CN104364893B - 一种平面定位***与使用该平面定位***的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种平面定位***与使用该平面定位***的方法，包含：(i) 一个X 轴组合件，包含一个 X 轴线性启动器工具，该 X 轴线性启动器工具的排列与 Y 轴形成正交；(ii) 一个 Y 轴组合件，包含一对 Y 轴线性启动器工具，该 Y 轴线性启动器工具安装在该水平基座上而构成一种 H 型配置；(iii) 一个 Z 轴组合件，包含一个空气静力轴承机构，可浮在该水平基座顶部的外部压缩空气薄膜上；与一个 θ 轴启动器，该启动器固定于该 X 轴，可驱动承载一工件之该 Z 轴组合件，其中该 Z 轴组合件随着该转轴而旋转，使该 θ 轴垂直于该水平基座。
Description
技术领域
本发明与精准控制动作之机电定位***相关。本发明尤其与集成电路晶圆和光电零组件等的精密定位、以及使用该***的方法相关。
背景技术
一种传统 XYZθ 定位***的形成是将 Y 轴组合件堆栈至 X 轴组合件而构成两个正交轴。接着，另一个 Z 轴再垂直堆栈至该 X 轴组合件，而最后将 θ 轴安装至该 Z 轴的顶端。该传统 XYZθ 定位***之堆栈***的一项限制在于位置精确度会因各轴的误差而受到不利影响。该整个***的位置误差是该耦接各轴之全部误差的结果。
该传统 XYZθ 定位***中的该类堆栈方式的其它缺点在于：对任一轴的调整都会影响位于该特定轴顶端之其它各轴的定位。这表示该传统 XYZθ 定位***之整体***的对准与各轴的对准相关。
该传统堆栈***的第三项缺点是需要更高更大的占位面积来堆栈全部各轴。该占位面积变大会使该***的设计更占空间且没有效率，甚至在多数空间限制严苛的机械设计中并不可行。该 XYZθ 定位***的占位面积变大接着会影响整个***设计的面积。例如，美国专利编号 4,492,356 揭露利用该堆栈方式的一种 X-Y 工作台的设计。该设计含有一个Y 轴工作台，可堆栈至一个 X 轴工作台上，形成该 X-Y 轴工作台具有相对更高的占位面积。
美国专利编号 6,588,081 揭露另一种类似的堆栈法定位***，其中 θ 轴堆栈在Z 轴的顶端。美国专利编号 6,588,081 亦揭露 X-Y 轴堆栈工作台的设计，而且有一个 θ轴旋转工作台安装在该 X-Y 工作台上。该设计同时考虑模块化的 X-Y 轴工作台，可堆栈而高于该旋转轴工作台，甚至会形成一种占位面积更高的***。该些堆栈***会造成不良的占位面积效率。
由于该***含有诸多限制，部分先前技术的***试图解决该堆栈***所发现的各种问题。美国专利编号 5,040,431 采用多个 X-Y 轴工作台，该些工作台利用多个空气轴承组件与一个水平面板，可降低因该 X 轴工作台造成该 Y 轴工作台的震动与滚转。
美国专利编号 5,228,358 揭露另一种类似设计，其中该 X-Y 轴工作台是由使用永久磁铁的一种线性马达所驱动。该些***的导引结构都采用多个空气轴承。使用该些空气轴承的数目大约是 14 个，以便能引导该 X 轴与 Y 轴。大量的空气轴承装置使得设计没有经济效益，而且空气消耗速率极高。
美国专利编号 7,271,879 提出解决大占位面积问题的方法，该专利采用一种解耦式 X-Y 轴工作台的设计，可获得较低的垂直轮廓与适中的占位面积。在美国专利编号7,271,879 中，有一个控制工件的移动平台会浮动于两个刚性参考面上，而该些刚性参考面安装于一个刚性基座上。该设计的其中一项限制在于必须耗费力气进行校准与加工，才能对准该两个参考面而达到平行。
美国专利编号 5,731,641 的设计是提供基于楔形设计的一个升降工作台，其性能可改善加速度、速率、与***频宽。然而，该楔形设计对于达到升降或 Z 轴方向移动的空间要求并不有效。该升降行程只占该升降移动时所需水平行程的一小部分，且该升降移动会占据 X 与 Y 方向的大量占位面积。
美国专利编号 8,008,815 a 揭露一种针对机台使用的平面工作台移动装置，包含：第一至第四线性马达，可在一基座与一工作台之间对该工作台施加移动力，各线性马达包含一个定子铁心，该定子铁心缠绕着一个线圈并且固定于该基座，并且包含一个移动铁心，该移动铁心连接多个永久磁铁并且固定于该工作台；一个空气轴承装置，能在该基座与该工作台间提供一种斥力而分开该基座与该工作台，当电流施加至该些线性马达的线圈时，该空气轴承装置可在磁场影响下移动，其中该空气轴承装置包含复数个空气轴承衬垫而用于该些线性马达之任一者，该些空气轴承衬垫装设在该些线性马达之任一者的该些永久磁铁之间；与一个线性编码器，该线性编码器安装在该工作台的一侧，能测量该工作台的移动，该第一与第三线性马达装设在该基座与该工作台之间，且分别位在该工作台的下侧与上侧，能使该工作台在该工作台的 X 轴方向上移动，该第二与第四线性马达装设在该基座与该工作台之间，且分别位在该工作台的右侧与左侧，能使该工作台在该工作台的 Y 轴方向上移动，该些空气衬垫固定至分别形成于该工作台下表面的复数个沟槽、以及固定至形成于该工作台中间部位的复数个空气供应管路，能分别提供气压至该些沟槽。
美国专利编号 7,271,879 与平面定位***相关，包含：一个刚性基座；第一与第二启动器工具，该些启动器工具分别含有一固定部份，可直接固定于该刚性基座，该第一与第二启动器工具分别含有一个个别的可动部份，可相对于该刚性基座而线性移动，其中该第一与第二启动器的可动部份限制在各自的第一与第二正交线性维度内移动；一个水平参考面，安装于该基座上；一个可动平台，可控制一个工件，该可动平台会受到支撑而在该参考面上进行平面移动；一个第一连接器，位于该第一启动器的可动部份与该可动平台之间，能使该平台在该第一线性维度内移动，该第一连接器亦可用来导引该第二线性维度内的该平台；与一个第二连接器，位于该第二启动器的可动部份与该可动平台之间，能使该平台在该第二线性维度内移动，该第二连接器亦可用来导引该第一线性维度内的该平台。
美国专利编号 7,257,902 揭露一种工作台装置，包含：一个基座；一个工作台，可承载一个可动主体并在该基座上移动；一个平面马达，可驱动该工作台；一个空气轴承，可作用而升高该工作台到该基座的上方；一个刻度件，设置在该基座上并包含一种有角度的格栅，该格栅具备一种与角度相关的特性，可根据一已知功能而在一个二维方向上变动；与至少一个二维角度传感器，设置在该工作台上，使该至少一个二维角度传感器能将一道光束射向该刻度件之有角度的格栅，并侦测由该刻度件反射之一道光束的二维角度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种解耦式 XYZθ 轴定位装置，该定位装置具有一个刚性水平基座，该基座包含 (i) 一对 Y 轴线性启动器工具，可安装至该刚性水平基座而构成一种 H 型配置的结构；(ii) 一个 Y 轴线性启动器工具，可排列成与该 Y 轴形成正交；(iii) 一个 θ 轴启动器，可稳固安装至该 X 轴，并且经由一个灵活使用之动力输送组件而将一个转动力矩提供给该 Z 轴，其中该 Z 轴装有一个空气静力轴承机构，能浮在该刚性水平基座顶部之外部压缩空气的薄膜上。
本发明的另一目的在于提供一种解耦式 XYZθ 轴定位装置，其中该 Z 轴的移动包含一种粗动与一种微动而定义升降功能，该粗动含有两个定义的 Z 轴位置，该微动具有高分辨率，能考虑到一工件之 Z 轴位置的精密定位。
本发明的又一目的在于提供一种解耦式 XYZθ 轴定位装置，其中该 Y 轴线性启动器工具包含两个彼此平行排列的线性启动器，且该 X 轴线性启动器设置在该两个 Y 轴线性启动器之间，因此该些 Y 轴线性启动器之间的距离大于该 X 轴线性启动器工具的动作范围。
本发明的再一目的是提供一种解耦式 XYZθ 轴定位装置，其中该 X 轴线性启动器工具设置在该 Y 轴线性启动器工具的中段。
本发明的另一目的在于提供一种解耦式 XYZθ 轴定位装置，其中进一步包含一个弹性连杆组件，能将该 X 轴连接至该 Z 轴与 θ 轴，其中该弹性连杆组件的特点是能够种弹性解除因该装置 X 轴与 Y 轴所造成之该整个 Z 轴的水平、滚转、与俯仰误差。
本发明的再一目的是提供一种解耦式 XYZθ 轴定位装置，其中该些水平、滚转、与俯仰误差出自于该刚性水平基座并且通常非常微小，并使该工件之该些参数达到高位置精确度。
本发明的再一目的是提供一种解耦式 XYZθ 轴定位装置，其中进一步包含一个位置感测工具，可用于该 X 轴、Y 轴、Z 轴、与 θ 轴的闭回路回授控制，其中该位置感测工具包含一个线性光学编码器。
本发明的再一目的是提供一种解耦式 XYZθ 轴定位装置，其中该装置之各测量***包含一个光学读取头、一个光学线性量尺、与一个指标传感器，能标示动作范围的一个零点位置。较佳者，该光学线性量尺稳固地安装在一个基座上，且该基座可忽略温度变动，且该读取头偏好固定于该应用轴的该些移动组件上，例如，该移动式滑动板。
根据本发明，该解耦式定位装置使用创新方式，能达到高速、高精确定位，而且轮廓下降与占位面积适中。将该 Z 轴与其它各轴分离表示该 Y 轴与 X 轴不会承载该 Z 轴的重量，因此能得到较高的速率。进一步使该 Z 轴解耦可确保该 X 轴与该 Y 轴的误差与动力不会扩展到该 Z 轴，因此更能精确定位该***。
附图说明:
以下仅以实例并参照附图而进一步说明本发明的较佳实施例，其中的附图如下：
图 1 是根据本发明较佳实施例之 XYZθ 轴定位***的立体图，其中显示四轴与花岗石平台的基本布局；
图 2 是立体图，显示图 1 本发明之***的 Y 轴组件布局；
图 3 是立体图，显示图 1 本发明之***的 X 轴、Z 轴、与 θ 轴组件布局；
图 4 是剖面图，显示根据本发明之 X 轴、Z 轴、与 θ 轴的细部情形；
图 5 是立体图，显示 Z 轴与 θ 轴从本发明之 X 轴上升起。
具体实施方式：
图标中显示根据本发明之较佳实施例的一种解耦式 XYZθ 轴定位装置。图 1 所示定位装置的整体结构包含一个如图 2 所示的 Y 轴组合件 (100)，与如图 3 所示的一个 X 轴组合件 (200)、一个 Z 轴组合件 (300)、 与一个 θ 轴组合件 (400)。图 4 显示该 X 轴、Z 轴与 θ 轴组合件 (200, 300, 400) 的剖视图。图 5 显示根据本发明之该 Z轴 (300) 与该 θ 轴 (400) 从该 X 轴 (200) 上升起。
根据本发明之一个较佳实施例，图 1 所示之该定位装置包含一个极平坦的工作台顶部 (1)，该工作台顶部 (1) 是以一种水平材料制作，较佳者为花岗石等。可理解该工作台顶部的重要性在于该工作台顶部的材料必须保持平坦、坚硬、与低热膨胀系数，而且该材料不限于本发明所用的花岗石。该花岗石工作台顶部 (1) 能为图 3 所示该滑动器组合件 (300) 提供一个极平坦的水平参考面，可导引该滑动器组合件 (300) 在该花岗石工作台顶部 (1) 上滑动。这样能藉由降低该些 Y 轴导轨 (5A) 与 (5B) 的水平误差、以及降低该些 X 轴导轨 (16A) 与 (16B) 的水平误差而确保该装置会遵循该极平坦花岗石平面的 X 轴与 Y 轴水平精度。该花岗石顶部 (1) 也装设两个平直且平行的表面，可用来安装该 Y 轴导轨 (5A) 与 (5B)。这样能确保本发明定位***之该 Y 轴的平直精准度。
图 1 与图 2 所示的该 Y 轴组合件 (100) 包含多个 Y 轴启动器轨道 (2A) 与(2B)、多个 Y 轴启动器轨道支架 (3A) 与 (3B)、 多个 Y 轴量尺 (4A) (图中未显示) 与(4B)、多个 Y 轴导轨 (5A) 与 (5B)、多个 Y 轴启动器线圈 (6A) 与 (6B)、多个 Y 轴启动器线圈支架 (7A) 与 (7B)、多个 Y 轴导块 (8A, 8B, 8C, 8D)、多个 Y 轴滑动架 (9A)与 (9B)、多个 Y 轴位置传感器 (10A, 10B)、多个接头 (11, 12)、与一个 Y 轴推杆(13)。
在本发明中，该些 Y 轴启动器轨道 (2A, 2B) 以及该些 Y 轴启动器线圈 (6A,6B) 是多个彼此平行定位的线性启动器，且邻近于该花岗石顶面 (1) 的多侧。该些 Y 轴启动器轨道 (2A, 2B) 安装在该些 Y 轴启动器轨道支架 (3A, 3B) 上，并依序安装至该花岗石顶面 (1)。该些 Y 轴启动器线圈 (6A, 6B) 安装至该些 Y 轴启动器线圈支架(7A, 7B) 上，然后再安装到该些 Y 轴滑动架 (9A, 9B)。以多个接头 (11, 12) 连接之该些 Y 轴滑动架 (9A, 9B) 的 Y 轴驱动能推进该 Y 轴推杆 (13)。该 Y 轴动作是由在该些 Y 轴导轨 (5A, 5B) 上移动的该些 Y 轴导块 (8A, 8B, 8C, 8D) 所导引。该些 Y 轴导块 (8A, 8B, 8C, 8D) 是一种用于高速应用的空气静力轴承***、一种用于高载重应用的流体静力轴承***、与一种真空环境下操作的滚动轴承***。
该 Y 轴的位置是由对应该些 Y 轴量尺 (4A, 4B) 之该些 Y 轴位置传感器(10A, 10B)所决定。该些 Y 轴量尺 (4A, 4B) 对称定位于该花岗石顶面 (1) 的两侧。该些位置传感器 (10A, 10B) 产生的位置信息可当作一个回馈讯号，可控制驱动该些启动器的电路，因而达到精确的定位。
该两个 Y 轴启动器线圈 (6A, 6B) 是藉由使用两个接头 (11, 12) 而连接于该Y 轴推杆 (13)。该接头 (11) 是一种球窝接头，能定出三种自由度，即该 Y 轴组合件 (图2) 的 X、Y、与 Z 轴的位置。该接头 (12) 位在该 Y 轴推杆 (13) 的远侧，是一种弹性连杆，能定出三种自由度，即该 Y 轴组合件的 Y、Z、与 θ 轴的位置。依此方式，可固定六个自由度而判定静态时的该 Y 轴推杆 (13)。该连接机构的优点在于该 Y 轴推杆 (13) 可按照该 X 方向动作，其中该 X 方向是该 Y 轴推杆 (13) 的纵向方向。该连接机构能确保该***的 Y 轴移动不会受到该两个 Y 轴导轨 (5A, 5B) 之平行度误差的影响。
图 2 与图 3 所示该 X 轴组合件 (200) 包含一条 X 轴启动器轨道 (14)、一个X 轴启动器轨道支架 (15)、多条 X 轴导轨 (16A, 16B)、一个 X 轴量尺 (18)、多个 X 轴导块 (17A, 17B, 17C, 17D)、一个 X 轴滑动架 (19)、一个 X 轴位置传感器 (20)、一个X 轴启动器线圈 (21)、与一个 X 轴推进板 (22)。
该 X 轴启动器轨道 (14) 与该 X 轴启动器线圈 (21) 为多个线性启动器，当活动于该些 X 轴导轨 (16A, 16B) 上的该些 X 轴导块 (17A, 17B, 17C, 17D)引导动作时，该些线性启动器能驱动该 X 轴滑动架 (19)。该些 X 轴导引组件 (16A-16B, 17A-17D) 可以是一种用于高速应用的空气静力轴承***、一种用于高载重应用的流体静力轴承***、与一种滚动轴承***。
对应该 X 轴量尺 (18) 的该 X 轴位置传感器 (20) 能决定该 X 轴的位置。该X 轴量尺 (18) 是经由该工件 (27) 之中心线而安装，可降低发生 Abbe 误差的可能。Abbe 误差是指该测量轴平面与该零件运动轴之间的偏移而造成之误差。
该 X 轴推进板 (22) 可稳固安装在该 X 轴滑动架 (19) 上。该推进板 (22) 能驱动该整个 Z 轴与 θ 轴在该 X 与 Y 方向上运动。
图 3、 4、与 5 所示之该 θ 轴组合件 (400) 包含一个 θ 轴位置传感器支架(23)、一个 θ 轴位置传感器 (24)、一个 θ 轴量尺 (25)、一个 θ 轴导轮支架 (28)、一个滑动件解耦器 (30)、一个 θ 轴启动器 (32)、一个灵活使用之动力输送组件 (33)、一个固定式滚轮机构 (34)、一个预装入的滚轮机构 (35)、一层薄膜 (36)、与多个 θ 轴导引组件(43A, 43B)。该 θ 轴启动器 (32) 可依据该旋转方向而藉由该灵活使用之动力输送组件(33) 而驱动该滑动件解耦器 (30)。较佳者，该 θ 轴启动器 (32) 是一种直驱式旋转马达，如铁心式无刷马达，可用于高扭矩的应用，或无铁心无刷马达，可用于不适合齿槽转矩的应用。该灵活使用之动力输送组件 33 可能是适合高速低扭矩应用的一条皮带、或是适合低速高扭矩应用的一种链条，适用于输送来自该 θ 轴驱动器 (32) 的动力。该些 θ 轴导引组件 (43A, 43B) 能导引径向的旋转运动，并能决定该 θ 轴的位置精度。该些 θ 轴导引组件 (43A, 43B) 可以是多个高精度滚轮轴承，能适合需要高旋转精度的多种应用。该固定式滚轮机构 (34) 与该预装入的滚轮机构 (35) 安装在该 θ 轴导轮支架 (28)上，能确保该旋转 Z 轴承受俯仰力矩。该薄膜 (36) 稳固地安装在该滑动件解耦器 (30)上，使该滑动件解耦器 (30) 固定于整个 Z 轴。该薄膜 (36) 会受到该灵活使用之动力输送组件 (33) 驱动而旋转。该固定式滚轮机构 (34) 可在该薄膜 (36)的底侧滑动，因而确保能在轴向正确地导引旋转。该预装入的滚轮机构 (35) 设置于该薄膜 (36) 上，而且是以该弹簧组件所预先装入而抵顶该薄膜 (36) 的上侧，因此能限定运动沿着轴向进行。
该 θ 轴的位置是由对应该 θ 轴量尺 (25) 的该 θ 轴位置传感器 (24) 所决定。该 θ 轴位置传感器 (24) 稳固地安装在该 θ 轴位置传感器支架 (23) 上并坐落于该X 轴推进板 (22) 。该些位置传感器 (24) 产生的位置信息可当作一种回馈讯号而控制驱动该 θ 轴启动器的电路，因而能精确地定位该 θ 轴。
请参见图 3、图 4、与图 5，其中显示该 Z 轴组合件 (300) 包含一个工件夹具(26)、一个工件 (27)、一个空气静力轴承机构 (29)、一个活塞解耦器 (31)、一个滑动件本体 (37)、一个滑动导引组件 (38)、 一个 Z 轴活塞 (39)、一个 Z 轴密封组件 (40)、一个Z 轴锁定机构 (41A, 41B, 41C)、多个 Z 轴精密定位启动器 (42A, 42B, 42C)。该空气静力轴承机构 (29) 是一种空气轴承，能利用外部压缩空气的薄膜而在该空气静力轴承机构(29) 与该花岗石工作台顶部 (1) 的多个表面间提供无摩擦承载接口，使该 X 与 Y 的定位达到高精准的水平。该空气静力轴承机构 (29) 是多个空气轴承，能将压缩空气导入一孔或一种多孔材料。将该工件 (27) 安装至该工件夹具 (26) 的各种方法可藉由吸力、或藉由安装多颗螺丝与螺栓。较佳的方法是利用吸力，依据该方法，该工件夹具 (26) 包含多个孔洞，能将真空导向该工件 (27) 的接触表面。由于该些固定螺丝与螺栓能造成该些夹持压力，这样的优点是不会轻易扭曲轮廓而保持该工件 (27) 的水平。
该 Z 轴的移动可分为两部份：粗动与微动。该粗动通常包含净距离，适用于该工件 (27) 的装卸阶段，而且距离可达到 20 公厘。该微动通常适用于该工件 (27) 的最终精密定位，而且通常涵盖小于 1 公厘的距离。为了达到该粗动目的，所牵涉的组件是该滑动件本体 (37)、该滑动导引组件 (38)、该 Z 轴活塞 (39)、该 Z 轴密封组件 (40)、与该Z 轴锁定机构 (41A, 41B, 41C)。该 Z 轴粗动的工作原理类似于一种气压缸的工作原理，且为熟悉本领域之一般专业人士所理解的技术。该滑动件本体 (37) 的作用如同一种用于外部压缩空气的密闭容器，可推动该 Z 轴活塞 (39) 向上而达到该 Z 轴锁定机构 (41A,41B, 41C) 所定义之终点位置。该向上移动的动作是由该滑动导引组件 (38) 所导引。然而，到达最上方位置时，会解除该滑动导引组件 (38) 的导引，并精确定出该 Z 轴锁定机构 (41A, 41B, 41C) 所定义的 Z 轴位置。该 Z 轴密封组件 (40) 安装在该 Z 轴活塞(39) 的周围，使外部压缩空气密封在该滑动件本体 (37) 的整个容器内。该 Z 轴密封组件 (40) 是应用于汽压***的一种 O 型环。该些 Z 轴锁定机构 (41A, 41B, 41C) 是多个运动耦合装置，能使该 Z 轴活塞 (39) 达到零自由度。该些运动耦合装置的其中一例就是安装在三个 V 形沟槽内的三根精密轴心。可设定达到 Z 轴最高位置时之外部压缩空气的压力等级，使得能足以压制该 Z 轴活塞 (39) 抵抗该三个 Z 轴锁定机构 (41A, 41B,41C)，并且固定该 Z 轴最高位置。该回缩机构通常有两种方式达到该粗动。一种粗动方式就是应用双作用式汽缸的工作原理，并且凭借该滑动件本体 (37) 上的两个通气孔。一个通气孔用来进行该朝上动作；而第二通气孔用来进行该 Z 轴活塞 (39) 的回缩移动。第二种粗动方式就是在压缩空气与该下通气孔上的真空之间切换，而分别进行朝上与朝下的动作。
为了达到精确的 Z 轴定位，牵涉的组件包含该活塞解耦器 (31)、该些 Z 轴精确定位启动器 (42A, 42B, 42C)、该工件夹具 (26)、与该工件 (27)。该三个 Z 轴精密定位启动器 (42A, 42B, 42C) 相隔 120 度角的放置在相同平面，并且稳固安装于该 Z 轴活塞 (39)，而且该些启动器 (42A, 42B, 43C) 能驱动安装在该工件夹具 (26) 上的该工件(27) 达到该最终的精确 Z 轴位置。控制该工件夹具 (26) 与该 Z 轴活塞 (39) 的组件就是该活塞解耦器(31)。该活塞解耦器 (31) 是一种连杆，其特性是能断开该 Z 轴位置并从该 Z 轴活塞 (39) 断开该工件 (27) 的两个倾倒力矩 φ 与 ψ，而且该活塞解耦器(31) 也能用来导引该三个启动器 (42A, 42B, 42C)。该三个自由度能使该三个 Z 轴精密定位启动器 (42A, 42B, 42C) 独立启动，而且该工件 (27) 能做为含有活塞移动与顶端倾斜移动的一个切平面。该些 Z 轴精密定位启动器 (42A, 42B, 42C) 可以是多个含有极精准分辨率的压电式驱动器或精密螺旋轴，可藉由编码器回授功能而由旋转式齿轮马达所趋动。将该 Z 轴分为粗动与微动部分的特性可造成以下优点：
(i)对粗动而言，该 Z 轴方向上有两段静态定义的粗动。
(ii)由于该 Z 轴的重力作用而必须补偿该质量效应的传统方法是利用弹簧、气压缸、液压缸、与质量补偿器。在本发明中，该结构体应用高压力的气压***做为一种被动工具而固定该 Z 轴位置。
(iii)对微动而言，三个自由度能静态决定唯一的 Z 轴位置。
(iv)执行作业时必须固定该三个 Z 轴精密定位启动器 (42A, 42B, 42C) 所校准的该最终 Z 轴位置。
根据本发明，以下将参照附图以及上述组合件与组件而说明该解耦式 XYZθ 轴定位装置的结构特性与操作。
该花岗石工作台顶部 (1) 为本发明之定位装置提供一个基座，而且该花岗石工作台顶部 (1) 是一种平板或类似物体且含有完全水平的上表面。该工作台顶部 (1) 的内侧含有两个水平与平行表面，其中该 Y 轴与 X 轴组合件 (100, 200) 透过该些 Y 轴导轨 (5A, 5B) 而安装在该两个水平与平行表面。该两个 Y 轴启动器线圈 (6A, 6B) 以及该些 Y 轴启动器轨道 (2A, 2B) 安装在该工作台顶部 (1) 的外侧。图 1 与图 2 所示的该些 Y 轴启动器 (6A, 6B) 以及该些轴承组件定位于相同水平而当做该装置移动质量台架的整体中心，能使因偏移而造成之力矩达到最少。该 X 轴组合件 (200) 藉由该些接头(11, 12) 而连接于该 Y 轴组合件 (100)。这类 H 型驱动配置所面临的一个问题就是二Y 轴导轨 (5A, 5B) 的位置不准与平行度误差，而造成该 Y 轴无法一致地执行沿该 Y 方向移动。最差的情况是平行度不一致会造成摩擦力以及摩擦力会上升到无法接受的水平，并且导致启动器失控。在本发明的较佳实施例中，该装置使用两个接头 (11, 12) 来解决该问题。位在该 X 轴一侧之该接头 (11) 是一种球窝接头，能藉由三个自由度 (即 X、Y、Z的位置) 而限制该 X 轴。位在该 X 轴另一侧之该接头 (12) 是一种弹性连杆，可固定三个自由度，即 Y、Z、与 θ 的位置。由于限制该六个自由度，因而能静态决定该 X 轴组合件。同时，利用该接头 (12) 可解决因两个 Y 轴导轨 (5A, 5B) 而造成之水平度与平行度误差的问题，其中该接头 (12) 能依照该 X 方向与两个倾倒力矩 θ 与 ψ。该 X 轴组合件(200) 的结构如下：该 X 轴是一种轮廓低矮而且小巧的组件，包含沿该 Y 轴推杆 (13)宽度方向间隔排列的多个轴承，能抵抗滚转与俯仰动作。该些导轨 (16A, 16B)、该 X 轴启动器轨道 (14)、与该 X 轴量尺 (18) 策略性地放置在靠近该装置移动质量的重心面。这样可确保该 X 轴组合件的 Abbe 误差达到最少。
该 θ 轴组合件 (400) 的结构如下：该 θ 轴能让该 Z 轴一体旋转。当该空气静力轴承机构 (29) 滑动于该工作台顶部 (1) 表面之外部压缩空气的薄膜上时，该 θ 转轴会垂直于该花岗石工作台顶部 (1) 的表面。当该灵活使用之动力输送组件 (33) (例如皮带等) 传输动力时，该 θ 轴启动器 (32) 能驱动该 θ 轴组合件 (400)。该 θ 轴启动器(32) 稳固地固定于该 X 轴推进板 (22) 上，使得该 θ 轴组合件不会受到该 θ 轴启动器(32) 之移动质量的影响。该 θ 轴的精准度来自安装在该 X 轴推进板 (22) 的该些 θ 轴导引组件 (43A, 43B)，其中该 X 轴推进板 (22) 可以是高精度的滚轮轴承，对需要高精度 θ 轴径向摆动的应用时，该 X 轴推进板 (22) 能在该 θ 轴上导引。该花岗石工作台顶部 (1) 上之该空气静力轴承机构 (29) 的三个浮动点能促成径向摆动的正确性。该结构考虑到的部份优点如下：
(i)该 θ 轴采用一种旋转轴承组件的传统方式会造成非重复性的轴向摆动。根据本发明，该旋转轴承组件的需求有限，因此只会出现有限的 θ 轴非重复性轴向摆动。
(ii)当该 Z 轴组合件一体旋转时，该结构亦使该 Z 轴组合件的负载分布与该 θ轴的旋转无关。该结构能排除因该 Z 轴之负载分布不均而引发的问题。
(iii)该 θ 轴的转轴垂直于该花岗石工作台顶部 (1) 的表面，藉此可定义该工件 (27)的 Z 轴位置，并与该旋转位置无关。
(iv)该 θ 轴驱动器 (32) 的质量固定在该 X 轴组合件 (200) 上而非固定于该Z 轴本身。质量下降形成***占位面积以及垂直轮廓的下降。这样能使 Abbe 误差达到最少，并且改善该 Z 轴负荷较轻时的动态性能。
当该工件 (27) 完成该 θ 轴的校准后，该薄膜 (36) 与该 X 轴推进板 (22) 的结构能将该整个 θ 轴与 Z 轴的锁定机构形成在该 X 轴推进板 (22) 上。该薄膜 (36)是一种固定在该滑动件解耦器 (30) 的薄型组件，该滑动件解耦器 (30) 连接该 Z 轴组合件，该 Z 轴组合件会因真空力的效应而弹性形变。该 X 轴推进板 (22) 是一种含有多孔洞的组件，而该些孔洞能将外部压缩空气或真空导向该薄膜 (36) 的接触面。进行操作期间，当该工件 (27) 需要进行该 θ 轴的调整时，该 X 轴推进板 (22) 能使该外部压缩空气通过该些孔洞。这样能使该薄膜 (36) 藉由平滑且无摩擦的动作而浮在该空气膜上。当完成该 θ 轴的校准阶段时，该 X 轴推进板 (22) 接着会经由该些孔洞而启动真空并吸附于该薄膜 (36) 上，而且在该真空效应的作用下，该薄膜 (36) 会弹性形变并结合该 X轴推进板 (22)。于此阶段中，该整个 θ 轴与 Z 轴的位置就会固定并与该 X 轴结合。
该滑动件解耦器 (30) 是一种连杆组件，固定于该薄膜 (36) 与该滑动件本体(37) 上，其中该薄膜 (36) 会依序固定于该 X 轴，而该滑动件本体 (37) 则依序稳固地连接于该 Z 轴。该滑动件解耦器 (30) 的特性是能够弹性地使整个 Z 轴组合件之 Z、φ、与 ψ 轴和该装置之 X 轴与 Y 轴分离。这样能得到以下优点：
(i)对于带有该工件 (27) 的该 Z 轴而言，该 Z、φ、与 ψ 轴的最终定位与该 X轴与 Y 轴造成该 Z、φ、与 ψ 轴的位置误差无关。
(ii)因此，平面运动时所发生之 Z 轴误差出自于该极平坦之花岗石工作台顶部(1)，其原因来自于浮在该外部压缩空气薄膜上之该空气静力轴承机构 (29)对该工作台顶部 (1) 表面上的交互作用。
(iii)该φ与ψ的状况也类似，该φ与ψ分别考虑引发自该花岗石工作台顶部 (1)的滚动误差与俯仰误差，其中该花岗石工作台顶部 (1) 的高规格使该花岗石工作台顶部(1) 有最少的误差。
一种控制器 (未显示于图中) 能根据事先定义的程序而连接并驱动该 X 轴(21)、Y 轴 (6A, 6B)、Z 轴 (42A, 42B, 42C)、与 θ 轴 (32) 的全部驱动器，从而定位该工件夹具 (26)。较佳者，该控制器能以一种闭回路回授的安排方式而控制该些驱动器，其中该闭回路回授的安排方式使用该些 X 轴、Y 轴、Z 轴、与 θ 轴位置传感器 (20, 10A,10B, 24) 所获得的多个位置讯号。该控制器可包含一种内存，当进行校准阶段时，该控制器能建立一个数据表，从而纪录该***对应一精确外部参考点之整体运动时的多种***性误差。接着可利用该数据表内的数据来调整该平台于正常使用时的动作，使该些***性误差达到最少。
根据本发明，使用该平面定位***的方法如下所示：
i.调整该X、Y、Z、与θ轴到该***的起始位置；
ii.将该Z、Y、Z轴组合件移向一个工件负载位置；
iii.移动该Z轴组合件而吸取该工件并且控制该Z轴组合件停留在该位置；
iv.移动该X与Y轴组合件到该***的测量点；
v.移动该Z轴组合件到该***的对焦点；
vi.执行校准的过程中可移动该θ轴而进行该θ轴补偿；
vii.移动该Z轴组合件到该测量***而执行一次测量过程；
viii.移动该X与Y轴组合件到该卸载点；以及
ix.脱离真空并移动该Z轴到该工件卸载点。
尽管已显示并说明本发明之一般性发明概念的实施例，但可以理解熟悉该领域之专业人士变更该些实施例将不会脱离该一般性发明概念之原则与精神，且该一般性发明概念之原则与精神的范围定义于附加的申请专利范围与对应内容中。
Claims (24)
1.一种平面定位***，其特征在于：
(i)一个X 轴组合件，包含一个 X 轴线性启动器工具，该 X 轴线性启动器工具的排列与 Y 轴形成正交；
(ii)一个 Y 轴组合件，包含一对 Y 轴线性启动器工具，该 Y 轴线性启动器工具安装在水平基座上而构成一种 H 型配置；
(iii)一个 Z 轴组合件，包含一个空气静力轴承机构，可浮在水平基座顶部的外部压缩空气薄膜上；以及
(iv)一个 θ 轴组合件，包含一个启动器，该启动器固定于该 X 轴，可驱动承载一工件之该 Z 轴组合件，其中该 Z 轴组合件随着转轴而旋转，使该 θ 轴垂直于该水平基座。
2.根据权利要求 1 项所述的一种平面定位***，其特征在于：所述的 X 轴组合件包含一个 X 轴启动器轨道、一个 X 轴启动器轨道支架、多个 X 轴导轨、一个 X 轴量尺、多个 X 轴导块、一个 X 轴滑动架、一个 X 轴位置传感器、一个 X 轴启动器线圈、与一个 X轴推进板，其中该 X 轴启动器线圈结合该 X 轴启动器轨道而成为线性启动器，该线性启动器能随着在该 X 轴导轨上运作之该 X 轴导块的导引动作而驱动该 X 轴滑动架在该 X轴导轨上动作。
3.根据权利要求 2 项所述的一种平面定位***，其特征在于：所述的 X 轴的位置是由对应该 x 轴量尺的该 X 轴位置传感器所决定。
4.根据权利要求 3 项所述的一种平面定位***，其特征在于：所述的 X 轴量尺是经由该工件之中线而安装。
5.根据权利要求 2 项所述的一种平面定位***，其特征在于：所述的 X 轴推进板稳固地安装至该 X 轴滑动架。
6.根据权利要求 1 项所述的一种平面定位***，其特征在于：所述的 Y 轴组合件包含：
i.Y 轴启动器轨道与 Y 轴启动器轨道支架，其中该Y 轴启动器轨道安装至该 Y 轴启动器轨道支架，接着再安装到花岗石顶面，
ii. 多个 Y 轴导轨，
iii.Y 轴启动器线圈与 Y 轴启动器线圈支架，其中该 Y 轴启动器为多个彼此相互平行定位、且邻近该花岗石顶面之各侧的线性启动器，且该 Y 轴启动器线圈安装至该 Y 轴启动器线圈支架，
iv. 多个 Y 轴导块，
v.一个由多个接头连接的 Y 轴滑动架，
vi.多个 Y 轴位置传感器，以及
vii. Y 轴推杆，其中以多个接头连接之该 Y 轴滑动架能启动该 Y 轴而推动该 Y 轴推杆。
7.根据权利要求 6 项所述的一种平面定位***，其特征在于： 所述Y 轴的运作是由运作于该 Y 轴导轨之该 Y 轴导块所导引。
8.根据权利要求 6 项所述的一种平面定位***，其特征在于：所述的Y 轴导块是一种用于高速应用的空气静力轴承***、一种用于高载重应用的流体静力轴承***或一种真空环境下操作的滚动轴承***。
9.根据权利要求 1 项所述的一种平面定位***，其特征在于：所述的 Z 轴组合件包含一个滑动件导引组件；
一个空气静力轴承机构，
一个活塞解耦器，该活塞解耦器连接于该滑动件导引组件的顶端，而该滑动件导引组件连接该定位***的 X 轴，
一个滑动件本体，可稳固安装至该空气静力机构，
一个 Z 轴活塞，能稳固控制 Z 轴的精密定位启动器，
一个 Z 轴密封组件，可由该***之顶部容器密封至底部容器，以及
Z 轴精密定位启动器含有多个移动端，可固定至控制一工件之工件夹具上，其中该Z轴活塞能随着该滑动件导引组件的导引而自由移动于该 Z 轴方向。
10.根据权利要求 9 项所述的一种平面定位***，其特征在于：所述的空气静力轴承机构是一个空气轴承，能利用外部压缩空气薄膜而在该空气静力轴承机构与花岗石工作台顶面的表面之间提供无摩擦承载接口。
11.根据权利要求 1 项所述的一种平面定位***，其特征在于：所述的 θ 轴组合件包含一个 θ 轴位置传感器支架、一个 θ 轴位置传感器、一个 θ 轴量尺、一个 θ 轴导轮支架、一个滑动件解耦器、一个 θ 轴启动器、一个灵活使用之动力输送组件、一个固定式滚轮机构、一个预装入的滚轮机构、一层薄膜、多个 θ 轴导引组件，其中该 θ 轴启动器可经由该灵活使用之动力输送组件而在转动方向上驱动该滑动件解耦器。
12.根据权利要求 11 项所述的一种平面定位***，其特征在于：所述的轴启动器是一种直驱式旋转马达。
13.根据权利要求 11 项所述的一种平面定位***，其特征在于：所述的灵活使用之动力输送组件是一条皮带或链条。
14.根据权利要求 11 项所述的一种平面定位***，其特征在于：所述的薄膜稳固安装至固定于该 Z 轴的该滑动件解耦器。
15.根据权利要求 11 项所述的一种平面定位***，其特征在于：所述的 θ 轴是由该θ 轴位置传感器所决定。
16.根据权利要求 1 项所述的一种平面定位***，其特征在于：所述的 Y 轴线性启动器工具包含两个彼此相互平行排列的线性启动器。
17.根据权利要求 1 项或第 2 项所述的一种平面定位***，其特征在于：所述的 X轴线性启动器置放于两个 Y 轴线性启动器之间。
18.根据权利要求 1 项所述的一种平面定位***，其特征在于：所述的Y 轴线性启动器之间的距离大于该 X 轴线性启动器工具的运动范围。
19.根据权利要求 1 项所述的一种平面定位***，其特征在于：所述的X 轴通过一种弹性连杆组件将连接至该 Z 轴与 θ 轴。
20.根据权利要求 1 项所述的一种平面定位***，其特征在于：一种位置感测工具，可用于该 X 轴、Y 轴、Z 轴、与 θ 轴之闭回路回授控制。
21.根据权利要求 19 项所述的一种平面定位***，其特征在于：所述的弹性连杆能解除因该定位*** X 轴与 Y 轴之水平、滚转、与俯仰误差而导致承载一工件之该 Z 轴的水平、滚转、与俯仰误差。
22.根据权利要求 1 项所述的一种平面定位***，其特征在于：进一步包含：一个球窝接头与一个弹性连杆接头，可连接该 Y 轴组合件与该 X 轴组合件而构成一种 H 型的配置。
23.根据权利要求 1 项所述的一种平面定位***，其特征在于：进一步包含：
(I) 一种 Z 轴移动，可区分为一个粗略 Z 轴位置与一个精准 Z轴位置，其中该粗略Z 轴位置调整是藉由一种气动***而启动，并利用一种位在三 V 形槽内之三根精密轴心的运动结构来固定最高临界移动值，
(II)三个彼此分开成 120 度角的精密定位启动器，其中该精密 Z 轴位置调整是由一个第二机构所执行，该第二机构是由该三个精密定位启动器所构成且具有三个自由度，可决定最终之唯一静 Z 轴位置。
24.一种如权利要求1所述的含有一水平基座的平面定位***的方法，包含以下步骤：
i. 调整该 X、Y、Z、与 θ 轴到该***的起始位置；
ii.将该 Z、Y、Z 轴组合件移向一个工件负载位置；
iii.移动该 Z 轴组合件而吸取该工件并且控制该 Z 轴组合件停留在该位置；
iv.移动该 X 与 Y 轴组合件到该***的测量点；
v.移动该 Z 轴组合件到该***的对焦点；
vi.执行校准过程中移动该 θ 轴而进行该 θ 轴补偿；
vii.移动该 Z 轴组合件到该测量***而执行一次测量过程；
viii.移动该 X 与 Y 轴组合件到该卸载点；以及
ix.脱离真空并移动该 Z 轴到该工件卸载点。
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