CN100573340C - 二自由度电机执行机构及相应的六自由度微动台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二自由度电机执行机构及相应的六自由度微动台，该二自由度电机执行机构，包括基座，音圈电机，两个水平直线电机，以及水平运动导轨；所述音圈电机和所述每个水平直线电机均具有定子和动子；所述基座与音圈电机定子固定连接，所述音圈电机动子通过气浮解耦单元与所述水平运动导轨连接，所述两个水平直线电机关于该二自由度电机执行机构的中心轴呈对称布局，且两个水平直线电机的定子均与基座固定连接，两个水平直线电机的动子与所述水平运动导轨固定连接。所述六自由度微动台，包括三个120°均布安装于底座上的二自由度电机执行机构。本发明使用集成的二自由度电机执行机构进行微动台的六自由度调节，其调节精度高，集成性、控制性能好，结构紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及一种微动台结构，尤其涉及一种电机执行机构及使用其的六自由度微动台。
背景技术
微动台主要用于定位精度要求很高的场合，尤其是多个工位下的小行程微调和定位，如半导体制造和光学及图像对准。现有技术公开了几种微动台结构，然而这些结构存在着某些不足之处，具体说明如下：
1.美国专利US006054784A：该专利公开了一个曝光台的六自由度调节原理及其电机布局。该台的基本原理是通过洛伦兹电机驱动，将水平向调节的电机均布在120°的三个点上，将垂向调节电机均布在水平电机之间，也呈120°分布。这种均布呈现出对称结构，有利于电机选择和曝光台控制，但占用空间大，不利于集成化。
2.中国专利CN2580470Y：该专利公开了一种三自由度超精密定位平台。该台体内部呈等边三角形固定有三组各自独立的压电陶瓷预紧机构。该台结构紧凑，精度较高；但是只能控制三个自由度，压电陶瓷易发热，也不易进行恒温控制。
3.中国专利CN2629926Y：该专利公开了一种三自由度精密定位工作台，其结构设计中利用压电陶瓷加压驱动，柔性机构连接，粘贴应变片传感器进行闭环控制。这种装置只能调整三个自由度，且调节范围小。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有六个自由度且精度足够高又可进行集成化组装的微动台。
为解决上述技术问题，本发明首先提供一种二自由度电机执行机构，其包括：基座，音圈电机，两个水平直线电机，以及水平运动导轨；所述音圈电机和所述每个水平直线电机均具有定子和动子；所述基座与音圈电机定子固定连接，所述音圈电机动子通过气浮解耦单元与所述水平运动导轨连接，所述两个水平直线电机关于该二自由度电机执行机构的中心轴呈对称布局，且两个水平直线电机的定子均与基座固定连接，两个水平直线电机的动子与所述水平运动导轨固定连接。
进一步的，所述基座内部安装有环形气浮垫，当所述音圈电机动子在基座内运动时，所述气浮垫起到导向作用。
进一步的，所述气浮解耦单元由相匹配的球形气浮垫和球形万向节组成，所述音圈电机动子与球形气浮垫之间形成一个气缸减振结构，所述球形万向节可在水平导轨内作相对运动。
进一步的，所述水平导轨与基座之间采用弹簧连接；所述水平导轨还具有两个突台结构。
本发明还提供了一种六自由度微动台，其包括三个上述的二自由度电机执行机构，且所述的三个二自由度电机执行机构120°均布安装于所述六自由度微动台的底座上。
进一步的，所述的三个二自由度电机执行机构，其水平运动方向与所述六自由度微动台径向重合；或者其水平运动方向与所述六自由度微动台径向垂直；或者其水平运动方向与所述六自由度微动台径向成一夹角。
与现有技术相比，本发明使用集成的二自由度电机执行机构，进行微动台的六自由度调节，其调节精度高，集成性好，控制性能好，结构紧凑，便于布线，主要应用于曝光台的高精度调焦调平控制。
附图说明
图1是本发明的二自由度电机执行机构的分解结构示意图。
图2是本发明的二自由度电机执行机构的立体结构示意图。
图3是本发明的二自由度电机执行机构的剖视图。
图4是本发明的二自由度电机执行机构空气轴承结构示意图。
图5、图6和图7分别是本发明的六自由度微动台中二自由度电机执行机构的三种布局示意图。
具体实施方式
下面根据图1～图7给出本发明一个较佳实施例，并予以详细描述，目的是使本领域的技术人员更易于理解本发明的结构特征，而不是用来限定本发明的范围。
本发明提供了一种二自由度电机执行机构及相应的六自由度微动台。如图2所示为二自由度电机执行机构，将三个这样的执行机构120°均布在底座上(如图5、图6、图7)，可形成一个六自由度的微动台。该微动台实现的是小行程六自由度调节，即X、Y、Z向水平运动和θx、θy、θz旋转运动。垂向调节行程为±1.5mm，水平向调节行程为±1.5mm，定位精度在20nm以内，垂向控制精度在50nm之内。
图1是本发明的二自由度电机执行机构的分解结构示意图，请配合参照图2及图3，该二自由度电机执行机构包括：基座1，垂向环形气浮垫2，垂向音圈电机定子3，垂向音圈电机动子4，球形气浮垫5，水平运动导轨6，弹簧7，水平直线电机动子8，水平直线电机定子9，以及带水平向气浮的球形万向节10。其中，球形气浮垫5和球形万向节10共同组成气浮解耦单元。
基座1与垂向音圈电机定子3固定连接，基座1内壁起到垂向导轨的作用。在基座1内部安装两个环形气浮垫2，当运动时气浮垫2起到导向的作用。垂向电机动子4与球形气浮垫5之间形成一个气缸结构401，气缸的作用是垂向减振，并且进行静态重力补偿。球形气浮垫5与球形万向节10匹配，实现转动的运动解耦。水平直线电机的定子9与基座1固定连接，两个水平直线电机成对称布局，水平直线电机的动子8与水平运动导轨6固定连接，实现水平向驱动。球形万向节10在水平导轨6内相对运动，实现平动的运动解耦。水平导轨6的两个突台结构起到导向和限位的作用，将水平导轨6与基座1用弹簧7连接，起到消除自重和增加阻尼的作用。
二自由度电机执行机构的运动过程如图4，音圈电机驱动垂向运动，动子4垂向运动时，环形气浮垫2与电机动子4之间通过气浮产生一定厚度的气膜，形成两个空气轴承A，实现Z向的运动。音圈电机的运动定位精度高，可控性能好。气缸401充气后形成气层D对上部结构起到减振作用，并可以有一定的Z向驱动功能。根据控制信号音圈电机垂向动作，气缸会根据动作自动调整自己的位置，延时补偿位移，可以减振同时也实现静态重力补偿，减小音圈电机的负担。球形气浮垫5与球形万向节10之间通过气浮形成球形的空气轴承B，实现了转动的运动补偿。两个水平直线电机驱动水平向运动，两个水平直线电机的定子与基座固定连接，同时也与垂向电机的定子固定连接，这样，垂向驱动与水平向驱动处于同一层面进行驱动，降低了整个执行器的高度，便于减少中间环节，提高控制精度。采用两个水平直线电机还便于保证水平向输出力对称，保证运动平稳。水平直线电机动子与定子之间的间隙，在一定程度上实现了运动的解耦。当水平向运动时球形万向节10的上表面与水平运动导轨6之间通过气浮产生一定厚度的气模，形成空气轴承C。水平直线电机的动子8和定子9之间在Z向和Y向均有±3mm的间隙，水平导轨6与球形万向节10在X向、Y向之间也有±3mm的间隙，在微动的范围内可以实现叠加两执行器之间的运动解耦。
如图5～图7所示，将三个二自由度电机执行机构120°均布在微动台底板11上，使水平运动导轨与微动台承片台12固定连接，即构成了本发明的六自由度微动台。三组电机执行机构的水平向运动组合可以调节承片台的X、Y、θz三个自由度，其中X为沿坐标X向正反向运动，Y为沿坐标Y向正反向运动，θz为绕Z轴转动；通过气膜C、水平直线电机的动子8和定子9之间在Z向和Y向的±3mm的间隙、水平导轨6与球形万向节10在X向、Y向之间的间隙，实现微动台X向、Y向、θz向的运动解耦。三组电机执行机构的垂向运动组合可以调节微动台的θx，θy和Z三个自由度，其中θx是绕X轴的转动，θy是绕Y轴的转动，Z为沿垂直方向即Z向上下运动；通过空气轴承A、球形气浮垫5与球形万向节10之间产生球形的空气轴承B，实现微动台的θx，θy，Z向的运动解耦。气缸结构401实现了对微动台的减振功能。弹簧结构7增大了Z向的阻尼，可以平衡气浮结构对水平导轨6产生的力，消除微动台的自重，增强微动台的控制性能。二自由度电机执行机构支撑的微动台结构紧凑，安装方便，受力均匀，调节行程大。
120°均布可以有三种形式，图5为水平直线电机的运动垂直于承片台12半径，图6为水平直线电机的水平运动方向与承片台12半径重合，图7为水平直线电机的运动方向与承片台12半径方向成一定的角度，但是三个电机执行机构所成角度相同，例如都为30°。不同的安装形式为布线、设计、装配提供了更多的选择。
微动台结构通过二自由度电机执行机构驱动，可以进行六自由度的微调。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (9)
1、一种二自由度电机执行机构，其特征在于，包括：基座，音圈电机，两个水平直线电机，以及水平运动导轨；所述音圈电机和所述每个水平直线电机均具有定子和动子；所述基座与音圈电机定子固定连接，所述音圈电机动子通过气浮解耦单元与所述水平运动导轨连接，所述两个水平直线电机关于该二自由度电机执行机构的中心轴呈对称布局，且两个水平直线电机的定子均与基座固定连接，两个水平直线电机的动子与所述水平运动导轨固定连接。
2、如权利要求1所述的二自由度电机执行机构，其特征在于，所述基座内部安装有环形气浮垫，当所述音圈电机动子在基座内运动时，所述气浮垫起到导向作用。
3、如权利要求1所述的二自由度电机执行机构，其特征在于，所述气浮解耦单元由相匹配的球形气浮垫和球形万向节组成，所述音圈电机动子与球形气浮垫之间形成一个气缸减振结构，所述球形万向节可在水平导轨内作相对运动。
4、如权利要求1所述的二自由度电机执行机构，其特征在于，所述水平导轨与基座之间采用弹簧连接。
5、如权利要求1所述的二自由度电机执行机构，其特征在于，所述水平导轨还具有两个突台结构。
6、一种六自由度微动台，其特征在于，包括三个如权利要求1至5中任一项所述的二自由度电机执行机构，且所述的三个二自由度电机执行机构120°均布安装于所述六自由度微动台的底座上。
7、如权利要求6所述的六自由度微动台，其特征在于，所述的三个二自由度电机执行机构，其水平运动方向与所述六自由度微动台径向重合。
8、如权利要求6所述的六自由度微动台，其特征在于，所述的三个二自由度电机执行机构，其水平运动方向与所述六自由度微动台径向垂直。
9、如权利要求6所述的六自由度微动台，其特征在于，所述的三个二自由度电机执行机构，其水平运动方向与所述六自由度微动台径向成一夹角。
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