CN108547870B - 一种带有非等深节流腔的气浮支承导向装置 - Google Patents

一种带有非等深节流腔的气浮支承导向装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种带有非等深节流腔的气浮支承导向装置；通过在气浮工作面上有规律的布置节流塞，形成非等深的阵列节流腔，在保证气浮导轨承载和稳定性的前提下，可提高气浮工作面上单位面积的转动刚度。本发明可建立一种体积小、悬臂长、转矩载荷大的浮支承导向装置。

Description

一种带有非等深节流腔的气浮支承导向装置
技术领域
本发明属于精密仪器及机械技术领域，特别涉及一种带有非等深节流腔的气浮支承导向装置。
背景技术
近年来，随着先进芯片制造业逐渐朝向功能集成化和体积微小化发展，气体静压直线运动基准以其高速度和高精度等显著优点而成为尖端光刻机中的关键部件之一；光刻机曝光系统中光阑片的高速、高加速以及高运动精度需求，对气体静压直线运动基准中的气体静压导轨提出了高承载能力、高转动刚度的要求；为避免直线运动机构遮挡光路或触碰光学器件，光阑片安装在直线运动基准的悬臂端，因此需要提高气体静压导轨的转动刚度，来抵抗光阑片高加速运动时产生的转动力矩；而光刻机曝光系统复杂而精密，其气体静压直线运动机构需要小型化，因此提高单位面积上的转动刚度，成为制约气体静压导轨在光刻机曝光系统中应用的主要技术难题。
2008年，荷兰ASML公司所研发的Twinscan XT 1950i型光刻机，可以实现38nm芯片激光刻蚀。其曝光系统中的直线运动基准采用机械导轨结构，并达到了40m/s2的加速度运动(Y.B.Patrick Kwan,Erik L.Loopstra.Nullifying Acceleration Forces in Nano-Positioning Stages for Sub-0.1mm Lithography Tool for 300mm Wafers[J].proceeding of SPIC：Optical Microlithography,2010,4346：544-557)；但随着芯片制造业的发展，传统的滑动/滚动导轨难以满足高加速度运动以及工作温度稳定性的要求。
专利CN201220540610“二维无摩擦长距离运动的多层气浮吊挂装置”提出了一种气浮导向的吊挂式运动装置，主要包括单层吊挂装置和展开实验架，单层吊挂装置包括支撑部件、气浮随动部件、检测部件和导轨系统，气浮随动部件包括纵向气浮套、两个横向气浮套、两个气浮座、伸缩气管、横向气浮轴和吊挂工装；该装置可以实现大位移长距离随动运动，并满足多层吊挂装置间的配合运动；但是该发明装置是一种随动运动装置，不能保证运动精度，且需要安装在展开实验架上使用，结构不够紧凑。
专利CN201310436356“气浮悬挂式三维展开实验装置”提出一种定位精度高响应速度快的三维运动装置，主要包括十几个气浮运动机构空间上对应分布，并借助滑轮、吊绳、配重等机构安装在支承框架内部；但是该装置虽然可以满足一定的运动精度，但是由于运动环节较多，在高频运动状态下，在输出端不能够确保快速而准确的位移响应，且结构不够紧凑。
专利CN201410839808“一种双气浮导轨式光栅刻划刀架驱动装置”提出一种小型的一维运动装置，主要包括平行安装的两组气浮导轨，并通过固连气浮滑套的方式来提高刻划刀架的运动稳定性；该装置可以实现高速、高频运动，但是相比与该装置的位移输出端，如刀架转接板及刻画刀架，其气浮导轨过于庞大，因此单位面积上的转动刚度较差，且需要刀架配重块来保持平衡。
专利CN201610130635“双面气浮运输台”和专利CN201710832517“一种基于H型气浮导轨的运动平台”分别提出了实现二维运动的气浮装置，可以在兼顾稳定性的同时实现较高的运动和定位精度，但是两种装置的使用方法均为搭载式，无法用于悬挂式或悬臂式的运动场合，且对于光刻机曝光系统来说，体积过于庞大。
上述发明的共同之处是均不能将小型的气浮导轨应用在高速、高加速、高频运动状况，然而在光刻机曝光系统中，光阑片的高速高精度运动需要通过气浮支承及导向的方式来实现，这就要求提高直线气浮导轨在单位面积上承载与的转动刚度，进而提高悬臂式直线运动基准的可靠准确性。
发明内容
本发明的目的就是针对上述已有技术存在的问题，提出一种带有非等深节流腔的气浮支承导向装置，通过在气浮工作面上有规律的布置节流塞，形成非等深的阵列节流腔，在保证气浮导轨承载和稳定性的前提下，可提高单位面积的气浮工作面上的转动刚度，最终通过结合精密驱动与反馈控制，达到高速、高加速、高频运动的目的。
上述目的通过以下的技术方案实现：
一种带有非等深节流腔的气浮支承导向装置，包括气浮导轨、U型气浮底板、气封螺钉、气浮盖板、负载单元以及导轨基座；所述U型气浮底板内侧加工有B、D、H三个气浮工作面，在B、D、H三个气浮工作面上安装有若干个非等深的节流塞；在B、D、H的外侧分别加工有对应的非工作面A、C、G，在A、C两个非工作面上安装有若干个封气塞；面A与B之间、C与D之间加工有若干条贯通的横向支气道，封气塞与节流塞安装在横向支气道的两侧出口；面E、F之间加工有若干条贯通的纵向支气道，端塞安装在纵向支气道的两侧出口；垂直于面H加工有若干条垂向支气道，节流塞安装在垂向支气道的单侧出口；垂直于面M和N各加工有一条垂向主气道，在垂向主气道出口处安装有密封圈；垂直于面A加工有一条横向主气道，在横向主气道出口处安装有端塞；垂直于面E加工有一条纵向主气道，在纵向主气道出口处安装有端塞；垂直于面C加工有一条进气道；
所述进气道连通并垂直于纵向主气道，纵向主气道连通并垂直于垂向主气道，垂向主气道连通并垂直于横向主气道，垂向主气道和横向主气道连通并垂直于纵向支气道，纵向支气道连通并垂直于横向支气道和垂向支气道。既高压气体从进气道进入，依次经过纵向主气道、垂向主气道、横向主气道、纵向支气道，最后通过安装在垂向主气道和横向主气道的节流塞进入气浮工作面B、D、H；
所述气封螺钉将U型气浮底板与气浮盖板连接，负载单元安装在气浮气浮盖板上，导轨安装在U型气浮底板与气浮盖板所形成力封闭式气浮支承及导向结构中；工作时，气浮导轨通过导轨基座固定，浮底板、气浮盖板和负载单元沿气浮导轨方向运动。
在B、D、H三个气浮工作面上安装有若干个非等深的节流塞，形成了若干个非等深的腔，并在工作面B、D、H有规律的分布。
纵向支气道、横向支气道和垂向支气道的条数随工作面B、D、H的面积而规律变化，封气塞与节流塞的个数随纵向支气道、横向支气道和垂向支气道的条数而规律变化。
节流塞的材料硬度大于U型气浮底板和气浮盖板的材料硬度，如节流塞采用合金铜CuZn20Al2材质，浮底板和气浮盖板采用便面阳极合金铝AlZnMgCu1.5材质。
本发明具有以下特点及有益效果：
1、本发明装置中的U型气浮底板包含进气道、垂向主气道、纵向主气道、横向主气道、垂向支气道、纵向支气道与横向支气道，各气道交错分布，可将高压气体通过节流塞输送至B、D、H三个气浮工作面，形成了互不干扰的弹性气膜，对气浮导轨进行高稳定性的支承和高精度的导向。
2、本发明装置中的U型气浮底板与气浮盖板配合所形成力封闭式气浮支承及导向结构，其工作面上规律分布着非等深节流腔，可以实现高压气体的二次节流，并有助于压力匀化并提高气膜刚度，当U型气浮底板与气浮盖板相对于气浮导轨产生转动时，气膜与对应的非等深节流腔产生气阻匹配，并形成偏载支承力，最终实现增强转动刚度的目的。
本发明装置用途广泛，尤其适用于光刻机曝光系统中小型悬臂机构的高速、高频及高精度运动场合。
附图说明
图1为一种带有非等深节流腔的气浮支承导向装置示意图。
图2为U型气浮底板示意图。
图3为U型气浮底板主视图。
图4为U型气浮底板垂向支气道剖视图。
图5为U型气浮底板纵向支气道剖视图。
图中：1、气浮导轨；2、U型气浮底板；3、气封螺钉；4、气浮盖板；5、负载单元；6、导轨基座；7、端塞；8、封气塞；9、垂向主气道；10、节流塞；11、密封圈；12、纵向支气道；13、横向支气道；14、进气道；15、垂向支气道；16、纵向主气道；17、横向主气道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。
参考图1，一种带有非等深节流腔的气浮支承导向装置，包括气浮导轨1、U型气浮底板2、气封螺钉3、气浮盖板4、负载单元5以及导轨基座6；气封螺钉3将U型气浮底板2与气浮盖板4连接，负载单元5安装在气浮气浮盖板4上，导轨1安装在U型气浮底板2与气浮盖板4所形成力封闭式气浮支承及导向结构中；工作时，气浮导轨1通过导轨基座6固定，浮底板2、气浮盖板4和负载单元5沿气浮导轨1方向运动。
参考图2-5，U型气浮底板2内侧加工有B、D、H三个气浮工作面，在B、D、H三个气浮工作面上安装有若干个非等深的节流塞10；在B、D、H的外侧分别加工有对应的非工作面A、C、G，在A、C两个非工作面上安装有若干个封气塞8；面A与B之间、C与D之间加工有若干条贯通的横向支气道13，封气塞8与节流塞10安装在横向支气道13的两侧出口；面E、F之间加工有若干条贯通的纵向支气道12，端塞7安装在纵向支气道12的两侧出口；垂直于面H加工有若干条垂向支气道15，节流塞10安装在垂向支气道15的单侧出口；垂直于面M和N各加工有一条垂向主气道9，在垂向主气道9出口处安装有密封圈11；垂直于面A加工有一条横向主气道17，在横向主气道7出口处安装有端塞7；垂直于面E加工有一条纵向主气道16，在纵向主气道16出口处安装有端塞7；垂直于面C加工有一条进气道14；
进气道14连通并垂直于纵向主气道16，纵向主气道16连通并垂直于垂向主气道9，垂向主气道9连通并垂直于横向主气道17，垂向主气道9和横向主气道17连通并垂直于纵向支气道12，纵向支气道12连通并垂直于横向支气道13和垂向支气道15；既高压气体从进气道14进入，依次经过纵向主气道16、垂向主气道9、横向主气道17、纵向支气道12，最后通过安装在垂向主气道9和横向主气道17的节流塞10进入气浮工作面B、D、H；
在B、D、H三个气浮工作面上安装有若干个非等深的节流塞10，形成了若干个非等深的腔，并在工作面B、D、H有规律的分布。
纵向支气道12、横向支气道13和垂向支气道15的条数随工作面B、D、H的面积而规律变化，封气塞8与节流塞10的个数随纵向支气道12、横向支气道13和垂向支气道15的条数而规律变化。
节流塞10的材料硬度大于U型气浮底板2和气浮盖板4的材料硬度，如节流塞10采用合金铜CuZn20Al2材质，浮底板2和气浮盖板4采用阳极合金铝AlZnMgCu1.5材质。

Claims (4)

1.一种带有非等深节流腔的气浮支承导向装置，包括气浮导轨(1)、U型气浮底板(2)、气封螺钉(3)、气浮盖板(4)、负载单元(5)以及导轨基座(6)；其特征在于：所述U型气浮底板(2)内侧加工有B、D、H三个气浮工作面，在B、D、H三个气浮工作面上安装有若干个非等深的节流塞(10)；在B、D、H的外侧分别加工有对应的非工作面A、C、G，在A、C两个非工作面上安装有若干个封气塞(8)；面A与B之间、C与D之间加工有若干条贯通的横向支气道(13)，封气塞(8)与节流塞(10)安装在横向支气道(13)的两侧出口；面E、F之间加工有若干条贯通的纵向支气道(12)，端塞(7)安装在纵向支气道(12)的两侧出口；垂直于面H加工有若干条垂向支气道(15)，节流塞(10)安装在垂向支气道(15)的单侧出口；垂直于面M和N各加工有一条垂向主气道(9)，在垂向主气道(9)出口处安装有密封圈(11)；垂直于面A加工有一条横向主气道(17)，在横向主气道(17)出口处安装有端塞(7)；垂直于面E加工有一条纵向主气道(16)，在纵向主气道(16)出口处安装有端塞(7)；垂直于面C加工有一条进气道(14)；
所述进气道(14)连通并垂直于纵向主气道(16)，纵向主气道(16)连通并垂直于垂向主气道(9)，垂向主气道(9)连通并垂直于横向主气道(17)，垂向主气道(9)和横向主气道(17)连通并垂直于纵向支气道(12)，纵向支气道(12)连通并垂直于横向支气道(13)和垂向支气道(15)；既高压气体从进气道(14)进入，依次经过纵向主气道(16)、垂向主气道(9)、横向主气道(17)、纵向支气道(12)，最后通过安装在垂向主气道(9)和横向主气道(17)的节流塞(10)进入气浮工作面B、D、H；
所述气封螺钉(3)将U型气浮底板(2)与气浮盖板(4)连接，负载单元(5)安装在气浮气浮盖板(4)上，导轨(1)安装在U型气浮底板(2)与气浮盖板(4)所形成力封闭式气浮支承及导向结构中；工作时，气浮导轨(1)通过导轨基座(6)固定，U型气浮底板(2)、气浮盖板(4)和负载单元(5)沿气浮导轨(1)方向运动。
2.根据权利要求1所述的一种带有非等深节流腔的气浮支承导向装置，其特征在于：在B、D、H三个气浮工作面上安装有若干个非等深的节流塞(10)，形成了若干个非等深的腔，并在工作面B、D、H有规律的分布。
3.根据权利要求1所述的一种带有非等深节流腔的气浮支承导向装置，其特征在于：纵向支气道(12)、横向支气道(13)和垂向支气道(15)的条数随工作面B、D、H的面积而规律变化，封气塞(8)与节流塞(10)的个数随纵向支气道(12)、横向支气道(13)和垂向支气道(15)的条数而规律变化。
4.根据权利要求1所述的一种带有非等深节流腔的气浮支承导向装置，其特征在于：节流塞(10)的材料硬度大于U型气浮底板(2)和气浮盖板(4)的材料硬度。
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