CN101398052B - 一种重载精密减振器及其构成的减振系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密减振技术领域，为一种重载精密减振器及其构成的减振系统。减振器包括阻尼可变的低刚度空气弹簧、低水平刚度的倒立摆机构和一组三自由度主动减振执行器。空气弹簧为由节流孔连通的内外环形双气室结构；倒立摆机构由主支承杆和两根以上的柔性摆杆组成，置于环形气腔内；主动减振执行器由三个正交布置的直线电机构成。重载精密减振器通过空气弹簧产生垂向大承载力，通过空气弹簧和倒立摆机构分别隔离垂向和水平向的振动传递，通过垂向和水平向直线电机作用力进行主动控制衰减振动。减振系统由三个以上的精密重载减振器呈多边形布置构成，通过各精密重载减振器的共同作用实现被隔振设备的六自由度精密减振。

Description

一种重载精密减振器及其构成的减振系统 

技术领域

本发明属于精密减振技术领域，具体涉及一种重载精密减振器及其构成的减振系统，是具有环形双气室的多自由度、超低频、高衰减率的重载精密减振器件。 

背景技术

精密减振在极大规模IC制造、精密测量、航空航天等领域应用广泛，主要起隔离外界振动的作用。其中由于光刻机定位精度要求高达几个纳米，对精密减振的性能要求是目前上述所有装备中最高的。精密减振的性能的好坏直接影响着IC装置的运动性能。 

现有光刻机的精密减振装置，在垂直方向上采用的是单一气室的空气弹簧与洛伦兹电子串联实现精密减振和定位的。因其空气弹簧阻尼不可调，完全依靠洛伦兹电机产生作用力抑制低频振动的幅度；另外仅依靠供气阀主动调节空气弹簧压力，压力波动调节能力有限，很难实现使空气弹簧刚度接近零，因此对外部振动的隔离有限。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种重载精密减振器及其构成的减振系统，均具有多自由度、超低频、高衰减率的特点。 

本发明提供的重载精密减振器，其特征在于：它包括空气弹簧，倒立摆机构，主动减振执行器； 

空气弹簧为内气室、外气室构成的环形双气室密封结构，内气室与外 气室之间由节流孔连通，外气室上设有进气孔； 

倒立摆机构包括主支承杆和至少两根柔性摆杆，主支承杆和各柔性摆杆均由内气室的内腔包围； 

主动减振执行器包括垂向直线电机和二个水平向直线电机，三个直线电机正交布置，其定子均固定在外部端盖上，其动子均与顶部接口盘或被隔振设备固定连接。 

本发明在垂直方向上采用空气弹簧提供大的承载力和超低频被动隔振功能，在水平方向上采用内置于空气弹簧气室中的倒立摆机构实现水平振动隔离，通过水平向和垂向执行器产生作用力提供大的主动阻尼抑制振动，同时通过气动系统控制还可实现被隔振设备的精密定位。空气弹簧设计为可环形双气室结构，由双气室之间的节流孔形成低频振动的大阻尼和高频振动的小阻尼作用；双气室设计为环形，可以尽量增加倒立摆的长度，实现水平方向的超低刚度。该精密减振器可以同时实现多自由度的超低频、高衰减率的主动减振和精密定位功能。采用三个以上的该精密减振器，可以实现6自由度精密减振，即有效地隔离被隔振设备的外界环境振动、抑制内部工作激励的影响，同时实现被隔振设备的精密定位。具体而言，本发明具有以下技术效果： 

1)本发明所提出的环形双气室的精密减振器可以实现多自由度、超低频、高衰减率的精密减振； 

2)双气室间的节流孔设计可以实现低频振动的大阻尼和高频振动的小阻尼，从而可以实现高的振动衰减率； 

3)该减振装置同时可以实现垂向精密定位功能。 

4)该减振装置中的气动执行器和电磁执行器组合，可以实现对被隔振设备的多自由度、宽频带激振，用于振动模态测试。 

附图说明

图1为第一种实施方式下的精密减振器整体结构图；

图2为第一种实施方式下的精密减振器横剖仰视图； 

图3为第一种实施方式下的精密减振器横剖俯视图； 

图4为第一种实施方式下的变体积环形气室内腔组合，其中图4.1为主视半剖图，图4.2为左视图，图4.3为俯视半剖图； 

图5为第二种实施方式下的精密减振器整体结构； 

图6为第三种实施方式下的精密减振器整体结构； 

图7为整机减振框架，其中图7.1为整个减振系统结构框架主视图，图7.2为整个减振系统结构框架俯视图。 

具体实施方式

本发明采用由节流孔相连的双气室结构，可以自动调节空气弹簧的垂向阻尼，具体原理如下：当被隔振系统在垂直方向上处于低频振动状态时，气室内腔相对于气室中间腔在垂直方向缓慢地作往复运动且运动幅度相对较大，而气室中间腔相对于气室外腔基本静止不动，因此副气室中气体的体积基本不变，而主气室中气体的体积和压力成反比变化，主气室与副气室中的压力空气经节流孔进行交换，细长的节流孔可以增大整个空气弹簧系统的阻尼；当被隔振系统在垂直方向上处于高频振动状态时，气室内腔相对于气室中间腔在垂直方向作高频、小幅度往复运动，主气室与副气室中的压力空气交换非常有限，几乎可以认为没有空气交换，因此高频振动皇太下仅主气室工作，空气弹簧的阻尼非常小。 

空气弹簧的体积越大，因振动位移引起的体积和压力的相对变化越小，可以实现的支承刚度越低。由于高频振动状态下仅主气室工作，而低频振动状态下主气室和副气室共同工作，因此需要将主气室的体积设计得比副气室大。为了尽量降低空气弹簧的支承刚度，通过在气室内腔侧壁上加工适当大小的孔，以扇形柱状弹性膜片密封主气室的压力空气，可以通过弹性膜片变形减小气室内腔压力变化，起到进一步降低空气弹簧刚度、从而实现垂向超低频隔振的作用。 

精密减振器的水平方向隔振采用的是倒立摆机构，通过柔性摆杆在水平方向的弹性变形可以实现水平方向的隔振。将倒立摆机构内置于空气弹簧里面，可以使整个精密减振器结构紧凑。倒立摆机构的设计主要考虑尽量降低柔性摆杆的弯曲刚度以降低水平隔振谐振频率，同时提高柔性摆杆的抗拉强度以提高精密减振器的垂向承载力。除通过选择合适的材料以外，可以在保证柔性摆杆直径的前提下增加其长度来同时满足垂向高强度和高刚度以及水平方向低刚度的要求。为增大倒立摆机构的长度以降低倒立摆机构的水平隔振刚度，将双气室结构设计成内外环形而非传统的上下结构，可以最大限度利用整个精密减振器的垂向尺寸。 

精密减振器的主动减振系统主要包括传感器、执行器、驱动控制器(图2中未显示)等。由于顶部接口盘与被隔振设备固连，因此安装在顶部接口盘上的传感器检测的信号反映的也就是被隔振设备的振动信息。水平向正交布置的加速度传感器检测顶部接口盘的X、Y两个水平方向的振动加速度，水平向正交布置的速度传感器检测顶部接口盘的X、Y两个水平方向的振动速度，分别反馈给水平向正交布置的电机，产生作用力施加给顶部接口盘，形成较大的水平向负刚度补偿力和等效阻尼力，降低水平向谐振频率、抑制被隔振设备的水平振动幅度。垂向加速度传感器检测顶部接口盘的垂向振动加速度，垂向速度传感器检测顶部接口盘的垂向振动速度，反馈给垂向电机，产生作用力施加给顶部接口盘，形成较大的垂向负刚度补偿力和等效阻尼力，降低垂向谐振频率、抑制被隔振设备的垂向振动幅度。垂向位移传感器检测顶部接口盘的垂向振动位移，反馈给精密气动调节系统，通过供气或排气增大或降低空气弹簧气压，增大或减小空气弹簧体积，实现对被隔振设备的垂向精密定位。 

下面结合附图和实例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。 

如图1—4所示，本发明提供的重载精密减振器在总体上可以分为空气弹簧10(起垂向被动隔振作用)、倒立摆机构20(起水平被动隔振作用)、主动减振执行器30三部分。 

第一气室内腔111侧壁上开有通孔，扇形柱状弹性膜片112密封安装在杯状第一气室内腔111侧壁上通孔部位的外测；第一气室内腔111上端部与气室内腔端盖114连接，二者之间通过第一密封圈113密封。环形簧片115的内、外部分别与气室内腔端盖114、气室中间腔116的上端部密封连接。 

第一气室内腔111、扇形柱状弹性膜片112、气室内腔端盖114、环形簧片115和气室中间腔116密封构成内气室11。 

扇形柱状弹性膜片112的变形减小气压的变化，从而实现空气弹簧的超低刚度，实现超低频振动隔离。 

气室外腔121为杯状，它与气室中间腔116的上端部通过第二密封圈122密封形成外气室12。在外气室12由外界供气系统经安装在气室外腔121侧壁下方的进气孔13供气。外气室12与内气室11之间通过安装在气室中间腔116底部边缘的节流孔14进行空气交换。 

内气室11、外气室12、进气孔13、节流孔14共同构成空气弹簧10。 

倒立摆机构20由柔性摆杆201、202、203和主支承杆204组成。三根柔性摆杆201、202、203置于第一气室内腔111之内，上端均与气室内腔端盖114固定连接，下端均与主支承杆204下端的盘状端面固定连接。主支承杆204无接触地穿过环形气室内腔端盖114，并且其上端与顶部接口盘402固定连接。当然，柔性摆杆的个数不限，可以是2、4、5、6等。 

主动减振执行器30具体包括外部端盖301、垂向直线电机302、水平向直线电机303、304。其中，环形端盖状的外部端盖301与气室中间腔116的上端部固定连接。垂向直线电机302和水平向直线电机303、304的定子均安装于外部端盖301上，其中水平向直线电机303、304的运动轴线位于水平面内，二者与垂向直线电机302的运动轴线两两垂直。 

底部接口盘401和顶部接口盘402作为外部机构接口。底部接口盘401的上端面与气室外腔121(同时也是空气弹簧10的外壳)底部固定连接，通过螺栓与外部机座(或隔振地基)连接。顶部接口盘402的下端面中心与倒立摆机构20中的主支承杆204顶端固定连接，下端面同时还与主动减振执行器30中三个直线电机302、303、304的动子连接，动子也可以直接与被隔振设备连接。精密减振器通过顶部接口盘402与被隔振设备连接。 

从图2可以看出主支承杆204、第一气室内腔111、气室内腔端盖114、环形簧片115、气室中间腔116、气室外腔121同轴心由内至外依次分布。内气室11和外气室12均为环形。并且，三根相同的柔性摆杆201、202、203 以主支承杆204为中心呈等边三角形对称分布，这样可以使各个水平方向的力学性能一致，获得更好的技术效果。 

图3为第一种实施方式下精密减振器的横剖俯视截面图。可以看出进气孔13和节流孔14的位置。 

图4所示为第一种实施方式下气室内腔与扇形柱状弹性膜片的组合，其中图4.1为主视半剖图，图4.2为左视图，图4.3为俯视半剖图。第一气室内腔111是在以杯状壳体的侧壁上左右加工两个矩形窗形成的。扇形柱状膜片112安装于第一气室内腔111上的开口处，将上述开口完全密封。 

图5为环形双气室精密减振器的第二种实施方式。与第一种实施方式的区别在于，将第一种实施方式中的环形簧片115换成了另一种环形金属隔膜119。环形金属隔膜119具有很高的径向刚度，并且密封连接在气室内腔端盖114上。环形金属隔膜119与气室中间腔116的内壁始终为紧密但无摩擦地配合，从而将压力空气封闭在内气室11中，并保证倒立摆机构20和第一气室内腔111、气室内腔端盖114等组成的整体可以像活塞一样沿垂直方向无摩擦地运动。第二种实施方式能最大限度减小因结构产生的垂向刚度，从而效降低垂向隔振的固有频率，提高垂向隔振的性能。这种方案的难点在于环形金属隔膜的设计、加工和装配工艺。 

图6为环形双气室精密减振器的第三种实施方式。这种实施方式中，空气弹簧10的结构与第一种实施方式不同，倒立摆机构20和主动减振执行器30的结构与第一种实施方式完全相同。 

空气弹簧10中的主气室包括内气室11、外气室12、进气孔13和节流孔14。内气室11由杯状壳体的第二气室内腔117、第一密封圈113、气室内腔端盖114、第三密封圈118和气室中间腔116密封形成；气室中间腔116和第二气室内腔117的上端面由气室内腔端盖114密封连接。外气室12由气室外腔121、第二密封圈122、第二环形簧片123、气室内腔端盖114、第三密封圈118和气室中间腔116密封形成；气室外腔121和气室内腔端盖114之间由第二环形簧片123密封连接。外气室通过进气孔13、供气管16与外部储气罐17相连，形成一个体积较大的主气室。 

在在第一种和第二种实施方式中，都是以内气室作为主气室工作，外气室作为副气室仅在低频振动状态下有效工作。在第三种实施方式中，外气室作为主气室工作，内气室作为副气室工作。 

图7所示为由三个环形双气室精密减振器构成的减振系统示意图。图中1、2、3为三个结构完全相同的环形双气室的精密减振器，4为基座(或隔振地基)，被隔振系统由框架5和与之连接的装置6(可以为单个部件，也可以为多个部件构成的整体)构成。如图7.1所示，三个环形双气室的精密减振器1、2、3的底部接口盘401分别固定在基座(或隔振地基)4上，顶部接口盘402分别与被隔振系统的框架5固定连接。每一个精密减振器独立完成对框架5上与该减振装置连接处沿X、Y、Z向的精密减振和精密定位。通过三个环形双气室的精密减振器1、2、3的共同作用，可实现被隔振系统的6自由度精密减振和在Z、RX、RY三个方向上的精密定位。 

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种重载精密减振器，其特征在于：它包括空气弹簧(10)，倒立摆机构(20)，主动减振执行器(30)；

空气弹簧(10)为内气室(11)、外气室(12)构成的环形双气室密封结构，内气室(11)与外气室(12)之间由节流孔(14)连通，外气室(12)上设有进气孔(13)；

倒立摆机构(20)包括主支承杆和至少两根柔性摆杆，主支承杆和各柔性摆杆均由内气室(11)的内腔包围；

主动减振执行器包括垂向直线电机(302)和二个水平向直线电机(303、304)，三个直线电机正交布置，其定子均固定在外部端盖上，其动子均与顶部接口盘或被隔振设备固定连接。

2.根据权利要求1所述的重载精密减振器，其特征在于：

内气室(11)由内腔、扇形柱状弹性膜片(112)、气室内腔端盖(114)、环形簧片(115)和气室中间腔(116)密封构成；内腔为杯状，其侧壁上开有通孔，该通孔的外侧密封安装有扇形柱状弹性膜片(112)；内腔上端部与气室内腔端盖(114)密封连接；气室内腔端盖(114)与气室中间腔(116)的上端部之间通过环形簧片(115)密封连接；气室外腔(121)为杯状，它与气室中间腔(116)的上端部之间密封连接形成外气室(12)。

3.根据权利要求1所述的重载精密减振器，其特征在于：

内气室(11)由内腔、扇形柱状弹性膜片(112)、气室内腔端盖(114)、环形金属隔膜(119)和气室中间腔(116)密封构成；内腔为杯状，其侧壁上开有通孔，该通孔的外侧密封安装有扇形柱状弹性膜片(112)；内腔上端部与气室内腔端盖(114)密封连接；环形金属隔膜(119)密封连接在气室内腔端盖(114)上，环形金属隔膜(119)与气室中间腔(116)的内壁始终为紧密但无摩擦地配合；

气室外腔(121)为杯状，它与气室中间腔(116)的上端部之间密封连接形成外气室(12)。

4.根据权利要求1所述的重载精密减振器，其特征在于：

内气室(11)由杯状壳体的内腔、第一密封圈(113)、气室内腔端盖(114)、第三密封圈(118)和气室中间腔(116)密封形成；气室中间腔(116)和内腔的上端面由气室内腔端盖(114)密封连接；外气室(12)由气室外腔(121)、第二密封圈(122)、第二环形簧片(123)、气室内腔端盖(114)、第三密封圈(118)和气室中间腔(116)密封形成；气室外腔(121)和气室内腔端盖(114)之间由第二环形簧片(123)密封连接。

5.根据权利要求1至3中任一所述的重载精密减振器，其特征在于：

倒立摆机构(20)由主支承杆(204)和至少二根柔性摆杆组成；主支承杆(204)无接触地穿过环形气室内腔端盖(114)，其上端与所述顶部接口盘(402)固定连接；各柔性摆杆置于内腔之内，并均匀分布在主支承杆(204)的外围，各柔性摆杆的上端均与气室内腔端盖(114)固定连接，下端均与所述主支承杆(204)下端的盘状端面固定连接。

6.根据权利要求5所述的重载精密减振器，其特征在于：三根相同的柔性摆杆(201、202、203)以主支承杆(204)为中心呈等边三角形对称分布。

7.一种根据权利要求1至4中任一所述的重载精密减振器构成的减振系统，其特征在于：该减振系统由至少三个重载精密减振器呈多边形分布构成。

8.一种根据权利要求5中任一所述的重载精密减振器构成的减振系统，其特征在于：该减振系统由至少三个重载精密减振器呈多边形分布构成。

9.一种根据权利要求6中任一所述的重载精密减振器构成的减振系统，其特征在于：该减振系统由至少三个重载精密减振器呈多边形分布构成。

10.一种根据权利要求9所述的减振系统，其特征在于：该减振系统由三个重载精密减振器呈三角形分布构成。

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