CN103926671B

CN103926671B - 一种多自由度精密调整机构

Info

Publication number: CN103926671B
Application number: CN201310009427.3A
Authority: CN
Inventors: 程海林
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd; Shanghai Micro and High Precision Mechine Engineering Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd; Shanghai Micro and High Precision Mechine Engineering Co Ltd
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2033-01-11
Also published as: CN103926671A

Abstract

一种多自由度精密调整机构，包括连接结构、倾斜柔性支撑结构、位移柔性支撑结构和固定机构，连接结构包括面弹簧、面弹簧外圈固定夹和面弹簧内圈固定夹，倾斜柔性支撑结构包括倾斜支撑架、Rx驱动装置和Ry驱动装置，位移柔性支撑结构包括位移支撑架、X 向驱动装置和Y向驱动装置，固定机构包括支撑座、楔形块和固定架，固定架用于固定被调整元件，面弹簧内圈固定夹和固定架之间相连、倾斜支撑架和位移支撑架相连、位移支撑架和支撑座之间通过固定架和面弹簧内圈固定夹之间的夹紧力贴合、支撑座和楔形块之间相连、楔形块和固定架之间贴合定位。

Description

一种多自由度精密调整机构

技术领域

本发明涉及光刻领域，尤其涉及一种用于光刻仪器中的多自由度精密调整机构。

背景技术

在微位移技术中，通常用到的机械微位移类型有凸轮、斜面、精密螺母副和弹性变形件结构，而利用其中一种结构层叠或者几种结构组合可以设计成运动学中多自由度的精密调整机构。

在光电检测领域，对于精密仪器和设备中的元器件，通常要求高精确的定位安装，在加工无法保证所需要的精度时，常常借用各种精密调整机构来实现。对于调整机构应尽量满足这些要求：多自由度、调整解耦、高精度分辨率、调整过程中无过约束以及调整机构结构紧促等。公开号为CN101750702A的中国专利申请中提出了一种五自由度调整机构，利用现有滑台技术层叠实现了三个自由度调整，另外添加两个旋转机构，实现五自由度调整。

在现有安装调整机构中，往往很难同时满足以上对于调整结构的要求，多自由度的精密调整中，常存在以下问题：

1.调整不完全解耦，某个自由度的调整影响其他自由度精度，如倾斜和旋转中心不重合；

2.层叠组合太多，结构复杂，不满足空间要求和稳定性要求；

3.调整不方便，没有设置初调和精调步骤。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种精密驱动装置和弹性变形结构件组合的精密调整机构，该机构结构紧促，能够实现多自由度的解耦调整，其中包括3个自由度的粗调和5个自由度的精调。

根据本发明的多自由度精密调整机构，包括连接结构、倾斜柔性支撑结构、位移柔性支撑结构和固定机构，连接结构包括面弹簧、面弹簧外圈固定夹和面弹簧内圈固定夹，倾斜柔性支撑结构包括倾斜支撑架、Rx驱动装置和Ry驱动装置，位移柔性支撑结构包括位移支撑架、X 向驱动装置和Y向驱动装置，固定机构包括支撑座、楔形块和固定架，固定架用于固定被调整元件，面弹簧内圈固定夹和固定架之间相连、倾斜支撑架和位移支撑架相连、位移支撑架和支撑座之间通过固定架和面弹簧内圈固定夹之间的夹紧力贴合、支撑座和楔形块之间相连、楔形块和固定架之间贴合定位。

其中，所述位移支撑架和倾斜支撑架均为一柔性支撑架结构，具有内圈、内圈保持架、外圈和外圈保持架。

其中，所述内圈和外圈上均具有左右对称分布的4个狭缝槽，内圈和外圈分别通过相应的驱动装置进行相应方向的精密调整。

其中，所述面弹簧外圈固定夹和面弹簧内圈固定夹的配合进行Rx、Ry和Rz的粗调整。

其中，利用微电机或精密螺杆驱动所述倾斜支撑架和所述位移支撑架实现精密调整。

其中，所述柔性支撑架结构在与所述驱动装置相对的一侧安装有弹簧柱塞，提供回复力。

其中，其特征在于，所述面弹簧具有多条对称分布的狭缝槽，将面弹簧分割成内外圈两部分，在X、Y、Rz方向具有较好的刚性，在Rx、Ry及Z方向上，具有柔性弹片结构。

其中，所述面弹簧为Z向厚度较薄的薄片结构。

和现有的精密调整机构比较，本发明具有下述优点。1、能够在多自由度调整过程中，实现了调整解耦，在调整的过程中互不干涉，倾斜、旋转的中心能够和被调整元器件中心重合，通过面弹簧固定结构消除过约束；2、将倾斜和旋转中心重合，并且设置在被调整元件的几何中心或者其他希望调整的位置；3、通过柔性支撑结构减少层叠机构的数量，占用较小的空间；4、同时应用对称结构的面弹簧消除调整过程中的过约束；5、在精调之前可进行粗调，实现快速调整到位。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1 所示为根据本发明的调整机构的整体示意图；

图2 所示为根据本发明的调整机构的分解示意图；

图3 所示为根据本发明的调整机构中的柔性支撑结构的结构示意图；

图4所示为柔性支撑结构的局部示意图；

图5所示为根据本发明的调整机构中的固定结构的结构示意图；

图6 所示为根据本发明的调整机构中的连接结构和固定结构之间的装配示意图；

图7 所示为连接结构中的面弹簧结构的结构示意图；

图8所示为连接结构中的面弹簧结构的另一种结构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

如图1所示，根据本发明的多自由度精密调整机构主要由四部分组成，包括连接结构1，倾斜柔性支撑结构2，位移柔性支撑结构3和固定机构4。其中位移柔性支撑结构3提供X，Y方向上的微位移调整，倾斜柔性支撑结构2提供Rx, Ry倾斜方向调整，该调整通过微位移转化为角度调整，固定结构4安装被调整元件404。连接结构1实现固定结构4的连接以及Rz方向的旋转调整。

图2所示为调整机构的分解示意图。如图2所示，连接结构1包括面弹簧外圈固定夹101、面弹簧内圈固定夹102、面弹簧103和支撑连接架104；倾斜柔性支撑结构2包括弹簧柱塞201、倾斜支撑架202、Ry精密螺杆203和Rx精密螺杆204；位移柔性支撑结构3包括位移支撑架301、Y向精密螺杆302和X向精密螺杆303；固定结构4包括支撑座401、楔形块402和固定架403。面弹簧内圈固定夹102和固定架403之间通过螺纹连接，倾斜支撑架202和位移支撑架301之间通过螺钉连接，位移支撑架301和支撑座401之间通过固定架403和面弹簧内圈固定夹102之间的夹紧力贴合，支撑座401与楔形块402之间通过螺钉或者胶合连接，楔形块402和固定架403之间贴合定位，而被调整元件404和固定架403之间可以通过夹持或者螺纹固定连接。

采用上述机构进行调整的原理如下：

一、粗调原理

Rx、Ry和Rz的粗调原理如下：

在松开面弹簧103的内圈固定夹102，拧紧外圈固定夹101以后，利用内圈固定夹102和面弹簧103之间的间隙，手动或借助六角工具拨动内圈固定夹102带动固定架403绕球心偏转运动，实现Rx，Ry方向的倾斜调整；相反，松开外圈固定夹101，拧紧内圈固定夹102，通过手动或借助六角工具拨动内圈固定夹102带动固定架403旋转运动，实现Rz旋转粗调整。

二、精调原理：

在完成粗调后，锁紧内外圈的固定夹，通过倾斜柔性支撑结构2和位移柔性支撑结构3实现多自由度的精密调整。

（1）X、Y方向位移精调原理如下：

图2示出了该调整机构中的分解示意图，可以看出位移支撑架301和倾斜支撑架202的结构类似。下面根据图3和图4对倾斜支撑架202和位移支撑架301进行描述（由于两者结构类似，均为柔性支撑架，故在下文中仅对位移支撑架301的柔性支撑架的结构进行描述）。柔性支撑架结构为柔性铰链结构，具有内圈31、内圈保持架32、外圈33和外圈保持架34。内圈31和外圈33通过电火花线切割或者类似加工方法分别加工出图中所示4个狭缝槽35、36，该狭缝槽具有单方向性，左右对称分布，提供唯一方向的柔性变形，垂直该方向具有较好的刚性，外圈的4个狭缝槽36提供X方向的水平导向，而内圈的4个狭缝槽35则提供Y方向上的水平导向。安装在外圈保持架上的X向精密螺杆303提供X向调整驱动力，调整螺杆表面加工出的特细螺纹，螺距可以做到0.2~0.5之间，在该螺杆对面安装弹簧柱塞，提供回复力，同理，在内圈保持架上安装Y向精密螺杆302提供Y方向的驱动力，推动中心的内圈保持架，实现Y方向的精密调整。该机构的位移驱动装置不限于上述螺母副驱动结构，可以运用微电机作为驱动单元。

（2）Rx、Ry倾斜精调整原理如下：

如图2所示，被调整元件404安装于固定架403上，如图5所示，该固定架403为一个半球形结构，其中固定架的球形半径大小和球心位置根据被调整元件的中心而定。固定架403的三个引脚和被调整元件可以通过胶接或者螺钉固定连接。固定架的球形表面上放安装三个斜形块402，该斜形块与支撑座401胶接或者螺钉固定连接，斜形块的斜面和固定架403的球面相切，提供Rx、Ry倾斜和Rz旋转运动的支撑。如图6所示，固定架403的另一端通过螺纹和内圈固定夹102连接，将被调整元件404固定于整个调整机构中。通过面弹簧103的Z向变形提供夹紧力或者在固定架403的空心竿中安装拉升弹簧提供夹紧力。

其中面弹簧103的结构如图7所示，该结构中分布多条对称的狭缝槽，将面弹簧分割成内外圈两部分，所述面弹簧在X、Y、Rz方向具有较好的刚性，在Rx、Ry及Z方向上，具有柔性弹片结构，在调整过程中，在Rx、Ry方向为固定架403提供支撑，同时消除Rx、Ry和Z向调整时的过定位。如图8所示，该面弹簧还可以直接做成不具有狭缝槽的薄片结构，当Z向的厚度比较薄时，同样可以提供Rx，Ry，Z向的弹性变形，也满足该调整机构的功能需要。

如图3和图2 所示，倾斜调整架202和位移调整架301之间通过中心架固定。类似于X、Y 方向上的精调整，通过安装于倾斜调整架上的精密螺杆203和204，进行水平位移调整，在调整过程中，因倾斜支撑架202和支撑连接架104通过螺钉固定，在水平方向的调整过程中，将带动固定架403绕其球心旋转，使水平位移转化为角度调整，实现Rx、Ry方向的调整。

（3）Rz精调整原理如下：

如图2所示，松开面弹簧103的外圈固定夹101，拧紧内圈固定夹102以后，通过旋转内圈固定夹102，带动固定架403旋转，可以加长旋转手柄的长度，提高旋转的分辨率，实现Rz的精调。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims

1.一种多自由度精密调整机构，包括连接结构、倾斜柔性支撑结构、位移柔性支撑结构和固定机构，连接结构包括面弹簧、面弹簧外圈固定夹和面弹簧内圈固定夹，倾斜柔性支撑结构包括倾斜支撑架、Rx驱动装置和Ry驱动装置，位移柔性支撑结构包括位移支撑架、X 向驱动装置和Y向驱动装置，固定机构包括支撑座、楔形块和固定架，固定架用于固定被调整元件，面弹簧内圈固定夹和固定架之间相连、倾斜支撑架和位移支撑架相连、位移支撑架和支撑座之间通过固定架和面弹簧内圈固定夹之间的夹紧力贴合、支撑座和楔形块之间相连、楔形块和固定架之间贴合定位。

2.根据权利要求1所述的多自由度精密调整机构，其特征在于，所述位移支撑架和倾斜支撑架均为一柔性支撑架结构，具有内圈、内圈保持架、外圈和外圈保持架。

3.根据权利要求2所述的多自由度精密调整机构，其特征在于，所述内圈和外圈上均具有左右对称分布的4个狭缝槽，内圈和外圈分别通过相应的驱动装置进行相应方向的精密调整。

4.根据权利要求3所述的多自由度精密调整机构，其特征在于，所述面弹簧外圈固定夹和面弹簧内圈固定夹的配合进行Rx、Ry和Rz的粗调整。

5.根据权利要求3所述的多自由度精密调整机构，其特征在于，利用微电机或精密螺杆驱动所述倾斜支撑架和所述位移支撑架实现精密调整。

6.根据权利要求4或5所述的多自由度精密调整机构，其特征在于，所述柔性支撑架结构在与所述驱动装置相对的一侧安装有弹簧柱塞，提供回复力。

7.根据权利要求4或5所述的多自由度精密调整机构，其特征在于，所述面弹簧具有多条对称分布的狭缝槽，将面弹簧分割成内外圈两部分，在X、Y、Rz方向具有较好的刚性，在Rx、Ry及Z方向上，具有柔性弹片结构。

8.根据权利要求4或5所述的多自由度精密调整机构，其特征在于，所述面弹簧为Z向厚度较薄的薄片结构。