CN106932878A - 一种六自由度调节装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种六自由度调节装置，包括定位基座和与所述定位基座连接的六自由度调节机构，所述六自由度调节机构包括用于装配芯片的芯片定位座，用于装配所述芯片定位座的角度调节基板，设于所述角度调节基板上的X/Y向水平调节组件、Z向及绕X/Y向调节组件及绕Z向调节组件。本发明不仅有效实现对光电转换芯片的六自由度调节，无需借助其他定位装置，精度高、操作简便；且光电转换芯片的旋转中心与光轴重合，进行绕光轴旋转调节时，不会使其他自由度发生变化，调节快、效率高，本发明结构简单，重量轻便，成本低廉，切实满足了实际应用的需要。

Description

一种六自由度调节装置
技术领域
本发明涉及光刻机技术领域，具体涉及一种六自由度调节装置。
背景技术
光电转换芯片是将外界输入的光信号转换为电信号(PSD)或另一种功能光信号(DMD)的一类芯片，如光电位置传感器(PSD)以及微镜阵列(DMD)，在光刻机中具有广泛应用。如图1所示，该类芯片的特点是在其外封装1’上拥有一个感光窗口2’，用于光电信号转换，其外形通常为扁平方六面体，且外形尺寸无严格的公差控制，其感光窗口2’相对外封装1’的安装基准位置也没有准确限定，如图2所示，该芯片的外封装1’边长为a，感光窗口2’边长为b，外封装1’安装基准位置与感光窗口2’的距离为c。由于外封装1’一般为陶瓷件，安装基准位置不易精确控制，加上生产芯片时存在装配误差，各个芯片的a值与c值通常存在较大误差，因此，当以芯片外封装1’为基准对芯片定位时，其感光窗口2’与设定位置往往会有偏差。在高精度光刻机中，通常需要准确定位感光窗口2’相对于光路的准确位置，此时只能使用调节机构对芯片相对光路的位置进行六自由度调节，以将感光窗口2’相对于光路的位置找正锁紧。
目前现有技术中提供的调节机构有很多，通常只能实现2-3个自由度的调节功能，如图3a所示，为二自由度调节机构，采用正交的两个调节螺丝3’来调节活动板7’相对固定板6’沿X向和Z向位置。如图3b所示，为三自由度调节机构，采用一个定位销4’和两个调节钮5’连接固定板6’和活动板7’，通过调节定位销4’的长度以调节活动板7’的轴向位移，通过旋动调节钮5’对活动板7’进行绕X和绕Y方向的水平调节。然而上述调节机构都只能实现芯片2-3个自由度的调节，不能满足高精度光刻机的高精度对准需求，且转轴轴心离芯片感光窗口2’的轴心相当远，在相对光轴进行旋转调节时，其它自由度也会发生变化，因此需要反复调节，操作复杂，调节效率低下。
为了实现六自由度的调节，现有技术中提供了一种六自由度调节台，由1个双向位移台和4个单向调节台拼接而成，通过调节6个滑台上的微分头来实现相应的6自由度调节。此外，现有技术中还提供了一种具有角度调节功能的样品托，该技术中将芯片固定在一个方型的固定基座上，方型的固定基座的下方伸出一V形刀口，卡在一V形块的V形槽内，在V形刀口的左右两侧的其中一侧固定一拉簧，另一侧安装一个调节螺丝，通过旋转调节螺丝使方型的固定基座带动其上的芯片实现相对于V形刀口轴线的六自由度转动。然而上述调节机构依然存在以下三个方面的问题：一是转轴轴心离芯片感光窗口2’的轴心较远，在相对光轴进行旋转时，其它自由度也会发生变化，因此需要反复调节，调节效率低下；二是必须结合其它调节机构才能实现六自由度调节的功能，且重量和体积较大，使用不便；三是无调节锁紧机构，调节到位后全靠簧力压紧而不是牢固的螺纹锁紧，效果不可靠，在使用过程中或受到冲击时，容易导致芯片发生移动从而影响定位效果，未能切实满足实际应用的需要。
发明内容
本发明为了克服以上不足，提供了一种结构简单、操作便捷、效果可靠的六自由度调节装置。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种六自由度调节装置，包括定位基座和与所述定位基座连接的六自由度调节机构，所述六自由度调节机构包括用于装配芯片的芯片定位座，用于装配所述芯片定位座的角度调节基板，设于所述角度调节基板上的X/Y向水平调节组件、Z向及绕X/Y向调节组件及绕Z向调节组件。
进一步的，所述芯片定位座为圆柱体形状，其上表面向下开设有用于装配所述芯片的第一凹槽，所述角度调节基板上表面向下开设有用于装配所述芯片定位座的第二凹槽。
进一步的，所述第二凹槽的内半径大于所述芯片定位座的外半径。
进一步的，所述第一凹槽内侧至少一边设有定位凸台。
进一步的，所述第一凹槽的侧边开设有芯片拆装孔。
进一步的，所述芯片定位座上方设有芯片压板，将所述芯片压紧在所述第一凹槽内。
进一步的，所述X/Y向水平调节组件包括若干水平贯穿所述第二凹槽侧壁的水平调节顶丝，使所述芯片定位座可以相对所述角度调节基板移动。
进一步的，所述水平调节顶丝设有四个，包括一对沿X向对称分布的X向水平调节顶丝和一对沿Y向对称分布的Y向水平调节顶丝。
进一步的，每个所述水平调节顶丝上方均设有水平锁紧顶丝，所述水平锁紧顶丝垂向穿过所述角度调节基板与所述水平调节顶丝接触锁紧。
进一步的，所述Z向及绕X/Y向调节组件包括若干球头定位销和若干平端顶丝，以及与每个所述球头定位销连接的球头销升降顶丝；所述球头销升降顶丝与所述角度调节基板螺纹连接，并穿过所述角度调节基板与所述球头定位销一端的杆体连接，所述球头定位销另一端的球头则与设置于所述定位基座上的定位盲孔相适配，所述平端顶丝贯穿所述角度调节基板，与所述角度调节基板螺纹连接。
进一步的，所述球头定位销和所述平端顶丝的数量均为2个，所述球头定位销和所述平端顶丝按圆心对称分布于所述角度调节基板上。
进一步的，所述Z向及绕X/Y向调节组件还包括若干锁紧螺钉，所述锁紧螺钉穿过所述角度调节基板后与所述定位基座连接。
进一步的，每个所述锁紧螺钉外均套设有消隙弹簧。
进一步的，所述绕Z向调节组件包括水平设于所述角度调节基板外侧的凸边，沿水平向贯穿所述凸边并与所述芯片定位座外侧连接的角度调节杆，以及穿过所述凸边且位于所述角度调节杆两侧的角度调节螺丝，所述角度调节螺丝与所述角度调节杆垂直接触连接。
进一步的，所述芯片为光电芯片，所述芯片定位座、角度调节基板和定位基座的轴向中心均设有用于通光的通孔。
本发明提供的六自由度调节装置，包括定位基座和与所述定位基座连接的六自由度调节机构，所述六自由度调节机构包括用于装配芯片的芯片定位座，用于装配所述芯片定位座的角度调节基板，设于所述角度调节基板上的X/Y向水平调节组件、Z向及绕X/Y向调节组件及绕Z向调节组件。本发明不仅有效实现对光电转换芯片的六自由度调节，无需借助其他定位装置，精度高、操作简便；且光电转换芯片的旋转中心与光轴重合，进行绕光轴旋转调节时，不会使其他自由度发生变化，调节快、效率高，本发明结构简单，重量轻便，成本低廉，切实满足了实际应用的需要。
附图说明
图1-2是现有光电转换芯片的结构示意图；
图3a是现有二自由度调节机构的结构示意图；
图3b是现有三自由度调节机构的结构示意图；
图4是本发明六自由度调节装置总体结构图；
图5是本发明六自由度调节装置结构分解图；
图6是本发明六自由度调节装置六自由度调节机构结构示意图；
图7是本发明六自由度调节装置六自由度调节机构结构分解图；
图8是本发明六自由度调节装置芯片定位座结构示意图；
图9是本发明六自由度调节装置芯片角度调节基板结构示意图；
图10是本发明六自由度调节装置角度调节基板下表面结构示意图；
图11是本发明六自由度调节装置球头定位销及球头销升降顶丝的结构示意图；
图12是本发明六自由度调节装置定位基座的结构示意图。
图1-3b中所示：1’、外封装；2’、感光窗口；3’、调节螺丝；4’、定位销；5’、调节钮；6’、固定板；7’、活动板。
图4-中所示：1、定位基座；11、定位圆盲孔；12、定位长圆盲孔；13、平端顶丝孔；14、锁紧螺钉孔；15、通孔；2、六自由度调节机构；3、芯片定位座；31、第一凹槽；32、定位凸台；33、芯片压板；34、定位面；35、芯片拆装孔；4、角度调节基板；41、第二凹槽；42、水平调节顶丝孔；43、凸边；44、圆孔；45、螺丝孔；5、X/Y向水平调节组件；51、水平调节顶丝；6、Z向及绕X/Y向调节组件；61、球头定位销；62、球头销升降顶丝；63、平端顶丝；71、水平锁紧顶丝；72、锁紧螺钉；73、消隙弹簧；8、绕Z向调节组件；81、角度调节杆；82、角度调节螺丝；9、光电转换芯片；10、光路组件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述：
如图4-7所示，本发明提供了一种六自由度调节装置，包括定位基座1和与定位基座1连接的六自由度调节机构2，六自由度调节机构2包括用于装配芯片的芯片定位座3，与芯片定位座3相适配的角度调节基板4，以及设于角度调节基板4上的X/Y向水平调节组件5、Z向及绕X/Y向调节组件6、绕Z向调节组件8，具体的，芯片为光电转换芯片9，芯片定位座3、角度调节基板4和定位基座1的轴向中心均设有通孔15。具体的，定位基座1用于六自由度调节机构2的预定位，使光电转换芯片9相对光路处于一个近似正确的位置，便于之后采用X/Y向水平调节组件5、Z向及绕X/Y向调节组件6和绕Z向调节组件8以最小的调节量将光电转换芯片9调节到正确的位置。此外，定位基座1也起到了定位容纳光路组件10(如镜筒)的作用。
如图8所示，芯片定位座3为圆柱体形状，其上表面向下设置有第一凹槽31，第一凹槽31为方形，第一凹槽31的面积大于通孔15的面积，第一凹槽31内侧至少一边设有定位凸台32，第一凹槽31的边角设置有芯片拆装孔35，芯片拆装孔35为弧形形状。
优选的，芯片定位座3上方设有芯片压板33，将光电转换芯片9压紧在第一凹槽31的定位面34上。具体的，第一凹槽31为沉孔，在装配光电转换芯片9时，首先将该芯片设有感光窗口的一面向下，与定位面34相贴合，并将该芯片的侧边与定位凸台32靠紧，接着使用芯片压板33由上而下进行压紧，将该芯片固定在芯片定位座3上。
如图9所示，角度调节基板4为圆柱体形状，其上表面向下的中间位置设有第二凹槽41，且第二凹槽41的半径大于通孔15的面积。芯片定位座3位于第二凹槽41内，第二凹槽41的内半径大于芯片定位座3的外半径，芯片定位座3可以相对角度调节基板4作小幅移动或转动，以对芯片定位座3相对角度调节基板4沿X方向或Y方向进行水平调节。
请重点参照图6，X/Y向水平调节组件5包括若干水平设于第二凹槽41侧壁的水平调节顶丝51，优选的，水平调节顶丝51设有四个，包括一对沿X向对称分布的X向水平调节顶丝和一对沿Y向对称分布的Y向水平调节顶丝。具体的，第二凹槽41的侧壁设有与水平调节顶丝51相适配的水平调节顶丝孔42，水平调节顶丝51设于水平调节顶丝孔42内，通过旋动X向水平调节顶丝和Y向水平调节顶丝推动芯片定位座3相对角度调节基板4分别沿X向和Y向的小幅移动，以实现光电转换芯片9沿水平X/Y向的调节。
优选的，每个水平调节顶丝51上方均设有水平锁紧顶丝71，水平锁紧顶丝71垂向穿过角度调节基板4与水平调节顶丝51接触连接，具体的，当通过水平调节顶丝51对光电转换芯片9进行水平X/Y向调节之后，通过水平锁紧顶丝71对其进行锁紧，避免在进行其他自由度调节时发生水平X/Y向位移。
请继续参照图6，Z向及绕X/Y向调节组件6包括若干球头定位销61和若干平端顶丝63、与每个球头定位销61螺纹连接的球头销升降顶丝62；球头销升降顶丝62与角度调节基板4螺纹连接，并穿过角度调节基板4与球头定位销61一端的杆体连接，球头定位销61另一端的球头则与设置于定位基座1上的定位盲孔相适配，平端顶丝63贯穿角度调节基板4，与角度调节基板4螺纹连接。
优选的，球头定位销61和平端顶丝63的数量均为2个，且球头定位销61和平端顶丝63通过圆心对称分布于角度调节基板4上，即一对球头定位销61和平端顶丝63沿X向对称分布在角度调节基板4的外圈下方，用于绕X向的调节；另一对球头定位销61和平端顶丝63沿Y向对称分布在角度调节基板4的外圈下方，用于绕Y向调节。定位基座1上设有分别与两个球头定位销61对应的定位圆盲孔11和定位长圆盲孔12，以及与平端顶丝63相适配的平端顶丝孔13，如图12所示。具体的，将两个球头定位销61分别插入定位基座1上表面的定位圆盲孔11和定位圆盲孔12，实现六自由度调节机构2相对光路沿竖直Z向以及绕X/Y向的旋转调节；在竖直Z向上，六自由度调节机构2采用四角支撑方式。其中2个角通过2个球头定位销61球面分别顶在定位圆盲孔11和定位长圆盲孔12的底平面，另两个角依靠2个平端顶丝63顶在定位基座1上平面来定位，由于球头定位销61和平端顶丝63沿Z向的长度可按光路要求组合调节。其中针对定位圆盲孔11的位置，通过转动球头销升降顶丝62，使其在位于角度调节基板4对应的螺孔内旋转，就可以实现角度调节基板4对应一角沿Z向的调节，继而实现芯片定位座3对应一角沿Z向的调节，同时，由于球头定位销61的固定作用，此外，在角度调节基板4升降的过程中角度调节基板4不会发生沿水平X/Y向的位移，定位效果可靠。针对定位长圆盲孔12的位置，除了定位圆盲孔11和定位长圆盲孔12的形状不同，其调节机理与定位圆盲孔11位置相似，此处球头定位销61伸入定位长圆盲孔12内，转动其上方的球头销升降顶丝62，实现芯片定位座3对应一角的升降功能。同时，六自由度调节机构2的另外两个角则通过旋转平端顶丝63在平端顶丝孔13内进行升降运动，以完成六自由度调节机构2沿Z向的调节。此外定位长圆盲孔12内的球头定位销61与定位圆盲孔11内的球头定位销61结合也可实现定位六自由度调节机构2绕Z向的轴向旋转Rz。以此完成了六自由度调节机构2相对于光路沿竖直Z向以及沿光轴绕X/Y向的调节，也即实现了光电转换芯片9相对于光路沿竖直Z向以及沿光轴绕X/Y向的调节。
优选的，Z向及绕X/Y向调节组件6还包括设于角度调节基板4与定位基座1之间的若干锁紧螺钉72，定位基座2上设有与锁紧螺钉72相适配的锁紧螺钉孔14。在对角度调节基板4的四个角调好之后，将锁紧螺钉72穿过角度调节基板4与锁紧螺钉孔14进行锁紧，避免其在使用过程中或受到冲击而发生位移，从而影响定位效果。
请继续参照图6，锁紧螺钉72的数量为4个，均匀分布在角度调节基板4的外圈，每个锁紧螺钉72的外圈套设消隙弹簧73，用于在装调过程中消掉锁紧螺钉72与设于定位基座1上的锁紧螺钉孔14之间的螺纹间隙，进一步提高了定位效果。
请重点参照图7，绕Z向调节组件8包括水平设于角度调节基板4外侧的凸边43，沿水平贯穿凸边43与芯片定位座3外侧连接的角度调节杆81，以及穿过凸边43的角度调节螺丝82，角度调节螺丝82与角度调节杆81垂直接触连接。优选的，凸边43的两侧均设有与角度调节杆81垂直接触连接的角度调节螺丝82，凸边43内部设有与角度调节杆81相适配的圆孔44，以及与角度调节螺丝82相适配的螺丝孔45。具体的，圆孔44的尺寸大于角度调节杆81的尺寸，角度调节螺丝82的数量为2个，位于凸边43的两侧，且与圆孔44相通，通过这2个角度调节螺丝82的组合作用，可以对角度调节杆3在很小范围内进行高精度扳动，从而实现芯片定位座2相对角度调节基板4的绕光轴即Z向的角度调节Rz。
该六自由度调节装置的调节过程如下：首先将光电转换芯片9通过芯片压板33与定位面34贴合，将该芯片固定在芯片定位座3上；其次，将芯片定位座3置于角度调节基板4的第二凹槽41内，完成芯片定位座3与角度调节基板4的初步固定；接着将角度调节基板4与定位基座1通过球头定位销61和平端顶丝63进行预固定；然后依次通过X/Y向水平调节组件5、Z向及绕X/Y向调节组件6以及绕Z向调节组件8对六自由度调节机构2依次进行X/Y向、Z向及绕X/Y向以及绕Z向的六自由度调节，以完成对光电转换芯片9的六自由度调节。
由于本发明六自由度调节装置中定位基座1和六自由度调节机构2均由铝材料制成，质量轻便，且芯片定位座3与角度调节基板4，以及六自由度调节机构2和定位基座1之间结构紧凑，因此占用空间小，很好地满足了高精度光刻机的需要。
本发明提供的六自由度调节装置，包括定位基座1和与定位基座1连接的六自由度调节机构2，六自由度调节机构2包括芯片定位座3，与芯片定位座3相适配的角度调节基板4，以及设于角度调节基板4上的X/Y向水平调节组件5、Z向及绕X/Y向调节组件6、绕Z向调节组件8。本发明不仅有效实现对光电转换芯片9的六自由度调节，无需借助其他定位装置，精度高、操作简便；且芯片的旋转中心与光轴重合，进行绕光轴旋转调节时，不会使其他自由度发生变化，调节快、效率高，本发明结构简单，重量轻便，成本低廉，切实满足了实际应用的需要。
虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (15)

1.一种六自由度调节装置，其特征在于，包括定位基座和与所述定位基座连接的六自由度调节机构，所述六自由度调节机构包括用于装配芯片的芯片定位座，用于装配所述芯片定位座的角度调节基板，设于所述角度调节基板上的X/Y向水平调节组件、Z向及绕X/Y向调节组件及绕Z向调节组件。
2.根据权利要求1所述的六自由度调节装置，其特征在于，所述芯片定位座为圆柱体形状，其上表面向下开设有用于装配所述芯片的第一凹槽，所述角度调节基板上表面向下开设有用于装配所述芯片定位座的第二凹槽。
3.根据权利要求2所述的六自由度调节装置，其特征在于，所述第二凹槽的内半径大于所述芯片定位座的外半径。
4.根据权利要求2所述的六自由度调节装置，其特征在于，所述第一凹槽内侧至少一边设有定位凸台。
5.根据权利要求2或4所述的六自由度调节装置，其特征在于，所述第一凹槽的侧边开设有芯片拆装孔。
6.根据权利要求2所述的六自由度调节装置，其特征在于，所述芯片定位座上方设有芯片压板，将所述芯片压紧在所述第一凹槽内。
7.根据权利要求3所述的六自由度调节装置，其特征在于，所述X/Y向水平调节组件包括若干水平贯穿所述第二凹槽侧壁的水平调节顶丝，使所述芯片定位座可以相对所述角度调节基板移动。
8.根据权利要求7所述的六自由度调节装置，其特征在于，所述水平调节顶丝设有四个，包括一对沿X向对称分布的X向水平调节顶丝和一对沿Y向对称分布的Y向水平调节顶丝。
9.根据权利要求7所述的六自由度调节装置，其特征在于，每个所述水平调节顶丝上方均设有水平锁紧顶丝，所述水平锁紧顶丝垂向穿过所述角度调节基板与所述水平调节顶丝接触锁紧。
10.根据权利要求1所述的六自由度调节装置，其特征在于，所述Z向及绕X/Y向调节组件包括若干球头定位销和若干平端顶丝，以及与每个所述球头定位销连接的球头销升降顶丝；所述球头销升降顶丝与所述角度调节基板螺纹连接，并穿过所述角度调节基板与所述球头定位销一端的杆体连接，所述球头定位销另一端的球头则与设置于所述定位基座上的定位盲孔相适配，所述平端顶丝贯穿所述角度调节基板，与所述角度调节基板螺纹连接。
11.根据权利要求10所述的六自由度调节装置，其特征在于，所述球头定位销和所述平端顶丝的数量均为2个，所述球头定位销和所述平端顶丝按圆心对称分布于所述角度调节基板上。
12.根据权利要求10所述的六自由度调节装置，其特征在于，所述Z向及绕X/Y向调节组件还包括若干锁紧螺钉，所述锁紧螺钉穿过所述角度调节基板后与所述定位基座连接。
13.根据权利要求12所述的六自由度调节装置，其特征在于，每个所述锁紧螺钉外均套设有消隙弹簧。
14.根据权利要求1所述的六自由度调节装置，其特征在于，所述绕Z向调节组件包括水平设于所述角度调节基板外侧的凸边，沿水平向贯穿所述凸边并与所述芯片定位座外侧连接的角度调节杆，以及穿过所述凸边且位于所述角度调节杆两侧的角度调节螺丝，所述角度调节螺丝与所述角度调节杆垂直接触连接。
15.根据权利要求1所述的六自由度调节装置，其特征在于，所述芯片为光电芯片，所述芯片定位座、角度调节基板和定位基座的轴向中心均设有用于通光的通孔。
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