伺服图形光刻机调焦系统音圈电机的设计_罗敢

1999 年 5 月伺服图形光刻机调焦系统音圈电机的设计罗 敢· 23 ·伺服图形光刻机调焦系统音圈电机的设计罗 敢 张 芳 王岳环 张 彪(华中理工大学计算机学院 430074 武汉)摘 要:本文以作者对光刻机刻蚀光头调焦音圈电机的设计的实际经验为例,阐述了两种 音圈电机结构的设计原则。并对这两种音圈电机的性能进行了分析。关键词:音圈电机 光刻机 氟塑料套筒 滚珠导套“超高密度磁盘伺服图形极坐标光刻机” 一台高新专用设备。它要为快速 、超大容量外(以下简称光刻机), 是国家自然科学重点基金 存储技术的研究与开发提供必不可少的物质基课题“快速超高密度外存储基础技术研究”中的 础 ,其原理简图如图 1 所示 。 一个子项目, 是这个课题中首先要研制成功的图 1光刻机原理图光刻机用 He -Cd 激光束在磁盘表面刻写伺服图案, 以提高磁盘的记录密度。要达到预期的 6 , 350TPI 以上的刻写道密度 , 除要求光刻机总体结构合理、机械精度高、系统性能稳定之外 ,还要求各运动控制部分具有较高的性能 , 其中包括带动磁盘旋转的主轴电机的稳速控制, 磁盘径向微进给控制和使激光束聚集到磁盘表面的光头调焦控制, 这三者缺一不可 。其 中光头调焦控制是为了在磁盘表面得到尽可能小的光点 ,一方面可以提高记录密度,另一方面也可以集中光束的能量 , 缩短刻蚀时加热的时间,提高刻写速度。本文介绍了我们研制的光头调焦的执行机构音圈电机 ,并对其性能进行了检测和分析。 1设计的基本原则设计音圈电机应遵循以下几个基本原则:1)磁钢应工作在最大磁能积点附近, 以使之具有较高的工作效率, 即使磁钢以最小的体积产生最大的气隙磁密 。由于磁钢价格在音圈电机成本中占有较大 比重, 而且是按其体保积和充磁工艺来计算的 ,所以在设计音圈电机时总是要尽量缩减磁钢 的体积。由磁学基本公式:Bm ·S m =B·S 1Hm ·l m =H·l=·B·l(1) 0 Bm ·H m·S m·lm得到 B 2=·0(2) S·l 其中 B 为磁密, H 为磁场强度, S 代表面积 , l 代表长度, 下标 m 代表磁钢 , 代表气隙(以下同)。 由以上公式可以看出, 当气隙磁密一定,而· 24 ·电子计算机与外部设备第 23 卷第3 期磁钢工作在最大磁能积点也就是 B m ·S m 取最情况下, 应尽可能增加 B l 值(B 为工作气隙磁大值时 ,磁钢的体积 Sm ·l m 最小(假设气隙的密 , l 为切割磁力线的音圈绕线长度), 以降低工作体积 S·l不变)。允许的最大电流。这可以避免引起检测光学位 2)在满足对所产生的磁力大小要求的前提置(调焦误差)用的光电二级管的交叉影响 ,降 下,使音圈电机的体积最小(主要是在磁路不饱 低线圈的发热(这对于长音圈、动音圈结构的音和的前提下使磁路截面积最小)。这也是从成 圈电机尤其重要),并且可以使音圈的退磁作用 本和结构的合理性来考虑的。比较小 ,从而提高磁路的工作效率。3)为了提高音圈电机的工作效率 , 应合理这四个原则是设计音圈电机结构时应综合地设计其结构 , 尽量减少磁路漏磁。设计音圈考虑的优化目标。电机时总是希望磁钢的磁力线尽可能多地通过2 音圈电机结构的选择 气隙 ,以提高气隙磁密,从而产生尽可能大的磁1)根据磁钢在音圈电机中所处的位置不力。同 ,音圈电机可以分为内磁式和外磁式两种结 4)在音圈电机能产生的最大加速度一定的构 ,如图 2 所示。(a)外磁极结构(b)内磁极结构图 2音圈电机内磁极和外磁极式结构示意图 与外磁式结构相比 , 内磁式结构的磁路较短,漏磁小 ,但在光头调焦系统中, 由于激光束要穿过音圈电机 ,因此在音圈电机中间必须预留一个通光的孔 ,故不宜采用内磁式结构。2)按照音圈电机中运动部分是音圈还是磁铁系统,又可分为动音圈结构和固定音圈结构 。 动音圈结构的优点是固定的磁铁系统可以比较大 ,因而可以得到较强的磁场(高 B 值);缺点是音圈输电线处于运动状态, 容易出现断路的问题。同时由于可运动的支承, 运动部件和环境的热接触很恶劣(高 R T , R T 是运动部件与环境之间的热阻),动音圈产生的热量会使运动部件的温度升高, 因而音圈中所允许的最大电流较小。与此相反, 对于固定音圈结构 ,线圈的散热不再是大问题(低 R T ), 线圈允许的最大电流较大 ,但为了减小运动部分的质量 ,采用了较小的磁铁,因此磁场较弱。考虑到我们所设计的音圈电机应尽可能减 小运动部分的质量以保证得到较好的频响特性 ,确定采用动音圈结构。3)按照音圈相对于工作气隙的长度, 音圈电机又可分为长音圈结构和短音圈结构( 如图 3 所示)。长音圈结构的音圈长度要大于工作气隙长度和最大行程长度之和;而短音圈结构的工作气隙长度应该大于音圈长度与最大行程长度之和 。两者中 ,长音圈结构充分利用了磁密 ,但由于音圈中只有一部分线圈处于工作气隙中 ,所以电功率利用不足 ;短音圈结构则正好相反 。两种结构相比,前者可以允许较小的磁铁系统 , 因此音圈电机的体积也可以比较小;后者则体积较大, 但功耗较小, 可以允许较大音圈电流 。为减小音圈电机的体积 ,我们采用长音圈结构 。4)决定了音圈电机的基本结构后 ,就要考虑采用什么样的支承形式。光头调焦是在垂直1999 年 5 月伺服图形光刻机调焦系统音圈电机的设计罗 敢· 25 ·(a)短音圈结构(b)长音圈结构图 3长音圈和短音圈结构示意图于磁盘表面的方向(轴向)上的直线运动, 因此音圈电机的运动只有一个自由度。传统的音圈电机一般是采用片簧来限制自由度的(如图 4 (a), 因为这种结构比较简单 , 而且工作可靠 ,向上。在有关文献中, 采用了一种滑动摩擦套筒结构(如图 4(b)。在滑动轴表面喷涂很薄的 一层氟塑料 ,由于氟塑料有较好的润滑性能,因 所以应用比较广泛, 不足是从簧片的选材到形而摩擦阻力小。据文中所说, 这种结构的优点状的设计制造都很复杂。为了消防径向偏摆 ,是伺服性能好,捕捉范围大 ,误差校正比大 。而片簧径向刚度应该足够大。同时由于结构的限制,音圈电机的磁力不能任意增大 ,所以要使电且由于简化了结构, 因而可以实现小型化。但其工作性能要依赖 于机械加工的精度, 并且没 机运动灵活,响应速度快 ,就要求片簧在运动方有限制可动部分旋转方向的自由度。在图 4 中向上柔性好。在安装时 ,则要使片簧在定向上具有比较一致的特性, 以使其作用力保持在轴画出了这种结构和采用簧片结构的示意图作 比较 :(a)弹簧片结构(b)喷涂氟塑料结构图 4两种电机定向结构的比较 由于采用喷涂氟塑料的结构有明显的优点, 在我们光刻机的光头调焦音圈电机设计中也决 定采用类似的结构。但由于条件的限制 , 不能喷塑, 故采用在活动部分 光头轴外加一个厚度适中的氟塑料(采用聚四 氟乙烯塑料)套筒的方法,轴与套筒相配研 ,在加工精度满足要求的情况下也应该可以得到 较好的效果。结构示意图如图 5 所示 :在理想情况下 ,氟塑料套筒起润滑和定向5 我们采用的第一种结构的作用,系统阻尼和刚度很小 ,按牛顿定律和基霍夫定律,对这种音圈机电有:· 26 ·电子计算机与外部设备第 23 卷第3 期dvs(s)11 m=BLImLm R(4)dt(3)E(s)=s2+s +B l· sdidxBlB l E =RI +Ldt+Blv , v = dt其幅频和相频特性曲线应该具有如图 6 所 从而得到这一系统的传递函数为示的形状。(a)幅频特性(b)相频特性图 6 理想情况下的电机幅频、相频特性为了检验所研制的音圈电机的性能, 我们是若将氟塑料套筒转动一个角度 ,就会得到与 测定了它的幅频和相频特性(如图 7)。对比图原来差别很大的频响特性, 主要是反映在带宽7 和图 6 , 可以看到所测得的结果与理论模型大的变化上。在套筒与光头轴处于不同相对角度 相径庭 ,幅频特性在谐振点以前类似于二阶振时进行测量, 知道带宽在 300 1500Hz 之间变 荡系统,而在谐振点以后则以 80dB 下降, 类似化 ,差别相当大。于四阶系统, 相频特性也是如此。更为严重的(a)采用氟塑料套筒的音圈电机幅频特性(b)采用氟塑料套筒的音圈电机相频特性图 7 采用氟塑料套筒的音圈 电机典型频响特性经分析, 我们认为这主要是因为对氟塑料运动,但氟塑料质地较软, 不能研磨 ,故加工精套筒与音圈电机可动部分 光头轴接触表面度难以满足要求。 的加工精度要求非常高 , 二者接触表面之间要因此,我们最后决定对音圈电机的导向机没有间隙但同时又可以保证光头轴能够光滑地构进行改进, 即采用 NHK 公司的 LM E -8 型1999 年 5 月伺服图形光刻机调焦系统音圈电机的设计罗 敢· 27 ·滚珠导套替代原来的氟塑料套筒, 同时附加一个片簧以限制可动部分旋转方向 的自由度, 并增加了系统刚度 ,起到防止共振的作用 。具体结构如图 8 所示 。实验证明这种结构音圈电机具有比较好的 频响特性和稳定性。 3实验与分析为了检验所研制的音圈电机的性能 , 我们 设计了如图 9 所示的检测系统来测定其动态特性。响应信号的获取采用 DWY3 型振动位移测量仪。用信号发生器输出的正弦信号驱动音圈电机 光头体。电容式传感头与被测表面 图 8最终采用的音圈电机结构图。构成一个空气介质的电容 ,电容量图 9音圈电机频响特性检测系统示意图 ·sC =4 (5) 其中 :s传感头极板的面积 传感头极板与被测表面之间的距离 极间媒质的介电常数当被测表面的位移 远比初始间隙 0 小时,可以认为 C 与 成直线关系 ,从而将 的变化按近似直线关系转换为电容量的变化C 。DWY3 型振动位移测量仪检测这个电容的大小并将之转换为与电容两极之间距离成正比 的电压输出。将传感器的输出和信号发生器产生的正弦信号同时送入示波器 ,然后在不同频 率下逐点测量两个信号的幅值比和相位差。就得到音圈电机的幅频和相频特性如图 10 所示 :(a)音圈电机幅频特性(b)音圈电机相频特性图 10音圈电机频响特性 (下转第 18 页)· 18 ·电子计算机与外部设备第 23 卷第3 期码。可见, MPEG4 为了支持基于对象的编码 , 引入了形状编码模块。为了支持高效压缩 , M PEG4 仍然采用了 M PEG1 、M PEG2 中的变换、预测混合编码框架。对于一般的任意形状的视频对象 ,M PEG4 编码后的码流结构见图 3 :图 3 通用 M PEG4 视频编码 对于实时的极低比特率的应用, 如可视电话,M PEG4 视频编码采用 VLBV(极低比特率视频)核进行编码 ,类似于 ITU 的 H.263 直接对矩形视频编码 ,而不采用形状编码模块 。因而,编码后的码流结构见图 4 :图 4 类 H263 的 VLBV 核编码 可见 , MPEG4 采取了向前兼容 H263 , 同时,也提供了一些高层特性, 如基于内容的编码。其扩充的方式如图 5 :与此同时, M PEG4 还支持有误码信道传输下的健壮性 ,提供了更好的同步和误码恢复机制。 4.5 场景描述及其它图 5M PEG4 的视频功能扩充场景措述主要用于描述以上单个的 AV 对象如何在一具体 AV 场景座标下的组织与同步等问题 。同时还有AV 对象和 AV 场景的知识产权保护等问题。 最后 ,就是我们如何欣赏 MPEG4 为我们提供的丰富多彩的AV 场景了 。 5M PEG4 展望M PEG4 的应用将是广泛而深远的。这一新的工业标 准将至少可以应用于以下场合 : 1)实时多媒体监控 。 2)极低比特率下的移动多媒体通信3)基于内容存储和检索多媒体系统4)Internet/Intranet 上的视频流与可视游戏 5)基于面部表情模拟的虚拟会议6)DVD 上