向的线圈数量增大一倍，同时驱动线圈的控制器的数量也必须增大一倍。本发明的移动装置的平面电机中，若希望动子的移动范围增加一倍，则驱动数量不变。由此能够降低成本，并实现位移装置的小型化和紧凑化。

综上所述，本发明的位移装置中，第二线圈12可以全部串联成一组三相线圈(也可以是n相线圈，n＝2,3,4，...)，按照三相换向法则供电。四个磁体子阵列A21、A22、A23、A24和定子1上的第二线圈12相互作用，可以产生动子平台2在X轴方向和Z轴方向的作用力，产生动子平台2在X轴方向和Z轴方向上的平动。第一线圈11分为多组，每组都单独按照3相换向法则供电。

第一磁体子阵列A21和第四磁体子阵列A24分别与各自下方(－Z方向)的第一线圈11相互作用，可以分别产生Y轴方向和Z轴方向的作用力，产生动子沿Y轴方向和沿Z轴方向的平动。通过控制第一线圈在第一磁体子阵列A21下方的电流方向和在第四磁体子阵列A24下方的电流方向，可以使得第一磁体子阵列A21和第四磁体子阵列A24分别产生+Z方向和－Z方向的作用力，由此产生绕X轴方向的转动。

第一磁体子阵列A22和第三磁体子阵列A23与其下方(－Z方向)的第一线圈11相互作用，可以产生动子沿Y轴方向的大小相等、方向相反的作用力从而产生绕Z轴旋转的力矩。同样，第二磁体子阵列A22和第三磁体子阵列A23和其下方(－Z方向)的第一线圈11相互作用可以产生动子沿Z轴方向的大小相等、方向相反的作用力从而产生绕Y轴旋转的力矩。因此，第二磁体子阵列A22和第三磁体子阵列A23分别与其下方(－Z方向)的第一线圈11相互作用，可以产生动子绕Y轴和绕Z轴的转动。如此，动子的6个自由度的运动(XYZ平动和XYZ转动)都可以产生。

另外，本发明第一实施方式中，与第二线圈12的某一匝线圈在Z轴方向上重叠的第一磁体M21、第二磁体M22、和第四磁体M24的磁化方向相同。并且，与第二线圈12的某一匝线圈在Z轴方向上重叠的第一磁体M21、第三磁体M23、和第四磁体M24的磁化方向相同，第二线圈12的每匝相互串联连接，其电流由一个驱动器控制。由于第二线圈12可以彼此串联成一组线圈，可由一个单独的三相电机驱动供电，因此既节省了成本又降低了控制的复杂度。

图2是本发明第二实施方式的位移装置的磁体阵列的平面配置示意图。本发明第二实施方式的位移装置中，定子1的第一线圈11和第二线圈12的配置与第一实施方式相同，磁体阵列30也包括第一磁体子阵列A31、第二磁体子阵列A32、第三磁体子阵列A33、和第四磁体子阵列A34。其中第一磁体子阵列A31和第四磁体子阵列A34的配置方式与第一实施方式中的第一磁体子阵列A21和第四磁体子阵列A24的配置方式分别相同。具体来说，每个第一磁体列L31和每个第四磁体列L34在第二平面内相对于X轴方向倾斜配置，即每个第一磁体列L31在第二平面内的延伸方向与－X方向有一定角度(例如45度)的夹角，每个第四磁体列L34在第二平面内的延伸方向与+X方向有一定角度(例如45度)的夹角。每个第二磁体列L32和每个第三磁体列L33在第二平面内相对于X轴方向垂直配置，即每个第二磁体列L32和每个第三磁体列L33在第二平面内的延伸方向与X轴方向的夹角均为大约90度。

也就是说，本发明第二实施方式中，第二磁体子阵列A32和第三磁体子阵列A33是以垂直于X轴方向的方式配置磁体的磁体子阵列，但是功能与第一实施方式中的第二磁体子阵列A22和第三磁体子阵列A23的功能相同，产生与第一实施方式相同的两个力矩。因为第二磁体子阵列A32和第三磁体子阵列A33的配置同样存在旋转对称关系，即位置对称、磁化方向相反。也就是说，将第二磁体子阵列A32绕二者沿Y轴方向的中心轴线旋转后，第二磁体子阵列A32和第三磁体子阵列A33重叠，并且磁化方向相同。区别在于，图1所示的第一实施方式中，第二磁体子阵列A22和第三磁体子阵列A23可以与第二线圈12作用以产生沿X轴方向的力，而图2所示的第二实施方式中，因为第二磁体子阵列A32和第三磁体子阵列A33分别与第二线圈12作用产生的X轴方向上的合力均大致为零。

图3是本发明第三实施方式的位移装置的磁体阵列的平面配置示意图。如图3所示，本发明第三实施方式的位移装置中，磁体阵列包括第一磁体子阵列A41、第二磁体子阵列A42、第三磁体子阵列A43、和第四磁体子阵列A44。其中，第一磁体子阵列A41包括沿X轴方向延伸的X轴方向磁体列L41和沿Y轴方向延伸的Y轴方向磁体列L42，X轴方向磁体列L41比Y轴方向磁体列L42配置于更靠近中心的位置，第四磁体子阵列A44包括沿X轴方向延伸的X轴方向磁体列L45和沿Y轴方向延伸的Y轴方向磁体列L46，X轴方向磁体列L45比Y轴方向磁体列L46配置于更靠近中心的位置。与第二实施方式相同，第二磁体子阵列A42所包括的第二磁体列L43在所述第二平面内的延伸方向与X轴方向形成大约90度的夹角，第三磁体子阵列A43所包括的第三磁体列L44在所述第二平面内的延伸方向与X轴方向形成大约90度的夹角。即，每个第二磁体列L43和第三磁体列L44在第二平面内均相对于第一方向大致垂直配置，同样，第二磁体子阵列A42和第三磁体子阵列A43的配置同样存在旋转对称关系，即位置对称、磁化方向相反，第二磁体子阵列A42沿Y轴方向的中心轴线旋转180度后，与磁体子阵列A43完全重叠，并且磁化方向相同。

本发明第三实施方式中，第一磁体子阵列A41中的Y轴方向磁体列L42和第四磁体子阵列A44中的Y轴方向磁体列L46分别和各自下方的第一线圈11作用，可以产生沿Y轴方向和沿Z轴方向上的力，两个Z轴方向的力相结合，可以产生绕X轴的力矩。第一磁体子阵列A41中的Y轴方向磁体列L42和第四磁体子阵列A44中的Y轴方向磁体列L46和第二线圈12相互作用的合力为零。第一磁体子阵列A41中的X轴方向磁体列L41和第四磁体子阵列A44中的X轴方向磁体列L45分别与其下方(－Z方向)的第二线圈12作用，可以产生沿X轴方向和沿Z轴方向上的力；第一磁体子阵列A41中的X轴方向磁体列L41和第四磁体子阵列A44中的X轴方向磁体列L45分别与其下方(－Z方向)的第一线圈11作用后的合力为零。第二磁体子阵列A42和第三磁体子阵列A43分别与各自下方的第一线圈11作用，可以产生Y轴方向和Z轴方向上的力矩，第二磁体子阵列A42和第三磁体子阵列A43分别与各自下方的第二线圈12相互作用的合力为零。因此，整个动子和线圈阵列作用，可以产生XYZ三个方向上的力和力矩，可以进而产生动子的6个自由度的运动。

具体来说，第一磁体子阵列A41中的Y轴方向磁体列L42和第四磁体子阵列A44中的Y轴方向磁体列L46分别和各自下方的第一线圈11作用，可以产生沿Y轴方向和沿Z轴方向上的力，同时，假若第一磁体子阵列A41中的Y轴方向磁体列L42产生+Z方向的力，则第四磁体子阵列A44中的Y轴方向磁体列L46产生－Z方向的力，两个力大小相等、方向相反，由此产生绕X轴旋转的力矩。第一磁体子阵列A41中的Y轴方向磁体列L42和第四磁体子阵列A44中的Y轴方向磁体列L46的位置不同，下方的第一线圈11也不同，可以单独分别控制，因此通过线圈的电流可以不同，由此可以产生两个力、一个力矩。第一磁体子阵列A41中的X轴方向磁体列L41和第四磁体子阵列A44中的X轴方向磁体列L45与其下方的第二线圈12作用产生X轴方向的力，也可以产生Z轴方向的力，但不产生力矩。

另外，本发明第三实施方式中，与第二线圈12的某一匝线圈在Z方向上重叠的第一磁体子阵列A41的X方向磁体列L41中的第一磁体M41和第四磁体子阵列A44的X方向磁体列L45中的第四磁体M45的磁化方向相同，第二线圈12的每匝相互串联连接，其电流由一个三相驱动器控制。由此，第二线圈12的一匝线圈导线同时穿过第一磁体子阵列A41中的X轴方向磁体列L41和第四磁体子阵列A44中的X轴方向磁体列L45，力永远相同。因此，第二线圈12也可以串联起来，由一个驱动器统一驱动控制。

图4是本发明第四实施方式的位移装置的磁体阵列的平面配置示意图。如图4所示，本发明第四实施方式的位移装置中，磁体阵列包括第一磁体子阵列A51、第二磁体子阵列A52、第三磁体子阵列A53、和第四磁体子阵列A54。其中第一磁体子阵列A51和第四磁体子阵列A54的配置方式与第一实施方式中的第一磁体子阵列A21和第四磁体子阵列A24的配置方式分别相同。具体来说，每个第一磁体列L51和每个第四磁体列L54在第二平面内相对于X轴方向倾斜配置，即每个第一磁体列L51和每个第四磁体列L54在第二平面内的延伸方向与X分别有一定角度的夹角(例如45度)。第二磁体子阵列A52和第三磁体子阵列A33中磁化方向不同的磁体沿着X方向和Y方向交替配置。同样，第二磁体子阵列A52和第三磁体子阵列A53的配置也存在旋转对称关系，即位置对称、磁化方向相反，第二磁体子阵列A52沿二者的Y轴方向的中心轴线旋转180度后，与磁体子阵列A53完全重叠，并且磁化方向相同。本发明第四实施方式的位移装置同样能够达到上述第一实施方式的部分技术效果，即第二磁体子阵列A52和第三磁体子阵列A53协同作用产生力矩。

另外，本发明第一至第四实施方式的位移装置中，第一磁体子阵列A21～A51、第二磁体子阵列A22～A52、第三磁体子阵列A23～A53、第四磁体子阵列A24～A54中也可以存在有磁化方向与第一平面平行的磁体，图1～4中以箭头示出了其磁化方向。另外，第一磁体M21、第二磁体M22、第三磁体M23、第四磁体M24与第一平面平行的截面可以是矩形、正方形、圆形、椭圆形、或正多边形。

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 (10)

1.一种位移装置，其特征在于，

具有：

定子，其包括在第一平面内配置的沿着第一方向线性延伸的第一线圈和沿第二方向线性延伸的第二线圈，所述第一线圈和所述第二线圈在与所述第一方向和所述第二方向大致正交的第三方向上重叠；以及

动子平台，其配置在与所述第一平面大致平行的第二平面内并包括动子磁体阵列，所述动子磁体阵列的磁场与所述第一线圈和所述第二线圈相互作用而产生相对位移，所述动子磁体阵列至少包括：

第一磁体子阵列，其包括由第一磁体周期性地在第二平面内延伸配置而形成的、相互平行的多个第一磁体列，所述第一磁体的磁化方向均与所述第二平面大致垂直；

第二磁体子阵列，其包括由第二磁体周期性地在第二平面内延伸配置而形成的、相互平行的多个第二磁体列，所述第二磁体的磁化方向均与所述第二平面大致垂直；和

第三磁体子阵列，其包括由第三磁体周期性地在第二平面内延伸配置而形成的、相互平行的多个第三磁体列，所述第三磁体的磁化方向均与所述第二平面大致垂直，

与所述第一线圈的某一匝线圈导线在所述第三方向上重叠的所述第二磁体子阵列或所述第三磁体子阵列中存在磁化方向相反的磁体，以使得所述动子平台与所述定子相互作用产生绕所述第二方向的力矩和绕所述第三方向的力矩，

每个所述第二磁体列和每个所述第三磁体列在所述第二平面内的延伸方向相对于所述第一方向倾斜。

2.根据权利要求1所述的位移装置，其特征在于，

还具备：第四磁体子阵列，其包括由第四磁体周期性地在第二平面内延伸配置而形成的、相互平行的多个第四磁体列，所述第四磁体的磁化方向均与所述第二平面大致垂直，

所述第一磁体子阵列和所述第四磁体子阵列在所述第二平面内沿着所述第二方向离开一定距离而配置，所述第二磁体子阵列和所述第三磁体子阵列在由所述第一磁体子阵列和所述第四磁体子阵列离开一定距离配置而形成的间隔位置内沿所述第一方向而配置。

3.根据权利要求2所述的位移装置，其特征在于，

每个所述第一磁体列和每个所述第四磁体列在所述第二平面内的延伸方向相对于所述第一方向倾斜。

4.根据权利要求3所述的位移装置，其特征在于，

与所述第二线圈的某一匝线圈在所述第三方向上重叠的所述第一磁体、所述第二磁体、和所述第四磁体的磁化方向相同，与所述第二线圈的某一匝线圈在所述第三方向上重叠的所述第一磁体、所述第三磁体、和所述第四磁体的磁化方向相同，所述第二线圈的每匝相互串联连接，其电流由一个驱动器控制。

5.一种位移装置，其特征在于，

具有：

定子，其包括在第一平面内配置的沿着第一方向线性延伸的第一线圈和沿第二方向线性延伸的第二线圈，所述第一线圈和所述第二线圈在与所述第一方向和所述第二方向大致正交的第三方向上重叠；以及

动子平台，其配置在与所述第一平面大致平行的第二平面内并包括动子磁体阵列，所述动子磁体阵列的磁场与所述第一线圈和所述第二线圈相互作用而产生相对位移，所述动子磁体阵列至少包括：

第一磁体子阵列，其包括由第一磁体周期性地在第二平面内延伸配置而形成的、相互平行的多个第一磁体列，所述第一磁体的磁化方向均与所述第二平面大致垂直；

第二磁体子阵列，其包括由第二磁体周期性地在第二平面内延伸配置而形成的、相互平行的多个第二磁体列，所述第二磁体的磁化方向均与所述第二平面大致垂直；和

第三磁体子阵列，其包括由第三磁体周期性地在第二平面内延伸配置而形成的、相互平行的多个第三磁体列，所述第三磁体的磁化方向均与所述第二平面大致垂直，

与所述第一线圈的某一匝线圈导线在所述第三方向上重叠的所述第二磁体子阵列或所述第三磁体子阵列中存在磁化方向相反的磁体，以使得所述动子平台与所述定子相互作用产生绕所述第二方向的力矩和绕所述第三方向的力矩，

还具备：第四磁体子阵列，其包括由第四磁体周期性地在第二平面内延伸配置而形成的、相互平行的多个第四磁体列，所述第四磁体的磁化方向均与所述第二平面大致垂直，

所述第一磁体子阵列和所述第四磁体子阵列在所述第二平面内沿着所述第二方向离开一定距离而配置，所述第二磁体子阵列和所述第三磁体子阵列在由所述第一磁体子阵列和所述第四磁体子阵列离开一定距离配置而形成的间隔位置内沿所述第一方向而配置，

每个所述第一磁体列和每个所述第四磁体列在所述第二平面内的延伸方向相对于所述第一方向倾斜，

每个所述第二磁体列在所述第二平面内的延伸方向相对于所述第一方向大致垂直，每个所述第三磁体列在所述第二平面内的延伸方向相对于所述第一方向大致垂直。

6.根据权利要求5所述的位移装置，其特征在于，

与所述第二线圈的某一匝线圈在所述第三方向上重叠的所述第一磁体和所述第四磁体的磁化方向相同，所述第二线圈的每匝相互串联连接，其电流由一个驱动器控制。

7.一种位移装置，其特征在于，

具有：

定子，其包括在第一平面内配置的沿着第一方向线性延伸的第一线圈和沿第二方向线性延伸的第二线圈，所述第一线圈和所述第二线圈在与所述第一方向和所述第二方向大致正交的第三方向上重叠；以及

动子平台，其配置在与所述第一平面大致平行的第二平面内并包括动子磁体阵列，所述动子磁体阵列的磁场与所述第一线圈和所述第二线圈相互作用而产生相对位移，所述动子磁体阵列至少包括：

第一磁体子阵列，其包括由第一磁体周期性地在第二平面内延伸配置而形成的、相互平行的多个第一磁体列，所述第一磁体的磁化方向均与所述第二平面大致垂直；

第二磁体子阵列，其包括由第二磁体周期性地在第二平面内延伸配置而形成的、相互平行的多个第二磁体列，所述第二磁体的磁化方向均与所述第二平面大致垂直；和

第三磁体子阵列，其包括由第三磁体周期性地在第二平面内延伸配置而形成的、相互平行的多个第三磁体列，所述第三磁体的磁化方向均与所述第二平面大致垂直，

与所述第一线圈的某一匝线圈导线在所述第三方向上重叠的所述第二磁体子阵列或所述第三磁体子阵列中存在磁化方向相反的磁体，以使得所述动子平台与所述定子相互作用产生绕所述第二方向的力矩和绕所述第三方向的力矩，

还具备：第四磁体子阵列，其包括由第四磁体周期性地在第二平面内延伸配置而形成的、相互平行的多个第四磁体列，所述第四磁体的磁化方向均与所述第二平面大致垂直，

所述第一磁体子阵列和所述第四磁体子阵列在所述第二平面内沿着所述第二方向离开一定距离而配置，所述第二磁体子阵列和所述第三磁体子阵列在由所述第一磁体子阵列和所述第四磁体子阵列离开一定距离配置而形成的间隔位置内沿所述第一方向而配置，

所述第一磁体子阵列包括沿所述第一方向延伸的第一方向磁体列和沿所述第二方向延伸的第二方向磁体列，

所述第四磁体子阵列包括沿所述第一方向延伸的第一方向磁体列和沿所述第二方向延伸的第二方向磁体列，

每个所述第二磁体列和所述第三磁体列在所述第二平面内延伸方向相对于所述第一方向大致垂直。

8.根据权利要求7所述的位移装置，其特征在于，

与所述第二线圈的某一匝线圈在所述第三方向上重叠的所述第一磁体子阵列的第一方向磁体列中的所述第一磁体和所述第四磁体子阵列的第一方向磁体列中的所述第四磁体的磁化方向相同，所述第二线圈的每匝相互串联连接，其电流由一个三相驱动器控制。

9.根据权利要求2～8中任一项所述的位移装置，其特征在于，

所述第一磁体子阵列、第二磁体子阵列、第三磁体子阵列、第四磁体子阵列中存在有磁化方向与所述第一平面平行的磁体。

10.根据权利要求2～8中任一项所述的位移装置，其特征在于，

所述第一磁体、所述第四磁体、所述第二磁体、所述第三磁体与所述第一平面平行的截面是矩形、圆形、椭圆形、或正多边形。

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