TWI425334B - Hybrid six - degree - of - freedom nano - level precision positioning platform system - Google Patents

Description

混合式六自由度奈米級精密定位平台系統

本發明是關於一種精密定位系統，尤指一種方便組裝、成本低且具高精度長行程定位效果的混合式六自由度奈米級精密定位平台系統者。

按，隨著現今產業的導向，近年來隨著工具機、各種產業機械與量測儀器的高精度化，因此，不論是在精密機械、半導體產業、微(奈)米科技皆朝微小化與精密化發展，再加上超精密的加工機、半導體製程裝置、電子資訊機器與原子力顯微鏡等皆需要高精密的定位技術與儀器進行輔助，使得半導體技術儼然已進入到奈米的領域和技術，進而成為目前的主流之一；目前國內外定位平台之研究可分長行程定位平台設計與控制以及短行程定位平台之設計與控制，在長行程平台方面又可分單軸、雙軸及多軸之設計及控制，其中以單軸、雙軸定位平台就有較多之研究，而多軸平台之相關研究文獻則較少；在長行程定位平台其驅動器以伺服馬達搭配滾珠螺桿、線性馬達以及音圈馬達為主流；在短行程定位平台方面大多為利用撓性結構來架構平台，其致動器以壓電材料為最常使用；現有奈米等級的定位平台與回授量測系統是目前許多產業使用的重要工具之一，其驅動源必須具備體積小、反應時間良好與精度高的制動器，且在動作時必須不會產生高量的熱能或摩擦問題以避免降低推動的效率，因此，目前現有奈米定位平台的相關設備大部分需仰賴國外廠商進口的，不但設備相當昂貴且維修也相當不易；再則，目前現有奈米定位平台皆屬於小範圍的位移行程，行程的限制約在厘米(mm)等級以內，且現有的回授量測系統大都是使用光學尺與光學讀頭進行量測，然而，光學尺的精度會隨著長度的增加而產生越大的誤差，其中當光學尺超過1公尺(m)時會累積相當大的加工誤差，且會造成量測結果有重複性佳但是不準確的現象，進而造成錯誤的位置辨識，因此，若將光學尺運用在長行程的機台上則會造成位置辨識的誤差，進而影響加工精度或檢驗精度，所以如何同時達到長行程作動與奈米級的精密定位的要求，是目前業界亟於解決的問題。

因此，本發明人有鑑於現有奈米定位平台與回授量測系統，無法同時達到長行程作動與奈米級的精密定位的要求的不足與問題，特經過不斷的研究與試驗，終於發展出一種能改進現有缺失之本發明。

本發明之目的在於提供一種混合式六自由度奈米級精密定位平台系統，其是透過雙軸滑軌平台搭配微動壓電平台完成大範圍的奈米級定位，而在平台的回授量測系統部分系統則是利用雷射干涉儀作為回授系統，提供該雙軸滑軌平台音圈馬達的驅動訊號，有別與傳統的檢測機台利用光學尺提供回授訊號，可有效提高精度的準確性，改善檢測機台重複性佳但卻不準確之現象，進而提供一方便組裝、成本低且具高精度長行程定位效果之目的者。

為達到上述目的，本發明是提供一種混合式六自由度奈米級精密定位平台系統，其是包含有一平台組、一量測回授組及一控制組，其中：該平台組設有一底座、一雙軸滑軌平台及一微動壓電平台，該雙軸滑軌平台可移動地設於該底座上且設有兩導軌座、兩支撐平台及兩音圈馬達，該兩支撐平台分別設於兩導軌座頂面，兩音圈馬達分別設於兩導軌座上且分別與兩支撐平台相貼靠，該微動壓電平台設於該雙軸滑軌平台頂面的支撐平台上；該量測回授組與該平台組相結合且設有一第一單光束雷射干涉儀、一第二光束雷射干涉儀、一雙光束雷射干涉儀及一反射裝置，各雷射干涉固設於該底座上，該第一單光束雷射干涉儀與該雙軸滑軌平台間設有一分光鏡、一聚焦透鏡、一轉角鏡及一位置感測器，其中該轉角鏡可選自一五角菱鏡或一90度轉角鏡，該位置感測器接收經由該分光鏡的反射光束，該反射裝置設於該微動壓電平台上且設有一第一平面反射鏡、一第二平面反射鏡及一圓形平面反射鏡，該第一平面反射鏡反射該第二單光束雷射干涉儀的雷射光束，該第二平面反射鏡與該第一平面反射鏡呈一直角配置且反射該雙光束雷射干涉儀的雷射光束，該圓形平面反射鏡位於兩平面反射鏡間；以及該控制組與該平台組及該量測回授組相電性連接且設有一電腦及一控制器，該電腦內建有一用以接收各干涉儀與該位置感測器訊號的處理軟體，而該控制器是與該電腦、雙軸滑軌平台兩音圈馬達及微動壓電平台相電性連接。

進一步，該微動壓電平台設有一承載台及一連接平台，該承載台設於該雙軸滑軌平台頂面的支撐平台上，該連接平台是可微動地設於該承載台上且設有複數個撓性座與兩壓電致動器，其中各撓性座設於該支撐平台上且於靠近頂面的內側面設有一與該連接平台相連接的弧形撓性體，而各壓電致動器設於該支撐平台上且分別與該連接平台的側邊相貼靠。

再進一步，該微動壓電平台另設有一可微動地設於該連接平台上的上平台，該上平上且設有三個壓電致動器及三個二自由度撓性體，其中各壓電致動器設於該上平台的底面且與該連接平台相結合，而各二自由度撓性體設於該上平台上且分別與各壓電致動器相連接。

較佳地，該控制器與該微動致動平台的各壓電致動器相電性連接，而該電腦設有一觀測量測結果的螢幕。

較佳地，該雙軸滑軌平台的兩導軌座呈一十字形方式排列，藉以分別提供兩軸向的移動。

較佳地，該底座由一花崗岩材料所製成且設有複數個平台支柱，該底座另於頂面設有一定位板，該雙軸滑軌平台可移動地設於該定位板，各雷射干涉是固設於該底座的定位板上，該分光鏡、該聚焦透鏡及該位置感測器是間隔設於該底座的定位板上。

較佳地，各音圈馬達的作動行程可達到25公厘×25公厘。

較佳地，該分光鏡是為一50%的分光鏡，而該聚焦透鏡為一20公厘焦距的聚焦透鏡。

較佳地，該第二光束雷射干涉儀朝該微動壓電平台射出一雷射光束，而該雙光束雷射干涉儀設在異於該第一光束雷射干涉儀的底座上且朝該微動壓電平台射出兩雷射光束。

較佳地，該位置感測器係為一四象限光電位置感測器，可量測二自由度光點位置變化。

較佳地，該轉角鏡係可為一五角菱鏡或一90度轉角鏡，將光束轉折90度，使此光束與原本入射光束相互垂直。

藉由上述的技術手段，本發明混合式六自由度奈米級精密定位平台系統是至少具有以下的優點及功效：

一、長行程作動：本發明六自由度奈米量測機，可透過該雙軸滑軌平台的音圈馬達做為驅動的方式，提供一具有摩擦阻力小、能大範圍高速移動、一低污染及可承載重負荷的效果。

二、奈米微調作動：本發明六自由度奈米量測機所提供的微動壓電平台，可藉由各壓電致動器具有可控制性、高頻響應特性、電能與機械能之間的高轉換率、微小化及不易發熱的特點，因此，具有較高位移分辨率及高定位精度和重複精度，進而提供一奈米等級的位移與角度調整。

三、回授效果佳：本發明六自由度奈米量測機的量測回授組，其最大量測範圍為X方向：25公厘(mm)、Y方向：25公厘(mm)，而量測解析度：直線線位移解析度為10奈米(nm)，角位移(θx、θy)解析度為0.1秒，不僅可提供一長距離量測範圍(數公尺等級)、高解析度(0.04~10nm)、高穩定性、反應快速(大於1MHz)與排除環境因素干擾等的特性，進而可同時量測X、Y、Z與θx、θy、θz的變化並即時控制補償使其精度達到奈米等級。

為能詳細瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，玆進一步以圖式(如圖1至6圖所示)所示的較佳實施例，詳細說明如后：本發明提供一混合式六自由度奈米級精密定位平台系統，其包含有一平台組10、一量測回授組20及一控制組30，其中：該平台組10設有一底座12、一雙軸滑軌平台13及一微動壓電平台16，其中該底座12設有複數個平台支柱11，較佳地，該底座12由一花崗岩材料所製成，具有穩定性高且熱膨脹係數低的特性，因此，研磨時的平面精準度可達2μm/m，較佳地，該底座12另於頂面設有一定位板14；該雙軸滑軌平台13是可移動地設於該定位板14上且設有兩V型導軌座17、兩支撐平台18及兩音圈馬達15，其中兩V型導軌座17呈一十字形方式排列，藉以分別提供X軸與Y軸方向的移動，該兩支撐平台18分別設於兩V型導軌座17的頂面；兩音圈馬達15分別設於該雙軸滑軌平台13的兩V型導軌座17上且分別與兩支撐平台18相貼靠(音圈馬達15屬於現有技術，故不再進一步詳細描述)，其中各音圈馬達15為一直接傳動方式且馬達本身完全無接觸，因此不會有機械摩擦的現象，所以低速時能有平順移動，再則，雙軸滑軌平台13架構中沒有設置滾珠螺桿，是直接由音圈馬達15來驅動，所以不會因滾珠螺桿本身的誤差進而造成雙軸滑軌平台13的定位誤差，加上雙軸滑軌平台13作動時沒有背隙的問題，大幅提高定位的精度，使兩支撐平台18可分別受音圈馬達15的傳動而產生X軸向與Y軸向的移動，其中各音圈馬達15的作動行程可達到25公厘(mm)×25公厘(mm)；該微動壓電平台16是設於該雙軸滑軌平台13頂面的支撐平台18上且設有一承載台161、一連接平台162及一上平台163，其中該承載台161設於該雙軸滑軌平台13頂面的支撐平台18上，該連接平台162是可微動地設於該承載台161上且設有複數個撓性座164與兩壓電致動器165，其中各撓性座164設於該支撐平台18上且於靠近頂面的內側面設有一與該連接平台162相連接的弧形撓性體166，而各壓電致動器165設於該支撐平台18上且分別與該連接平台162的側邊相貼靠，該上平台163可微動地設於該連接平台162上且設有三個壓電致動器167及三個二自由度撓性體168，其中各壓電致動器167設於該上平台163的底面且與該連接平台162相結合，而各二自由度撓性體168設於該上平台163上且分別與各壓電致動器167相連接，該微動壓電平台16於使用時，主要是利用兩種不同型式的撓性體166、168的組合並透過各壓電致動器165、167間不同搭配的推動方式，而達到四個自由度(Z、θx、θy、θz)的運動，其中兩種不同型式的撓性體166、168具有材料變形的特性構成一體積小的微動壓電平台16，並配合各壓電致動器165、167具有體積小、反應速度快、解析度高及機電轉換效率高的特性，進而達到奈米微動的能力；該量測回授組20是與該平台組10相結合且設有一第一單光束雷射干涉儀21A、一第二光束雷射干涉儀21B、一雙光束雷射干涉儀22及一反射裝置23，其中各雷射干涉儀21A、21B、22是固設於該底座12的定位板14上，該第一單光束雷射干涉儀21A與該雙軸滑軌平台13之間設有一分光鏡26、一聚焦透鏡27、一轉角鏡40及一位置感測器29，其中該轉角鏡40可選自一五角菱鏡或一90度轉角鏡，其中該分光鏡26、該聚焦透鏡27及該位置感測器29是間隔設於該底座12的定位板14上且位於一雷射光束射出的路徑上，較佳地，該分光鏡26是為一50%的分光鏡，而該聚焦透鏡27為一20公厘(mm)焦距的聚焦透鏡，該轉角鏡40係設於該底座12的定位板14上，且位於雙軸滑軌平台13頂面的支撐平台18中心處，藉以將第一單光束雷射干涉儀21A的雷射光束由一水平光束轉變成一朝上射出的垂直光束，其中該位置感測器29用以接收經由該分光鏡26以及該聚焦透鏡27的反射光束反射且經過聚焦透鏡27聚焦的反射光束，用以量測θx、θy之偏擺角，該位置感測器29係為一四象限光電位置感測器，用以檢測到二自由度光點位置變化；該第二光束雷射干涉儀21B設於該底座12的定位板14且朝該微動壓電平台16射出一雷射光束，該雙光束雷射干涉儀22設在異於該第一光束雷射干涉儀21A的底座12的定位板14上且朝該微動壓電平台16射出兩雷射光束；該反射裝置23設於該微動壓電平台16上且設有一第一平面反射鏡24、一第二平面反射鏡25及一圓形平面反射鏡28，其中該第一平面反射鏡24設於該上平台163上且用以反射該第二單光束雷射干涉儀21B的雷射光束，而該第二平面反射鏡25設於該上平台163上並與該第一平面反射鏡24呈一直角配置的空間關係且用以反射該雙光束雷射干涉儀22的雷射光束，而該圓形平面反射鏡28是設該上平台163上且位於兩平面反射鏡24、25間且用以反射該轉角鏡40的垂直雷射光束，使該垂直雷射光束經反射後經分光鏡26一部份入射至該第一單光束雷射干涉儀21A內，而另一部份係經聚焦透鏡27入射至該位置感測器29；該量測回授組20的兩單光束雷射干涉儀21A、21B可透過接收其反射光束的方式量測出該微動壓電平台16的X軸與Z軸的位移，該雙光束雷射干涉儀22可透過接收其反射光束的方式量測出該微動壓電平台16的Y軸之位移量、θz之角度偏擺量，而該位置感測器29可透過接收由該分光鏡26反射經聚焦透鏡27聚焦之光束而量測出微該動壓電平台的θx、θy之位移量；以及該控制組30與該平台組10以及該量測回授組20相電性連接且設有一電腦32及一控制器33，其中該電腦32內建有一用以接收各干涉儀21A、21B、22與該位置感測器29訊號的處理軟體(圖未示)，該電腦32設有一觀測量測結果的螢幕31，而該控制器33是與該電腦32、雙軸滑軌平台13兩音圈馬達15以及微動壓電平台16各壓電致動器165、167相電性連接，透過該處理軟體處理訊號的方式，即可使各音圈馬達15進行作動，進而讓各V型導軌座17達到快速移動與定位控制的效果，且透過各壓電致動器165、167的作動，可使微動壓電平台16產生微量的Z軸行程變化及θx、θy、θz的角度變化，使該微動壓電平台16可進行微小位移的補償，使定位精度可以達到奈米的等級。

藉由上述的技術手段，本發明的混合式六自由度奈米級精密定位平台系統主要可分為結構設計、量測系統開發與整合及控制技術的開發與整合等三方面，是以音圈馬達15配合微動壓電平台16來完成奈米級定位，並且搭配量測回授組20進行X、Y、Z、θx、θy、θz的定位誤差量測與回授訊號控制補償，再透過電腦32處理軟體對於各干涉儀21A、21B、22與該位置感測器29訊號進行計算後，經由該控制器33控制各音圈馬達15進行作動進而達到長行程移動與快速定位控制的效果，並透過各壓電致動器165、167的作動而達到對於微動壓電平台16產生微量的Z方向位移與微量的θx、θy、θz角度變化，進而補正雙軸滑軌平台13移動時所產生之Z方向位移誤差與θx、θy、θz角度誤差，因此，藉由本發明混合式六自由度奈米級精密定位平台系統，不僅可有效降低成本以提升競爭力，且可透過模組化的組合方式，有效減少未來修護上和生產上的時間，進而提供一方便組裝、成本低且具高精度長行程定位效果之混合式六自由度奈米級精密定位平台系統者。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何形式上的限制，任何所屬技術領域中具有通常知識者，若在不脫離本發明所提技術方案的範圍內，利用本發明所揭示技術內容所作出局部更動或修飾的等效實施例，並且未脫離本發明的技術方案內容，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。

10．．．平台組

11．．．平台支柱

12．．．底座

13．．．雙軸滑軌平台

14．．．定位板

15．．．音圈馬達

16．．．微動壓電平台

161．．．承載台

162．．．連接平台

163．．．上平台

164．．．撓性座

165．．．壓電致動器

166．．．弧形撓性體

167．．．壓電致動器

168．．．二自由度撓性體

17．．．V型導軌座

18．．．支撐平台

20．．．量測回授組

21A．．．第一單光束雷射干涉儀

21B．．．第二單光束雷射干涉儀

22．．．雙光束雷射干涉儀

23．．．反射裝置

24．．．第一平面反射鏡

25．．．第二平面反射鏡

26．．．分光鏡

27．．．聚焦透鏡

28．．．圓形平面反射鏡

29．．．位置感測器

30．．．控制組

31．．．螢幕

32．．．電腦

33．．．控制器

40．．．轉角鏡

圖1是本發明之立體外觀示意圖。

圖2是本發明平台組與量測回授組立體外觀示意圖。

圖3是本發明平台組與量測回授組之放大立體外觀示意圖。

圖4是本發明平台組與量測回授組之俯視示意圖。

圖5是本發明平台組之局部放大立體外觀示意圖。

圖6是本發明平台組之局部放大俯視示意圖。

10．．．平台組

11．．．平台支柱

12．．．底座

13．．．雙軸滑軌平台

14．．．定位板

15．．．音圈馬達

20．．．量測回授組

21A．．．第一單光束雷射干涉儀

21B．．．第二單光束雷射干涉儀

22．．．雙光束雷射干涉儀

24．．．第一平面反射鏡

25．．．第二平面反射鏡

30．．．控制組

31．．．螢幕

32．．．電腦

33．．．控制器

Claims (8)

1. 一種混合式六自由度奈米級精密定位平台系統，其包含有一平台組、一量測回授組及一控制組，其中：該平台組設有一底座、一雙軸滑軌平台及一微動壓電平台，該雙軸滑軌平台可移動地設於該底座上且設有兩導軌座、兩支撐平台及兩音圈馬達，該兩支撐平台分別設於兩導軌座頂面，兩音圈馬達分別設於兩導軌座上且分別與兩支撐平台相貼靠，該微動壓電平台設於該雙軸滑軌平台頂面的支撐平台上且設有一承載台、一連接平台及一上平台，該承載台設於該雙軸滑軌平台頂面的支撐平台上，該連接平台是可微動地設於該承載台上且設有複數個撓性座與兩壓電致動器，其中各撓性座設於該支撐平台上且於靠近頂面的內側面設有一與該連接平台相連接的弧形撓性體，而各壓電致動器設於該支撐平台上且分別與該連接平台的側邊相貼靠，該上平台可微動地設於該連接平台上且設有三個壓電致動器及三個二自由度撓性體，各壓電致動器設於該上平台的底面且與該連接平台相結合，而各二自由度撓性體設於該上平台上且分別與各壓電致動器相連接；該量測回授組與該平台組相結合且設有一第一單光束雷射干涉儀、一第二光束雷射干涉儀、一雙光束雷射干涉儀及一反射裝置，各雷射干涉固設於該底座上，該第一單光束雷射干涉儀與該雙軸滑軌平台間設有一分光鏡、一聚焦 透鏡、一轉角鏡及一位置感測器，該位置感測器接收經由該分光鏡的反射並經聚焦透鏡聚焦的光束，該反射裝置設於該微動壓電平台上且設有一第一平面反射鏡、一第二平面反射鏡及一圓形平面反射鏡，該第一平面反射鏡反射該第二單光束雷射干涉儀的雷射光束，該第二平面反射鏡與該第一平面反射鏡呈一直角配置且反射該雙光束雷射干涉儀的雷射光束，該圓形平面反射鏡位於兩平面反射鏡間；以及該控制組與該平台組及該量測回授組相電性連接且設有一電腦及一控制器，該電腦內建有一用以接收各干涉儀與該位置感測器訊號的處理軟體，而該控制器是與該電腦、雙軸滑軌平台兩音圈馬達及微動壓電平台相電性連接。
2. 如申請專利範圍第1項所述之混合式六自由度奈米級精密定位平台系統，其中該控制器與該微動致動平台的各壓電致動器相電性連接，而該電腦設有一觀測量測結果的螢幕。
3. 如申請專利範圍第2項所述之混合式六自由度奈米級精密定位平台系統，其中該雙軸滑軌平台的兩導軌座呈一十字形方式排列，藉以分別提供兩軸向的移動。
4. 如申請專利範圍第3項所述之混合式六自由度奈米級精密定位平台系統，其中該底座由一花崗岩材料所製成且 設有複數個平台支柱，該底座另於頂面設有一定位板，該雙軸滑軌平台可移動地設於該定位板，各雷射干涉是固設於該底座的定位板上，該分光鏡、該聚焦透鏡及該位置感測器是間隔設於該底座的定位板上，該轉角鏡射於該底座的定位板上，且位於雙軸滑軌平台頂面的支撐平台中心處。
5. 如申請專利範圍第4項所述之混合式六自由度奈米級精密定位平台系統，其中各音圈馬達的作動行程可達到25公厘×25公厘。
6. 如申請專利範圍第5項所述之混合式六自由度奈米級精密定位平台系統，其中該分光鏡是為一50%的分光鏡，而該聚焦透鏡為一20公厘焦距的聚焦透鏡。
7. 如申請專利範圍第6項所述之混合式六自由度奈米級精密定位平台系統，其中該第二光束雷射干涉儀朝該微動壓電平台射出一雷射光束，而該雙光束雷射干涉儀設在異於該第一光束雷射干涉儀的底座上且朝該微動壓電平台射出兩雷射光束。
8. 如申請專利範圍第7項所述之混合式六自由度奈米級精密定位平台系統，其中該位置感測器係為一四象限光電位置感測器，可量測二自由度光點位置變化。