本發(fā)明涉及晶圓片加工檢測，尤其涉及一種適于z軸方向高頻調(diào)整的一體式氣浮主軸。

背景技術：

1、空氣軸承（又稱為氣浮軸承）指的是用氣體（通常是空氣，但也有可能是其它氣體）作為潤滑劑的滑動軸承?？諝獗扔驼硿孕?，耐高溫，無污染，因而可用于半導體制造所用高速機器或特種儀器及放射性裝置中。

2、在半導體生產(chǎn)制造行業(yè)，晶圓片作為芯片制作的基礎原料，它需要滿足若干十分苛刻的形狀、厚度等技術參數(shù)。由此為滿足芯片規(guī)?；a(chǎn)的效率和高性能良率，在制得晶圓片后還需要對其進行周全而高精度的檢測。氣浮主軸便是其中優(yōu)選且普及應用的一種輔助機具，以滿足承載待檢晶圓片并可控地高速轉動、z軸方向高頻調(diào)整定位，以配合高清攝影機實現(xiàn)品檢作業(yè)。

3、如圖1所示，是現(xiàn)有常用的一種主軸系統(tǒng)的軸剖結構示意圖。它主要包括設置于底部的頂升單元b及其上帶外殼的氣浮主軸單元a。圖示可見，其上半部分為氣浮主軸的常規(guī)原理性設置，主要用于對內(nèi)部施加高壓空氣使氣浮軸承內(nèi)圈a2呈懸浮狀態(tài)，并受驅(qū)帶動頂部所裝載的晶圓片9高速轉動；故這部分簡單圖示并不細化展開。而其下半部分為由伺服電機受控運行并驅(qū)動上半部分按一定頻率沿z軸調(diào)整位置。該頂升單元b包括伺服電機b1，減速機b2，聯(lián)軸器b3，滾珠絲桿b4，水平導軌b5，第一楔塊b6，第二楔塊b7，導軌b8及z軸方向?qū)蜉S承b9。其中伺服電機b1通過減速機b2和聯(lián)軸器b3輸出動力，使?jié)L珠絲桿b4發(fā)生轉動，該第一楔塊b6套接于水平導軌b5上并與滾珠絲桿b4相連受驅(qū)水平位移。該第二楔塊b7倒裝于外殼a3底部并與第一楔塊b6各自的斜面通過導軌b8相接滑動。兩個楔塊相互挨近則第二楔塊被向上抬起，反之兩個楔塊相互分離則第二楔塊向下滑落，由此外殼則受控于分布設置的導向軸承帶動上半部分整體沿z軸調(diào)整位置。

4、但這樣的主軸系統(tǒng)客觀存在若干明顯的不足，1）、上半部分的氣浮主軸單元（包括氣浮軸承外圈及外殼，圖1虛線框m所示）自重較大，因此無法實現(xiàn)沿z軸方向高頻升降調(diào)整。2）、z軸方向調(diào)整需經(jīng)過伺服電機、減速機、聯(lián)軸器、滾珠絲桿以及多道導軌機構連續(xù)傳動實現(xiàn)，還需要嚴格導向輔助。因此，各組成部分之間無法迅速響應。以z軸方向10μm范圍內(nèi)往復運動為例，z軸方向調(diào)整的最高頻率只能達到20hz，無法進一步取得突破。3）由于頂升單元復雜的機械組成及傳動，本身體積也難于簡化，造成了整體負載超重，耗電量居高不下；而且如此多的機械剛性接觸式連接，z軸方向調(diào)整過程中頻繁摩擦帶來十分嚴重的磨損，長時間運行后精度變差明顯。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的旨在提出一種適于z軸方向高頻調(diào)整的一體式氣浮主軸，在氣浮主軸原有徑向轉動性能不受影響的前提下，以求提高z軸方向調(diào)整高頻響應的問題。

2、本發(fā)明實現(xiàn)上述目的的技術解決方案是，適于z軸方向高頻調(diào)整的一體式氣浮主軸，具有內(nèi)外嵌套且間隙配合的軸承外圈和軸承內(nèi)圈，以及裝接于兩者之間的力矩電機轉子和力矩電機線圈，軸承內(nèi)圈頂部裝接有載物臺，氣浮主軸的底部設有驅(qū)動載物臺沿z軸方向運動的調(diào)整單元。特別地，軸承外圈固定裝接，軸承內(nèi)圈受驅(qū)于力矩電機相對軸承外圈同軸轉動；調(diào)整單元通過下端蓋封閉于軸承內(nèi)圈底部所設的沉孔中，調(diào)整單元主要由線性電機動子和線性電機定子構成，其中線性電機動子共軸套接于線性電機定子并承托軸承內(nèi)圈主導z軸方向調(diào)整，線性電機定子固接于下端蓋，且軸承內(nèi)圈和軸承外圈兩者的底部與下端蓋之間形成有與氣浮主軸內(nèi)氣道相連通的腔體，腔體內(nèi)氣壓增大至平衡軸承內(nèi)圈及其裝接附件的自重。

3、進一步地，所述下端蓋設有壓力調(diào)節(jié)閥，且在腔體內(nèi)的氣壓超出維持自重平衡狀態(tài)下，所述壓力調(diào)節(jié)閥立即響應對外排氣，從而釋放腔體中的多余壓力。

4、進一步地，所述下端蓋中部內(nèi)嵌裝接有信號外聯(lián)的位移傳感器，所述沉孔中部裝接有與位移傳感器相對的感應片。

5、進一步地，所述軸承外圈包括分體成型并一體組裝的上外圈和下外圈，且上外圈在靠近軸承內(nèi)圈頂部的一個徑向面域內(nèi)設有若干條上氣浮氣道，所有上氣浮氣道等分圓周方向分布；下外圈在靠近軸承內(nèi)圈底部的一個徑向面域內(nèi)設有若干條下氣浮氣道，所有下氣浮氣道等分圓周方向分布。

6、更進一步地，所述軸承外圈在兩組氣浮氣道之間設有擴徑型腔，且力矩電機線圈固接于上外圈的內(nèi)壁并外接引線，力矩電機轉子套接固定于軸承內(nèi)圈表面，力矩電機線圈通電狀態(tài)下，力矩電機轉子帶動軸承內(nèi)圈旋轉。

7、更進一步地，所述上外圈的內(nèi)孔直壁與下外圈的內(nèi)孔直壁同軸設置，且軸向定位公差少于1μm，所述上外圈與下外圈的對接平面相對各自的內(nèi)孔直壁垂直設置。

8、進一步地，所述腔體內(nèi)設有與軸承內(nèi)圈底部一體鎖接的z軸向限位環(huán)，且z軸向限位環(huán)的外徑大于軸承外圈底側的內(nèi)徑。

9、進一步地，所述軸承內(nèi)圈頂部與載物臺之間接設有轉接板，且轉接板的徑向外側設有圓光柵；所述軸承外圈頂部設有朝向軸心的圓光柵讀數(shù)頭，信號反饋載物臺的實時圓周位置。

10、本發(fā)明一體式氣浮主軸具備突出的實質(zhì)性特點，它的應用具有顯著的進步性，其所帶來的技術效果或優(yōu)點包括：1）、在軸承內(nèi)圈底部直接集成用于驅(qū)動z軸方向調(diào)整的電機，并在相應位置設置成腔體，使氣浮主軸原有的氣膜得以向下連通擴展；通過分離軸承外圈靜態(tài)和軸承內(nèi)圈動態(tài)的裝接方式剝離大部分負荷，由此使得以軸承內(nèi)圈為主的優(yōu)化后負載得以被腔體中的氣壓承托而平衡自重，創(chuàng)造條件使得z軸方向調(diào)整的最高頻率得以超過150hz，有利于大幅提高生產(chǎn)效率；2）、在機械加工、位移傳感器精度和線性電機性能的基礎上，由線性電機直接對優(yōu)化后負載輸出驅(qū)動力，能使得z軸方向運動的精度達到20nm，較之于圖1所示傳統(tǒng)主軸系統(tǒng)，在省卻額外導向機構加持的情況下這方面的精度還能提升10倍以上；3）、使用線性電機定子和線性電機動子組成的電機直接推動軸承內(nèi)圈實現(xiàn)z軸方向高頻調(diào)整，無中間傳動環(huán)節(jié)，因此提高了傳動效率并有利于減少體積占空；4）、也避免了機械摩擦及經(jīng)常添加潤滑油造成的污染，從而實現(xiàn)設備精度保持性非常高，提升產(chǎn)品品質(zhì)；5）、同時降低了電能損耗，優(yōu)化了能效。

技術特征：

1.適于z軸方向高頻調(diào)整的一體式氣浮主軸，具有內(nèi)外嵌套且間隙配合的軸承外圈和軸承內(nèi)圈，以及裝接于兩者之間的力矩電機轉子和力矩電機線圈，軸承內(nèi)圈頂部裝接有載物臺，氣浮主軸的底部設有驅(qū)動載物臺沿z軸方向運動的調(diào)整單元，其特征在于：所述軸承外圈固定裝接，所述軸承內(nèi)圈受驅(qū)于力矩電機相對軸承外圈同軸轉動；所述調(diào)整單元通過下端蓋封閉于軸承內(nèi)圈底部所設的沉孔中，所述調(diào)整單元主要由線性電機動子和線性電機定子構成，其中線性電機動子共軸套接于線性電機定子并承托軸承內(nèi)圈主導z軸方向調(diào)整，線性電機定子固接于下端蓋，且軸承內(nèi)圈和軸承外圈兩者的底部與下端蓋之間形成有與氣浮主軸內(nèi)氣道相連通的腔體，所述腔體內(nèi)氣壓增大至平衡軸承內(nèi)圈及其裝接附件的自重。

2.根據(jù)權利要求1所述的適于z軸方向高頻調(diào)整的一體式氣浮主軸，其特征在于：所述下端蓋設有壓力調(diào)節(jié)閥，且在腔體內(nèi)的氣壓超出維持自重平衡狀態(tài)下，所述壓力調(diào)節(jié)閥立即響應對外排氣。

3.根據(jù)權利要求1所述的適于z軸方向高頻調(diào)整的一體式氣浮主軸，其特征在于：所述下端蓋中部內(nèi)嵌裝接有信號外聯(lián)的位移傳感器，所述沉孔中部裝接有與位移傳感器相對的感應片。

4.根據(jù)權利要求1所述的適于z軸方向高頻調(diào)整的一體式氣浮主軸，其特征在于：所述軸承外圈包括分體成型并一體組裝的上外圈和下外圈，且上外圈在靠近軸承內(nèi)圈頂部的一個徑向面域內(nèi)設有若干條上氣浮氣道，所有上氣浮氣道等分圓周方向分布；下外圈在靠近軸承內(nèi)圈底部的一個徑向面域內(nèi)設有若干條下氣浮氣道，所有下氣浮氣道等分圓周方向分布。

5.根據(jù)權利要求4所述的適于z軸方向高頻調(diào)整的一體式氣浮主軸，其特征在于：所述軸承外圈在兩組氣浮氣道之間設有擴徑型腔，且力矩電機線圈固接于上外圈的內(nèi)壁并外接引線，力矩電機轉子套接固定于軸承內(nèi)圈表面，力矩電機線圈通電狀態(tài)下，力矩電機轉子帶動軸承內(nèi)圈旋轉。

6.根據(jù)權利要求4所述的適于z軸方向高頻調(diào)整的一體式氣浮主軸，其特征在于：所述上外圈的內(nèi)孔直壁與下外圈的內(nèi)孔直壁同軸設置，且軸向定位公差少于1μm，所述上外圈與下外圈的對接平面相對各自的內(nèi)孔直壁垂直設置。

7.根據(jù)權利要求1所述的適于z軸方向高頻調(diào)整的一體式氣浮主軸，其特征在于：所述腔體內(nèi)設有與軸承內(nèi)圈底部一體鎖接的z軸向限位環(huán)，且z軸向限位環(huán)的外徑大于軸承外圈底側的內(nèi)徑。

8.根據(jù)權利要求1所述的適于z軸方向高頻調(diào)整的一體式氣浮主軸，其特征在于：所述軸承內(nèi)圈頂部與載物臺之間接設有轉接板，且轉接板的徑向外側設有圓光柵；所述軸承外圈頂部設有朝向軸心的圓光柵讀數(shù)頭，信號反饋載物臺的實時圓周位置。

技術總結
本發(fā)明揭示了一種一體式氣浮主軸，具有內(nèi)外嵌套且間隙配合的軸承外圈和軸承內(nèi)圈，軸承內(nèi)圈頂部裝接有載物臺并受驅(qū)轉動，氣浮主軸的底部設有驅(qū)動載物臺沿Z軸方向運動的調(diào)整單元，其中軸承外圈固定裝接，該調(diào)整單元通過下端蓋封閉于軸承內(nèi)圈底部所設的沉孔中，其中線性電機定子固接于下端蓋，而線性電機動子共軸套接于線性電機定子，且該線性電機動子承托軸承內(nèi)圈進行Z軸方向調(diào)整。該軸承內(nèi)圈和軸承外圈兩者的底部與下端蓋之間形成有與氣浮主軸內(nèi)氣道相連通的腔體，腔體內(nèi)氣壓增大至平衡軸承內(nèi)圈及其裝接附件的自重。該一體式氣浮主軸，能夠大幅提升Z軸方向調(diào)整的頻率，有利于提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品品質(zhì)的基礎上還優(yōu)化了氣浮主軸的體積占空和能效。

技術研發(fā)人員：趙燚炎,齊皖松
受保護的技術使用者：高新區(qū)獅山力為機電經(jīng)營部（個體工商戶）
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/6