CN109327126B - 一种基于并列动磁钢的直线运动装置 - Google Patents

一种基于并列动磁钢的直线运动装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于并列动磁钢的直线运动装置；该装置将磁钢并行排列并置于双层线圈中间，通过对线圈中电流来驱动运动滑块部件的直线运动，这种“三明治”型的并列动磁钢结构能够在提供足够的电机出力的同时，不会产生额外的偏转力矩，但能够消除现有技术中线圈线缆力对运动及定位精度的影响，再通过设置相应气浮结构对直线运动进行支承和导向，并最终通过结合反馈控制，达到高精度、高速、高频运动的目的。本发明可建立一种体积小、质量轻、高速度、低磨损的直线运动装置。

Description

一种基于并列动磁钢的直线运动装置
技术领域
本发明属于精密仪器及机械技术领域，特别涉及一种基于并列动磁钢的直线运动装置。
背景技术
近年来，随着先进芯片制造业逐渐朝向功能集成化和体积微小化发展，气体静压直线运动基准以其高速度和高精度等显著优点而成为尖端光刻机中的关键部件之一；光刻机曝光***中光阑片的高速、高加速以及高运动精度需求，对气体静压直线运动基准中的气体静压导轨提出了高承载能力、高转动刚度的要求；为避免直线运动机构遮挡光路或触碰光学器件，光阑片安装在直线运动基准的悬臂端，因此需要提高气体静压导轨的转动刚度，来抵抗光阑片高加速运动时产生的转动力矩；而光刻机曝光***复杂而精密，其气体静压直线运动机构需要小型化，因此提高单位面积上的转动刚度，成为制约气体静压导轨在光刻机曝光***中应用的主要技术难题。
2008年，荷兰ASML公司所研发的Twinscan XT 1950i型光刻机，可以实现38nm芯片激光刻蚀。其曝光***中的直线运动基准采用机械导轨结构，并达到了40m/s2的加速度运动(Y.B.Patrick Kwan,Erik L.Loopstra.Nullifying Acceleration Forces in Nano-Positioning Stages for Sub-0.1mm Lithography Tool for 300mm Wafers[J].proceeding of SPIC：Optical Microlithography,2010,4346：544-557)；但随着芯片制造业的发展，传统的滑动/滚动导轨难以满足高加速度运动以及工作温度稳定性的要求。
专利CN201310436356“气浮悬挂式三维展开实验装置”提出一种定位精度高响应速度快的三维运动装置，主要包括十几个气浮运动机构空间上对应分布，并借助滑轮、吊绳、配重等机构安装在支承框架内部；但是该装置虽然可以满足一定的运动精度，但是由于运动环节较多，在高频运动状态下，在输出端不能够确保快速而准确的位移响应，且结构不够紧凑。
专利CN201410839808“一种双气浮导轨式光栅刻划刀架驱动装置”提出一种小型的一维运动装置，主要包括平行安装的两组气浮导轨，并通过固连气浮滑套的方式来提高刻划刀架的运动稳定性；该装置可以实现高速、高频运动，但是相比与该装置的位移输出端，如刀架转接板及刻画刀架，其气浮导轨过于庞大，因此单位面积上的转动刚度较差，且需要刀架配重块来保持平衡。
一系列专利CN 201610023016、CN201610023017、CN201610023018、CN201610023019和CN201610023020提出的“基于双层水冷动磁钢气磁结合气浮双工件台矢量圆弧换台方法及装置”，解决了现有换台方案节拍多、轨迹长、起停环节多、稳定时间长等问题，减少换台环节，缩短了换台时间，提高了光刻机的产率。但是由于台体过于沉重，无法用于悬挂式的运动场合，且对于光刻机曝光***来说，体积过于庞大。
上述发明的共同之处是均不能将小型的气浮导轨应用在高速、高加速、高频运动状况，因为在光刻机曝光***的有限空间中，线缆力对光阑片的运动精度运动的影响不容忽视，严重限制了光刻机曝光***的运行速度和精度；因此，通过并列动磁钢的结构设计，优化了驱动电机的性能，消除了现有技术中线缆力对运动及定位精度的影响，进而提高直线运动装置的可靠准确性。
发明内容
本发明的目的就是针对上述已有技术存在的问题，提出一种基于并列动磁钢的直线运动装置，该装置将磁钢并行排列并置于双层线圈中间，通过对线圈中电流来驱动运动滑块部件的直线运动，消除了现有技术中线缆力对运动及定位精度的影响，同时通过设置相应气浮结构对直线运动进行支承和导向，并最终通过结合反馈控制，达到高精度、高速、高频运动的目的。
上述目的通过以下的技术方案实现：
一种基于并列动磁钢的直线运动装置，包括基座和运动滑块部件；所述基座内部设置有气路管道并留有垂向供气入口和侧向供气入口，基座的中心加工有矩形窗口；基座上加工有2条轨道槽，轨道槽的端部安装有限位阻尼器，在2条轨道槽的中间安装有下层电磁线圈；基座上设置有若干排气浮台面，气浮台面上均安装有阵列分布的孔形节流器，孔形节流器与垂向供气入口和侧向供气入口联通；所述运动滑块部件包括正向工作面、背向工作面、梯形刀口和L型爪，运动滑块部件上安装有并列动磁钢；所述正向工作面上安装有光栅尺，所述背向工作面背上加工有光滑气浮面，所述L型爪的末端安装有防撞阻尼器，L型爪的侧面安装有陶瓷贴片。
所述运动滑块部件的L型爪安装在基座的轨道槽内，其中光滑气浮面和陶瓷贴片的安装位置与气浮台面对应，并列动磁钢的安装位置与下层电磁线圈对应，梯形刀口的安装位置与矩形窗口对应；在基座上安装运动滑块部件完成后，基座上安装有调压阀，梯形刀口附近安装有栏光挡板，并列动磁钢的上方安装有上层电磁线圈，光栅尺的上方安装有读数头。
所述动下层电磁线圈、并列动磁钢和上层电磁线圈依次配合安装，并驱动运动滑块部件沿轨道槽进行往复直线运动；所述光滑气浮面和气浮台面配合安装构成气悬浮，对运动滑块部件的直线运动进行支撑和导向。
并列动磁钢等距安装在下层电磁线圈和上层电磁线圈之间，并列动磁钢的数目可根据行程变化而调整。
光滑气浮面和气浮台面配合安装构成气悬浮采用多点支撑方式。
本发明具有以下特点及有益效果：
1、本发明装置将磁钢并行排列并置于双层线圈中间，通过对线圈中电流来驱动运动滑块部件的直线运动，这种“三明治”型的并列动磁钢结构能够在提供足够的电机出力的同时，不会产生额外的偏转力矩，但能够消除现有技术中线圈线缆力对运动及定位精度的影响，大幅提升了电磁直线电机的性能，拓展了电磁直线电机的应用范围。
2、本发明装置将并列动磁钢结构与气浮支承结构相结合，对直线运动进行支承和导向，可以进一步执行步进或连续扫描、位置反馈控制等功能，结合这些功能最终达到高速、高加速、高频运动的目的。
本发明装置用途广泛，尤其适用于光刻机曝光***中小型直线运动机构的高速、高频及高精度运动场合。
附图说明
图1为基座与运动滑块部件安装示意图。
图2为基座结构示意图。
图3为运动滑块部件示意图。
图4为一种基于并列动磁钢的直线运动装置示意图。
图中：1、基座；2、运动滑块部件；3、下层电磁线圈；4、上层电磁线圈；5、轨道槽；6、限位阻尼器；7、垂向供气入口；8、侧向供气入口；9、矩形窗口；10、气浮台面；11、孔形节流器；12、正向工作面；13、背向工作面；14、梯形刀口；15、并列动磁钢；16、防撞阻尼器；17、光滑气浮面；18、光栅尺；19、陶瓷贴片；20、L型爪；21、调压阀；22、栏光挡板；23、读数头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。
参考图1，一种基于并列动磁钢的直线运动装置，包括基座1和运动滑块部件2。
参考图2，所述基座1内部设置有气路管道并留有垂向供气入口7和侧向供气入口8，基座1的中心加工有矩形窗口9；基座1上加工有两条轨道槽5，轨道槽5的端部安装有限位阻尼器6，在两条轨道槽5的中间安装有下层电磁线圈3；基座1上设置有若干排气浮台面10，气浮台面10上均安装有阵列分布的孔形节流器11，孔形节流器11与垂向供气入口7和侧向供气入口8联通。
参考图3，所述运动滑块部件2包括正向工作面12、背向工作面13、梯形刀口14和L型爪20，运动滑块部件2上安装有并列动磁钢15；所述正向工作面12上安装有光栅尺18，所述背向工作面背13上加工有光滑气浮面17，所述L型爪20的末端安装有防撞阻尼器16，L型爪20的侧面安装有陶瓷贴片19。
参考图1-3，所述运动滑块部件2的L型爪20安装在基座1的轨道槽5内，其中光滑气浮面17和陶瓷贴片19的安装位置与气浮台面10对应，并列动磁钢15的安装位置与下层电磁线圈3对应，梯形刀口14的安装位置与矩形窗口9对应；
参考图4，在基座1上安装运动滑块部件2完成后，基座1上安装有调压阀21，梯近安装有栏光挡板22，并列动磁钢15的上方安装有上层电磁线圈4，光栅尺18的上方安装有读数头23。并列动磁钢15等距安装在下层电磁线圈3和上层电磁线圈4之间，并列动磁钢15的数目可根据行程变化而调整。
该装置工作时，所述下层电磁线圈3和上层电磁线圈4对应的线圈依次工作，使并列动磁钢15产生相对运动，并驱动运动滑块部件2沿轨道槽5进行往复直线运动；所述光滑气浮面17和气浮台面10配合安装构成气悬浮，并与轨道槽5平行配置，对运动滑块部件2的直线运动进行支撑和导向，其气浮支承的预载力可以通过调压阀21进行调节。运动滑块部件2通过梯形刀口14作为执行机构进行步进或连续扫描，并与栏光挡板22协同工作形成矩形光斑；读数头23与光栅尺18配合使用对梯形刀口14的运动和定位进行反馈控制，并最终实现高速、高加速、高频运动的目的。

Claims (3)

1.一种基于并列动磁钢的直线运动装置，包括基座(1)和运动滑块部件(2)；其特征在于：所述基座(1)内部设置有气路管道并留有垂向供气入口(7)和侧向供气入口(8)，基座(1)的中心加工有矩形窗口(9)；基座(1)上加工有2条轨道槽(5)，轨道槽(5)的端部安装有限位阻尼器(6)，在2条轨道槽(5)的中间安装有下层电磁线圈(3)；基座(1)上设置有若干排气浮台面(10)，气浮台面(10)上均安装有阵列分布的孔形节流器(11)，孔形节流器(11)与垂向供气入口(7)和侧向供气入口(8)联通；所述运动滑块部件(2)包括正向工作面(12)、背向工作面(13)、梯形刀口(14)和L型爪(20)，运动滑块部件(2)上安装有并列动磁钢(15)；所述正向工作面(12)上安装有光栅尺(18)，所述背向工作面背(13)上加工有光滑气浮面(17)，所述L型爪(20)的末端安装有防撞阻尼器(16)，L型爪(20)的侧面安装有陶瓷贴片(19)；
所述运动滑块部件(2)的L型爪(20)安装在基座(1)的轨道槽(5)内，其中光滑气浮面(17)和陶瓷贴片(19)的安装位置与气浮台面(10)对应，并列动磁钢(15)的安装位置与下层电磁线圈(3)对应，梯形刀口(14)的安装位置与矩形窗口(9)对应；在基座(1)上安装运动滑块部件(2)完成后，基座(1)上安装有调压阀(21)，梯形刀口(14)附近安装有栏光挡板(22)，并列动磁钢(15)的上方安装有上层电磁线圈(4)，光栅尺(18)的上方安装有读数头(23)；
所述下层电磁线圈(3)、并列动磁钢(15)和上层电磁线圈(4)依次配合安装，并驱动运动滑块部件(2)沿轨道槽(5)进行往复直线运动；所述光滑气浮面(17)和气浮台面(10)配合安装构成气悬浮，对运动滑块部件(2)的直线运动进行支撑和导向。
2.根据权利要求1所述的一种基于并列动磁钢的直线运动装置，其特征在于：并列动磁钢(15)等距安装在下层电磁线圈(3)和上层电磁线圈(4)之间，并列动磁钢(15)的数目可根据行程变化而调整。
3.根据权利要求1所述的一种基于并列动磁钢的直线运动装置，其特征在于：光滑气浮面(17)和气浮台面(10)配合安装构成，气悬浮采用多点支撑方式。
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