CN114486740A - 一种二自由度运动台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二自由度运动台，包括直线运动台和带动直线运动台转动的旋转运动台，所述直线运动台包括第一线性促动器、环状外圈、环状内圈、板簧，所述环状外圈与所述环状内圈同轴设置且所述环状外圈与所述环状内圈之间固定连接有所述板簧，所述第一线性促动器与所述环状内圈固定连接，所述环状外圈与所述环状内圈中的一个与所述旋转运动台的旋转台面固定连接，另一个则与负载台面相连，所述第一线性促动器的运动轴与所述负载台面相连。本申请的结构紧凑，体积小，能够提高运动台对于横向作用力的抗干扰性，提高运动台的工作稳定性和可靠性。

Description

一种二自由度运动台

技术领域

本发明涉及精密定位控制技术领域，具体涉及一种二自由度运动台。

背景技术

在对产品检测时，为了能够保证检测的准确性，通过结合XY运动台和设置于XY运动台上的Z向和RZ向运动台来对被测物进行精密定位，针对不同的产品类型，对于运动台的工作精度要求也不同，而对于半导体晶圆进行检测时，由于其本身的结构精密性，其检测精度要求也更高，甚至要达到微米乃至纳米量级。

就Z向的直线运动台而言，目前多是采用音圈电机作为驱动元件，但是整个Z向运动台会存在控制带宽低、发热量大、强磁场的问题，磁场对电镜扫描会产生影响，也就会影响半导体晶圆检测时的物镜扫描速率，同时大热量的产生还会使得被检测晶圆产生热变形，影响产品良品率。

而就RZ运动台而言，传统的具有两种结构，一是采用机械轴承配合直驱旋转电机的结构，但由于机械轴承的限制，精度差，只能达到毫弧度量级，另一是采用气浮轴承配合直驱旋转电机的结构，但是设备的整体体积较大，尤其是Z向尺寸较大，同时导致自重大，不便于布置。

因此，如何优化Z向和RZ向的二自由度运动台的结构，更好地满足硅片检测的高刚度高精度需求，是目前急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是要提供一种二自由度运动台，其结构紧凑，体积小，能够提高运动台对于横向作用力的抗干扰性，提高运动台的工作稳定性和可靠性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供了一种二自由度运动台，包括直线运动台和带动直线运动台转动的旋转运动台，所述直线运动台包括第一线性促动器、环状外圈、环状内圈、板簧，所述环状外圈与所述环状内圈同轴设置且所述环状外圈与所述环状内圈之间固定连接有所述板簧，所述第一线性促动器与所述环状内圈固定连接，所述环状外圈与所述环状内圈中的一个与所述旋转运动台的旋转台面固定连接，另一个则与负载台面相连，所述第一线性促动器的运动轴与所述负载台面相连。

对于上述技术方案，申请人还有进一步的优化措施。

可选地，所述环状外圈的顶部与所述负载台面的底部固定连接，所述环状内圈的底部与所述旋转运动台的所述旋转台面固定连接。

可选地，所述第一线性促动器的运动轴通过柔性铰链结构与所述负载台面相连。

可选地，所述环状外圈与所述环状内圈之间设置有两层板簧，所述两层板簧沿径向设置，且相平行上下间隔设置。

可选地，所述旋转运动台包括基台、旋转台面、支撑垫、第二线性促动器、枢轴铰链，所述旋转台面通过底部连接的支撑垫设置在所述基台的表面，旋转台面的一侧与所述枢轴铰链的柔性侧固定连接，所述枢轴铰链的固定侧固定在所述基台的表面，所述第二线性促动器固定在所述基台表面，第二线性促动器的运动轴与所述旋转台面的另一侧面固定连接。

进一步地，所述旋转运动台还包括连接铰链，所述第二线性促动器的运动轴通过所述连接铰链固定连接所述旋转台面。

进一步地，所述支撑垫包括上下两层平板，分别为上层垫与下层垫，所述上层垫固定于所述旋转台面的底部，所述下层垫上沿高度方向开设有通孔，所述基板内设置有气道，所述下层垫固定在所述基板上并且基板上开设有连通所述通孔与气道的连接孔，所述气道与外部的气源相连，通过切换气源的正压或者负压，使得所述上层垫与下层垫之间在正压气浮的活动状态与负压吸附的锁定状态间切换。

更进一步地，在所述旋转台面的下方设置有至少三个支撑垫。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明的二自由度运动台，其整体结构紧凑，设备体积小，而在直线运动台的结构中采用双层板簧配合双环嵌套式的环状外圈与环状内圈的结构，使得直线运动台在另两个旋转方向上具有更好的刚度，而且第一线性促动器与负载台面间通过柔性铰链进行连接，能够减少第一线性促动器所受的侧向力和侧向力矩，保证第一线性促动器的运动精度不受影响，如此提高二自由度运动台在直线方向（Z向）的刚度和精度，提高运动台的工作稳定性和可靠性。

进一步地，本发明的二自由度运动台在旋转运动台处采用直线驱动取代传统的旋转电机的驱动方式，依靠枢轴铰链的弹性形变来实现旋转台面的转动，而不是直接的旋转圆周运动，提高了旋转台面的运动精度，且整体结构限定在平面内，缩小旋转运动台的高度，更好地满足设备轻型化小型化的需求。

除此之外，在旋转运动台中采用气浮控制的支撑垫来进行旋转台面的锁定与解锁，从而保证旋转台面在锁止状态具有更好的刚度，提高本申请的设备稳定性和工作可靠性。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的二自由度运动台的整体结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的二自由度运动台（带负载台面）的剖面结构示意图；

图3为图1所示二自由度运动台中旋转运动台的俯视结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的二自由度运动台中支撑垫的结构示意图；

图5是根据本发明一个实施例的二自由度运动台中枢轴铰链的结构示意图；

图6为图5所示枢轴铰链的侧视图；

图7是根据本发明一个实施例的二自由度运动台中连接铰链的结构示意图；

图8为图7所示连接铰链的侧视图；

图9为图8所示连接铰链中S-S向剖面视图。

附图标记如下：

1、基台；

2、直线运动台；

3、旋转运动台；

41、第一线性促动器，42、环状外圈，43、环状内圈，44、板簧，45、柔性铰链，46、外压圈，47、内压圈；

51、旋转台面，52、支撑垫，53、第二线性促动器，54、枢轴铰链，55、连接铰链；

61、上层垫，62、下层垫，63、通孔，64、连接孔，65、气道；

7、负载台面；

541、固定块，542、活动板，543、旋转板，544、柔性连接件；

551、插板，552、柔性固定件，553、柔性连接轴。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实施例描述了一种二自由度运动台，如图1、图2所示，包括直线运动台2和带动直线运动台2转动的旋转运动台3，所述直线运动台2包括第一线性促动器41、环状外圈42、环状内圈43、板簧44，所述环状外圈42与所述环状内圈43同轴设置且所述环状外圈42与所述环状内圈43之间固定连接有所述板簧44，所述环状外圈42与所述环状内圈43中的一个与所述旋转运动台3的旋转台面51固定连接，另一个则与负载台面7相连，所述第一线性促动器41的运动轴与所述负载台面7相连。

本实施例是将所述第一线性促动器41与所述环状内圈43固定连接。对于第一线性促动器41的设置也可以将其与旋转台面51进行固定，只要能够保证直线运动台2整体是随着旋转台面51可以一起沿RZ方向转动即可。从可实现基本功能的角度来出发，本实施例的二自由度运动台无论是将环状外圈42与旋转台面51固定连接、将环状内圈43与负载台面7固定，还是将环状内圈43与旋转台面51固定连接、将环状外圈42与负载台面7固定，都不会影响第一线性促动器41的运动，因为第一线性促动器41是与负载台面7相连的，负载台面7在第一线性促动器41的驱使下发生运动，通过选用高精度的驱动机构，如压电陶瓷线性促动器，运动精度可达到纳米量级。另外，压电陶瓷线性促动器具有精度高，控制带宽高，无磁性，发热小的特点，响应时间为亚毫秒量级，尺寸小，出力大，在电机不出力时具有远高于音圈电机的刚度。

但从便于安装以及驱动可靠性等方面考虑，如图2所示，在本实施例中，将所述环状外圈42的顶部与所述负载台面7的底部固定连接，所述环状内圈43的底部与所述旋转运动台3的所述旋转台面51固定连接，所述第一线性促动器41的运动轴通过柔性铰链45结构与所述负载台面7相连。环状外圈42的直径较大，环状外圈42与负载台面7相连后能够在第一线性促动器41运动时给予负载台面7更为均匀的作用力，因为第一线性促动器41在负载台面7的中部推拉，而环状外圈42从更外围给予反向的作用力，使得负载台面7的整体运动更为平稳。

本实施例的二自由度运动台，其整体结构紧凑，设备体积小，而在直线运动台2的结构中采用双层板簧44配合双环嵌套式的环状外圈42与环状内圈43的结构，使得直线运动台2在另两个旋转方向上具有更好的刚度，而且第一线性促动器41与负载台面7间通过柔性铰链45进行连接，能够减少第一线性促动器41所受的侧向力和侧向力矩，保证第一线性促动器41的运动精度不受影响，如此提高二自由度运动台在直线方向（Z向）的刚度和精度，提高运动台的工作稳定性和可靠性。

而为了能够提高环状外圈42与环状内圈43间在RX与RY方向的刚度，在所述环状外圈42与所述环状内圈43之间上下间隔地设置有两层板簧44，所述两层板簧44沿径向设置。对于板簧44的固定，本实施例是通过压圈（外压圈46、内压圈47）将两层板簧44分别固定在环状外圈42与环状内圈43的顶部和底部的，环状外圈42的顶部和底部分别采用一外压圈46进行固定，构成三层的结构，而环状内圈43的顶部和底部分别采用一内压圈47进行固定，同样也是构成三层的结构。

其实，也可以采用激光焊接或者其他固定方式（如卡槽、凸台结合螺钉紧固等方式）将板簧44固定在环状外圈42与环状内圈43之间，当然，也可以采用压圈固定和上述激光焊接或者其他固定方式相结合的形式，以能够实现板簧44在环状外圈42与环状内圈43之间的固定为限。相对应地，根据存在压圈与否、或者存在单压圈还是上下双压圈的设置，可以理解为将环状外圈与环状内圈是设计成的单层、双层还是三层的结构。

为了能够提高刚度需要将两层板簧44尽可能大间距的设置，但对于两层板簧44的间距又不能过大，两层板簧44的间距要能够保证环状外圈42与环状内圈43间的刚度不至于影响Z向的形变，能够实现Z向形变量的控制。因为过大间距的板簧44提供Z向的刚度也就更强，导致第一线性促动器在运动时无法有效地促进Z向形变调整负载台面7位置，Z向刚度高，那么在相同位移下，就会需要更大推力的电机，同理，Z向刚度高也会使得相同电机下位移就会小，所以要保证Z向在第一线性促动器作用下的位移能够满足使用需求的情况下保证双层板簧44的间距尽可能大。

对于旋转运动台3的结构，本实施例是在旋转运动台3处采用直线驱动取代传统的旋转电机的驱动方式，依靠枢轴铰链54的弹性形变来实现旋转台面51的转动，而不是直接的旋转圆周运动，提高了旋转台面51的运动精度，且整体结构限定在平面内，缩小旋转运动台3的高度，更好地满足设备轻型化小型化的需求。

具体说来，所述旋转运动台3包括基台1、旋转台面51、支撑垫52、第二线性促动器53、枢轴铰链54，所述旋转台面51通过底部连接的支撑垫52设置在所述基台1的表面，旋转台面51的一侧与所述枢轴铰链54的柔性侧固定连接，所述枢轴铰链的固定侧固定在所述基台1的表面，所述第二线性促动器53固定在所述基台1表面，第二线性促动器53的运动轴与所述旋转台面51的另一侧面固定连接。

如图5、图6所示，所述枢轴铰链54包括固定块541、活动板542、旋转板543以及柔性连接件544，所述固定块541呈U形，包括相平行的两块第一平板以及连接两块第一平板的第二平板，所述活动板542贴合在所述固定块541的开口处，且活动板542平行于所述第二平板。活动板542与固定块541构成长方体状的结构，所述柔性连接件544设置在所述固定块541与活动板542所构成的腔体内，柔性连接件544呈平板状、平行于所述第一平板，并且柔性连接件544的一侧连接活动板542，相对的另一侧连接固定块541的所述第二平板。所述旋转板543设置于活动板542的外侧并与所述活动板542枢接，旋转板543与活动板542之间的枢接轴沿活动板542的高度方向设置。当枢轴铰链设置在旋转台面上时，固定块541通过外部组件结合螺栓锁定在基台1上，旋转板543与活动板542之间的枢接轴垂直于所述基台1的表面，所述旋转板543与旋转台面51的一侧固定连接，旋转台面51在转动时旋转板543即绕着枢接轴转动、旋转板543与活动板542间发生轻微形变从而实现旋转台面51的微动。

所述柔性连接件544包括平板状的连接件主体，在连接件主体上设有两组圆弧穿孔，四个所述圆弧穿孔的侧面均向内凹，所述圆弧穿孔的圆弧直径小于所述柔性铰链主体的宽度，且所述圆弧穿孔的轴线平行于所述活动板542。柔性连接件544的结构设置能够适应旋转台面51在浮动和锁定状态下的运动，

所述旋转板543与活动板542之间通过具有裂隙的圆形穿孔相连，也就是在加工时旋转板543与活动板542可采用一块板，然后在中部开两个圆形穿孔，然后再沿着平行于两板长度方向的位置开通槽，但通槽只切穿单侧圆形穿孔的一侧即可，这样就构成两侧均可形变的枢轴。

需要说明的是，固定块541、活动板542、旋转板543以及柔性连接件544可采用一块板进行冲压、钻孔、铣制等手段加工而成，也可以是分别加工在通过焊接、粘接或者螺钉紧固等方式进行组装而成，本申请保护的是这样的整体结构，而非其结构的加工过程或者工艺，特此说明。

在第二线性促动器53的直线运动推拉下，旋转台面51以所述枢轴铰链54为旋转中心依靠旋转板543的形变进行旋转运动，除此之外，枢轴铰链54适应RZ方向的运动，不会引入背隙和摩擦力，也消除了传统旋转马达所引入的RX和RY方向的运动误差。

在一优选的实施例中，所述旋转运动台3还包括连接铰链55，所述第二线性促动器53的运动轴通过所述连接铰链55固定连接所述旋转台面51。这一连接铰链55的结构与所述枢轴铰链54的结构类似，连接铰链55也可以适应于RZ方向的运动，降低促动器受到的侧向力。

如图7~9所示，所述连接铰链55的结构类似于所述枢轴铰链，但无枢轴，即没有旋转板543的设置。该连接铰链包括呈U形的插板551，以及对插在所述插板551中的柔性固定件552，所述柔性固定件552同样为U形，但柔性固定件552的相对垂直的两臂为平板状，且两臂的远端与所述插板551的竖直边的内侧连接。

装配时，柔性固定件552的竖直臂与外部固定件进行锁死固定，且柔性固定件552的竖直臂上开设有固定第二线性促动器的运动轴用的轴承孔，第二线性促动器53的运动轴穿过插板551的竖直边后与所述轴承孔滑动配合，而所述插板551则与所述旋转台面的另一侧面（优选旋转台面上位于与枢轴铰链相连的侧面的相对侧），第二线性促动器53推拉插板551即可完成对于旋转台面的推拉。

而为了使得第二线性促动器适应于旋转台面51的转动，采用柔性连接轴553与所述第二线性促动器53的运动轴相连。也就是说第二线性促动器也是通过柔性的弹性形变来实现推动，再结合连接铰链、枢轴铰链等设置，就能够更好地实现对于旋转位移的控制。

在所述旋转台面51的下方设置有至少三个支撑垫52，如此能够更好地对旋转台面51进行支撑，支撑垫52的存在能够将旋转台面51可转动设置于基台1表面，也就是说旋转台面51转动时是沿着多个等高的支撑垫52所构成的滑动平面上运动的。

在一优选的实施例中，所述支撑垫52包括上下两层平板，分别为上层垫61与下层垫62，所述上层垫61固定于所述旋转台面51的底部，所述下层垫62上沿高度方向开设有通孔63，所述基板内设置有气道65，所述下层垫62固定在所述基板上并且基板上开设有连通所述通孔63与气道65的连接孔64，所述气道65与外部的气源相连，通过切换气源的正压或者负压，使得所述上层垫61与下层垫62之间在正压气浮的活动状态与负压吸附的锁定状态间切换。在旋转运动台3中采用气浮控制的支撑垫52来进行旋转台面51的锁定与解锁，从而保证旋转台面51在锁止状态具有更好的刚度，提高本申请设备的稳定性和工作可靠性。

二自由度运动台在工作时，外部气源向气道65中通入正压气体，即支撑垫52处通正压气体，在正压作用下上层垫61和旋转台面51浮起，然后通过第二线性促动器53的直线运动，使旋转台面51以枢轴铰链54为旋转中心进行旋转运动，在此过程中，第二线性促动器53的运动轴处所设置的连接铰链55可以适应RZ方向的旋转，枢轴铰链54同样也可以适应RZ方向的旋转，在旋转台面51运动到位后，气源向支撑垫52处通负压，在压强差的作用下上层垫61被吸附在下层垫62上，使得旋转台面51被吸附锁定在基台1表面，此时旋转运动台3具有高刚度，不受惯性力及惯性力矩的扰动。在旋转台面51锁定状态下，第一线性促动器41运动，第一线性促动器41的运动轴推动负载台面7，在此过程中，依靠板簧44的弹性变形进行导向运动，板簧44产生形变能够很好地限定负载台面7的运动方向以及运动距离，采用线性促动器结合板簧44进行导向的结构，由于没有径向背隙，不引入X,Y方向的误差，保证了Z向精度。同时板簧44导向具有无摩擦，RX、RY方向刚度高，重复性好的特点，相比传统的导向机构，如直线轴承、滑轨等，不会引入颗粒、油脂以及摩擦力。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种二自由度运动台，包括直线运动台和带动直线运动台转动的旋转运动台，其特征在于，所述直线运动台包括第一线性促动器、环状外圈、环状内圈、板簧，所述环状外圈与所述环状内圈同轴设置且所述环状外圈与所述环状内圈间固定连接有所述板簧，所述第一线性促动器与所述环状内圈固定连接，所述环状外圈与所述环状内圈中的一个与所述旋转运动台的旋转台面固定连接，另一个则与负载台面相连，所述第一线性促动器的运动轴与所述负载台面相连。

2.根据权利要求1所述的二自由度运动台，其特征在于，所述环状外圈的顶部与所述负载台面的底部固定连接，所述环状内圈的底部与所述旋转运动台的所述旋转台面固定连接。

3.根据权利要求1所述的二自由度运动台，其特征在于，所述第一线性促动器的运动轴通过柔性铰链结构与所述负载台面相连。

4.根据权利要求1所述的二自由度运动台，其特征在于，所述环状外圈与所述环状内圈之间设置有两层板簧，所述两层板簧沿径向设置，且相平行上下间隔设置。

5.根据权利要求1所述的二自由度运动台，其特征在于，所述旋转运动台包括基台、旋转台面、支撑垫、第二线性促动器、枢轴铰链，所述旋转台面通过底部连接的支撑垫设置在所述基台的表面，旋转台面的一侧与所述枢轴铰链的柔性侧固定连接，所述枢轴铰链的固定侧固定在所述基台的表面，所述第二线性促动器固定在所述基台表面，第二线性促动器的运动轴与所述旋转台面的另一侧面固定连接。

6.根据权利要求5所述的二自由度运动台，其特征在于，所述旋转运动台还包括连接铰链，所述第二线性促动器的运动轴通过所述连接铰链固定连接所述旋转台面。

7.根据权利要求5所述的二自由度运动台，其特征在于，每一所述支撑垫包括上下两层平板，分别为上层垫与下层垫，所述上层垫固定于所述旋转台面的底部，所述下层垫上沿高度方向开设有通孔，所述基板内设置有气道，所述下层垫固定在所述基板上并且基板上开设有连通所述通孔与气道的连接孔，所述气道与外部的气源相连，通过切换气源的正压或者负压，使得所述上层垫与下层垫之间在正压气浮的活动状态与负压吸附的锁定状态间切换。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的二自由度运动台，其特征在于，在所述旋转台面的下方设置有至少三个支撑垫。

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