CN113059537B - 柔性铰链机构、超精密直线运动平台及双工件工作台 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种柔性铰链机构、超精密直线运动平台及双工件工作台，柔性铰链机构可以通过控制至少三个音圈电机的同步升降来实现工作台的高度调节，可以通过处于同一边上的音圈电机升降与其它边上的音圈电机产生高度差来实现工作台的偏转俯仰。一方面采用冗余驱动替代并联机构，无需解耦；另一方面，采用音圈电机驱动的柔性铰链组，所述柔性铰链片组分别与所述基座和工作台固定，单一模态，避免了高速运动时的多模态叠加。上述柔性铰链机构可应用在机械导轨式直线平台上，通过偏摆俯仰和高度调节，实现更高的平面度和直线度；还可以配合接触切换式多轴气浮导轨平台，六自由度工件台，满足光刻机的六自由度调整需求。

Description

柔性铰链机构、超精密直线运动平台及双工件工作台

技术领域

本发明涉及高端装备制造技术领域，具体涉及一种柔性铰链机构、超精密直线运动平台及双工件工作台。

背景技术

高速精密运动平台是高端装备的核心基础部件，广泛应用于半导体制造、激光加工、精密检测中。随着技术的发展，对运动平台的定位精度、重复定位精度、直线度、平面度都提出了极高的要求。在先技术发明了刚柔耦合运动平台和刚柔耦合气浮平台，通过柔性铰链弹性变形补偿摩擦死区，解决了定位精度和重复定位精度的问题。然而，机械导轨直线平台直线度和平面度受制造和安装误差的影响，只能达到微米级。另外，光刻机平台需要XY大范围运动和三个角度与Z方向的精密微调。在先发明只解决了XY大范围精密运动和Z轴旋转微调问题。需要能够调节Z(高度)方向和俯仰偏转的三自由度机构来实现直线度平面度的补偿或者组成六自由度精密运动平台，满足光刻机等高端装备的需求。

现有三自由度调节机构主要有能够调节两个偏角和高度方向的刚性平台，主要用于光学仪器中。另一类三自由度调节机构是并联柔性铰链机构，各自由度存在运动耦合，运动控制较为困难。当行程要求较大时，通常采用压电陶磁驱动多级放大机构来实现。在高速时，多级放大机构存在多模态振动叠加，精密位置控制困难。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种柔性铰链机构、超精密直线运动平台及双工件工作台。

为了克服现有技术的不足，本发明所提供的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种柔性铰链机构，包括基座、工作台、柔性铰链片组和至少三个音圈电机，所述工作台间隔设于所述工作台上方,所述至少三个音圈电机在所述基座和所述工作台之间排成多边形,所述音圈电机包括音圈电机定子和音圈电机动子，所述音圈电机定子固定在所述基座上，所述音圈电机动子与所述工作台连接；所述柔性铰链片组的一端与所述连接部固定，所述柔性铰链片组的另一端与所述工作台固定。

在一个实施例中，所述基座包括矩形基座，所述工作台为矩形工作台，所述至少三个音圈电机包括四个音圈电机，所述四个音圈电机的音圈电机定子分别固定于所述矩形基座的四角，所述四个音圈电机的音圈电机定子分别固定于所述矩形工作台的四角。

在一个实施例中，所述基座包括正三角形基座，所述工作台为三角形工作台，所述至少三个音圈电机包括三个音圈电机，所述三个音圈电机的音圈电机定子分别固定于所述三角形基座的三个角，所述三个音圈电机的音圈电机定子分别固定于所述三角形工作台的三个角。

在一个实施例中，柔性铰链机构还包括测量装置，所述测量装置包括读数头和光栅，所述光栅固定在所述音圈电机动子上，所述读数头固定在所述基座上。

在一个实施例中，所述测量装置还包括读数头支架，所述读数头通过读数头支架固定在所述基座上。

在一个实施例中，柔性铰链机构还包括连接架，所述连接架设于所述音圈电机动子与所述工作台之间，所述连接架分别与所述音圈电机动子和所述工作台相连接。

在一个实施例中，柔性铰链机构还包括固定板和固定块，所述柔性铰链片组的一端通过所述固定板与所述工作台相固定，所述柔性铰链片组的另一端通过固定块与所述连接部相固定。

在一个实施例中，所述柔性铰链片组包括多个柔性铰链片和隔离块，所述隔离块设于每两个相邻的所述柔性铰链片之间，所述柔性铰链片的片数根据所述工作台的负载进行变化。

第二方面，本发明提供一种超精密直线运动平台，包括第一方面所描述的柔性铰链机构和刚柔耦合直线平台，所述柔性铰链机构中的基座与所述刚柔耦合直线平台中的柔性铰链工作台相固定。

第三方面，本发明提供一种双工件工作台，包括第一方面所描述的柔性铰链机构和双工件气浮平台；所述双工件气浮平台包括Y轴直线运动平台、X轴直线运动平台和绕Z轴旋转装置，所述柔性铰链机构中的基座与所述X轴直线运动平台中的柔性铰链工作台相固定。与

现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种柔性铰链机构、超精密直线运动平台及双工件工作台，柔性铰链机构可以通过控制至少三个音圈电机的同步升降来实现工作台的高度调节，可以通过处于同一边上的音圈电机升降与其它边上的音圈电机产生高度差来实现工作台的偏转俯仰。一方面采用冗余驱动替代并联机构，无需解耦；另一方面，采用音圈电机驱动的柔性铰链组，所述柔性铰链片组分别与所述基座和工作台固定，单一模态，避免了高速运动时的多模态叠加。上述柔性铰链机构可应用在机械导轨式直线平台上，通过偏摆俯仰和高度调节，实现更高的平面度和直线度；还可以配合接触切换式多轴气浮导轨平台，六自由度工件台，满足光刻机的六自由度调整需求。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种柔性铰链机构的整体结构示意图；

图2是发明实施例提供的一种柔性铰链机构的主视图；

图3是发明实施例提供的一种柔性铰链机构的俯视图；

图4是发明实施例提供的另一种柔性铰链机构的整体结构示意图；

图5是发明实施例提供的另一种柔性铰链机构的主视图

图6是图5中I部位的局部放大图；

图7是图5中沿C-C方向对应的剖视图；

图8是图7中II部位的局部放大图；

图9是发明实施例提供的另一种柔性铰链机构的俯视图；

图10是发明实施例提供的超精密直线运动平台的整体结构示意图；

图11是发明实施例提供的超精密直线运动平台的主视图；

图12是发明实施例提供的超精密直线运动平台的俯视图；

图13是发明实施例提供的双工件工作台的整体结构示意图；

图14是发明实施例提供的双工件工作台的主视图；

图15是发明实施例提供的双工件工作台的俯视图。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1至图3示出了本申请柔性铰链机构的具体结构。

柔性铰链机构，包括基座、工作台、柔性铰链片组和至少三个音圈电机，所述工作台间隔设于所述工作台上方,所述至少三个音圈电机在所述基座和所述工作台之间排成多边形,所述音圈电机包括音圈电机定子和音圈电机动子，所述音圈电机定子固定在所述基座上，所述音圈电机动子与所述工作台连接；所述基座大于所述工作台的尺寸，所述基座上所述工作台正投影区域外具有与所述工作台高度平齐的连接部，所述柔性铰链片组的一端与所述连接部固定，所述柔性铰链片组的另一端与所述工作台固定。

柔性铰链机构一方面采用冗余驱动替代并联机构，无需解耦；另一方面，采用音圈电机驱动柔性铰链组，单一模态，避免了高速运动时的多模态叠加。上述柔性铰链机构可以应用在机械导轨式直线平台上，通过偏摆俯仰和高度调节，实现更高的平面度和直线度；除此之处，本发明还可以配合接触切换式多轴气浮导轨平台，六自由度工件台，满足光刻机的六自由度调整需求。

在本申请一个实施例中，所述基座包括矩形基座，所述工作台为矩形工作台，所述至少三个音圈电机包括四个音圈电机，所述四个音圈电机的音圈电机定子分别固定于所述矩形基座的四角，所述四个音圈电机的音圈电机定子分别固定于所述矩形工作台的四角。

在本申请一个实施例中，所述基座包括三角形基座，所述工作台为三角形工作台，所述至少三个音圈电机包括三个音圈电机，所述三个音圈电机的音圈电机定子分别固定于所述三角形基座的三个角，所述三个音圈电机的音圈电机定子分别固定于所述三角形工作台的三个角。

在上述实施例中，柔性铰链机构还包括连接架，所述连接架设于所述音圈电机动子与所述工作台之间，所述连接架分别与所述音圈电机动子和所述工作台相连接。

在上述实施例中，柔性铰链机构还包括固定板和固定块，所述柔性铰链片组的一端通过所述固定板与所述工作台相固定，所述柔性铰链片组的另一端通过固定块与所述连接部相固定。

在上述实施例中，所述柔性铰链片组包括多个柔性铰链片和隔离块，所述隔离块设于每两个相邻的所述柔性铰链片之间，所述柔性铰链片的片数根据所述工作台的负载进行变化。

为了便于精准控制工作台的偏摆俯仰和高度调节，必须精准测量出各个音圈电机的升降距离，因此给各个音圈电机都分别配备了一组测量装置。所述测量装置包括读数头和光栅，所述光栅固定在所述音圈电机动子上，所述读数头固定在所述基座上。进一步，所述测量装置还包括读数头支架，所述读数头通过读数头支架固定在所述基座上。从而实现精准测量各个音圈电机的升降距离。

图1至3示出了本申请柔性铰链机构的一种可实现方式。

所提出的柔性铰链机构A为三自由度柔性铰链机构，包括基座A1、音圈电机定子A201、磁铁A202、音圈电机动子A203、连接架A3、工作台A4、柔性铰链片A5、固定板A6、固定块A7、读数头A801、光栅A802和读数头支架A9。如图3所示，柔性铰链机构A采用四个单圈电机冗余驱动，四个音圈电机对称分布成2X2的矩阵形式。如图1和图2所示，音圈电机包括音圈电机定子A201、磁铁A202和音圈电机动子A203，磁铁A202粘贴在音圈电机定子A201的内壁上，绕有线圈的音圈电机动子A203在驱动控制下可相对音圈电机定子A203产生直线运动。音圈电机依靠音圈电机定子A201固定在基座A1上，而音圈电机动子A203依靠连接架A3与工作台A4相连接；同时，柔性铰链片A5的一端依靠固定板A6与工作台A4相固定，柔性铰链片A5的另一端依靠固定块A7与基座A1上的连接部相固定。为了便于精准控制工作台A4的偏摆俯仰和高度调节，必须精准测量出各个音圈电机的升降距离，因此给四个音圈电机都分别配备了一组测量装置。该测量装置主要包括读数头A801和光栅A802，光栅A802固定在音圈电机动子A203上，读数头A801依靠读数头支架A9固定在基座A1上，从而实现精准测量各个音圈电机的升降距离。如图3所示，本发明所提出的三自由度柔性铰链机构A可以通过控制四个音圈电机的同步升降来实现工作台A4的高度调节，可以通过排与排之间的音圈电机升降的高度差使得工作台A4沿X轴的微小旋转，即实现俯仰，也可以通过列与列之间的音圈电机升降的高度差使得工作台A4沿Y轴的微小旋转，即实现偏摆。

综上所述，相比现有的三自由度调节机构，本申请提出的柔性铰链机构一方面采用冗余驱动替代并联机构，无需解耦；另一方面，采用音圈电机驱动的单边片式柔性铰链，单一模态，避免了高速运动时的多模态叠加。

图4至图9示出了本申请柔性铰链机构的另一种可实现方式。

柔性铰链机构B为三自由度柔性铰链机构，包括基座B1、音圈电机定子B201、音圈电机动子B202、工作台B3、固定板B4、柔性铰链组B5、柔性铰链片B501、隔离块B502、固定块B6、读数头支架B7、读数头B801和光栅B802。图9所示，柔性铰链机构B采用三个单圈电机驱动,如这三个音圈电机沿中心等距呈120度均布。如图4至图7所示，音圈电机主要包括音圈电机定子B201和音圈电机动子B202，音圈电机定子B201直接固定在基座B1上，而音圈电机动子B202与工作台B3相连接。柔性铰链片组B5的一端依靠固定板B4与工作台B3相固定，柔性铰链组B5的另一端依靠固定块B6与基座B1的连接部相固定。如图8所示，柔性铰链片组B5主要由柔性铰链片B501和隔离块B502组成，柔性铰链片B501的片数可以根据工作台B3的负载进行变化，柔性铰链片B501的片与片之间有隔离块B502相隔开。为了精准测量出各个音圈电机的升降距离，三个音圈电机都分别配备了一组测量装置。该测量装置主要包括读数头B801和光栅B802，光栅B802固定在音圈电机动子B202上，读数头B801依靠读数头支架B7固定在基座B1上，从而实现精准测量各个音圈电机的升降距离。本发明所提出的三自由度柔性铰链机构B可以通过控制三个音圈电机的升降来实现工作台B3的偏摆俯仰和高度调节。

综上所述，相比现有的三自由度调节机构，本申请提出的三自由度柔性铰链机构采用音圈电机驱动的单边片式柔性铰链，单一模态，避免了高速运动时的多模态叠加。

图10至图12示出了申请超精密直线运动平台的具体结构。

超精密直线运动平台，包括上面所描述的柔性铰链机构A和刚柔耦合直线平台C，所述柔性铰链机构A中的基座A1与所述刚柔耦合直线平台C中的柔性铰链工作台C1相固定，从而将三自由度柔性铰链机构A固定在刚柔耦合直线平台C上，控制三自由度柔性铰链机构A中的四组音圈电机实现偏摆、俯仰和高度调节，从而使超精密直线运动平台实现更高的平面度和直线度。

图13至图15示出了申请双工件工作台的具体结构。

双工件工作台为六自由度光刻机双工件工作台，包括上面所描述的柔性铰链机构A和双工件气浮平台D；所述双工件气浮平台D包括Y轴直线运动平台DY、X轴直线运动平台DX和绕Z轴旋转装置D1，所述柔性铰链机构A中的基座A1与所述X轴直线运动平台DX中的柔性铰链工作台DX1相固定，从而将柔性铰链机构A固定在双工件气浮平台D上。六自由度光刻机双工件工作台中，沿X轴方向的自由度依靠X轴直线运动平台DX的直线运动实现，沿Y轴方向的自由度依靠X轴直线运动平台DY的直线运动实现，绕Z轴旋转的自由度依靠绕Z轴旋转装置D1实现，而三自由度柔性铰链机构A可实现沿Z轴方向的自由度、绕X轴旋转的自由度和绕Y轴旋转的自由度。综上所述，本实施例中的工作台拥有六自由度，可满足光刻机的六自由度调整需求。

需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (8)

1.一种柔性铰链机构，其特征在于，包括基座、工作台、柔性铰链片组和至少三个音圈电机，所述工作台间隔设于所述基座上方,所述至少三个音圈电机在所述基座和所述工作台之间排成多边形,所述音圈电机包括音圈电机定子和音圈电机动子，所述音圈电机定子固定在所述基座上，所述音圈电机动子与所述工作台连接；所述基座上所述工作台正投影区域外具有与所述工作台高度平齐的连接部；所述柔性铰链片组的一端与所述连接部固定，所述柔性铰链片组的另一端与所述工作台固定；

所述柔性铰链机构还包括固定板和固定块，所述柔性铰链片组的一端通过所述固定板与所述工作台相固定，所述柔性铰链片组的另一端通过固定块与所述连接部相固定；

所述柔性铰链片组包括多个柔性铰链片和隔离块，所述隔离块设于每两个相邻的所述柔性铰链片之间，所述柔性铰链片的片数根据所述工作台的负载进行变化。

2.根据权利要求1所述的柔性铰链机构，其特征在于，所述基座包括矩形基座，所述工作台为矩形工作台，所述至少三个音圈电机包括四个音圈电机，所述四个音圈电机的音圈电机定子分别固定于所述矩形基座的四角，所述四个音圈电机的音圈电机定子分别固定于所述矩形工作台的四角。

3.根据权利要求1所述的柔性铰链机构，其特征在于，所述基座包括三角形基座，所述工作台为三角形工作台，所述至少三个音圈电机包括三个音圈电机，所述三个音圈电机的音圈电机定子分别固定于所述三角形基座的三个角，所述三个音圈电机的音圈电机定子分别固定于所述三角形工作台的三个角。

4.根据权利要求1所述的柔性铰链机构，其特征在于，还包括测量装置，所述测量装置包括读数头和光栅，所述光栅固定在所述音圈电机动子上，所述读数头固定在所述基座上。

5.根据权利要求4所述的柔性铰链机构，其特征在于，所述测量装置还包括读数头支架，所述读数头通过读数头支架固定在所述基座上。

6.根据权利要求1所述的柔性铰链机构，其特征在于，还包括连接架，所述连接架设于所述音圈电机动子与所述工作台之间，所述连接架分别与所述音圈电机动子和所述工作台相连接。

7.一种超精密直线运动平台，其特征在于，包括权利要求1至6任一项所述的柔性铰链机构和刚柔耦合直线平台，所述柔性铰链机构中的基座与所述刚柔耦合直线平台中的柔性铰链工作台相固定。

8.一种双工件工作台，其特征在于，包括权利要求1至6任一项所述的柔性铰链机构和双工件气浮平台；所述双工件气浮平台包括Y轴直线运动平台、X轴直线运动平台和绕Z轴旋转装置，所述柔性铰链机构中的基座与所述X轴直线运动平台中的柔性铰链工作台相固定。

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