CN101290808B - 一种三自由度超精密微动工作台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度超精密微动工作台，该工作台X、Y和θ方向的运动由四个垂直布置在微动台外框架和内框架的直线电机提供，直线电机的动子安装在外框架的内侧，直线电机定子安装在内框架外侧。外框架由安装在外框架底部四角的四个圆形气浮轴承实现垂直方向的支承，内框架分别由环形气浮轴承和圆形真空预紧吸盘实现垂向的支承。微动台的位置信息由垂直安装在载物平台上的第一、第二平面配合激光干涉仪测量。本发明所提出的一种三自由度超精密微动工作台可实现大负载、大惯量、高精度的运动，该平台X和Y向的行程为2mm，θ的旋转角度为0.002rad，X和Y向的定位精度可达到5nm，旋转角度精度为0.25μrad。本发明可用于光刻机、超精密数控机床、生物芯片扫描仪等设备中。

Description

一种三自由度超精密微动工作台

技术领域

本发明涉及一种精密设备，具体为一种三自由度超精密微动工作台，该工作台可应用于光刻设备、精密机床、精密测量设备等高精度***技术领域，亦可用于生物工程设备。

背景技术

纳米级微动工作台为从事纳米制造和测量提供了一个精密定位和快速运动的载物平台。随着集成电路制造等超精密加工测量设备的发展，对纳米级微动工作台的需求量在不断增加，同时对工作台的性能也提出了很高的要求。目前国际市场上有PI、Anord、Feinmess公司可制造微动台，其中PI公司所制造的微动台采用平面电机驱动，可达到纳米级精度，但仅能承受235g左右的负载；Anord公司所制造的微动台可进行长行程运动，但精度较低，仅能达到微米级；Feinmess公司所制造的微动台，只能进行短行程，低精度的微动，均不适合应用在大负载、高速、高精的场合。

公开号为CN1921026A、公开日为2007年02月28日的中国专利文献提供了一种“X-Y-θ三自由度微动平台”，该产品由二级机械结构实现三自由度运动和控制，使用弹性支撑机械结构实现三轴联动，采用三个直线电机驱动，X向两个电机的驱动力不在同一轴线上，通过弹性支撑将X向运动传递内部平台，Y向运动则由固定在平台上的Y向电机直接驱动，该平台采用精密光栅传感器反馈位置信号，形成闭环运动控制***，其定位精度仅为150nm。该平台定位精度较低，且由于X向运动需要通过弹性支撑进行传递，因此引入了弹性变形的误差，这种误差很难进行控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种三自由度超精密微动工作台，该工作台具有大负载、大惯量、小行程、高精度的特点。

本发明提供的一种三自由度超精密微动工作台，其特征在于：四个圆形气浮轴承分别对称安装在外框架底部的四角，圆形真空预紧吸盘内嵌在环形气浮轴承中，环形气浮轴承与支撑架连接，圆形真空预紧吸盘、环形气浮轴承和支撑架组成带真空预紧的气足，该气足安装在内框架的底部以支承微动台内框架，气足的中心轴与内框架的中心轴重合；

外框架为中空的长方体，内框架为位于外框架内的四周开有凹槽的长方体；第一至第四直线电机定子对称的安装在外框架内部的四个侧壁的几何中心上，第一至第四直线电机动子对称安装在内框架的四个侧壁的几何中心上，第一至第四直线电机定子分别悬浮在第一至第四直线电机动子的凹槽中；

载物平台安装在内框架上，第一、第二平面镜粘合在载物平台上，第一、第二平面镜的材质和形状相同，第一平面镜与载物平台的一个边平行，第一平面镜和第二平面镜的中心线呈90度的夹角。

本发明针对现有超精密运动平台发展中遇到的小行程、高精度、大负载的瓶颈，提供了一种三自由度超精密微动工作台。本发明利用了直线电机大负载的特点，通过协调控制4个直线电机的组合，克服了直线电机低精度、单自由度的缺点，实现了大负载、高精度、3自由度的平面运动。本发明提出的工作台采用单层结构，利用激光干涉仪进行信号的测量和反馈，由4个直线电机直接驱动，X和Y向电机在同一个平面上，不存在运动的传递，减小了误差传递，提高了微动台的精度，定位精度可达5nm。具体而言，本发明具备以下的效果和优点：

(1)采用4个直线电机进行平面三自由度运动，克服了平面电机负载小的缺点，可用于大负载、多自由度的工作场合；

(2)气浮支撑结构保证了垂向的刚度远大于运动方向，从而使平台运动时垂向的波动极小，不影响平台的平面运动精度；

(3)直线电机定子固定在外框架上，不参与微动台的运动，不会增加微动台的运动载荷；

(4)在运动过程中，直线电机定子悬浮在动子的槽中，定子和动子间没有直接的机械接触，没有磨损，不会因此造成运动误差。

附图说明

图1为本发明三自由度超精密微动工作台的结构示意图；

图2为图1所示A-A剖视图。

具体实施方式

以下结合设计实例和附图进一步说明本发明的结构和工作原理。该设计可作为超精密定位设备中的微动台，X和Y方向的行程不大于±1mm，角度方向的调整范围小于0.002rad。

如图1、2所示，本发明包括以下部件：外框架1、第一至第四直线电机定子2、11、17、19、第一至第四直线电机动子3、10、16、18、内框架4、第一连接板5、第二连接板9、载物平台6、第一平面镜7、第二平面镜8、气浮轴承支撑架12、环形气浮轴承13、圆形真空预紧吸盘14、基座15、第一和第二圆形气浮轴承20、第三和第四圆形气浮轴承21。

四个圆形气浮轴承20分别对称安装在外框架1底部的四角，支承微动台外框架1，使外框架1悬浮在基座15上。圆形真空预紧吸盘14内嵌在环形气浮轴承13中，环形气浮轴承13采用螺栓与支撑架12连接，三者组成的带真空预紧的气足穿过外框架1安装在内框架4的底部，支承微动台内框架4，气足的中心轴与内框架4的中心轴重合。外框架1可与其他外界***相连，也可固定在基座上。外框架为中空的长方体，第一至第四直线电机定子2、11、17、19对称的安装在外框架1内部的四个侧壁的几何中心上，如图2所示。第一至第四直线电机动子3、10、16、18对称安装在内框架4的四个外壁的几何中心上。第一至第四直线电机定子2、11、17、19分别悬浮在第一至第四直线电机动子3、10、16、18的槽中，定子和动子间没有直接的机械接触。内框架4通过第一连接板5、第二连接板9与载物平台6相连，第一连接板5、第二连接板9对称的安装在内框架4顶部，其中心连线过内框架4长边的中心。用于激光测量的第一平面镜7和第二平面镜8粘合在载物平台6上，第一平面镜7和第二平面镜8材质和形状均完全相同，安装时第一平面镜7与载物平台6的相应边平行，第一平面镜7和第二平面镜8的中心线呈90度的夹角。

本发明所提出的微动台由4个直线电机2-3、10-11、16-17、18-19直接驱动，没有任何中间传动环节，消除了机械误差，降低了控制难度，容易实现精密定位。在4个电机2-3、10-11、16-17、18-19的协调作用下，实现微动台的平面三自由度运动，具体过程为：驱动2个X向直线电机2-3、10-11产生所需的X向运动，驱动2个Y向直线电机16-17、18-19产生所需的Y向运动，通过4个电机2-3、10-11、16-17、18-19的配合产生所需的转动角度。在电机驱动下，第一至第四直线电机动子3、10、16、18带动载物平台6一起运动，实现载物平台相对于外框架1和第一至第四直线电机定子2、11、17、19的微动。由于采用了气浮***12、13、14、20支撑，微动台垂向的刚度很高，保证了平台运动时垂向的误差不会影响运动精度。平台由激光干涉仪与驱动机构之间所组成的闭环控制***进行检测、控制和驱动，以实现快速精确定位。

三自由度超精密微动工作台承载着物体进行点到点的具体运动过程如下：当上位机所提供的目标确定后，X向电机动子3、10和Y向电机动子16、18按照控制***提供的数值指令相对X向电机定子2、11和Y向电机定子17、19进行运动，直线电机动子3、10、16、18带动载物平台6运动到需要位置；根据激光干涉仪的反馈信息，***计算微动台上硅片的实际位置及与目标位置的误差，电机接受指令后进行精确定位，消除误差；闭环控制***重复检测和动作，直至定位精度达到5nm和0.25μrad的要求。

该平台可以用在超精密数控机床、光刻机、精密测量设备、生物芯片点样仪和生物芯片扫描仪等生物技术设备中。

Claims (1)

1.一种三自由度超精密微动工作台，其特征在于：

四个圆形气浮轴承(20)分别对称安装在外框架(1)底部的四角，圆形真空预紧吸盘(14)内嵌在环形气浮轴承(13)中，环形气浮轴承(13)与支撑架(12)连接，圆形真空预紧吸盘(14)、环形气浮轴承(13)和支撑架(12)组成带真空预紧的气足，该气足安装在内框架(4)的底部以支承微动台内框架(4)，气足的中心轴与内框架(4)的中心轴重合；

外框架(1)为中空的长方体，内框架(4)为位于外框架(1)内的四周开有凹槽的长方体；第一至第四直线电机定子(2、11、17、19)对称的安装在外框架(1)内部的四个侧壁的几何中心上，第一至第四直线电机动子(3、10、16、18)对称安装在内框架(4)的四个侧壁的几何中心上，第一至第四直线电机定子(2、11、17、19)分别悬浮在第一至第四直线电机动子(3、10、16、18)的凹槽中；

载物平台(6)安装在内框架(4)上，第一、第二平面镜(7、8)粘合在载物平台(6)上，第一、第二平面镜(7、8)的材质和形状相同，第一平面镜(7)与载物平台(6)的一个边平行，第一平面镜(7)和第二平面镜(8)的中心线呈90度的夹角。

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