CN101487989B - 六自由度精密定位平台 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种六自由度精密定位平台，包括：基座；X向长程电机，包括第一定子和第一动子；Y向长程电机，包括第二定子和第二动子；微动台，横跨于所述第一动子，包括动平台、三个支撑驱动杆、压电陶瓷驱动器。其中，每个支撑驱动杆至多连接三个所述压电陶瓷驱动器，三个支撑驱动杆中至少有一个支撑驱动杆连接有三个所述压电陶瓷驱动器，且三个支撑驱动杆所连接的所述压电陶瓷驱动器的总数不小于六个。本发明的定位平台结构简单、运动响应速度快，相比于以往的压电陶瓷精密定位平台提高了行程，且增加了微动台稳定性，并且使解耦控制变得简单。使用本发明的定位平台可以起到主动减振的作用。
Description
技术领域
本发明有关于一种六自由度精密定位平台，且特别是有关于一种应用于光刻机系统的六自由度精密定位平台。
背景技术
精密定位平台(简称“平台”)是精密加工领域的重要工具，精度达到亚微米甚至纳米级。例如，光刻机在制造芯片的时候，就是把硅片和掩模分别固定在两个平台上，以便把掩模上的图形复制到硅片上。一套完整的平台包括运动台和基座。运动台能够做精密的位移，基座为运动台提供支撑、动力以及测量手段。
现有的光刻机工件台多采用长短程电机相结合形成平面3自由度的运动；加上垂向调平调焦机构，共同形成空间六自由度的调节。其长行程电机一般为伺服电机，短程电机为洛伦兹平面电机，垂向调焦调平机构多采用凸轮弹簧结构来实现。这种结构运行及反应速度较慢，运行精度也不高。
这种传统的硅片台结构已根本无法满足硅片处在高速和高加速度下的高精度定位问题，在很大程度上影响了半导体设备的制造精度，也因此而阻碍了半导体制造业的发展。
中国专利CN2782326Y提出了一种六自由度微动工作台，该微动台采用双层结构，下层采用三个驱动单元实现两个方向的平动和一个方向的转动。上层平台与下层平台的运动平台部分连接，采用三组等边三角形布置的驱动单元和球副、柔性铰链实现一个方向的平动和两个方向的转动，驱动单元采用压电陶瓷制动器，该微动台可以实现纳米级的定位精度。但其双层串联结构限制了它的响应速度，应用于光刻机时，会降低产率。
中国专利CN1473685提出了一种用于虚拟轴坐标测量机的并联机构，该机构由上动平台，下静平台和三条相同的连接腿组成；每个连接腿底部通过球副连接两个驱动器；六个驱动器共同作用实现上动平台的六自由度微动。但是这种结构需要六个执行器共同解耦控制，控制难度大，而且描述不够具体。
美国专利US6867534提出了一种结构紧凑的光刻机方案。该光刻机采用X，Y长程电机和六自由度短程电机相结合的方式来实现工件台六自由度的微动。其短程电机使用六个驱动器通过六个柱子驱动微动台，每个柱子底部有一个驱动器，驱动器可以是各种各样的形式。这种微动台行程受驱动器行程的限制，而且需要对六个执行器在六自由度上进行解耦控制，控制算法实现起来相当麻烦。
本发明的目的在于提供一种大行程、快响应、稳定性好、控制实现简单的六自由度精密定位平台，在用作光刻机工件台时可使硅片在工件台上同时具有六个自由度，实现硅片在工件台上的精确定位。
发明内容
本发明提出一种六自由度精密定位平台，包括：基座；X向长程电机，包括第一定子和第一动子；Y向长程电机，包括第二定子和第二动子；微动台，横跨于所述第一动子，包括动平台、三个支撑驱动杆、压电陶瓷驱动器。所述第一定子与所述第二动子固定连接，所述第二定子通过连接块固定在所述基座上；所述每个支撑驱动杆的一端分别通过一个第一连接机构与所述动平台连接，所述每个支撑驱动杆的另一端分别通过一个第二连接机构与所述压电陶瓷驱动器相连，且所述每个支撑驱动杆至多连接三个所述压电陶瓷驱动器；所述三个支撑驱动杆中至少有一个支撑驱动杆连接有三个所述压电陶瓷驱动器，且三个支撑驱动杆所连接的所述压电陶瓷驱动器的总数不小于六个。
可选的，本发明提出的六自由度精密定位平台中，所述每个第一连接机构包括一个柔性连接机构。
可选的，本发明提出的六自由度精密定位平台中，所述每个第一连接机构包括一个球副机构。
可选的，本发明提出的六自由度精密定位平台中，所述每个第一连接机构包括一个万向节机构。
可选的，本发明提出的六自由度精密定位平台中，所述每个第二连接机构包括一个球副机构和一个滑动副机构。
可选的，本发明提出的六自由度精密定位平台中，所述每个第二连接机构包括一个滑动副机构和一个万向节机构。
本发明提出的六自由度精密定位平台中，所述三个支撑驱动杆的第二连接机构的滑动副机构不在同一条直线上。
可选的，本发明提出的六自由度精密定位平台中，所述三个支撑驱动杆分别连接所述压电陶瓷驱动器的个数分别为：3、3、3。
可选的，本发明提出的六自由度精密定位平台中，所述三个支撑驱动杆分别连接所述压电陶瓷驱动器的个数分别为：3、3、1。
可选的，本发明提出的六自由度精密定位平台中，所述三个支撑驱动杆分别连接所述压电陶瓷驱动器的个数分别为：3、2、1。
本发明提出的六自由度精密定位平台，每个支撑柱可以实现X，Y，Z三个自由度的运动，三个支撑柱联合，则可以实现六个自由度的运动，即X向、Y向、Z向、绕X轴旋转的Rx向、绕Y轴旋转的Ry向、绕Z轴旋转的Rz向的运动。本发明的定位平台结构简单、运动响应速度快，相比于以往的压电陶瓷精密定位平台提高了行程，且增加了微动台稳定性，并且使解耦控制变得简单。使用本发明的定位平台可以起到主动减振的作用。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1所示为本发明实施例的六自由度精密定位平台示意图。
图2所示为本发明实施例1的333型微动台结构立体示意图。
图3所示为本发明实施例1的333型微动台结构平面展开示意图。
图4a所示为本发明实施例2的321型微动台结构立体示意图。
图4b所示为本发明实施例2的321型微动台结构平面展开示意图。
图5a所示为本发明实施例3的331型微动台结构立体示意图。
图5b所示为本发明实施例3的331型微动台结构平面展开示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图示说明如下。
本发明实施例的六自由度精密定位平台包括X向长程电机1、Y向长程电机2和并联结构六自由度微动台3组成。图1所示为本发明实施例的六自由度精密定位平台示意图。如图1所示，其中并联结构六自由度微动台3又包括动平台4和三个支撑驱动杆5，每个驱动杆5的顶端通过第一连接机构6与动平台4连接，下端通过第二连接机构7连接压电陶瓷驱动器8。三个支撑驱动杆与动平台的三个连接点不在同一直线上。
本发明实施例中，第一连接机构6可以是柔性连接机构、球副机构或万向节机构等连接机构，第二连接机构可以是包括球副和滑动副的连接机构或者包括滑动副和万向节的连接机构。
Y向长程电机2的定子9通过连接块10用螺钉固定在基座11上，X向长程电机1的定子12与Y向长程电机2的动子13固定连接。本发明实施例中，通过一个X向长程电机1和两个Y向长程电机2按“工”字形结构组装，实现平面内X、Y两自由度的长程运动。并联结构六自由度微动台3横跨于X向长程电机1的动子14上，共同形成六自由度定位台。
实施例1
图2所示为本发明实施例1的333型微动台结构立体示意图。如图2所示，本发明实施例1的微动台结构包括动平台、三条结构相同的连接腿。各连接腿底部均需要有三个驱动器，三个驱动器可以实现上下线性运动，共同驱动连接腿顶端在一个球冠范围内运动。三个连接腿驱动动平台实现六个自由度的运动。
图3所示为本发明实施例1的333型微动台结构平面展开示意图。如图3所示，各连接腿通过球副与其上的动平台连接。各线性驱动器分别通过一个球副和一个滑动副连接在连接腿上；三个滑动副不放置在一条直线上，在本实施例中，三个滑动副在空间互相成120度角摆放。驱动器底端固定在长程电机的定子上。其中，连接机构可以通过多种形式实现，可以将图3的球副用万向节取代。在光刻机微动台等小角度运动台上，还可以直接采用柔性铰链作为各连接部件。
实施例2
图4a所示为本发明实施例2的321型微动台结构立体示意图。图4b所示为本发明实施例2的321型微动台结构平面展开示意图。如图4a、4b所示，本发明实施例2的微动台连接结构类似于实施例1，与实施例1的区别在于三个连接腿各自通过一、二、三个驱动器驱动，六个驱动器可以实现动平台六个自由度的运动。
实施例3
图5a所示为本发明实施例3的331型微动台结构立体示意图。图5b所示为本发明实施例3的331型微动台结构平面展开示意图。如图5a、5b所示，本发明实施例3的微动台连接结构类似于实施例1，与实施例1的区别在于三个连接腿各自通过一、三、三个驱动器驱动，七个驱动器可以实现动平台六个自由度的运动控制。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (9)
1.一种六自由度精密定位平台，其特征在于，包括
基座；
X向长程电机，包括第一定子和第一动子；
Y向长程电机，包括第二定子和第二动子；
其中，所述第一定子与所述第二动子固定连接，所述第二定子通过连接块固定在所述基座上；
微动台，横跨于所述第一动子，包括动平台、三个支撑驱动杆、压电陶瓷驱动器；
其中所述每个支撑驱动杆的一端分别通过一个第一连接机构与所述动平台连接，所述每个支撑驱动杆的另一端分别通过一个第二连接机构与所述压电陶瓷驱动器相连，且所述每个支撑驱动杆至多连接三个所述压电陶瓷驱动器，三个所述支撑驱动杆与所述动平台的三个连接点不在同一直线上；
其中所述三个支撑驱动杆中至少有一个支撑驱动杆连接有三个所述压电陶瓷驱动器，且三个支撑驱动杆所连接的所述压电陶瓷驱动器的总数不小于六个。
2.根据权利要求1所述的六自由度精密定位平台，其特征在于，所述每个第一连接机构包括一个柔性连接机构或者一个万向节机构或者一个球副机构。
3.根据权利要求1所述的六自由度精密定位平台，其特征在于，所述每个第二连接机构包括一个球副机构和一个滑动副机构。
4.根据权利要求1所述的六自由度精密定位平台，其特征在于，所述每个第二连接机构包括一个滑动副机构和一个万向节结构。
5.根据权利要求3或4所述的六自由度精密定位平台，其特征在于，所述三个支撑驱动杆的第二连接机构的滑动副机构不在同一直线上。
6.根据权利要求5所述的六自由度精密定位平台，其特征在于，所述三个支撑驱动杆的第二连接机构的滑动副机构互成120度夹角。
7.根据权利要求1所述的六自由度精密定位平台，其特征在于，所述三个支撑驱动杆分别连接所述压电陶瓷驱动器的个数分别为：3、3、3。
8.根据权利要求1所述的六自由度精密定位平台，其特征在于，所述三个支撑驱动杆分别连接所述压电陶瓷驱动器的个数分别为：3、3、1。
9.根据权利要求1所述的六自由度精密定位平台，其特征在于，所述三个支撑驱动杆分别连接所述压电陶瓷驱动器的个数分别为：3、2、1。
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