專(zhuān)利名稱(chēng)：二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及相應(yīng)的六自由度微動(dòng)臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及使用其的六自 由度微動(dòng)臺(tái)。
背景技術(shù)：
微動(dòng)臺(tái)主要用于定位精度要求很高的場(chǎng)合，尤其是多個(gè)工位下的小行程微 調(diào)和定位，如半導(dǎo)體制造和光學(xué)及圖像對(duì)準(zhǔn)。現(xiàn)有技術(shù)公開(kāi)了幾種微動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)，
然而這些結(jié)構(gòu)存在著某些不足之處，具體說(shuō)明如下
1. 美國(guó)專(zhuān)利US006054784A:該專(zhuān)利公開(kāi)了一個(gè)曝光臺(tái)的六自由度調(diào)節(jié)原 理及其電機(jī)布局。該臺(tái)的基本原理是通過(guò)洛倫茲電機(jī)驅(qū)動(dòng)，將水平向調(diào)節(jié)的電 機(jī)均布在120。的三個(gè)點(diǎn)上，將垂向調(diào)節(jié)電機(jī)均布在水平電機(jī)之間，也呈120°分 布。這種均布呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，有利于電機(jī)選擇和曝光臺(tái)控制，但占用空間大， 不利于集成化。
2. 中國(guó)專(zhuān)利CN2580470Y:該專(zhuān)利公開(kāi)了 一種三自由度超精密定位平臺(tái)。 該臺(tái)體內(nèi)部呈等邊三角形固定有三組各自獨(dú)立的壓電陶瓷預(yù)緊機(jī)構(gòu)。該臺(tái)結(jié)構(gòu) 緊湊，精度較高；但是只能控制三個(gè)自由度，壓電陶瓷易發(fā)熱，也不易進(jìn)行恒 溫控制。
3. 中國(guó)專(zhuān)利CN2629926Y:該專(zhuān)利公開(kāi)了 一種三自由度精密定位工作臺(tái)， 其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中利用壓電陶瓷加壓驅(qū)動(dòng)，柔性機(jī)構(gòu)連接，粘貼應(yīng)變片傳感器進(jìn)行 閉環(huán)控制。這種裝置只能調(diào)整三個(gè)自由度，且調(diào)節(jié)范圍小。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種具有六個(gè)自由度且精度 足夠高又可進(jìn)行集成化組裝的微動(dòng)臺(tái)。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明首先提供一種二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其包
括基座，音圈電機(jī)，兩個(gè)水平直線電機(jī)，以及水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌；所述音圈電機(jī) 和所述每個(gè)水平直線電機(jī)均具有定子和動(dòng)子；所述基座與音圈電機(jī)定子固定連 接，所述音圈電機(jī)動(dòng)子通過(guò)氣浮解耦單元與所述水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌連接，所述兩個(gè) 水平直線電機(jī)關(guān)于該二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的中心軸呈對(duì)稱(chēng)布局，且兩個(gè)水平 直線電機(jī)的定子均與基座固定連接，兩個(gè)水平直線電機(jī)的動(dòng)子與所述水平運(yùn)動(dòng) 導(dǎo)軌固定連接。
進(jìn)一步的，所述基座內(nèi)部安裝有環(huán)形氣浮墊，當(dāng)所述音圏電機(jī)在基座內(nèi)運(yùn) 動(dòng)時(shí)，所述氣浮墊起到導(dǎo)向作用。
進(jìn)一步的，所述氣浮解耦單元由相匹配的球形氣浮墊和球形萬(wàn)向節(jié)組成， 所述垂向電機(jī)動(dòng)子與球形氣浮墊之間形成一個(gè)氣缸減振結(jié)構(gòu)，所述球形萬(wàn)向節(jié) 可在水平導(dǎo)軌內(nèi)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
進(jìn)一步的，所述水平導(dǎo)軌與基座之間采用彈簧連接；所述水平導(dǎo)軌還具有 兩個(gè)突臺(tái)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明還提供了 一種六自由度微動(dòng)臺(tái)，其包括三個(gè)上述的二自由度電機(jī)執(zhí) 行機(jī)構(gòu)，且所述的三個(gè)二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)120。均布安裝于所述六自由度微 動(dòng)臺(tái)的底座上。
進(jìn)一步的，所述的三個(gè)二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其水平運(yùn)動(dòng)方向與所述六 自由度微動(dòng)臺(tái)徑向重合；或者其水平運(yùn)動(dòng)方向與所述六自由度微動(dòng)臺(tái)徑向垂直； 或者其水平運(yùn)動(dòng)方向與所述六自由度;[鼓動(dòng)臺(tái)徑向成一夾角。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明使用集成的二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行微動(dòng)臺(tái) 的六自由度調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)精度高，集成性好，控制性能好，結(jié)構(gòu)緊湊，便于布 線，主要應(yīng)用于曝光臺(tái)的高精度調(diào)焦調(diào)平控制。


圖l是本發(fā)明的二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分解結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的剖視圖。
圖4是本發(fā)明的二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)空氣軸承結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5、圖6和圖7分別是本發(fā)明的六自由度微動(dòng)臺(tái)中二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)
的三種布局示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面根據(jù)圖1~圖7給出本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例，并予以詳細(xì)描述，目的是 使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更易于理解本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征，而不是用來(lái)限定本發(fā)明的 范圍。
本發(fā)明提供了一種二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及相應(yīng)的六自由度微動(dòng)臺(tái)。如圖2 所示為二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將三個(gè)這樣的執(zhí)行機(jī)構(gòu)120。均布在底座上(如
圖5、圖6、圖7 )，可形成一個(gè)六自由度的微動(dòng)臺(tái)。該微動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)的是小行程
六自由度調(diào)節(jié)，即x、 y、 z向水平運(yùn)動(dòng)和ex、 ey、 ez^走轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。垂向調(diào)節(jié)行
程為士1.5mm，水平向調(diào)節(jié)行程為士1.5mm,定位精度在20nm以?xún)?nèi)，垂向控制精 度在50nm之內(nèi)。
圖1是本發(fā)明的二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分解結(jié)構(gòu)示意圖，請(qǐng)配合參照?qǐng)D2 及圖3，該二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括基座l,垂向環(huán)形氣浮墊2，垂向音圈 電機(jī)定子3，垂向音圈電機(jī)動(dòng)子4，球形氣浮墊5，水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌6，彈簧7，水 平直線電機(jī)動(dòng)子8，水平直線電機(jī)定子9，以及帶水平向氣浮的球形萬(wàn)向節(jié)10。 其中，球形氣浮墊5和球形萬(wàn)向節(jié)IO共同組成氣浮解耦單元。
基座1與垂向音圈電機(jī)定子3固定連接，基座1內(nèi)壁起到垂向?qū)к壍淖饔谩?在基座l內(nèi)部安裝兩個(gè)環(huán)形氣浮墊2，當(dāng)運(yùn)動(dòng)時(shí)氣浮墊2起到導(dǎo)向的作用。垂向 電機(jī)動(dòng)子4與球形氣浮墊5之間形成一個(gè)氣缸結(jié)構(gòu)401 ，氣缸的作用是垂向減振， 并且進(jìn)行靜態(tài)重力補(bǔ)償。球形氣浮墊5與球形萬(wàn)向節(jié)10匹配，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng) 解耦。水平直線電機(jī)的定子9與基座1固定連接，兩個(gè)水平直線電機(jī)成對(duì)稱(chēng)布 局，水平直線電機(jī)的動(dòng)子8與水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌6固定連接，實(shí)現(xiàn)水平向驅(qū)動(dòng)。球 形萬(wàn)向節(jié)10在水平導(dǎo)庫(kù)九6內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平動(dòng)的運(yùn)動(dòng)解耦。水平導(dǎo)軌6的兩 個(gè)突臺(tái)結(jié)構(gòu)起到導(dǎo)向和限位的作用，將水平導(dǎo)軌6與基座1用彈簧7連接，起 到消除自重和增加阻尼的作用。
二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖4，音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)垂向運(yùn)動(dòng)，動(dòng)子4 垂向運(yùn)動(dòng)時(shí)，環(huán)形氣浮墊2與電機(jī)動(dòng)子4之間通過(guò)氣浮產(chǎn)生一定厚度的氣膜， 形成兩個(gè)空氣軸承A,實(shí)現(xiàn)Z向的運(yùn)動(dòng)。音圈電機(jī)的運(yùn)動(dòng)定位精度高，可控性
能好。氣缸401充氣后形成氣層D對(duì)上部結(jié)構(gòu)起到減振作用，并可以有一定的 Z向驅(qū)動(dòng)功能。根據(jù)控制信號(hào)音圈電機(jī)垂向動(dòng)作，氣釭會(huì)根據(jù)動(dòng)作自動(dòng)調(diào)整自己 的位置，延時(shí)補(bǔ)償位移，可以減振同時(shí)也實(shí)現(xiàn)靜態(tài)重力補(bǔ)償，減小音圈電機(jī)的 負(fù)擔(dān)。球形氣浮墊5與球形萬(wàn)向節(jié)IO之間通過(guò)氣浮形成球形的空氣軸承B，實(shí) 現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。兩個(gè)水平直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)水平向運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)水平直線電機(jī) 的定子與基座固定連接，同時(shí)也與垂向電機(jī)的定子固定連接，這樣，垂向驅(qū)動(dòng) 與水平向驅(qū)動(dòng)處于同一層面進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，降低了整個(gè)執(zhí)行器的高度，便于減少中 間環(huán)節(jié)，提高控制精度。采用兩個(gè)水平直線電機(jī)還便于保證水平向輸出力對(duì)稱(chēng)， 保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。水平直線電機(jī)動(dòng)子與定子之間的間隙，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了運(yùn) 動(dòng)的解耦。當(dāng)水平向運(yùn)動(dòng)時(shí)球形萬(wàn)向節(jié)10的上表面與水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌6之間通過(guò) 氣浮產(chǎn)生一定厚度的氣模，形成空氣軸承C。水平直線電機(jī)的動(dòng)子8和定子9 之間在Z向和Y向均有± 3mm的間隙，水平導(dǎo)軌6與5求形萬(wàn)向節(jié)10在X向、 Y向之間也有±3mm的間隙，在微動(dòng)的范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)疊加兩執(zhí)行器之間的運(yùn) 動(dòng)解耦。
如圖5~圖7所示，將三個(gè)二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)120。均布在微動(dòng)臺(tái)底板11 上，使水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌與微動(dòng)臺(tái)承片臺(tái)12固定連接，即構(gòu)成了本發(fā)明的六自由度 微動(dòng)臺(tái)。三組電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的水平向運(yùn)動(dòng)組合可以調(diào)節(jié)承片臺(tái)的X、 Y、 0z三個(gè) 自由度，其中X為沿坐標(biāo)X向正反向運(yùn)動(dòng)，Y為沿坐標(biāo)Y向正反向運(yùn)動(dòng)，0z 為繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)；通過(guò)氣膜C、水平直線電機(jī)的動(dòng)子8和定子9之間在Z向和Y 向的士3mm的間隙、水平導(dǎo)軌6與球形萬(wàn)向節(jié)IO在X向、Y向之間的間隙，實(shí) 現(xiàn)微動(dòng)臺(tái)X向、Y向、ez向的運(yùn)動(dòng)解耦。三組電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的垂向運(yùn)動(dòng)組合可 以調(diào)節(jié)微動(dòng)臺(tái)的0x, ey和Z三個(gè)自由度，其中0x是繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，0y是繞Y 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，Z為沿垂直方向即Z向上下運(yùn)動(dòng)；通過(guò)空氣軸承A、球形氣浮墊5 與球形萬(wàn)向節(jié)IO之間產(chǎn)生球形的空氣軸承B,實(shí)現(xiàn)微動(dòng)臺(tái)的ex， 0y， Z向的運(yùn) 動(dòng)解耦。氣缸結(jié)構(gòu)401實(shí)現(xiàn)了對(duì)微動(dòng)臺(tái)的減振功能。彈簧結(jié)構(gòu)7增大了 Z向的 阻尼，可以平衡氣浮結(jié)構(gòu)對(duì)水平導(dǎo)軌6產(chǎn)生的力，消除微動(dòng)臺(tái)的自重，增強(qiáng)微 動(dòng)臺(tái)的控制性能。二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)支撐的微動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，
受力均勻，調(diào)節(jié)行程大。
120。均布可以有三種形式，圖5為水平直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)垂直于承片臺(tái)12半 徑，圖6為水平直線電機(jī)的水平運(yùn)動(dòng)方向與承片臺(tái)12半徑重合，圖7為水平直
線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向與承片臺(tái)12半徑方向成一定的角度，但是三個(gè)電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 所成角度相同，例如都為30。。不同的安裝形式為布線、設(shè)計(jì)、裝配提供了更多 的選擇。
微動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)通過(guò)二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，可以進(jìn)行六自由度的微調(diào)。 上述描述僅是對(duì)本發(fā)明較佳實(shí)施例的描述，并非對(duì)本發(fā)明范圍的任何限定，
本發(fā)明領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)上述揭示內(nèi)容做的任何變更、修飾，均屬于權(quán)
利要求書(shū)的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征在于，包括基座，音圈電機(jī)，兩個(gè)水平直線電機(jī)，以及水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌；所述音圈電機(jī)和所述每個(gè)水平直線電機(jī)均具有定子和動(dòng)子；所述基座與音圈電機(jī)定子固定連接，所述音圈電機(jī)動(dòng)子通過(guò)氣浮解耦單元與所述水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌連接，所述兩個(gè)水平直線電機(jī)關(guān)于該二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的中心軸呈對(duì)稱(chēng)布局，且兩個(gè)水平直線電機(jī)的定子均與基座固定連接，兩個(gè)水平直線電機(jī)的動(dòng)子與所述水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌固定連接。
2、 如權(quán)利要求l所述的二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述基座內(nèi) 部安裝有環(huán)形氣浮墊，當(dāng)所述音圈電機(jī)在基座內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，所述氣浮墊起到導(dǎo)向 作用。
3、 如權(quán)利要求l所述的二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述氣浮解 耦單元由相匹配的球形氣浮墊和球形萬(wàn)向節(jié)組成，所述垂向電機(jī)動(dòng)子與球形氣 浮墊之間形成一個(gè)氣缸減振結(jié)構(gòu)，所述球形萬(wàn)向節(jié)可在水平導(dǎo)軌內(nèi)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
4、 如權(quán)利要求l所述的二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述水平導(dǎo) 軌與基座之間采用彈簧連接。
5、 如權(quán)利要求l所述的二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述水平導(dǎo) 軌還具有兩個(gè)突臺(tái)結(jié)構(gòu)。
6、 一種六自由度微動(dòng)臺(tái)，其特征在于，包括三個(gè)如權(quán)利要求1至5中任一 項(xiàng)所述的二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，且所述的三個(gè)二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)120。均 布安裝于所述六自由度微動(dòng)臺(tái)的底座上。
7、 如權(quán)利要求6所述的六自由度微動(dòng)臺(tái)，其特征在于，所述的三個(gè)二自由 度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其水平運(yùn)動(dòng)方向與所述六自由度^f鼓動(dòng)臺(tái)徑向重合。
8、 如權(quán)利要求6所述的六自由度微動(dòng)臺(tái)，其特征在于，所述的三個(gè)二自由 度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其水平運(yùn)動(dòng)方向與所述六自由度微動(dòng)臺(tái)徑向垂直。
9、 如權(quán)利要求6所述的六自由度微動(dòng)臺(tái)，其特征在于，所述的三個(gè)二自由 度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其水平運(yùn)動(dòng)方向與所述六自由度微動(dòng)臺(tái)徑向成一夾角。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及相應(yīng)的六自由度微動(dòng)臺(tái)，該二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括基座，音圈電機(jī)，兩個(gè)水平直線電機(jī)，以及水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌；所述音圈電機(jī)和所述每個(gè)水平直線電機(jī)均具有定子和動(dòng)子；所述基座與音圈電機(jī)定子固定連接，所述音圈電機(jī)動(dòng)子通過(guò)氣浮解耦單元與所述水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌連接，所述兩個(gè)水平直線電機(jī)關(guān)于該二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的中心軸呈對(duì)稱(chēng)布局，且兩個(gè)水平直線電機(jī)的定子均與基座固定連接，兩個(gè)水平直線電機(jī)的動(dòng)子與所述水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌固定連接。所述六自由度微動(dòng)臺(tái)，包括三個(gè)120°均布安裝于底座上的二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本發(fā)明使用集成的二自由度電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行微動(dòng)臺(tái)的六自由度調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)精度高，集成性、控制性能好，結(jié)構(gòu)緊湊。
文檔編號(hào)G03F7/20GK101349870SQ20081004149
公開(kāi)日2009年1月21日 申請(qǐng)日期2008年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月7日
發(fā)明者李志龍, 齊寧寧, 齊芊楓 申請(qǐng)人:上海微電子裝備有限公司;上海微高精密機(jī)械工程有限公司