CN1387021A - 一种二维位移工作台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二维位移工作台,由粗定位工作台(2)和细定位工作台(1)组成,细定位工作台的基座固定在粗定位工作台上。粗定位工作台由电机(11)、(12)驱动,细定位工作台由压电微位移器(15)、(16)驱动。在整个工作台的移动过程中,两个方向的位移量由正交衍射光栅尺(5)给出。工作台的特点是①采用闭环系统,工作台的定位速度快,采用粗定位和细定位相结合的方法,定位精度高。②工作台X、Y向移动均贴着一公共平面基准运动,使用工作台进行加工与测量时,具有确定的平面基准。③采用平面正交衍射光栅作为计量标准器,可显著减少阿贝尔误差,工作范围大,且较容易获得超精密级的分辨率。

Description

一种二维位移工作台
技术领域
本发明涉及到一种位移工作台，具体地说，是一种二维位移工作台，该工作台可实现X与Y向的宽范围、超精密位移定位。
背景技术
随着微科技的迅速发展，精密定位的问题变得至关重要。二维工作台一般存在工作范围大、精度低、定位速度慢，而精度高、定位速度快则工作范围小的问题。目前已有的二维工作台主要有几种：一是用压电陶瓷随电压变化产生的伸缩效应进行微定位的静止平台(见Moriyama S，Harada T，Takanashi A.Precision x-y stage with a piezo-driven fine table.BullJapan Soc.Of Prec.Eng.，1988，22(1)：13~17)，因为驱动器的一端被固定在基座上，驱动器所能改变的尺寸大小决定了它只能具有很小的工作范围。后来又采用驱动器连接(堆叠方式)，扩大了系统工作范围，但仍然很小。二是用压电陶管脚的蠕动驱动工作台在平面上自由移动，获得理论上没有限制的大工作范围(见L.Juhas，A.Vujani c，N.Adamovi c，L.Nagy，B.Borovac. A platform for micropositioning based on piezo legs.Mechatronics 2001，11：869-897)，由于采用蠕动机制且无反馈测量环节，所以定位速度慢，重复定位精度低。三是采用电机丝杠驱动，并用激光干涉仪(见Kuang-chao Fan，Mu-Jung Chen.A 6-degree-of-freedom measure-ment system for the accuracy of X-Y stages.Precision Engineering24(2000)：15~23)作为反馈测量环节，但丝杠驱动定位复杂，用激光干涉仪容易造成较大的阿贝尔误差，且成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能克服上述缺陷的二维位移工作台，用于在X、Y两方向上进行超精密定位。该工作台可用在半导体与超精密加工的光刻技术、微制造、表面形貌测量及超精密级坐标测量等方面。其工作范围大、定位速度快、定位精度高。
为实现上述发明目的，一种二维位移工作台，包括粗定位工作台、细定位工作台、位置检测装置和信号处理与控制电路，其特征在于：
所述粗定位工作台包括位于粗定位X向滚动导轨中间的粗定位X向工作台，与位于粗定位Y向滚动导轨中间的粗定位Y向工作台，并且两部分为内外两层分布；粗定位X向工作台底部紧贴在运动基准A上，由粗定位X向驱动电机、第一螺母螺杆机构驱动，粗定位Y向工作台由粗定位Y向驱动电机和第二螺母螺杆机构驱动；
所述细定位工作台包括细定位X向工作台和位于其外层的细定位Y向工作台，其基座固定在粗定位X向工作台上；细定位X向工作台由与细定位Y向工作台相连的X向支点支承，通过压电微位移器驱动；细定位Y向工作台由与基座相连的Y向支点(17)支承，通过压电微位移器驱动；
作为二维位移测量传感器的正交衍射光栅位于工作台底部，并通过连杆与细定位X向工作台固定连接，激光器位于正交衍射光栅的下方，角锥棱镜位于激光器的四周，并与位于同一光路上的两组垂直放置的直角棱镜、放大镜和光电探测器共同构成所述的位置检测装置，形成与位移有关的光栅信号；
所述信号处理与控制电路包括压电微位移高压驱动电路、D/A转换电路、步进电机驱动器、I/O控制电路、光栅信号放大电路、计数与细分电路与计算机；计算机通过D/A转换电路与压电陶瓷高压驱动器驱动压电微位移器，并通过I/O控制电路和步进电机驱动器驱动粗定位X向驱动电机和粗定位Y向驱动电机；正交衍射光栅通过光栅信号放大电路和计数与细分电路将位移信号传输给计算机。
在对比文献中，文献[1]提到的二维工作台，虽然定位精度很高，能达到0.01um，但其工作范围很小，通常不到10um；文献[2]工作范围大，但重复定位误差大于0.1um；文献[3]中的工作范围大，定位精度也高，但阿贝尔误差大，且价格昂贵、结构复杂、调整困难以及环境要求高等缺点，实用性差。本发明的x-y二维工作台既保持了很高的定位精度(重复定位精度达0.01um)，又具有较大的工作范围(与光栅的尺寸有关，一般可达到几十毫米级)，同时定位速度快，而且重要的一点是成本低，系统稳定，容易调整。
本发明采用正交衍射光栅作为位置测量传感器，能够实现高精度、大范围的X、Y两向位置检测，并直接与工作台固连在一起，极大地减少了阿贝尔误差的影响。工作台分粗定位工作台与细定位工作台。粗定位工作台由电机驱动，保证了工作台在较大范围内快速移动；细定位工作台由压电陶瓷驱动，由于压电陶瓷具有高分辨率、快速响应、无摩擦和磨损、低功率消耗、不受磁场影响及对运行环境要求低等一系列优点，保证了工作台的准确定位。本发明所涉及到的材料、零件价格低廉，所涉及到的光路结构简单，易调整；除工作台本身的精度和平稳性要求较高外，对驱动电机、压电陶瓷及其驱动电路的要求也不高，因而容易实现。
附图说明
图1为本发明一种二维位移工作台的主视图；
图2为图1中粗定位工作台的俯视图；
图3为图1中细定位工作台的俯视图；
图4为工作台的信号处理和控制电路结构示意图；
图5为正交衍射光栅测量原理图；
图6(a)、6(b)为工作台光学器件布置图。
具体实施方式
本发明工作台如图1、图2所示，包括细定位工作台1、粗定位X向工作台2与粗定位Y向工作台3、粗定位X向滚动导轨15、粗定位Y向滚动导轨4、粗定位X向驱动电机12、粗定位Y向驱动电机11、连杆29、正交衍射光栅5、激光器7、角锥棱镜6，直角棱镜8、放大镜9、光电探测器10；信号处理和控制电路如图4所示，步进电机驱动器24、I/O控制电路25、压电微位移高压驱动电路22、D/A转换电路23、光栅信号放大电路26、计数与细分电路27与计算机28。
细定位工作台1的结构如图3所示，它在一个平面上布置内外两层柔性铰支机构，分别实现x与y向的运动。细定位X向工作台21由X向四个支点16稳定地支承，通过压电微位移器18驱动，细定位Y向工作台20由Y向四个支点17稳定地支承，通过压电微位移器19驱动，可产生相互正交的运动。压电微位移器采用压电陶瓷，并由图4所示的计算机28通过D/A转换电路23与压电陶瓷高压驱动器22驱动。
为了实现工作台宽范围、高精度的定位移动，如图1、2、3所示，细定位工作台的基座30固定在粗定位X向工作台2上，粗定位X向滚动导轨15固定在粗定位Y向工作台3上，粗定位Y向滚动导轨4固定在运动基准面A上，这样，细定位工作台1随粗定位的X向工作台2和粗定位的Y向工作台3的移动而移动。正交衍射光栅5通过连杆29与细定位X向工作台21固连在一起，并通过工作台预留的活动孔伸到工作台底部，使正交衍射光栅5能准确记录细定位X向工作台21的X、Y向二维绝对位移，从而使工作台形成一个闭环系统。以正交衍射光栅5为核心，激光器7、反射镜或角锥棱镜6，直角棱镜8、放大镜9和光电探测器10为辅助，如图6(a)、6(b)所示，组成位置检测装置，形成与位移有关的光栅信号，经放大电路26、计数与细分电路27后，与计算机28相连。
为了保证工作台的运动平面度，粗定位X向工作台2底部紧贴在运动基准A上，由粗定位X向驱动电机12、第一螺母螺杆机构14驱动，沿X向滚动导轨15移动。粗定位Y向工作台3由粗定位Y向驱动电机11、第二螺母螺杆机构13驱动，沿Y向滚动导轨4移动。电机由图4所示的计算机28通过I/O电路25与电机驱动器24控制。
光栅检测装置原理如图5所示：由LD发出的光束通过准直透镜L进入正交衍射光栅，形成+1(x)、-1(x)、+1(y)、-1(y)四束衍射光，通过反射镜，使其两两汇合于棱镜B1、B2产生干涉条纹，通过放大镜AM1、AM2，进入光电探测器P1、P2上。图4所示的光栅干涉信号处理电路26、27分别为光栅信号的前置与差分放大电路、计数与细分电路。
工作台定位工作方法：当工作台要移动到某个目标位置时，通过正交衍射光栅对细定位工作台的位置进行实时检测，并将检测到的实际X、Y位置反馈回计算机，并与目标位置相比较，驱动电机移动粗定位工作台，直到当前位置与给定位置的两向坐标相差小于10um后，再通过驱动压电微位移器，直到细定位工作台达到所要求的定位精度为止。

Claims (1)

1.一种二维位移工作台，包括粗定位工作台、细定位工作台、位置检测装置和信号处理与控制电路，其特征在于：
所述粗定位工作台包括位于粗定位X向滚动导轨(15)中间的粗定位X向工作台(2)，与位于粗定位Y向滚动导轨(4)中间的粗定位Y向工作台(3)，并且两部分为内外两层分布；粗定位X向工作台(2)底部紧贴在运动基准A上，由粗定位X向驱动电机(12)、第一螺母螺杆机构(14)驱动，粗定位Y向工作台(3)由粗定位Y向驱动电机(11)和第二螺母螺杆机构(13)驱动；
所述细定位工作台包括细定位X向工作台(21)和位于其外层的细定位Y向工作台(20)，其基座(30)固定在粗定位X向工作台(2)上；细定位X向工作台(21)由与细定位Y向工作台(20)相连的X向支点(16)支承，通过压电微位移器(18)驱动；细定位Y向工作台(20)由与基座(30)相连的Y向支点(17)支承，通过压电微位移器(19)驱动；
作为二维位移测量传感器的正交衍射光栅(5)位于工作台底部，并通过连杆(29)与细定位X向工作台(21)固定连接，激光器(7)位于正交衍射光栅(5)的下方，角锥棱镜(6)位于激光器(7)的四周，并与位于同一光路上的两组垂直放置的直角棱镜(8)、放大镜(9)和光电探测器(10)共同构成所述的位置检测装置，形成与位移有关的光栅信号；
所述信号处理与控制电路包括压电微位移高压驱动电路(22)、D/A转换电路(23)、步进电机驱动器(24)、I/O控制电路(25)、光栅信号放大电路(26)、计数与细分电路(27)与计算机(28)；计算机(28)通过D/A转换电路(23)与压电陶瓷高压驱动器(22)驱动压电微位移器(19)，并通过I/O控制电路(25)和步进电机驱动器(24)驱动粗定位X向驱动电机(12)和粗定位Y向驱动电机(11)；正交衍射光栅(5)通过光栅信号放大电路(26)和计数与细分电路(27)将位移信号传输给计算机(28)。
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