CN103047341B - 气浮球轴承角度解耦与磁悬浮平面驱动定位的隔振器 - Google Patents

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Abstract

气浮球轴承角度解耦与磁悬浮平面驱动定位的隔振器属于精密隔振技术领域，隔振器主体的套筒与下安装板之间通过磁悬浮平面电机的磁悬浮作用进行承载，活塞筒与套筒之间通过气浮面进行润滑与支撑，上安装板与下安装板之间的角运动自由度通过气浮球轴承进行解耦，电机、位移传感器、限位开关和控制器、驱动器构成位置闭环反馈控制系统，对上、下安装板的相对位置进行精确控制；本发明具有三维零刚度、高定位精度及角度解耦特性，可获得极低的固有频率和突出的低频与超低频隔振性能，从而有效解决超精密测量仪器与加工装备、尤其是步进扫描光刻机中的高性能隔振问题。

Description

气浮球轴承角度解耦与磁悬浮平面驱动定位的隔振器
技术领域
本发明属于精密隔振技术领域，主要涉及一种气浮球轴承角度解耦与磁悬浮平面驱动定位的隔振器。
背景技术
随着超精密加工与测量精度的不断提高，环境振动成为制约超精密加工装备与测量仪器精度和性能提高的重要因素。尤其是步进扫描光刻机为代表的超大规模集成电路加工装备，技术密集度与复杂度极高，关键技术指标均达到了现有技术的极限，代表了超精密加工装备的最高水平，超精密隔振成为此类装备中的核心关键技术；步进扫描光刻机的线宽已达到22nm及以下，硅片定位精度与套刻精度均达到几纳米，而工件台运动速度达到1m/s以上，工件台加速度达到重力加速度的几十倍，这对现有的隔振技术提出了新的挑战。首先，光刻机需要为计量系统与光刻物镜提供“超静”的工作环境，同时又需要驱动工件台以高速度与高加速度运动，这对隔振系统的隔振性能提出了极其苛刻的要求，其三个方向的固有频率均需要达到1Hz以下；其次，光刻机各部件之间的相对位置，例如光刻物镜与硅片表面的距离，均具有非常严格的要求，且处于位置闭环反馈控制系统的控制之下，要求隔振器上、下安装板之间的相对位置精度达到10μm量级，传统隔振器的定位精度远远不能满足要求。
根据隔振理论，被动式隔振器的固有频率与刚度成正比、与负载质量成反比，因此在负载质量一定的前提下，降低隔振器的刚度是降低固有频率、提高低频与超低频隔振性能的有效途径。传统空气弹簧等形式的隔振器存在静态承载能力与刚度的固有矛盾，同时受材料特性、结构刚度等因素制约，要进一步降低其刚度、尤其是水平向刚度十分困难。针对这一问题，研究人员将“摆”式结构引入到空气弹簧隔振器中，达到降低隔振器水平刚度的目的(1.Nikon Corporation.Vibration Isolator With Low Lateral Stiffness.美国专利公开号：US20040065517A1；2.U.S.Philips Corporation.Positioning Device with a Force Actuator Systemfor Compensating Center-of-gravity Displacements，and Lithographic Device Provided with Such APositioning Device.美国专利号：US005844664A)。该方法能够在一定程度上降低空气弹簧隔振器的水平刚度，提升其低频隔振性能。该方法存在的问题在于：1)受材料特性与结构刚度制约，隔振器垂向与水平向刚度降低的幅度有限；2)空气弹簧隔振器的垂向与水平向定位精度均很差，无法满足光刻工艺的要求；3)要达到较低的水平刚度需要较大的摆长，导致隔振器高度过大，容易发生弦膜共振，稳定性差。
通过对现有空气弹簧隔振器技术方案的分析可见，现有空气弹簧隔振器难以满足光刻机对超低刚度与高定位精度的要求。德国IDE公司提出了一种摒弃传统橡胶空气弹簧的隔振器技术方案(1.Integrated Dynamics Engineering GmbH.Isolatorgeometrie EinesSchwingungsisolationssystem.欧洲专利号：EP1803965A2；2.Integrated Dynamics EngineeringGmbH.Schwingungsisolationssystem Mit Pneumatischem Tiefpassfilter.欧洲专利号：EP1803970A2；3.Integrated Dynamics Engineering GmbH.Air Bearing with Consideration ofHigh-Frequency Resonances.美国专利公开号：US20080193061A1)。该方案采用垂向与水平向气浮面对各方向的振动进行解耦与隔振，可以达到极低的刚度与固有频率。该方案存在的问题在于：1)已公开技术方案中，隔振器无法实现精确定位；2)专利EP1803965A2中，上、下安装板之间不存在绕水平轴旋转的角运动自由度，该方向的角刚度与固有频率都很高；专利EP1803970A2与US20080193061A1采用橡胶块为上、下安装板提供绕水平轴旋转的角运动自由度，但由于橡胶块角刚度很大，无法有效地进行角运动自由度解耦，角运动自由度解耦机构部件之间存在摩擦力而引入附加刚度，制约隔振性能。
荷兰ASML公司也提出了类似的隔振器技术方案(1.U.S.Philips Corp，ASM LithographyB.V.Pneumatic Support Device with A Controlled Gas Supply，and Lithographic Device Providedwith Such A Support Device.美国专利号：US006144442A；2.Koninklijke Philips ElectronicsN.V.，ASM Lithography B.V.Lithographic Pneumatic Support Device with Controlled Gas Supply.国际专利公开号：WO99/22272；3.ASML Netherlands B.V.Support Device，LithographicApparatus，and Device Manufacturing Method Employing A Supporting Device，and A PositionControl System Arranged for Use in A Supporting Device.美国专利号：US007084956B2；4.ASML Netherlands B.V.Support Device，Lithographic Apparatus，and Device ManufacturingMethod Employing A Supporting Device and A Position Control System Arranged for Use in ASupporting Device.欧洲专利号：EP1486825A1)。专利US006144442A与WO99/22272中对气源压力进行闭环反馈控制，达到提高隔振器的稳定性与性能的目的；专利US007084956B2与EP1486825A1中在上安装板上设有振动传感器，同时引入参考振动系统，通过控制算法提升隔振器的隔振性能。但所提出技术方案仍然没有解决隔振器的精确定位与上、下安装板的角运动自由度解耦问题。
发明内容
本发明的目的是针对超精密测量仪器与加工装备、尤其是步进扫描光刻机等超大规模集成电路加工装备对隔振器低固有频率、高定位精度的迫切要求，提供一种气浮球轴承角度解耦与磁悬浮平面驱动定位的隔振器，隔振器具有三维近似零刚度与极低固有频率，上、下安装板之间能够进行精确定位与角度解耦，从而有效解决超精密测量仪器与加工装备、尤其是步进扫描光刻机中的精密隔振问题。
本发明的目的是这样实现的：
一种气浮球轴承角度解耦与磁悬浮平面驱动定位的隔振器，由上安装板、下安装板、洁净压缩气源、气管和隔振器主体组成，隔振器主体安装在上安装板和下安装板之间，洁净压缩气源通过气管与隔振器主体连接，所述隔振器主体的结构是：套筒的下表面与下安装板通过磁悬浮平面电机的磁悬浮作用形成的磁浮间隙进行承载，活塞筒倒扣安装在套筒内，并与套筒通过径向承载圆柱气浮面润滑与支撑，气浮球轴承安装在活塞筒和上安装板之间，Z向音圈电机、Z向位移传感器与Z向限位开关安装在活塞筒与套筒之间，X向位移传感器、X向限位开关与Y向位移传感器、Y向限位开关安装在套筒与下安装板之间，Z向音圈电机的驱动力方向和磁悬浮平面电机的X向驱动力、Y向驱动力方向两两互相垂直，Z向位移传感器、Z向限位开关的作用线方向与Z向音圈电机的驱动力方向一致，X向位移传感器、X向限位开关的作用线方向与磁悬浮平面电机的X向驱动力一致，Y向位移传感器、Y向限位开关的作用线方向与磁悬浮平面电机的Y向驱动力方向一致；X、Y、Z向位移传感器和X、Y、Z向限位开关分别与控制器的信号输入端连接，控制器的信号输出端与驱动器的信号输入端连接，驱动器的信号输出端分别与磁悬浮平面电机、Z向音圈电机连接。
所述活塞筒内设有气体压力传感器，活塞筒上设有进气口和电磁阀，气体压力传感器与控制器的信号输入端连接，驱动器的信号输出端与电磁阀连接。
所述磁悬浮平面电机的配置方式是在套筒底面侧壁安装无导线连接的磁悬浮平面电机动子，在下安装板上表面侧壁相对配装磁悬浮平面电机定子。
所述Z向音圈电机为圆筒型音圈电机或平板型音圈电机。
所述X、Y、Z向位移传感器为光栅尺、磁栅尺、容栅尺或直线式电位器。
所述X、Y、Z向限位开关为机械式限位开关、霍尔式限位开关或光电式限位开关。
所述活塞筒内气体压力为0.1MPa～0.8MPa。
所述磁悬浮平面电机动子与磁悬浮平面电机定子之间的磁浮间隙为0.01mm～1mm。
本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：
(1)本发明摒弃了传统基于弹性元件/机构的隔振器技术方案，采用磁悬浮平面电机的磁悬浮作用、径向承载圆柱气浮面对水平向和垂向振动进行解耦与隔离，磁悬浮承载方式在电机无定位驱动力输出时水平刚度近似为零，与气浮面一起，使隔振器获得近似的零刚度特性和突出的超低频隔振性能，解决了现有技术受结构刚度、材料特性限制，刚度难以进一步降低，刚度与稳定性不能兼顾的问题。这是本发明区别于现有技术的创新点之一。
(2)本发明采用位移传感器尺、限位开关、控制器、驱动器与电机构成竖直方向与水平方向的位置闭环反馈控制系统，对上、下安装板之间的相对位置进行精确控制，定位精度可达到10μm及以上，可有效解决现有技术方案定位精度低、定位精度与刚度及隔振性能不能兼顾的问题。这是本发明区别于现有技术的创新点之二。
(3)本发明采用气浮球轴承对上、下安装板之间的角运动进行解耦，气浮球轴承无摩擦，不引入附加角刚度，可有效解决现有采用弹性体进行角度解耦的方法引入较大附加角刚度、制约固有频率与低频隔振性能的问题。这是本发明区别于现有技术的创新点之三。
(4)本发明采用气体压力传感器、电磁阀与控制器、驱动器等构成压力闭环反馈控制系统，精确控制套筒内的气体压力，对隔振器的轴向载荷进行重力平衡与补偿，在径向承载圆柱气浮面的作用下，承载负载重力的活塞筒可沿套筒以近似零刚度上下自由滑动，从而实现理想的重力平衡与零刚度隔振效果。这是本发明区别于现有技术的创新点之四。
(5)本发明采用主动执行器对上、下安装板之间的相对位置和活塞筒内的气体压力进行主动控制，隔振器参数可根据被隔振对象特点与工作环境变化进行实时调节，从而适应不同的工况，具有较好的灵活性、适应性与稳定性。这是本发明区别于现有技术的创新点之五。
附图说明
图1为气浮球轴承角度解耦与磁悬浮平面驱动定位的隔振器结构示意图；
图2为气浮球轴承角度解耦与磁悬浮平面驱动定位的隔振器的三维剖面结构示意图；
图3为气浮球轴承角度解耦与磁悬浮平面驱动定位的隔振器的控制结构框图；
图4为活塞筒上圆柱气浮面节流孔和球面气浮面节流孔的示意图。
图中件号说明：1上安装板、2下安装板、3洁净压缩气源、4隔振器主体、5活塞筒、6套筒、7气浮球轴承、10Z向音圈电机、10a Z向电机铁轭、10b Z向电机磁钢、10c Z向电机线圈骨架、10d Z向电机线圈、10e Z向电机过渡件、11X向位移传感器、12Y向位移传感器、12a Y向光栅读数头过渡件、12b Y向光栅读数头、12c Y向玻璃光栅尺、13Z向位移传感器、13a Z向光栅读数头过渡件、13b Z向光栅读数头、13c Z向玻璃光栅尺、14X向限位开关、15Y向限位开关、15a Y向限位块、15b Y向霍尔开关、15c Y向限位开关过渡件、15d Y向限位块过渡件、16Z向限位开关、16a Z向限位块、16b Z向霍尔开关、16c Z向限位开关过渡件、17气体压力传感器、18电磁阀、19控制器、20驱动器、21磁浮间隙、22径向承载圆柱气浮面、23进气口、24磁悬浮平面电机、24a磁悬浮平面电机动子、24b磁悬浮平面电机定子、25圆柱气浮面节流孔、26气管、27球面气浮面、28球面气浮面节流孔。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的具体实施例。
一种气浮球轴承角度解耦与磁悬浮平面驱动定位的隔振器，由上安装板1、下安装板2、洁净压缩气源3、气管26和隔振器主体4组成，隔振器主体4安装在上安装板1和下安装板2之间，洁净压缩气源3通过气管26与隔振器主体4连接，所述隔振器主体4的结构是：套筒6的下表面与下安装板2通过磁悬浮平面电机24的磁悬浮作用形成的磁浮间隙21进行承载，活塞筒5倒扣安装在套筒6内，并与套筒6通过径向承载圆柱气浮面22润滑与支撑，气浮球轴承7安装在活塞筒5和上安装板1之间，Z向音圈电机10、Z向位移传感器13与Z向限位开关16安装在活塞筒5与套筒6之间，X向位移传感器11、X向限位开关14与Y向位移传感器12、Y向限位开关15安装在套筒6与下安装板2之间，Z向音圈电机10的驱动力方向和磁悬浮平面电机24的X向驱动力、Y向驱动力方向两两互相垂直，Z向位移传感器13、Z向限位开关16的作用线方向与Z向音圈电机10的驱动力方向一致，X向位移传感器11、X向限位开关14的作用线方向与磁悬浮平面电机24的X向驱动力一致，Y向位移传感器12、Y向限位开关15的作用线方向与磁悬浮平面电机24的Y向驱动力方向一致；X、Y、Z向位移传感器11、12、13和X、Y、Z向限位开关14、15、16分别与控制器19的信号输入端连接，控制器19的信号输出端与驱动器20的信号输入端连接，驱动器20的信号输出端分别与磁悬浮平面电机24、Z向音圈电机10连接。
X、Y、Z向位移传感器11、12、13对X、Y、Z向音圈电机8、9、10输出的位移进行测量，X、Y、Z向限位开关14、15、16对X、Y、Z向音圈电机8、9、10运动的行程进行限制；控制器19根据X、Y、Z向位移传感器11、12、13与X、Y、Z向限位开关14、15、16的反馈信号，控制X、Y、Z向音圈电机8、9、10对上、下安装板1、2之间的相对位置进行精确控制。
所述活塞筒5内设有气体压力传感器17，活塞筒5上设有进气口23和电磁阀18，气体压力传感器17与控制器19的信号输入端连接，驱动器20的信号输出端与电磁阀18连接。
所述磁磁悬浮平面电机24的配置方式是在套筒6底面侧壁安装无导线连接的磁悬浮平面电机动子24a，在下安装板上表面侧壁相对配装磁悬浮平面电机定子24b。
所述Z向音圈电机10为圆筒型音圈电机或平板型音圈电机。
所述X、Y、Z向位移传感器11、12、13为光栅尺、磁栅尺、容栅尺或直线式电位器。
所述X、Y、Z向限位开关14、15、16为机械式限位开关、霍尔式限位开关或光电式限位开关。
所述活塞筒5内气体压力为0.1MPa～0.8MPa。
所述磁悬浮平面电机动子24a与磁悬浮平面电机定子24b之间的磁浮间隙21为0.01mm～1mm。
下面结合图1～图3给出本发明的一个实施例。本实施例中，零刚度隔振器工作时，下安装板2安装在地基、仪器的基座或基础框架上，上安装板1与被隔振的负载连接。Z向音圈电机10采用圆筒型音圈电机，其主要包括Z向电机铁轭10a、Z向电机磁钢10b、Z向电机线圈骨架10c、Z向电机线圈10d和Z向电机过渡件10e等部件。Z向电机铁轭10a和Z向电机线圈骨架10c为圆筒形，Z向电机磁钢10b为圆柱形，Z向电机线圈10d绕于Z向电机线圈骨架10c上，Z向电机过渡件10e提供Z向电机线圈骨架10c的安装结构。Z向电机铁轭10a和Z向电机磁钢10b构成电机定子，Z向电机线圈骨架10c、Z向电机线圈10d构成电机动子。电机工作时线圈中通以电流，根据电磁理论，通电线圈在磁场中会受到洛伦兹力作用，通过控制电流的大小和方向可以控制电机输出驱动力的大小和方向。
本实施例中气浮球轴承7的安装方式为：气浮球轴承7的下表面安装在活塞筒5上，并通过球面气浮面27润滑与支撑，气浮球轴承7的上表面与上安装板1刚性连接。
X、Y、Z向位移传感器11、12、13采用光栅尺。以Z向位移传感器13为例，其主要包括Z向光栅读数头过渡件13a、Z向光栅读数头13b和Z向玻璃光栅尺13c等部件，Z向光栅读数头过渡件13a提供Z向光栅读数头13b的安装结构。光栅尺工作时，Z向光栅读数头13b能够将其与Z向玻璃光栅尺13c的相对位移检测出来，并通过信号导线送给控制器19。
X、Y、Z向限位开关14、15、16采用霍尔式限位开关。以Z向限位开关16为例，其主要包括Z向限位块16a、Z向霍尔开关16b和Z向限位开关过渡件16c等部件。两个Z向霍尔开关16b背靠背安装，两个Z向限位块16a为金属材料，与Z向霍尔开关16b的敏感端相对安装。Z向限位开关过渡件16c提供Z向霍尔开关16b的安装结构。限位开关工作时，当Z向霍尔开关16b接近Z向限位块16a时，Z向霍尔开关16b给出限位信号，并通过信号导线送给控制器19。
本实施例中，Z向音圈电机10、Z向位移传感器13和Z向限位开关16均安装在活塞筒5和套筒6之间，且安装在活塞筒5内部。
隔振器对负载的承载采用如下方式实现：洁净压缩气源3通过气管26、经电磁阀18、进气口23向活塞筒5内输送洁净压缩空气。控制器19根据气体压力传感器17的反馈信号，控制电磁阀18的开度，调节输入到活塞筒5内的气体流量，从而调节活塞筒5内洁净压缩空气的压力，使洁净压缩空气对活塞筒5向上的作用力与负载、活塞筒5及加载与活塞筒5上的其它零部件的重力相平衡，实现理想的重力补偿与零刚度隔振效果。
本实施例中，活塞筒5内洁净压缩空气的压力为0.4Mpa，活塞筒5下表面的有效半径为100mm，则单个隔振器承载的质量为：m＝p×πr2/g≈1282kg，其中p为气体压力，p＝0.4Mpa，r为活塞筒5下表面的有效半径，r＝100mm，g为重力加速度，g＝9.gm/m2。
图4给出活塞筒上圆柱气浮面节流孔和球面气浮面节流孔的一个实施例。本实施例中，活塞筒5侧壁上沿圆周方向均布两排圆柱气浮面节流孔25，每排圆柱气浮面节流孔25的数量为8个，直径为φ0.2mm。活塞筒5上表面的凹球面上绕圆心沿圆周方向均匀分布8个球面气浮面节流孔28，直径为φ0.2mm。

Claims (8)

1.一种气浮球轴承角度解耦与磁悬浮平面驱动定位的隔振器，由上安装板（1）、下安装板（2）、洁净压缩气源（3）、气管（26）和隔振器主体（4）组成，隔振器主体（4）安装在上安装板（1）和下安装板（2）之间，洁净压缩气源（3）通过气管（26）与隔振器主体（4）连接，其特征在于：所述隔振器主体（4）的结构是：套筒（6）的下表面与下安装板（2）通过磁悬浮平面电机（24）的磁悬浮作用形成的磁浮间隙（21）进行承载，活塞筒（5）倒扣安装在套筒（6）内，并与套筒（6）通过径向承载圆柱气浮面（22）润滑与支撑，气浮球轴承（7）安装在活塞筒（5）和上安装板（1）之间，Z向音圈电机（10）、Z向位移传感器（13）与Z向限位开关（16）安装在活塞筒（5）与套筒（6）之间，X向位移传感器（11）、X向限位开关（14）与Y向位移传感器（12）、Y向限位开关（15）安装在套筒（6）与下安装板（2）之间，Z向音圈电机（10）的驱动力方向和磁悬浮平面电机（24）的X向驱动力、Y向驱动力方向两两互相垂直，Z向位移传感器（13）、Z向限位开关（16）的作用线方向与Z向音圈电机（10）的驱动力方向一致，X向位移传感器（11）、X向限位开关（14）的作用线方向与磁悬浮平面电机（24）的X向驱动力一致，Y向位移传感器（12）、Y向限位开关（15）的作用线方向与磁悬浮平面电机（24）的Y向驱动力方向一致；X、Y、Z向位移传感器（11、12、13）和X、Y、Z向限位开关（14、15、16）分别与控制器（19）的信号输入端连接，控制器（19）的信号输出端与驱动器（20）的信号输入端连接，驱动器（20）的信号输出端分别与磁悬浮平面电机（24）、Z向音圈电机（10）连接。 
2.根据权利要求1所述的气浮球轴承角度解耦与磁悬浮平面驱动定位的隔振器，其特征在于：所述活塞筒（5）内设有气体压力传感器（17），活塞筒（5）上设有进气口（23）和电磁阀（18），气体压力传感器（17）与控制器（19）的信号输入端连接，驱动器（20）的信号输出端与电磁阀（18）连接。 
3.根据权利要求1所述的气浮球轴承角度解耦与磁悬浮平面驱动定位的隔振器，其特征在于：所述磁悬浮平面电机（24）的配置方式是在套筒（6）底面安装无导线连接的磁悬浮平面电机动子（24a），在下安装板上表面相对配装磁悬浮平面电机定子（24b）。 
4.根据权利要求1所述的气浮球轴承角度解耦与磁悬浮平面驱动定位的隔振器，其特征在于：所述Z向音圈电机（10）为圆筒型音圈电机或平板型音圈电机。 
5.根据权利要求1所述的气浮球轴承角度解耦与磁悬浮平面驱动定位的隔振器，其特征在于：所述X、Y、Z向位移传感器（11、12、13）为光栅尺、磁栅尺、容栅尺或直线式电位器。 
6.根据权利要求1所述的气浮球轴承角度解耦与磁悬浮平面驱动定位的隔振器，其特征在于： 所述X、Y、Z向限位开关(14、15、16)为机械式限位开关、霍尔式限位开关或光电式限位开关。 
7.根据权利要求1所述的气浮球轴承角度解耦与磁悬浮平面驱动定位的隔振器，其特征在于：所述活塞筒(5)内气体压力为0.1MPa～0.8MPa。 
8.根据权利要求3所述的气浮球轴承角度解耦与磁悬浮平面驱动定位的隔振器，其特征在于：所述磁悬浮平面电机动子(24a)与磁悬浮平面电机定子(24b)之间的磁浮间隙(21)为0.01mm～1mm。 
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