CN109488686B - 一种基于气磁悬浮的直线运动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于气磁悬浮的直线运动装置；通过气磁悬浮在空间上的多点合理分布，可将悬浮滑块的直线运动限制在单侧开放式的滑槽中，在降低了质量、节省了空间的同时，使该装置同时具有气浮的高精度优势和磁浮的高稳定性优势，并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。本发明可建立一种体积小、质量轻、高速度、低磨损的直线运动装置。

Description

一种基于气磁悬浮的直线运动装置
技术领域
本发明属于精密仪器及机械技术领域，特别涉及一种基于气磁悬浮的直线运动装置。
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 for300mm 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。
一系列专利CN 201610023016、CN201610023017、CN201610023018、CN201610023019和CN201610023020提出的“气磁结合气浮双工件台矢量圆弧换台方法及装置”，解决了现有换台方案节拍多、轨迹长、起停环节多、稳定时间长等问题，减少换台环节，缩短了换台时间，提高了光刻机的产率。但是由于台体过于沉重，无法用于悬挂式的运动场合，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磁悬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，提出一种基于气磁悬浮的直线运动装置，通过气磁悬浮在空间上的多点合理分布，可将悬浮滑块的直线运动限制在单侧开放式的滑槽中，在降低了质量、节省了空间的同时，使得气磁悬浮的直线运动装置同时具有气浮的高精度优势和磁浮的高稳定性优势，并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：
一种基于气磁悬浮的直线运动装置，包括悬浮滑块和气磁基座，所述气磁基座内部设置有气路管道并留有供气入口；气磁基座的中心加工有矩形窗口，气磁基座上安装有读数头和气浮调整模块，气磁基座和气浮调整模块上均加工有多排气浮支承点，靠近气浮支承点处平行安装有若干枚磁性体；在磁性体的中间安装有下层电磁线圈，下层电磁线圈的正上方安装有上层电磁线圈；所述悬浮滑块包括平行安装的气浮导轨、对称分布的磁预紧模块和运动刀片，磁预紧模块通过转接头安装在气浮导轨内侧，气浮导轨通过支架平行安装，支架上安装有动磁钢、光栅尺和运动刀片，悬浮滑块的首末端安装有防撞阻尼器。
所述悬浮滑块安装在由气磁基座和气浮调整模块包围成的滑槽中，其中气浮导轨的安装位置与多排气浮支承点对应，磁预紧模块的安装位置与磁性体对应，动磁钢的安装位置与下层电磁线圈对应，光栅尺的安装位置与读数头对应，运动刀片的安装位置与矩形窗口对应。
所述下层电磁线圈、动磁钢和上层电磁线圈依次配合安装，并驱动悬浮滑块沿滑槽进行往复直线运动；所述气浮导轨与气浮支承点配合安装构成气悬浮，磁预紧模块与磁性体构成磁悬浮，气、磁悬浮平行配置，并平行安装于悬浮滑块的运动方向，对悬浮滑块的直线运动进行支撑和导向。
气浮导轨与气浮支承点构成的气悬浮采用多点支撑方式，磁预紧模块与磁性体构成的磁悬浮采用多点支撑方式。
气浮调整模块、气浮导轨与气浮支承点构成的气悬浮和磁预紧模块与磁性体构成的磁悬浮三者共同构成了力封闭式悬浮结构。
支架结构将光栅尺和运动刀片的位置抬高直至高于滑槽的位置，抬高所形成的空间用以安装上层电磁线圈。
本发明具有以下特点及有益效果：
1、本发明装置中悬浮滑块的直线运动是由两个方向的恒定气悬浮、一个方向的可调节气悬浮以及一个方向的磁悬浮进行支承和导向的，其中恒定气悬浮通过气磁基座上的多排气浮支承点实现，调节气悬浮通过气浮调整模块实现，磁悬浮通过磁预紧模块实现，以上构成了气磁悬浮导轨的可调节力封闭式结构，由于兼顾了气浮的高精度优势和磁浮的高稳定性优势，可对气浮导轨进行高稳定性的支承和高精度的导向。
2、本发明装置通过气磁悬浮在空间上的多点合理分布，使悬浮滑块能够沿着单侧开放式的滑槽进行直线运动，滑槽的开放一侧通过支架安装有运动刀片、光栅尺等功能性结构，可以进一步执行步进或连续扫描、位置反馈控制等功能，结合这些功能最终达到高速、高加速、高频运动的目的。
本发明装置用途广泛，尤其适用于光刻机曝光系统中小型直线运动机构的高速、高频及高精度运动场合。
附图说明
图1为一种基于气磁悬浮的直线运动装置示意图。
图2为气磁基座结构示意图。
图3为悬浮滑块结构示意图。
图中：1、悬浮滑块；2、气磁基座；3、浮调整模块；4、下层电磁线圈；5、上层电磁线圈；6、磁性体；7、气浮支承点；8、读数头；9、供气入口；10、气浮导轨；11、支架；12、磁预紧模块；13、转接头；14、动磁钢；15、防撞阻尼器；16、光栅尺；17、运动刀片；18、矩形窗口；19、滑槽。
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1，一种基于气磁悬浮的直线运动装置，包括悬浮滑块1和气磁基座2，浮滑块1安装在气磁基座2的滑槽19中，在动磁钢14与运动刀片17之间安装有上层电磁线圈5。
参考图2，所述气磁基座2的中心加工有矩形窗口18，气磁基座2上安装有读数头8和气浮调整模块3，气磁基座2与气浮调整模块3形成了单侧开放式的滑槽19；围绕滑槽19，气磁基座2和气浮调整模块3上均加工有多排气浮支承点7，气磁基座2内部设置有气路管道将气浮支承点7相互连通，并留有供气入口9；靠近气浮支承点7处平行安装有若干枚磁性体6，在磁性体的中间安装有下层电磁线圈4。
参考图3，所述悬浮滑块1包括平行安装的气浮导轨10、对称分布的磁预紧模块12和运动刀片17，磁预紧模块12通过转接头13安装在气浮导轨10内侧，气浮导轨10通过支架11平行安装，支架11上安装有动磁钢14、光栅尺16和运动刀片17，悬浮滑块1的首末端安装有防撞阻尼器15；
参考图1-3，气浮导轨10的安装位置与多排气浮支承点7对应，磁预紧模块12的安装在磁性体6上方，动磁钢14的安装在下层电磁线圈4上方，上层电磁线圈5安装在动磁钢14上方，光栅尺16的安装位置与读数头8对应，运动刀片17的安装在矩形窗口18上方；气浮导轨10与气浮支承点7构成的气悬浮采用多点支撑方式，磁预紧模块12与磁性体6构成的磁悬浮采用多点支撑方式；气浮调整模块3、气浮导轨10与气浮支承点7构成的气悬浮和磁预紧模块12与磁性体6构成的磁悬浮三者共同构成了力封闭式悬浮结构；支架11将光栅尺16和运动刀片17的位置抬高直至高于滑槽19的位置，抬高所形成的空间用以安装上层电磁线圈5。
该装置工作时，所述下层电磁线圈4和上层电磁线圈5对应的线圈依次工作，使动磁钢14产生相对运动，并驱动悬浮滑块1沿滑槽19进行往复直线运动；所述气浮导轨10与气浮支承点7配合安装构成气悬浮，磁预紧模块12与磁性体6构成磁悬浮，气、磁悬浮平行配置，并平行安装于悬浮滑块1的运动方向，对悬浮滑块1的直线运动进行多点支撑和导向；悬浮滑块1通过支架搭载运动刀片17作为执行机构进行步进或连续扫描；读数头8与光栅尺16配合使用对刀片17的运动和定位进行反馈控制，并最终实现高速、高加速、高频运动的目的。

Claims (4)

1.一种基于气磁悬浮的直线运动装置，包括悬浮滑块(1)和气磁基座(2)；其特征在于：所述气磁基座(2)内部设置有气路管道并留有供气入口(9)；气磁基座(2)的中心加工有矩形窗口(18)，气磁基座(2)上安装有读数头(8)和气浮调整模块(3)，气磁基座(2)和气浮调整模块(3)上均加工有多排气浮支承点(7)，靠近气浮支承点(7)处平行安装有若干枚磁性体(6)；在磁性体的中间安装有下层电磁线圈(4)，下层电磁线圈(4)的正上方安装有上层电磁线圈(5)；所述悬浮滑块(1)包括平行安装的气浮导轨(10)、对称分布的磁预紧模块(12)和运动刀片(17)，磁预紧模块(12)通过转接头(13)安装在气浮导轨(10)内侧，气浮导轨(10)通过支架(11)平行安装，支架(11)上安装有动磁钢(14)、光栅尺(16)和运动刀片(17)，悬浮滑块(1)的首末端安装有防撞阻尼器(15)；
所述悬浮滑块(1)安装在由气磁基座(2)和气浮调整模块(3)包围成的滑槽(19)中，其中气浮导轨(10)的安装位置与多排气浮支承点(7)对应，磁预紧模块(12)的安装位置与磁性体(6)对应，动磁钢(14)的安装位置与下层电磁线圈(4)对应，光栅尺(16)的安装位置与读数头(8)对应，运动刀片(17)的安装位置与矩形窗口(18)对应；
所述下层电磁线圈(4)、动磁钢(14)和上层电磁线圈(5)依次配合安装，并驱动悬浮滑块(1)沿滑槽(19)进行往复直线运动；所述气浮导轨(10)与气浮支承点(7)配合安装构成气悬浮，磁预紧模块(12)与磁性体(6)构成磁悬浮，气、磁悬浮平行配置，并平行安装于悬浮滑块(1)的运动方向，对悬浮滑块(1)的直线运动进行支撑和导向。
2.根据权利要求1所述的一种基于气磁悬浮的直线运动装置，其特征在于：气浮导轨(10)与气浮支承点(7)构成的气悬浮采用多点支撑方式，磁预紧模块(12)与磁性体(6)构成的磁悬浮采用多点支撑方式。
3.根据权利要求1所述的一种基于气磁悬浮的直线运动装置，其特征在于：气浮调整模块(3)、气浮导轨(10)与气浮支承点(7)构成的气悬浮和磁预紧模块(12)与磁性体(6)构成的磁悬浮三者共同构成了力封闭式悬浮结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于气磁悬浮的直线运动装置，其特征在于：支架(11)结构将光栅尺(16)和运动刀片(17)的位置抬高直至高于滑槽(19)的位置，抬高所形成的空间用以安装上层电磁线圈(5)。
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