CN113589651A - 一种气浮轴承装置及光刻设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气浮轴承装置及光刻设备，其属于光刻技术领域，气浮轴承装置包括轴承本体和预载磁铁，轴承本体具有多个气浮面和中部区域，多个所述气浮面关于所述中部区域对称分布且与所述中部区域之间间隔设置形成缝隙；预载磁铁设于所述中部区域上。预载磁铁与气浮面之间的连接断开，在磁预载时，预载磁铁受到预载力，使得预载力不会直接传递至气浮面上，减少磁预载对气浮面的变形影响。光刻设备包括上述气浮轴承装置。由于预载力不会直接传递至气浮面上，减少磁预载对气浮面的变形影响，使得光刻设备的可靠性提高，加工精度较高。

Description

一种气浮轴承装置及光刻设备
技术领域
本发明涉及光刻技术领域，尤其涉及一种气浮轴承装置及光刻设备。
背景技术
气浮轴承是利用空气作为润滑剂的滑动轴承。正常工作时，轴和轴承表面完全由气膜所隔开，凭借气膜中压力的变化来支承轴和外力负荷。为了使得气浮轴承获得较大的刚度，一般需要较大的载荷或者预载，特别是对于侧向气浮轴承，只能使用额外的预载。常用的预载方法有真空预载和磁预载，真空预载的使用条件比较苛刻，而且预载力相对不大，一般使用磁预载对气浮轴承进行加载。
气浮轴承的磁预载，如图1所示，预载磁铁101粘接在轴承10上，背铁201粘接在导轨20上，通过预载磁铁101和背铁201之间的吸附作用为气浮轴承提供额外的预载力。如果预载磁铁101的吸引力非常大时，由于变形的连续性准则可知，预载处附近的变形会传递到轴承10的气浮面附近，这样的变形传递会严重影响气浮轴承的气膜厚度，严重的可能会导致轴承10和导轨20剐蹭。
气浮轴承技术在光刻机运动台中使用较为广泛，光刻机对加工精度要求较高，如果气浮轴承的气浮面变形，会导致光刻机的可靠性降低，影响加工精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气浮轴承装置及光刻设备，以解决现有技术中存在的气浮轴承在磁预载时气浮面易变形的技术问题。
如上构思，本发明所采用的技术方案是：
一种气浮轴承装置，包括：
轴承本体，具有多个气浮面和中部区域，多个所述气浮面关于所述中部区域对称分布，且与所述中部区域之间间隔设置形成缝隙；
预载磁铁，设于所述中部区域上。
其中，所述气浮面设置于悬臂的末端，所述悬臂的根部与所述中部区域连接，所述悬臂的延伸部与所述中部区域之间形成所述缝隙。
其中，所述悬臂的截面积自所述末端向所述根部减小。
其中，所述悬臂为轴对称结构，所述气浮面的几何中心位于所述悬臂的对称轴上。
其中，在所述悬臂靠近所述中部区域的连接处沿平行于所述气浮面的方向开设有镂空孔，所述镂空孔沿远离所述气浮面方向的宽度逐渐增大。
其中，所述气浮面设置有两个，两个所述悬臂于所述中部区域的两侧对称分布。
其中，还包括限位连接件，两个所述悬臂之间通过所述限位连接件连接，所述限位连接件与所述中部区域之间设置有间隙。
其中，所述限位连接件为贯穿两个所述悬臂的限位轴。
其中，多个所述气浮面绕所述中部区域的周向呈环形设置。
一种光刻设备，包括如上所述的气浮轴承装置。
本发明的有益效果：
本发明提出的气浮轴承装置，由于将中部区域与气浮面之间间隔设置形成缝隙，使得预载磁铁与气浮面之间的连接断开，在磁预载时，预载磁铁受到预载力，预载力不会直接传递至气浮面上，减少磁预载对气浮面的变形影响。
附图说明
图1是现有的气浮轴承的示意图；
图2是本发明实施例一提供的气浮轴承装置的示意图；
图3是图2中的气浮轴承装置的轴承本体的受力示意图；
图4是本发明实施例一提供的一种气浮轴承装置的示意图；
图5是本发明实施例一提供的另一种气浮轴承装置的示意图；
图6是本发明实施例一提供的再一种气浮轴承装置的示意图；
图7是本发明实施例一提供的一种预载磁铁的示意图；
图8是本发明实施例一提供的另一种预载磁铁的示意图；
图9是本发明实施例一提供的再一种预载磁铁的示意图；
图10是本发明实施例二提供的气浮轴承装置的结构示意图；
图11是图10中的气浮轴承装置的剖视图；
图12是本发明实施例二提供的气浮轴承装置的示意图。
图1中：
10、轴承；101、预载磁铁；
20、导轨；201、背铁；
图2-图12中：
1、轴承本体；
11、气浮面；12、中部区域；13、缝隙；14、悬臂；141、镂空孔；
2、预载磁铁；
3、限位轴；
4、压缩空气接头；
5、气浮轴承导轨；
6、背铁。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
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。
实施例一
参见图2至图9，本发明实施例提供一种气浮轴承装置，包括轴承本体1和预载磁铁2，轴承本体1具有多个气浮面11和中部区域12，多个气浮面11关于中部区域12对称分布，且与中部区域12之间间隔设置形成缝隙13，多个气浮面11受到的预载力均匀平衡，预载磁铁2设于中部区域12上，预载磁铁2与气浮面11之间的连接断开，在磁预载时，预载磁铁2受到吸引力，预载力不会直接传递至气浮面11上，减少磁预载对气浮面11的变形影响。
气浮面11设置于悬臂14的末端，悬臂14的根部与中部区域12连接，悬臂14的延伸部与中部区域12之间形成缝隙13。悬臂14的根部与中部区域12连接，使得轴承本体1是整体结构，预载力会通过中部区域12传递至悬臂14，再传递至气浮面11上，增长了预载力的传递路径。悬臂14的末端为气浮面11，悬臂14的根部与中部区域12连接，沿气浮面11至根部的方向，悬臂14的延伸部越长，预载力的传递路径越长。
悬臂14的截面积自末端向根部减小，能够减小自中部区域12传递至悬臂14的预载力。
悬臂14为轴对称结构，气浮面11的几何中心位于悬臂14的对称轴上，使得自根部传递至气浮面11的预载力能够均匀分布，保证气浮面11各个部位的共面度。
在本实施例中，气浮面11有两个，两个悬臂14于中部区域12的两侧对称分布。具体地，缝隙13沿轴承本体1的长度方向贯穿轴承本体1，预载磁铁2位于两个缝隙13之间。
如图2和图3所示，在纵截面上，以O1和O2表示两个气浮面11的几何中心，以O11和O22表示两个悬臂14的纵截面的几何中心。O1和O11位于一个悬臂14的纵截面的对称轴上，O2和O22位于另一个悬臂14的纵截面的对称轴上。中部区域12的中心轴与缝隙13的最大距离为L，悬臂14的对称轴与中部区域12的中心轴之间的距离为b。
在磁预载时，将轴承本体1的受力简化为梁结构，预载磁铁2将预载力作用于中部区域12，以Fa表示中部区域12受到的作用力，中部区域12变形传递至悬臂14，以Fb1和Fb2表示两个悬臂14受到的作用力，根据受力分析，气浮面11上产生弯矩M。
由于变形和应力的连续性准则，如果Fa分布范围更广和两侧悬臂14和中间区域12的连接位置处的抗弯系数更低，都会使气浮面11受到的弯矩M变小，但是同时为了保证结构的稳定性，需要悬臂14有足够的强度和稳定性。在轴承本体1的长度一定的情况下，针对悬臂14，在不限制降低其整体强度和稳定性的前提下，可以通过减小局部厚度和等效缩小局部宽度的方式减小抗弯截面系数，进而减小气浮面11受到的弯矩M。
减小悬臂14的局部厚度方式如下：延伸部的截面积自气浮面11向根部减小，即缝隙13自气浮面11向另一侧弯折延伸。悬臂14与中部区域12连接的位置处截面积较小，使得更小的弯矩M自中部区域12传递至悬臂14。
如图4至图6所示，等效缩小悬臂14局部宽度方式如下：悬臂14上开设有镂空孔141，镂空孔141的宽度沿远离悬臂14的气浮面11的方向增大。镂空孔141的设置，使得悬臂14与中部区域12的连接处的实际截面宽度减小，减小上述悬臂14和中部区域12连接处的抗弯截面系数，使得更小的弯矩M自中部区域12传递至悬臂14。镂空孔141可以是倒等腰梯形、V形和圆弧形结构，在此不作限制。
在本实施例中，预载磁铁2为长方体，预载磁铁2沿轴承本体1的长度方向延伸。
如图7至图9所示，预载磁铁2可以是一般的单体磁铁，也可以是海尔贝克磁铁阵列，海尔贝克磁铁阵列在同样材料和体积下能提供更强的预载力，海尔贝克磁铁阵列可以是长方体的磁铁配合，也可以是三角形的磁铁配合，在此不作限制。
当然，气浮轴承装置还包括气浮轴承导轨5，气浮轴承导轨5上设置有背铁6，背铁6与预载磁铁2相对且间隔设置。
实施例二
图10至图12示出了实施例二，其中与实施例一相同或相应的零部件采用与实施例一相应的附图标记。为简便起见，仅描述实施例二与实施例一的区别点。区别之处在于，还包括限位连接件，两个悬臂14之间通过限位连接件连接，限位连接件与中部区域12之间设置有间隙。
限位连接件的设置，将两个悬臂14相连，使得两个悬臂14上受到的弯矩相互抵消，即能够避免弯矩作用于气浮面11。在磁预载时，中部区域12会发生一定程度的变形，由于限位连接件与中部区域12之间设置有间隙，中部区域12的变形不会作用于限位连接件。
在本实施例中，限位连接件为贯穿两个悬臂14的限位轴3。具体地，中部区域12开设有用于穿设限位轴3的通孔，通孔的内壁与限位轴3的外周面之间设置有间隙。
限位轴3刚度较高，能够保证轴承本体1的整体刚度，在制造时，可以先通过限位轴3将两个悬臂14连接，再加工气浮面11，能够保证各个气浮面11的共面度。
为了保证受力均匀性，限位轴3可设置两个及以上。根据轴承本体1的尺寸，将各个限位轴3间隔设置即可。
具体地，限位轴3的两端与悬臂14过盈配合，限位轴3的中间位于通孔内。限位轴3可以为分体结构，包括中心杆和设置于中心杆两端的轴套，轴套与中心杆固定连接，轴套与悬臂14过盈配合，中心杆穿设在通孔内。限位轴3也可以是两端直径大、中部直径略小的阶梯轴。
限位连接件还可以是其他形式的连接件，例如杆类件，限位连接件的截面形状不限于圆形，只要能够连接两个悬臂14，又不影响中部区域12的变形即可。
实施例三
为简便起见，仅描述实施例三与实施例二的区别点。区别之处在于，气浮面11上开设有出气孔，悬臂14的内侧设置有与出气孔连通的气路。通过出气孔向外喷气，在气浮面11上形成气膜，以避免轴承本体1与导轨之间的接触。
进一步参见图10和图11，气路的一端设置有压缩空气接头4，通过压缩空气接头4向气路内供气。
实施例四
为简便起见，仅描述实施例四与实施例一的区别点。区别之处在于，多个气浮面11绕中部区域12的周向呈环形设置。也就是说，悬臂14绕预载磁铁2的周向呈环形设置。
在磁预载时，预载磁铁2受到预载力，预载力传递至中部区域12，由中部区域12将预载力传递至悬臂14，进而传递至悬臂14的末端的气浮面11上，预载力不会直接传递至气浮面11上，减少磁预载对气浮面11的变形影响。
本发明实施例还提供一种光刻设备，包括如上任一实施例中的气浮轴承装置。由于预载力不会直接传递至气浮面11上，减少磁预载对气浮面11的变形影响，使得光刻设备的可靠性提高，加工精度较高。
以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种气浮轴承装置，其特征在于，包括：
轴承本体(1)，具有多个气浮面(11)和中部区域(12)，多个所述气浮面(11)关于所述中部区域(12)对称分布，且与所述中部区域(12)之间间隔设置形成缝隙(13)；
预载磁铁(2)，设于所述中部区域(12)上。
2.根据权利要求1所述的气浮轴承装置，其特征在于，所述气浮面(11)设置于悬臂(14)的末端，所述悬臂(14)的根部与所述中部区域(12)连接，所述悬臂(14)的延伸部与所述中部区域(12)之间形成所述缝隙(13)。
3.根据权利要求2所述的气浮轴承装置，其特征在于，所述悬臂(14)的截面积自所述末端向所述根部减小。
4.根据权利要求2所述的气浮轴承装置，其特征在于，所述悬臂(14)为轴对称结构，所述气浮面(11)的几何中心位于所述悬臂(14)的对称轴上。
5.根据权利要求2所述的气浮轴承装置，其特征在于，在所述悬臂(14)靠近所述中部区域(12)的连接处沿平行于所述气浮面(11)的方向开设有镂空孔(141)，所述镂空孔(141)沿远离所述气浮面(11)方向的宽度逐渐增大。
6.根据权利要求2-5任一项所述的气浮轴承装置，其特征在于，所述气浮面(11)设置有两个，两个所述悬臂(14)于所述中部区域(12)的两侧对称分布。
7.根据权利要求6所述的气浮轴承装置，其特征在于，还包括限位连接件，两个所述悬臂(14)之间通过所述限位连接件连接，所述限位连接件与所述中部区域(12)之间设置有间隙。
8.根据权利要求7所述的气浮轴承装置，其特征在于，所述限位连接件为贯穿两个所述悬臂(14)的限位轴(3)。
9.根据权利要求1-5任一项所述的气浮轴承装置，其特征在于，多个所述气浮面(11)绕所述中部区域(12)的周向呈环形设置。
10.一种光刻设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的气浮轴承装置。
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