CN102956523A - 超精度运动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超精度运动系统，所述超精度运动系统包括：基座和工作台，工作台相对于基座能够按照6自由度(DOF)运动；三个水平驱动单元，连接基座和工作台，并且按照相等的间隔相互隔开，以实现工作台的3-DOF平面内运动(x轴平移运动、y轴平移运动和z轴旋转运动)；三个竖直驱动单元，连接基座和工作台，并被设置成分别平行于所述三个水平驱动单元，以实现工作台的3-DOF离面运动(x轴旋转运动、y轴旋转运动和z轴平移运动)。

Description

超精度运动系统

本申请要求于2011年8月25日在韩国知识产权局提交的第10-2011-0085170号韩国专利申请的优先权，该申请的内容通过引用被包含于此。

技术领域

本发明涉及一种超精度位置确定系统，更具体地讲，涉及一种能够通过保持致动器的动力平衡来容易地提供旋转运动的超精度运动系统，并且该超精度运动系统具有承载能力。

背景技术

超精度位置确定技术在各个工业领域中显得越来越重要。具体地讲，半导体技术的发展已经引发了电路的高度集成，从而最新的微处理器具有大约0.18μm的线宽，该线宽相当于人的头发的直径的1/500，在这种情况下，用于制造晶片的工作台所需要的精度需要具有20nm的重复能力(reproducibility)，对应于所述线宽度的1/10。

此外，亚微细粒(submicron)级的超精度运动设备的实施具有广泛的应用范围。即，超精度运动设备可用于超精度测量应用(例如，原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)等)和工业领域(例如，信息技术工业等)。

由于包括接合件(joint)和链接件(link)的运动设备不能实现亚微细粒级精度，所以已经开发了使用弹性铰链和压电致动器的运动设备。

然而，虽然普通的压电致动器可用于进行精确的控制，但是，由于压电致动器在长度上的驱动距离仅仅是大约0.1％，所以会存在这样的缺陷，即，运动设备的尺寸增大。具体地讲，为了实现竖直方向上的平移运动和旋转运动，需要竖直地布置致动器，然而，在这种情况下，运动设备的尺寸增加，从而使刚度降低，并且，运动设备难以控制。

发明内容

本发明的一方面提供这样一种超精度运动系统，所述超精度运动系统的尺寸可被减小，同时具有高刚度特性。

本发明的另一方面提供这样一种超精度运动系统，所述超精度运动系统能够控制内部动力平衡，并能够容易地改变主旋转方向。

本发明的另一方面提供这样一种超精度运动系统，所述超精度运动系统可容易地安装在各种设备中，并具有高的空间利用率。

根据本发明的一方面，提供一种超精度运动系统，所述超精度运动系统包括：基座和工作台，工作台相对于基座能够按照6自由度(DOF)运动；三个水平驱动单元，连接基座和工作台，并且按照相等的间隔相互隔开，以实现工作台的3DOF平面内运动(x轴平移运动、y轴平移运动和z轴旋转运动)；三个竖直驱动单元，连接基座和工作台，并被设置成分别平行于所述三个水平驱动单元，以实现工作台的3DOF离面运动(x轴旋转运动、y轴旋转运动和z轴平移运动)。

所述三个水平驱动单元和所述三个竖直驱动单元可具有双三角形结构。

所述三个竖直驱动单元可被布置成在所述三个水平驱动单元内侧按照相等的间隔互相隔开。

所述三个竖直驱动单元可被布置成在所述三个水平驱动单元外侧按照相等的间隔互相隔开。

所述三个水平驱动单元或者所述三个竖直驱动单元可包括形成在其中部的中空部分。

所述三个竖直驱动单元可以是压电致动器。

所述竖直驱动单元可包括设置成平行于基座并沿着水平方向运动的致动器。

所述超精度运动系统还可包括第一铰链构件、第二铰链构件和第三铰链构件。第一铰链构件包括第一铰链，并固定到基座和致动器的一端。第二铰链构件包括：杠杆构件，被设置成沿着长度方向与致动器的另一端叠置；第二铰链，连接基座和杠杆构件；第三铰链，连接致动器的另一端和杠杆构件。第三铰链构件包括：主体单元，包括通孔，致动器按照穿透的方式穿过所述通孔被连接；第四铰链，将主体单元和工作台连接；第五铰链，将主体单元和杠杆构件连接。

第一铰链构件可包括：第一基座固定单元，设置成沿着长度方向与致动器的两侧叠置，并固定到基座；第一致动器连接单元，连接到致动器的一端，其中，第一基座固定单元和第一致动器连接单元通过设置在致动器的两侧上的两个所述第一铰链连接。

第二铰链构件可包括：第二基座固定单元，设置在致动器和基座之间，并固定到基座；第二致动器连接单元，连接到致动器的另一端；所述杠杆构件呈L形，被设置成沿着长度方向与致动器的两侧叠置，其中，第二基座固定单元和所述杠杆构件通过所述第二铰链连接，第二致动器连接单元和所述杠杆构件通过设置在致动器的两侧上的两个所述第三铰链连接。

第三铰链构件还可包括：工作台连接单元，连接主体单元和工作台；杠杆连接单元，连接主体单元和杠杆构件。

从包括第一铰链、第二铰链、第三铰链、第四铰链和第五铰链的组中选择的一个或者多个铰链可以是柔性铰链。

当第二铰链和第三铰链之间的距离被定义为l，第二铰链和第五铰链之间的距离被定义为L时，可通过调节l和L的长度比例来控制工作台的竖直位移。

第二铰链可沿着与施加到杠杆构件的水平方向的力和竖直方向的力的合力的方向相同的方向设置。

附图说明

通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其他方面、特点和其他优点将会被更清楚地理解，其中：

图1是根据本发明的实施例的超精度运动系统的立体图；

图2是示出根据本发明的实施例的超精度运动系统的内部的俯视图；

图3是示出根据本发明的另一实施例的超精度运动系统去除工作台的内部的俯视图；

图4是示出根据本发明的实施例的超精度运动系统的水平驱动单元和竖直驱动单元的运动的示意性立体图；

图5是根据本发明的实施例的超精度运动系统的竖直驱动单元的示意性立体图；

图6是根据本发明的实施例的超精度运动系统的竖直驱动单元的侧视图。

具体实施方式

现在将参照附图详细描述本发明的实施例。

将详细地描述这些实施例，以使本领域技术人员能够实施本发明。应该理解，本发明的各实施例是不同的，但是各实施例不是相互排斥的。例如，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在本发明的一个实施例中描述的具体形状、结构和特征可以在另一实施例中实施。此外，应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在每个公开的实施例中的单独的组件的位置和布置可被改变。因此，以下描述的详细的说明不应该被解释为是限制性的。另外，本发明的范围仅由权利要求及其等同物适当地限定。整个附图中，类似的标号将被用于描述相同或者相似的功能。

在描述本发明的过程中，指示本发明的组成部分的术语是在考虑其功能的情况下被命名的，因此，这些术语不应该被解释为限制本发明在技术上的组成部分。

图1是根据本发明的实施例的超精度运动系统1的立体图，图2是示出根据本发明的实施例的超精度运动系统在没有工作台10a的情况下的内部的俯视图。

将参照图1和图2详细描述根据本发明的实施例的超精度运动系统1。

根据本发明的实施例的超精度运动系统1可通过形成具有底座10b和工作台10a的壳体10并将三个水平驱动单元31、33和35以及三个竖直驱动单元21、23和25安装在壳体10中而形成。

水平驱动单元31、33和35可被设置成按照相等的间隔相互隔开，并连接底座10b和工作台10a，因而控制超精度运动系统1的水平运动。竖直驱动单元21、23和25可被设置成按照相等的间隔相互隔开，并连接底座10b和工作台10a。具体地讲，竖直驱动单元21、23和25可被设置成分别平行于水平驱动单元31、33和35，以具有双三角形结构。

根据本发明的实施例，由于水平驱动单元31、33和35以及竖直驱动单元21、23和25被设置成具有三角形结构，所以所述系统的中心与力的作用点之间被保持为具有相同的距离。因此，容易实现超精度运动系统1的旋转运动。

此外，由于竖直驱动单元21、23和25被设置成呈三角形，所以竖直方向的负载可被均匀地分配给各个竖直驱动单元21、23和25。因此，防止过量载荷施加到特定的铰链。结果，可提供具有良好承载能力的超精度运动系统1。

此外，在竖直驱动单元21、23和25中，由于致动器沿着水平方向设置，并被改变以提供竖直运动，而不是沿着竖直方向设置以实现竖直运动，所以所述系统的整体高度可被降低，从而增强系统的刚度并提高承载能力。

根据本发明的实施例，竖直驱动单元21、23和25以及水平驱动单元31、33和35可以是利用压电特性的压电(PZT)致动器，但是没必要将本发明限制于此。

PZT致动器是这样的元件，通过利用根据被施加的电压而引发的压电材料的收缩和扩张而在致动器中引起水平运动。当PZT致动器被用在超精度运动系统1中时，可通过调节电压的振幅等实现距离为0.1μm或者0.1μm以下的距离的精确的运动。

三个水平驱动单元31、33和35可实现平面内运动(in-plane motion)。根据三个水平驱动单元31、33和35的相互作用可进行三自由度(DOF)的x轴平移运动、y轴平移运动和z轴旋转运动(θz方向)。

三个竖直驱动单元21、23和25可实现离面运动(out-of-plane motion)。根据三个竖直驱动单元21、23和25的相互作用可进行三自由度(DOF)的z轴平移运动、x轴旋转运动(θz方向)和y轴旋转运动(θy方向)。

根据本发明的实施例，可通过使用三个水平驱动单元31、33和35和三个竖直驱动单元21、23和25来实现具有6-DOF的超精度运动系统1。

图4示出了根据本发明的实施例的超精度运动系统的动力学结构。将参照图4详细描述在根据本发明的实施例的超精度运动系统1中实现6-DOF运动的方法。

可通过三个水平驱动单元31、33和35来实现平面内运动，即，x轴平移运动、y轴平移运动和z轴旋转运动。

三个水平驱动单元31、33和35可以分别是第一水平驱动单元31、第二水平驱动单元33和第三水平驱动单元35，它们各自的运动被表示为矢量A1、A2和A3。此外，三个竖直驱动单元21、23和25可以分别是第一竖直驱动单元21、第二竖直驱动单元23和第三竖直驱动单元25，它们各自的运动被指示为矢量A4、A5和A6。

各个矢量被表示为沿着两个方向，所述矢量被表示为在水平驱动单元之间或者在竖直驱动单元之间具有相同的大小。然而，本发明不限于此，每个致动器的电压的方向和振幅可被调节，从而所述矢量可指向两个方向中的任意一个方向，并具有特定的振幅。

根据本发明的实施例，可通过根据第一水平驱动单元31的运动的矢量A1、根据第二水平驱动单元33的运动的矢量A2以及根据第三水平驱动单元35的运动的矢量A3的和来实现x轴平移运动。对于x轴方向的运动，可通过调节施加到第一水平驱动单元31、第二水平驱动单元33和第三水平驱动单元35的电压的振幅和方向来确定x轴上的运动方向和大小。

根据本发明的实施例，可通过根据第二水平驱动单元33的运动的矢量A2与根据第三水平驱动单元35的运动的矢量A3的和来实现y轴平移运动。对于y轴方向的运动，可通过调节施加到第二水平驱动单元33和第三水平驱动单元35的电压的振幅和方向来确定y轴上的运动方向和大小。

根据本发明的实施例，可通过根据第一水平驱动单元31的运动的矢量A1、根据第二水平驱动单元33的运动的矢量A2以及根据第三水平驱动单元35的运动的矢量A3的和来实现z轴旋转运动。当矢量A1、A2和A3形成为朝着向左方向或者向右方向中的任一方向时，可实现沿着θz方向/-θz方向的旋转运动。对于θz方向/-θz方向的运动，可通过调节施加到第一水平驱动单元31、第二水平驱动单元33和第三水平驱动单元35的电压的振幅和方向来确定旋转方向(θz方向/-θz方向)和大小。

按照这种方式，可通过利用三个水平驱动单元31、33和35来实现x轴平移运动、y轴平移运动和z轴旋转运动。

可通过三个竖直驱动单元21、23和25来实现离面运动，即，z轴平移运动、x轴旋转运动和y轴旋转运动。

根据本发明的实施例，可通过根据第一竖直驱动单元21的运动的矢量A4、根据第二竖直驱动单元23的运动的矢量A5和根据第三竖直驱动单元25的运动的矢量A6的和来实现z轴平移运动。对于z轴方向的运动，可通过调节施加到第一竖直驱动单元21、第二竖直驱动单元23和第三竖直驱动单元25的电压的振幅和方向来确定z轴上的运动方向和大小。

根据本发明的实施例，可通过根据第一竖直驱动单元21的运动的矢量A4、根据第二竖直驱动单元23的运动的矢量A5和根据第三竖直驱动单元25的运动的矢量A6的和来实现x轴旋转运动。当矢量A4的方向与矢量A5和A6的方向相反时，可实现沿着θx方向/-θx方向的旋转运动。

根据本发明的实施例，可通过根据第二竖直驱动单元23的运动的矢量A5与根据第三竖直驱动单元25的运动的矢量A6的和来实现y轴旋转运动。

当矢量A5的方向与矢量A6的方向相反时，可实现沿着θy方向/-θy方向的旋转运动。

按照这种方式，可利用第一竖直驱动单元21、第二竖直驱动单元23和第三竖直驱动单元25来实现z轴平移运动、x轴旋转运动和y轴旋转运动。

图2和图3分别示出根据本发明的实施例的超精度运动系统的竖直驱动单元和水平驱动单元的设置的示图，图3是示出根据本发明的另一实施例的超精度运动系统的竖直驱动单元和水平驱动单元的设置的示图。

根据本发明的实施例，三个竖直驱动单元和三个水平驱动单元分别呈三角形地布置以具有双三角形结构。这里，双三角形结构可分为内三角形部分和外三角形部分。

内三角形部分和外三角形部分可彼此独立地运动。因此，可通过调节内三角形部分和外三角形部分的运动方向和大小来实现沿着需要的方向的运动。即，可根据竖直驱动单元或者水平驱动单元是设置在内三角形部分还是外三角形部分中来调节沿着运动方向施加的力的大小。

设置在内三角形部分中的致动器的运动对整个超精度运动系统的影响比设置在外三角形部分中的致动器的运动对整个超精度运动系统的影响更大。由于水平驱动单元用于处理平面内运动，竖直驱动单元用于处理离面运动，所以可根据设置在内三角形部分中的致动器的类型来调节在平面内运动或者离面运动中施加的力的大小。

换言之，当水平驱动单元设置在内三角形部分中，并且竖直驱动单元设置在外三角形部分中时，可提供平面内运动强于离面运动的超精度运动系统。当竖直驱动单元设置在内三角形部分中，并且水平驱动单元设置在外三角形部分中时，可提供离面运动强于平面内运动的超精度运动系统。

图2示出了根据本发明的实施例的超精度运动系统，其中，三个竖直驱动单元21、23和25可构成外三角形部分，三个水平驱动单元31、33和35可构成内三角形部分。

根据图2的实施例，由于水平驱动单元31、33和35设置在内三角形部分中，所以可提供这样的超精度运动系统，即，在该超精度运动系统中，与离面运动相比，更加着重于平面内运动。

此外，根据本发明的实施例，可选择施加较大旋转力的主方向。PZT致动器的特征在于，其具有强的推力和相对弱的拉力。因此，可通过选择水平驱动单元31、33和35的安装方向来选择可施加大的旋转力的主旋转方向。

当竖直驱动单元21、23和25设置在外三角形部分中时，各个致动器之间的力可被均匀地分配到超精度运动系统的竖直负载。因此，可明显减少过量应力被施加到特定致动器或者铰链的现象。

图3示出了根据本发明的另一实施例的超精度运动系统，其中，三个水平驱动单元32、34和36可构成外三角形部分，三个竖直驱动单元22、24和26可构成内三角形部分。

由于图2和图3的两个实施例均具有双三角形结构，所以三个水平驱动单元32、34和36与超精度运动系统的中心点之间的距离b₁、b₂和b₃可以相等，类似地，三个竖直驱动单元22、24和26与超精度运动系统的中心点之间的距离a₁、a₂和a₃也可以相等。

因此，水平驱动单元或竖直驱动单元中的每个的力的作用点与所述系统的中心点之间的距离可以被保持为相等。因此，由于水平驱动单元或竖直驱动单元中的每个的力的作用点与所述系统的中心点之间的距离可以被保持为相等，所以可容易地实现旋转运动。

参照图2和图3，可在根据本发明的实施例的超精度运动系统的壳体10的中部形成中空部分13。

中空部分13可被形成为允许电机或者支撑结构从该中空部分穿过，但是本发明不需要受限于此，可通过利用其中空部分13将超精度运动系统安装在各种设备中。因此，可提高超精度运动系统中的空间利用率。

图5和图6是根据本发明的实施例的超精度运动系统的竖直驱动单元11的立体图和侧视图。

由于竖直驱动单元11沿着水平方向设置，所以可降低整个超精度运动系统的高度。因此，可实现具有增强的刚度和良好承载能力的超精度运动系统。

根据本发明的实施例的竖直驱动单元11可通过致动器100、第一铰链构件200、第二铰链构件300和第三铰链构件400之间的相互作用沿着竖直方向运动。

致动器100可被设置成平行于基座50，以沿着水平方向运动。可采用能引发水平方向运动的各种元件作为致动器100。例如，压电元件型PZT致动器可被用作致动器100，但是，本发明不局限于此。

第一铰链构件200可包括：第一基座固定单元250，固定到基座50；第一致动器连接单元230，容纳致动器100的一端110；第一铰链210，将第一基座固定单元250与第一致动器连接单元230连接起来。

第一基座固定单元250可被设置成在长度方向上与致动器100叠置，并可具有形成在其与基座50接触的面上的多个固定孔。第一基座固定单元250可固定到基座50，从而螺钉与第一基座固定单元250的所述固定孔结合，但是本发明不限于此。

在本公开中叠置设置的元件指被设置成使得它们彼此不接触从而不影响彼此的运动的元件。根据本发明的实施例，由于第一基座固定单元250被设置为在长度方向上与致动器100叠置，所以可缩短整个系统的长度，并可明显减小安装空间。

第一致动器连接单元230可固定地连接到致动器100的一端110。第一致动器连接单元230可用于将致动器100的水平方向的运动传递到第一铰链210。

第一铰链210形成为仅能沿着竖直方向运动，而不能沿着水平方向运动，从而致动器的一端通过第一铰链构件200被固定。因此，致动器的水平方向的运动可被完全传递到第二铰链构件300。

第一致动器连接单元230和第一基座固定单元250可通过两个第一铰链210连接起来。两个第一铰链210可沿着长度方向设置在致动器100的两侧，以连接到第一基座固定单元250。

第一铰链210可以是单向铰链。例如，第一铰链210可以是槽口式铰链(notch type hinge)。在单向铰链的情况下，所述铰链两侧的固定单元可单向地运动。

根据本发明的实施例，由于第一基座固定单元250固定到基座50，所以第一致动器连接单元230可基于两个第一铰链210沿着竖直方向单向地运动。

第二铰链构件300可包括第二铰链310、第三铰链320、第二基座固定单元330、杠杆构件350和第二致动器连接单元370。

第二基座固定单元330可通过形成在其与底座50相对的表面上的固定孔以螺钉结合的方式固定到底座50。

第二基座固定单元330可设置在底座50和致动器100之间并可通过第二铰链310连接到杠杆构件350。

第二铰链310可以是单向铰链。例如，第二铰链310可以是槽口式铰链。由于第二基座固定单元330固定到基座50，所以连接到第二基座固定单元330的杠杆构件350可形成为基于第二铰链310单向运动。详细地讲，杠杆构件350可形成为基于第二铰链310旋转，杠杆构件350可通过旋转将水平方向的运动改变为竖直方向的运动。

杠杆构件350可形成为沿着长度方向在致动器100的另一端130与致动器100叠置。

杠杆构件350可形成为沿着长度方向与致动器100叠置，并可形成为L形，以将水平方向的运动改变为竖直方向的运动。

第二致动器连接单元370可固定地连接到致动器100的另一端130。第二致动器连接单元370可通过两个第三铰链320与杠杆构件350连接。

第三铰链320可以是一维地运动的单向铰链。例如，第三铰链320可以是槽口型铰链。因此，第三铰链320形成为仅沿着竖直方向运动，致动器100的水平方向的运动完全被传递到第三铰链320，以被变成竖直方向的运动。

换言之，致动器100的水平方向的运动可通过两个第三铰链320传递到杠杆构件350。杠杆构件350可通过第二铰链310的旋转将水平方向的运动改变为竖直方向的运动。因此，可通过沿着水平方向运动的致动器100引发竖直方向的运动。

可通过杠杆原理获知竖直方向的运动的位移，并可通过杠杆构件350的水平方向的长度与竖直方向的长度的比例来调节竖直方向的运动的位移。例如，对于相同的水平方向的运动的位移，当杠杆构件350的水平方向的长度增加时，竖直方向的运动的位移也会增加。

第三铰链构件400可包括具有通孔的主体单元420、工作台连接单元470、杠杆连接单元490、第四铰链430和第五铰链450，其中，致动器100穿过所述主体单元420的通孔。

主体单元420包括允许致动器100穿过的所述通孔。因此，竖直负载通过通孔传递到致动器100的中部。剪应力被传递到致动器100，这样显著降低了施加到杠杆构件的剪应力，因此，可提供具有能够承受大的负载的承载能力的超精度运动系统。

主体单元420可形成为允许致动器穿过，因此，可减小超精度运动系统的竖直驱动单元11所占用的空间。

工作台连接单元470可用于连接竖直驱动单元11，以将由超精度运动系统的竖直驱动单元11产生的运动传递到工作台(未示出)。

杠杆连接单元490可用于将第三铰链构件400连接到杠杆构件350。根据本发明的实施例，螺钉孔可形成在杠杆连接单元490上，以将螺钉固定到该螺钉孔中，从而将第三铰链构件400和杠杆构件350连接。

第四铰链430可用于连接主体单元420和工作台，并且第四铰链430可连接主体单元420和工作台连接单元470。此外，第四铰链430可用于将第三铰链构件400的运动传递到工作台。

第五铰链450连接杠杆连接单元490和第三铰链构件400，以使杠杆构件350和主体单元420连接。第五铰链450用于将已经通过杠杆构件350改变的竖直运动传递到第三铰链构件400。

第四铰链430和第五铰链450可以是可二维地运动的双向铰链。例如，第四铰链430和第五铰链450可以是圆形铰链。包括第四铰链430和第五铰链450的第三铰链构件400可用于将已经由杠杆构件350改变的竖直运动传递到工作台。

根据本发明的实施例，包括第一铰链、第二铰链、第三铰链、第四铰链和第五铰链的组中的一个或者更多铰链可以是柔性铰链(flexure hinge)。可使用能够明显减少误差的铰链，以保持超精度运动系统的高精度和重复性，具有高传递分辨率和纳米分辨率的柔性铰链可与PZT致动器一起被使用。

图6是示出根据本发明的实施例的超精度运动系统的竖直驱动单元的运动的示意图。

参照图6，应该注意到，根据本发明的实施例的竖直运动单元11基于第一铰链210、第二铰链310、第三铰链320、第四铰链430和第五铰链450运动。

根据本发明的实施例，致动器100根据被施加的电压执行x轴方向的往复运动。施加到致动器100的x轴方向的往复运动传递到第一铰链210和第三铰链320。这里，由于传递到第一铰链210的x轴方向的往复运动的方向与第一铰链210的运动方向不一致，所以第一铰链210静止而不运动。此外，几乎所有x轴方向的运动均被传递到第三铰链320，以使杠杆构件350沿着水平方向运动。

杠杆构件350是改变运动方向和运动位移二者的构件。位于杠杆构件350的第三铰链320所形成的位置处的点P3是受力点，位于形成第二铰链310的位置处的点P2是支撑点，位于形成第五铰链450的位置处的点P5是操作点。

由于水平方向的运动被传递到杠杆构件350的受力点P3，所以在操作点P5引发竖直方向的运动。因此，致动器100的x轴方向的往复运动被改变成工作台上的z轴方向的往复运动。

根据杠杆原理，当物体基于杠杆作用运动时，受力点P3和支撑点P2之间的距离与支撑点P2和操作点P5之间的距离的比例与受力点P3的位移和支撑点P2的位移之间的比率相同。

因此，在根据本发明的实施例的竖直运动单元11中，x轴方向的运动位移和z方向的运动位移满足如下所示的等式：

[等式1]

x方向的运动位移∶z方向的运动位移＝l∶L

这里，l是受力点P3和支撑点P2之间的距离，即，第二铰链310和第三铰链320之间的距离，L是支撑点P2和操作点P5之间的距离，即，第二铰链310和第五铰链450之间的距离。

因此，根据本发明的实施例，可通过调节第二铰链310、第三铰链320和第五铰链450在杠杆构件350上的位置或者杠杆构件350的长度来调节竖直方向(z方向)的运动位移。

根据本发明的实施例，由于使用L形杠杆构件350并且杠杆构件350被设置成与致动器100叠置，所以可使受力点P3和操作点P5之间的距离变得更近。施加到受力点P3的水平运动能量几乎没有损失地传递到操作点P5。因此，可实现超精度运动系统，并可便于超精度运动系统的控制。

在超精度工作台中，可能存在的误差将影响位置确定特性。想要测量的物体和测量标记应该按照直线对齐，但是当杠杆构件350没有按照直线对齐时，会产生误差。

因此，根据本发明的实施例，受力点P3、支撑点P2和操作点P5可按顺序以90°的角度设置。即，第三铰链320、第二铰链310和第五铰链450可按顺序以90°的角度设置。因此，可防止误差的产生。

在杠杆构件350中，会由于由致动器100的负载施加的竖直方向的力和致动器的水平方向的力而产生剪应力。具体地讲，这样的剪应力集中在将水平方向的运动改变为竖直方向的运动的第二铰链310上，因此，会出现第二铰链310容易损坏这样的缺陷。

根据本发明的实施例，由于杠杆构件350根据杠杆原理运动，所以施加到杠杆构件的水平方向的力和竖直方向的力的比是l∶L。因此，竖直方向的力和水平方向的力的合力的方向Θ满足如下所示的等式2：

[等式2]

$\tan \mathrm{\Θ}=\frac{l}{L}$

当第二铰链310设置成不与竖直方向的力和水平方向的力的合力的方向Θ一致时，会由于力的方向不一致而在第二铰链310中产生剪应力。然而，当第二铰链310设置成与竖直方向的力和水平方向的力的合力的方向Θ一致时，竖直方向的力和水平方向的力均被传递到第二铰链310，以被基座50吸收。

根据本发明的实施例，为了显著减小剪应力，第二铰链310可被设置成与竖直方向的力和水平方向的力的合力的方向Θ一致。

因此，不会由于竖直方向的力和水平方向的力而在第二铰链310中产生剪应力。即，第二铰链310可被设置成与竖直方向的力和水平方向的力的合力的方向Θ一致，从而防止在第二铰链310中产生剪应力。

当需要设计超精度运动系统时，根据使用的铰链的类型和数量可能会由于不期望的方向上的运动而产生冗余自由度。当竖直驱动单元的DOF增加到大于期望的DOF从而导致冗余自由度时，会由于所述系统的运动而在所述系统中产生变形或者振动，因此，会难以精确地控制运动。

根据本发明的实施例，可提供这样一种系统，在所述系统中，可适当地调整具有1个DOF的单向铰链的数量和具有2个DOF的双向铰链的数量，从而抑制冗余自由度。根据本发明的实施例，可使用两个第一铰链，两个第三铰链、一个第二铰链、一个第四铰链和一个第五铰链，单向铰链用作第一铰链、第二铰链和第三铰链，双向铰链用作第四铰链和第五铰链，以抑制冗余自由度，从而提供超精度运动系统。

因此，显著减少系统的运动所产生的变形或者振动，并可精确地控制运动。即，可提供可靠性高的超精度运动系统。

根据本发明的实施例的超精度运动系统可应用于例如晶片透镜模块粘合机(wafer lens module bonding machine)之类的设备。晶片透镜模块粘合机可通过使两个上下叠置的晶片精确地对齐并将二者粘合的工艺来制造透镜。在这种情况下，需要这样的超精度运动系统，该超精度运动系统具有亚微细粒级位置精度并可承受粘合工艺所产生的负载。

根据本发明的实施例，可提供能够承受产生的负载的超精度运动系统，这是因为该超精度运动系统具有水平地设置在其上的竖直运动单元；并且可提供具有亚微细粒级位置精度的超精度运动系统，这是因为该超精度运动系统具有双三角形结构。

此外，根据本发明的实施例的超精度运动系统可用于需要大量x轴、y轴和z轴方向的旋转运动的光学设备，当超精度运动系统用于光学设备时，可获得几乎无误差的精确的位置调节。

此外，根据本发明的实施例的超精度运动系统还可用于快速和精确地设置具有各种性能和形状的基底、芯片等。

如上所述，根据本发明的实施例，由于以平行的结构方式的双三角形结构实现6DOF，所以所述系统具有高刚度并且尺寸减小，从而产品的尺寸可减小，并可确保所述产品的承载能力。

此外，由于竖直驱动单元和水平驱动单元具有双三角形结构，所以所述系统的中心和致动器之间的距离可以一致。因此，可容易地实现旋转运动。此外，可通过改变致动器的驱动方向来容易地改变主旋转方向。

此外，由于竖直驱动单元被设置成具有三角形结构，所以竖直负载可均匀地分配到各个致动器。因此，不会将过量负载施加到特定铰链。即，可提供具有良好承载能力的超精度运动系统。

此外，由于在超精度运动系统的中部形成中空部分，所以超精度运动系统可被容易地安装在各种设备中，从而可提供具有高的空间利用率的超精度运动系统。

虽然已结合实施例示出和描述了本发明，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行变型和改变。

Claims (14)

1.一种超精度运动系统，所述超精度运动系统包括：

基座和工作台，工作台相对于基座能够按照6自由度运动；

三个水平驱动单元，将基座和工作台连接，并且按照相等的间隔相互隔开，以实现工作台的3自由度平面内运动，即，x-轴平移运动、y-轴平移运动和z-轴旋转运动；

三个竖直驱动单元，将基座和工作台连接，并被设置成分别平行于所述三个水平驱动单元，以实现工作台的3自由度离面运动，即，x-轴旋转运动、y-轴旋转运动和z-轴平移运动。

2.如权利要求1所述的超精度运动系统，其中，所述三个水平驱动单元和所述三个竖直驱动单元具有双三角形结构。

3.如权利要求1所述的超精度运动系统，其中，所述三个竖直驱动单元被布置成在所述三个水平驱动单元内侧按照相等的间隔互相隔开。

4.如权利要求1所述的超精度运动系统，其中，所述三个竖直驱动单元被布置成在所述三个水平驱动单元外侧按照相等的间隔互相隔开。

5.如权利要求1所述的超精度运动系统，其中，所述超精度运动系统还包括形成在其中部的中空部分。

6.如权利要求1所述的超精度运动系统，其中，所述三个竖直驱动单元使用压电致动器。

7.如权利要求1所述的超精度运动系统，其中，所述竖直驱动单元包括被设置为平行于基座并沿着水平方向运动的致动器。

8.如权利要求7所述的超精度运动系统，所述超精度运动系统还包括：

第一铰链构件，包括第一铰链，并固定到基座以及致动器的一端；

第二铰链构件，包括：杠杆构件，被设置成沿着长度方向与致动器的另一端叠置；第二铰链，将基座和杠杆构件连接；第三铰链，将致动器的另一端和杠杆构件连接；第三铰链构件，包括：主体单元，主体单元包括通孔，致动器以穿透的方式穿过所述通孔被连接；第四铰链，将主体单元和工作台连接；第五铰链，将主体单元和杠杆构件连接。

9.如权利要求8所述的超精度运动系统，其中，第一铰链构件包括：

第一基座固定单元，设置成沿着长度方向与致动器的两侧叠置，并固定到基座；

第一致动器连接单元，连接到致动器的一端，

其中，第一基座固定单元和第一致动器连接单元通过设置在致动器的两侧的两个所述第一铰链连接。

10.如权利要求8所述的超精度运动系统，其中，第二铰链构件包括：

第二基座固定单元，设置在致动器和基座之间，并固定到基座；

第二致动器连接单元，连接到致动器的另一端；

所述杠杆构件呈L形，被设置成沿着长度方向与致动器的两侧叠置，

其中，第二基座固定单元和所述杠杆构件通过所述第二铰链连接，第二致动器连接单元和所述杠杆构件通过设置在致动器的两侧上的两个所述第三铰链连接。

11.如权利要求8所述的超精度运动系统，其中，第三铰链构件还包括：

工作台连接单元，连接主体单元和工作台；

杠杆连接单元，连接主体单元和杠杆构件。

12.如权利要求8所述的超精度运动系统，其中，从包括第一铰链、第二铰链、第三铰链、第四铰链和第五铰链的组中选择的一个或者多个铰链是柔性铰链。

13.如权利要求8所述的超精度运动系统，其中，当第二铰链和第三铰链之间的距离被定义为l，第二铰链和第五铰链之间的距离被定义为L时，通过调节l和L的长度比例来控制工作台的竖直位移。

14.如权利要求8所述的超精度运动系统，其中，第二铰链沿着与施加到杠杆构件的水平方向的力和竖直方向的力的合力的方向相同的方向设置。

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