CN106514631B - 一种柔性铰链导向的平面XYθ三自由度精度补偿器 - Google Patents
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Abstract
一种柔性铰链导向的平面XYθ三自由度精度补偿器，包括补偿装置和安装底座；补偿装置包括三组固定块、末端执行器、三个位移驱动装置和三组分别连接于各固定块和末端执行器之间的三条柔性支链，固定块固定于安装底座；三个固定块以环形阵列的方式设置在末端执行器周围，柔性支链两端分别通过铰链铰接于末端执行器和固定块；位移驱动装置约束于固定块，位移驱动装置端部通过螺钉固定于第一杠杆尾段。三组柔性支链构成的传动装置具有放大效果，可以将位移驱动装置微小的位移输出放大成更大的位移，从而驱动末端执行器具有更大的操作调整空间，使驱动装置产生的位移量能快速地通过柔性支链传递到末端执行器。
Description
技术领域
本发明涉及IC封装技术中的微操作技术领域，特别涉及一种柔性铰链导向的平面XYθ三自由度精度补偿器。
背景技术
IC工业是当前全球经济发展的告诉增长点，是我国国民经济中最具活力的行业。芯片封装业作为芯片产业的重要环节，一致追随IC产业的发展而发展，而且芯片集成度的不断的不断提高，使IC封装技术向高度集成化、高性能化和细间距化方向发展。
作为芯片封装所要使用的柔顺并联机构技术因此面临诸多挑战，一方面柔顺关节由于自身变形限制导致工作空间局限，限制在立方微米级的空间范围内，同时又涉及到柔顺关节的合理设计和柔顺并联机构的合理布局等问题。
较多的微动平台普遍地使用压电元件作为驱动，基于此研制出了多种精密微动机构来实现微米甚至亚微米的平面定位，但是精密微动机构面临较多问题，一方面柔顺关节由于自身变形限制导致工作空间局限，同时又涉及到柔顺关节的合理设计和柔顺并联机构的合理布局等问题，这些问题决定了微动机构的行程和承载等功能的强弱。例如：日本专利JP63096431公开了一种微动台，该微动台采用压电晶片作为驱动，使用柔性铰链作为连接，但是只能实现XY两个维度的调整；此类微动平台虽然具有较佳的承载能力，但是不具有在XY范围内旋转的功能，调整范围有较大的局限性，因此很难进行角度的调整。
发明内容
针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种柔性铰链导向的平面XYθ三自由度精度补偿器，本发明相比现有的三自由度精度补偿器具有定位精度高、行程大以及快速响应全并联的定位需求，并且能够实现在同一平面内实现三个自由度的精度补偿。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种柔性铰链导向的平面XYθ三自由度精度补偿器，包括补偿装置和安装底座；
所述补偿装置包括三组固定块、末端执行器、三个位移驱动装置和三组分别连接于各所述固定块和末端执行器之间的三条柔性支链，所述固定块固定于所述安装底座；
所述末端执行器呈三角形块状，三个所述固定块以环形阵列的方式设置在所述末端执行器周围，三个所述固定块的内端面分别对应于所述末端执行器的三个端面；
每个所述柔性支链两端分别通过铰链铰接于所述末端执行器和所述固定块，所述柔性支链包括第一杠杆和第二杠杆，所述第一杠杆与第二杠杆之间呈八十五度到九十五度的夹角，所述第二杠杆一端通过铰链铰接于所述末端执行器；
所述第一杠杆的尾段通过铰链铰接于一个所述固定块的外端面的左边部分，所述第二杠杆通过铰链铰接于所述第一杠杆前段，所述第二杠杆位于所述固定块右端面；
每个所述位移驱动装置分别约束于一个所述固定块，所述位移驱动装置端部通过螺钉固定于所述第一杠杆尾段。
较佳地，所述末端执行器的三个侧端面均设有凸块，所述凸块均位于所述末端执行器侧端面的右边，所述凸块的外侧壁与相邻的末端执行器侧面为圆角过渡；
所述凸块的正端面朝向所述第二杠杆，所述第二杠杆一端通过铰链铰接于第一杠杆的前段，所述第二杠杆另一端通过铰链铰接于所述凸块的正端面。
进一步地，所述补偿装置还包括基座盘，所述末端执行器的中心点和所述基座盘的圆心同心；
所述基座盘与三个所述固定块一体化设置，所述基座盘上开设有位移驱动装置安装槽、第一杠杆容纳槽和第二杠杆容纳槽；
所述驱动装置安装槽开设于所述固定块左端面处，所述第一杠杆容纳槽开设于所述固定块外端面处，所述第二杠杆容纳槽开设于所述固定块右端面处。
较佳地，所述固定块和所述基座盘固定安装于所述安装底座，所述安装底座呈圆形，所述安装底座与所述基座盘的直径相等。
进一步地，所述铰链为圆弧型柔性铰链。
进一步地，所述位移驱动装置端部设有保护套筒。
较佳地，所述第一杠杆的尾端到前段呈由粗变细的形状，所述第一杠杆的尾端开设有缺口；
所述第一杠杆容纳槽的端部超出第二杠杆容纳槽侧壁，所述第一杠杆的端部限制于所述第一杠杆容纳槽的端部。
较佳地，所述位移驱动装置为堆栈式压电陶瓷，所述保护套筒为弹性套筒。
进一步地，还包括位移检测装置，所述位移检测装置包括凸块和激光位移传感器；
所述保护套筒顶端均固定设有所述凸块，所述凸块呈矩形体状，所述凸块前侧面和后侧面为镜面，所述凸块前侧面与所述位移驱动装置平行；
所述激光位移传感器对准于所述凸块的前侧面，每个所述凸块均设有一个对应的激光位移传感器。
较佳地，所述末端执行器上固定安装有晶圆台，所述晶圆台呈薄圆盘状。
三组柔性支链具有放大效果，可以将位移驱动装置微小的位移输出放大成更大的位移，从而驱动末端执行器具有更大的角度调整空间，采用了三组柔性支链和三组位移驱动装置，单个位移驱动装置驱动一组柔性支链，使移驱动装置产生的位移量能快速地通过柔性支链传递到末端执行器；凸块的设置将柔性支链与末端执行器的铰接点从末端执行器的端部移动至凸块顶端，从而增加了杠杆的力臂，相对于将铰接点设置在末端执行器端点，能够进一步放大对末端执行器的行程；并且对柔性支链有保护作用，使对柔性支链的外侧不会暴露在外面。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的整体结构示意图；
图2是本发明的一个实施例的补偿装置整体结构示意图；
图3是本发明的一个实施例的基座盘的整体结构示意图；
图4是本发明的一个实施例的位移检测装置的结构示意图；
图5是本发明的一个实施例的伪刚体模型图；
图6是本发明的一个实施例的位移输入及输出模型图。
其中：补偿装置100、固定块200、末端执行器300、凸块310、柔性支链400、第一杠杆410、第二杠杆420、基座盘500、位移驱动装置安装槽510、第一杠杆容纳槽520、第二杠杆容纳槽530、安装底座600、位移驱动装置700、位移检测装置800、凸块810、激光位移传感器820、晶圆台900、铰链A。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1-5所示，一种柔性铰链导向的平面XYθ三自由度精度补偿器，包括补偿装置100和安装底座600；
所述补偿装置100包括三组固定块200、末端执行器300、三个位移驱动装置700和三组分别连接于各所述固定块200和末端执行器300之间的三条柔性支链400，所述固定块200固定于所述安装底座；
所述末端执行器300呈三角形块状，三个所述固定块200以环形阵列的方式设置在所述末端执行器300周围，三个所述固定块200的内端面分别对应于所述末端执行器的三个端面；
每个所述柔性支链400两端分别通过铰链A铰接于所述末端执行器300和所述固定块200，所述柔性支链400包括第一杠杆410和第二杠杆420，所述第一杠杆410与第二杠杆420之间呈八十五度到九十五度的夹角，所述第二杠杆420一端通过铰链A铰接于所述末端执行器300；
所述第一杠杆410的尾段通过铰链A铰接于一个所述固定块200的外端面的左边部分，所述第二杠杆420通过铰链A铰接于所述第一杠杆410前段，所述第二杠杆420位于所述固定块200右端面；
每个所述位移驱动装置700分别约束于一个所述固定块200，所述位移驱动装置700端部通过螺钉固定于所述第一杠杆410尾段。
利用三个对称放置的位移驱动装置700直接输出一个微小的位移，并且通过相应的函数关系(常雅可比矩阵方程)确定三自由度的输出，从而实现并联高精度的驱动效果，从而达到XYθ三个自由度的微调；三组柔性支链400具有放大效果，可以将位移驱动装置700微小的位移输出放大成更大的位移，从而驱动末端执行器300具有更大的角度调整空间，采用了三组柔性支链400和三组位移驱动装置700，单个位移驱动装置700驱动一组柔性支链400，使移驱动装置700产生的位移量能快速地通过柔性支链400传递到末端执行器300。
其中，所述末端执行器300的三个侧端面均设有凸块310，所述凸块310均位于所述末端执行器300侧端面的右边，所述凸块310的外侧壁与相邻的末端执行器侧面为圆角过渡；
所述凸块310的正端面朝向所述第二杠杆420，所述第二杠杆420一端通过铰链A铰接于第一杠杆410的前段，所述第二杠杆420另一端通过铰链A铰接于所述凸块310的正端面。凸块310的设置将柔性支链与末端执行器300的铰接点从末端执行器300的端部移动至凸块310顶端，从而增加了杠杆的力臂，相对于将铰接点设置在末端执行器300端点，能够进一步放大对末端执行器300的行程，从而增大末端执行器300的旋转角度。
此外，所述补偿装置100还包括基座盘500，所述末端执行器300的中心点和所述基座盘500的圆心同心；
所述基座盘500与三个所述固定块300一体化设置，所述基座盘500上开设有位移驱动装置安装槽510、第一杠杆容纳槽520和第二杠杆容纳槽530；
所述驱动装置安装槽510开设于所述固定块200左端面处，所述第一杠杆容纳槽520开设于所述固定块200外端面处，所述第二杠杆容纳槽530开设于所述固定块200右端面处。基座盘500与固定块300一体化设置，有利于装置的完整性和集成性，由于是一体化设置，补偿装置100会在生产和装配方面更方便，再者，基座盘500给予了三个固定块300之间均匀的外侧支撑力，并且对柔性支链400有保护作用，使对柔性支链400的外侧不会暴露在外面。
此外，所述固定块200和所述基座盘500固定安装于所述安装底座600，所述安装底座600呈圆形，所述安装底座600与所述基座盘500的直径相等。安装底座600和基座盘500的形状一致，有利于安装，可以嵌设在装置中。
其中，所述铰链A为圆弧型柔性铰链。圆弧型柔性铰链有较大的转动范围，并且不存在机械摩擦，还具有运动灵敏度高和无间隙的优点，适合紧密微动调整。
此外，所述位移驱动装置700端部设有保护套筒410。由于精度补偿装置的位移量很微小，因此使用的位移驱动装置700多数是通过自身体积的变化来驱动杠杆，此类装置比较脆弱，直接受力容易损坏，所以在接触端设置套筒作为缓冲层，使移驱动装置400在工作中受到更好的保护，保证了装置的有可靠的使用寿命。
此外，还包括XY运动平台，所述补偿装置100和安装底座600安装于所述XY运动平台。补偿装置100和安装底座600安装在XY运动平台上，使装置具有了多个方向的角度补偿功能，从而使装置的使用范围更广，价值更大化。
其中，所述第一杠杆410的尾端到前段呈由粗变细的形状，所述第一杠杆410的尾端开设有缺口；
所述第一杠杆容纳槽520的端部超出第二杠杆容纳槽530侧壁，所述第一杠杆410的端部限制于所述第一杠杆容纳槽520的端部。第一杠杆410尾端开设的缺口和第一杠杆容纳槽520之间产生了空间，适第一杠杆在运动时不会受到第一杠杆容纳槽520的阻挡或干扰；而第一杠杆410的端部限制于第一杠杆容纳槽520的端部，使第一杠杆410的行程受到约束，从而保证第二杠杆420和末端执行器300在设计范围内运动，保证了设备工作的平稳性和可靠性。
此外，所述位移驱动装置700为堆栈式压电陶瓷，所述保护套筒410为弹性套筒。堆栈式压电陶瓷体积小、不吸潮、寿命长，具有较高的定位精度和分辨率，最适合用作微动装置的驱动；而弹性套筒作为堆栈式压电陶瓷的保护装置，可在不影响压电陶瓷驱动器的使用性能的情况下，保护驱动器。
其中，还包括位移检测装置800，所述位移检测装置包括凸块810和激光位移传感器820；
所述保护套筒顶端均固定设有所述凸块810，所述凸块810呈矩形体状，所述凸块810前侧面和后侧面为镜面，所述凸块810前侧面与所述位移驱动装置700平行；
所述激光位移传感器820对准于所述凸块810的前侧面，每个所述凸块810均设有一个对应的激光位移传感器820。
在使用中，平面XYθ三自由度精度补偿器和激光位移传感器820的位置都是固定的，而位移驱动装置700产生位移后，首先推动的是保护套筒，保护套筒产生位置变化，这个时候凸块810也会产生位置变化，这种情况下激光位移传感器820通过照射凸块810进行反射测量，得到凸块810的位移量，而这个位移量也是位移驱动装置700产生的位移量；通过位移检测装置800准确的把握位移量，从而在控制位移时能够有根据的进行控制。
此外，所述末端执行器300上固定安装有晶圆台900，所述晶圆台呈薄圆盘状。所述晶圆台900用于操持和对准半导体晶圆。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种柔性铰链导向的XYθ平面三自由度精度补偿器，其特征在于：包括补偿装置和安装底座；
所述补偿装置包括三组固定块、末端执行器、三个位移驱动装置和三组分别连接于各所述固定块和末端执行器之间的三条柔性支链，所述固定块固定于所述安装底座；
所述末端执行器呈三角形块状，三个所述固定块以环形阵列的方式设置在所述末端执行器周围，三个所述固定块的内端面分别对应于所述末端执行器的三个端面；
每个所述柔性支链两端分别通过铰链铰接于所述末端执行器和所述固定块，所述柔性支链包括第一杠杆和第二杠杆，所述第一杠杆与第二杠杆之间呈八十五度到九十五度的夹角，所述第二杠杆一端通过铰链铰接于所述末端执行器；
所述第一杠杆的尾段通过铰链铰接于一个所述固定块的外端面的左边部分，所述第二杠杆通过铰链铰接于所述第一杠杆前段，所述第二杠杆位于所述固定块右端面；
每个所述位移驱动装置分别约束于一个所述固定块，所述位移驱动装置端部通过螺钉固定于所述第一杠杆尾段；
所述末端执行器的三个侧端面均设有凸块，所述凸块均位于所述末端执行器侧端面的右边，所述凸块的外侧壁与相邻的末端执行器侧面为圆角过渡；
所述凸块的正端面朝向所述第二杠杆，所述第二杠杆一端通过铰链铰接于第一杠杆的前段，所述第二杠杆另一端通过铰链铰接于所述凸块的正端面。
2.根据权利要求1所述的柔性铰链导向的XYθ平面三自由度精度补偿器，其特征在于：所述补偿装置还包括基座盘，所述末端执行器的中心点和所述基座盘的圆心同心；
所述基座盘与三个所述固定块一体化设置，所述基座盘上开设有位移驱动装置安装槽、第一杠杆容纳槽和第二杠杆容纳槽；
所述驱动装置安装槽开设于所述固定块左端面处，所述第一杠杆容纳槽开设于所述固定块外端面处，所述第二杠杆容纳槽开设于所述固定块右端面处。
3.根据权利要求2所述的柔性铰链导向的XYθ平面三自由度精度补偿器，其特征在于：所述固定块和基座盘固定安装于所述安装底座，所述安装底座呈圆形，所述安装底座与所述基座盘的直径相等。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的柔性铰链导向的XYθ平面三自由度精度补偿器，其特征在于：所述铰链为圆弧型柔性铰链。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的柔性铰链导向的XYθ平面三自由度精度补偿器，其特征在于：所述位移驱动装置端部设有保护套筒。
6.根据权利要求2所述的柔性铰链导向的XYθ平面三自由度精度补偿器，其特征在于：所述第一杠杆的尾端到前段呈由粗变细的形状，所述第一杠杆的尾端开设有缺口；
所述第一杠杆容纳槽的端部超出第二杠杆容纳槽侧壁，所述第一杠杆的端部限制于所述第一杠杆容纳槽的端部。
7.根据权利要求5所述的柔性铰链导向的XYθ平面三自由度精度补偿器，其特征在于：所述位移驱动装置为堆栈式压电陶瓷，所述保护套筒为弹性套筒。
8.根据权利要求5所述的柔性铰链导向的XYθ平面三自由度精度补偿器，其特征在于：还包括位移检测装置，所述位移检测装置包括凸块和激光位移传感器；
所述保护套筒顶端均固定设有所述凸块，所述凸块呈矩形体状，所述凸块前侧面和后侧面为镜面，所述凸块前侧面与所述位移驱动装置平行；
所述激光位移传感器对准于所述凸块的前侧面，每个所述凸块均设有一个对应的激光位移传感器。
9.根据权利要求8所述的柔性铰链导向的XYθ平面三自由度精度补偿器，其特征在于：所述末端执行器上固定安装有晶圆台，所述晶圆台呈薄圆盘状。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 510009 No. 729 Dongfeng East Road, Guangzhou, Guangdong, Yuexiu District Applicant after: Guangdong University of Technology Address before: 510000 Guangdong City, Guangzhou Province University, West Ring Road, No. 100 Applicant before: Guangdong University of Technology |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |