CN114294322A - 一种基于被动补偿结构的准零刚度柔性导向机构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于被动补偿结构的准零刚度柔性导向机构，属于精密仪器及机械技术领域。解决了现有柔性导向机构无法保证大行程恒力输出的问题。它包括间接驱动部件、直接驱动部件、二阶簧片组件、一阶簧片组件、被动折叠簧片组件、负刚度补偿簧片组件和直线电机驱动模块，直接驱动部件左右两侧端部分别通过两个一阶簧片组件与两个间接驱动部件相连，两个间接驱动部件的两端内侧分别通过两个二阶簧片组件与两个固定模块相连，一阶簧片组件内包括一阶簧片，二阶簧片组件内包括二阶簧片，两个间接驱动部件的两端外侧均设置有被动折叠簧片组件，被动折叠簧片组件通过折叠簧片固定组件固定。

Description

一种基于被动补偿结构的准零刚度柔性导向机构

技术领域

本发明属于精密仪器及机械技术领域，特别是涉及一种基于被动补偿结构的准零刚度柔性导向机构。

背景技术

极紫外光刻机是现阶段最先进的光刻机。该设备采用波长为13.5nm的极紫外光作为工作光源，可以极大的提高光刻时的分辨率。极紫外光几乎对所有物质均不透明且折射率接近于1，因此极紫外光刻机的照明***、物镜***及运动***等均需置于真空中。极紫外光刻机的运动***导向机构需要具备真空环境适用性的同时实现长行程、高速、高加速及高精度运动，然而，常见的导向机构，如滚珠丝杠导向机构、气浮导向机构以及磁浮导向机构由于自身特点限制以及难以维护等原因无法应用于极紫外光刻机。柔性机构以其精度高、无需冷却、无机械摩擦、无需润滑、以及无线缆等优点，成为极紫外光刻机运动***导向机构的首选方案。而常见的柔性机构存在行程小、有回弹力等缺点。因此设计一种长行程准零刚度的柔性导向机构，是极紫外光刻机中运动***结构设计的关键。

现有的柔性导向机构的不足之处是无法在拥有大行程的同时满足恒力与高精度的要求。但是在EUV光刻机的运动***中，为了保证运动的高速、高精度与稳定性，运动***需要克服长行程柔性机构产生大变形回弹力带来的控制问题，这就要求在EUV光刻机的运动***中有一种可以在大行程中输出恒力的准零刚度柔性导向机构。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于被动补偿结构的准零刚度柔性导向机构，以解决现有柔性导向机构无法保证大行程恒力输出的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于被动补偿结构的准零刚度柔性导向机构，它包括间接驱动部件、直接驱动部件、二阶簧片组件、一阶簧片组件、被动折叠簧片组件、负刚度补偿簧片组件和直线电机驱动模块，所述直接驱动部件左右两侧端部分别通过两个一阶簧片组件与两个间接驱动部件相连，所述两个间接驱动部件的两端内侧分别通过两个二阶簧片组件与两个固定模块相连，所述一阶簧片组件内包括一阶簧片，所述二阶簧片组件内包括二阶簧片，所述两个间接驱动部件的两端外侧均设置有被动折叠簧片组件，所述被动折叠簧片组件通过折叠簧片固定组件固定，所述直接驱动部件左右两侧中部分别连接有一个负刚度补偿簧片组件，所述负刚度补偿簧片组件通过负刚度簧片固定组件固定，所述直线电机驱动模块与直接驱动部件相连，所述直接驱动部件底部设置有直线光栅尺反馈模块，所述间接驱动部件底部设置有重力补偿模块。

更进一步的，所述二阶簧片组件还包括二阶簧片连接件、二阶簧片固定件和二阶簧片垫块，所述二阶簧片两端分别通过二阶簧片垫块与二阶簧片固定件相连，所述二阶簧片固定件与二阶簧片连接件相连，所述二阶簧片连接件分别安装在间接驱动部件和固定模块上。

更进一步的，所述一阶簧片组件还包括一阶簧片连接件、一阶簧片固定件和一阶簧片垫块，所述一阶簧片数量为多个，多个一阶簧片的两端之间均分别通过一阶簧片垫块相连，所述一阶簧片两端外侧分别连接有一阶簧片固定件，所述一阶簧片固定件与一阶簧片连接件相连，所述一阶簧片连接件分别安装在直接驱动部件和间接驱动部件上。

更进一步的，所述重力补偿模块包括磁铁A连接件、磁铁A、磁铁B和磁铁B固定件，所述磁铁A连接件与间接驱动部件底部相连，所述磁铁A与磁铁A连接件相连，所述磁铁B与磁铁B固定件相连，所述磁铁A和磁铁B同极相对。

更进一步的，所述被动折叠簧片组件包括弯折簧片、簧片连接块和簧片，所述簧片连接块和簧片交错排列布置，所述簧片两端分别与簧片连接块相连，最外端的连个簧片连接块分别通过弯折簧片与间接驱动部件和折叠簧片固定组件相连。

更进一步的，所述负刚度补偿簧片组件包括负刚度补偿簧片连接件、负刚度补偿簧片固定件、负刚度补偿簧片垫块和负刚度补偿簧片，所述负刚度补偿簧片数量为多个，多个负刚度补偿簧片的两端之间均分别通过负刚度补偿簧片垫块相连，所述负刚度补偿簧片两端外侧分别连接有负刚度补偿簧片固定件，所述负刚度补偿簧片固定件与负刚度补偿簧片连接件相连，所述负刚度补偿簧片连接件分别安装在直接驱动部件和负刚度簧片固定组件上。

更进一步的，初始状态下，所述负刚度补偿簧片为具有一定弧度的弯曲变形状态。

更进一步的，所述直线光栅尺反馈模块包括光栅尺读数头底部固定件、光栅尺读数头固定侧板、光栅尺读数头和光栅尺，所述光栅尺固定在直接驱动部件底部，所述光栅尺读数头与光栅尺位置相对并读取光栅尺刻度，所述光栅尺读数头与光栅尺读数头固定侧板相连，所述光栅尺读数头固定侧板与光栅尺读数头底部固定件相连。

更进一步的，所述直线电机驱动模块包括电机固定块、电机定子、电机动子和电机连接块，所述电机定子安装在电机固定块上，所述电机动子与电机连接块相连，所述电机连接块与直接驱动部件相连。

更进一步的，所述固定模块包括安装基座、安装侧板和侧板固定件，所述安装基座与安装侧板相连，所述安装侧板与侧板固定件相连，所述二阶簧片组件与安装基座相连，所述负刚度簧片固定组件包括负刚度弹簧基座和负刚度弹簧底部固定件，所述负刚度弹簧基座与负刚度弹簧底部固定件相连，所述负刚度补偿簧片组件与负刚度弹簧基座相连，所述折叠簧片固定组件包括折叠弹簧基座和折叠弹簧底部固定件，所述折叠弹簧基座与折叠弹簧底部固定件相连，所述被动折叠簧片组件与折叠弹簧基座相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的一种基于被动补偿结构的准零刚度柔性导向机构，利用多对簧片组件和直线电机可以实现高精度、准零刚度的直线导向功能。

2、本发明采用基于负刚度补偿簧片组件的被动补偿结构的设计，可以快速地提供补偿力，保持导向机构工作过程中的准零刚度，最终提高导向机构的工作稳定性和运动精度。

3、本发明类比平行四边形，设计多组簧片，并对称于两固定模块的几何中心连线分布，可以有效提高导向机构的运动直线性，起到代替导轨的作用，同时不产生摩擦，具有更高的精度。

4、本发明的直接驱动部件和间接驱动部件均加工减重槽，提高强度。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明所述的一种基于被动补偿结构的准零刚度柔性导向机构上部立体结构示意图；

图2为本发明所述的一种基于被动补偿结构的准零刚度柔性导向机构下部立体结构示意图；

图3为本发明所述的一种基于被动补偿结构的准零刚度柔性导向机构俯视结构示意图；

图4为本发明所述的一种基于被动补偿结构的准零刚度柔性导向机构仰视结构示意图。

1-间接驱动部件，2-二阶簧片组件，3-固定模块，4-一阶簧片组件，5-直接驱动部件，6-负刚度簧片固定组件，7-重力补偿模块，8-折叠簧片固定组件，9-被动折叠簧片组件，10-负刚度补偿簧片组件，11-直线光栅尺反馈模块，12-直线电机驱动模块，201-二阶簧片连接件，202-二阶簧片固定件，203-二阶簧片垫块，204-二阶簧片，301-安装基座，302-安装侧板，303-侧板固定件，401-一阶簧片连接件，402-一阶簧片固定件，403-一阶簧片垫块，404-一阶簧片，601-负刚度弹簧基座，602-负刚度弹簧底部固定件，701-磁铁A连接件，702-磁铁A，703-磁铁B，704-磁铁B固定件，801-折叠弹簧基座，802-折叠弹簧底部固定件，901-弯折簧片，902-簧片连接块，903-簧片，1001-负刚度补偿簧片连接件，1002-负刚度补偿簧片固定件，1003-负刚度补偿簧片垫块，1004-负刚度补偿簧片，1101-光栅尺读数头底部固定件，1102-光栅尺读数头固定侧板，1103-光栅尺读数头，1104-光栅尺，1201-电机固定块，1202-电机定子，1203-电机动子，1204-电机连接块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参见图1-4说明本实施方式，一种基于被动补偿结构的准零刚度柔性导向机构，它包括间接驱动部件1、直接驱动部件5、二阶簧片组件2、一阶簧片组件4、被动折叠簧片组件9、负刚度补偿簧片组件10和直线电机驱动模块12，直接驱动部件5左右两侧端部分别通过两个一阶簧片组件4与两个间接驱动部件1相连，两个间接驱动部件1的两端内侧分别通过两个二阶簧片组件2与两个固定模块3相连，一阶簧片组件4内包括一阶簧片404，二阶簧片组件2内包括二阶簧片204，两个间接驱动部件1的两端外侧均设置有被动折叠簧片组件9，被动折叠簧片组件9通过折叠簧片固定组件8固定，直接驱动部件5左右两侧中部分别连接有一个负刚度补偿簧片组件10，负刚度补偿簧片组件10通过负刚度簧片固定组件6固定，直线电机驱动模块12与直接驱动部件5相连，直接驱动部件5底部设置有直线光栅尺反馈模块11，间接驱动部件1底部设置有重力补偿模块7。

间接驱动部件1数量为两个，二阶簧片组件2数量为四个，固定模块3数量为两个，一阶簧片组件4数量为四个，负刚度簧片固定组件6数量为两个，重力补偿模块7数量为两个，折叠簧片固定组件8数量为四个，被动折叠簧片组件9数量为四个，其他部件数量均为一个。各部分簧片的数量关系是由***负刚度的程度决定的，即保证***正负刚度之和小于等于0。

当直线电机驱动模块12驱动直接驱动部件5运动时，一阶簧片组件4、二阶簧片组件2与被动折叠簧片组件9中的簧片同时产生变形，实现直线导向功能。负刚度补偿簧片组件10在直接驱动部件5运动时提供与一阶簧片组件4、二阶簧片组件2与被动折叠簧片组件9中的簧片回弹力方向相反的补偿力。直接驱动部件5运动过程中通过直线光栅尺反馈模块11为运动测量进行反馈，实现精密测量与控制。

两个间接驱动部件1相对的内侧对称加工减重槽和一阶簧片组件4、二阶簧片组件2的安装槽，二阶簧片组件2包括一对二阶簧片连接件201、四个二阶簧片固定件202、两个二阶簧片垫块203和一个二阶簧片204，二阶簧片204两端分别通过二阶簧片垫块203与二阶簧片固定件202相连，二阶簧片固定件202与二阶簧片连接件201相连，二阶簧片固定件202、二阶簧片垫块203和二阶簧片204两端通过螺钉等连接并压紧，二阶簧片连接件201分别安装在间接驱动部件1和固定模块3相对侧。

直接驱动部件5两侧对称加工减重槽和一阶簧片组件4、负刚度补偿簧片组件10。直接驱动部件5两侧分别通过两组一阶簧片组件4与间接驱动部件1连接。一阶簧片组件4包括一对一阶簧片连接件401、四个一阶簧片固定件402、四个一阶簧片垫块403和三个一阶簧片404，一阶簧片404数量为多个，多个一阶簧片404的两端之间均分别通过一阶簧片垫块403相连，一阶簧片404两端外侧分别连接有一阶簧片固定件402，一阶簧片固定件402与一阶簧片连接件401相连，一阶簧片固定件402、一阶簧片垫块403和一阶簧片404两端通过螺钉等连接并压紧，一阶簧片连接件401分别安装在直接驱动部件5和间接驱动部件1上。

在初始状态下，一阶簧片404和二阶簧片204均无形变，直接驱动部件5和间接驱动部件1的几何中垂线重合。

被动折叠簧片组件9包括一对弯折簧片901、九个簧片连接块902和八个簧片903，簧片连接块902和簧片903交错排列布置，簧片903两端分别通过螺钉等与簧片连接块902相连，最外端的连个簧片连接块902分别通过弯折簧片901与间接驱动部件1和折叠簧片固定组件8相连。通过被动折叠簧片组件9对间接驱动部件1进行一定的重力补偿。簧片连接块902数量为K时，簧片903的数量为K-1个。

负刚度补偿簧片组件10包括一对负刚度补偿簧片连接件1001、四个负刚度补偿簧片固定件1002、八个负刚度补偿簧片垫块1003和五个负刚度补偿簧片1004，负刚度补偿簧片1004数量为多个，多个负刚度补偿簧片1004的两端之间均分别通过负刚度补偿簧片垫块1003相连，负刚度补偿簧片1004两端外侧分别连接有负刚度补偿簧片固定件1002，负刚度补偿簧片固定件1002与负刚度补偿簧片连接件1001相连，负刚度补偿簧片连接件1001分别安装在直接驱动部件5和负刚度簧片固定组件6上。负刚度补偿簧片垫块1003数量为N对时，负刚度补偿簧片1004的数量为N+1个。

在初始状态下，负刚度补偿簧片1004为具有一定弧度的弯曲变形状态。除了负刚度补偿簧片1004以外，上述的所有簧片在初始状态下均相互平行且垂直于两个固定模块3的几何中心连线。

重力补偿模块7补偿两个间接驱动部件1的重力，重力补偿模块7包括磁铁A连接件701、磁铁A702、磁铁B703和磁铁B固定件704，磁铁A连接件701与间接驱动部件1底部相连，磁铁A702与磁铁A连接件701相连，磁铁B703与磁铁B固定件704相连，磁铁A702和磁铁B703同极相对，产生斥力以补偿重力。

直线电机驱动模块12包括电机固定块1201、电机定子1202、电机动子1203和电机连接块1204，电机定子1202安装在电机固定块1201上，电机动子1203与电机连接块1204相连，电机连接块1204与直接驱动部件5相连。

直线光栅尺反馈模块11包括光栅尺读数头底部固定件1101、光栅尺读数头固定侧板1102、光栅尺读数头1103和光栅尺1104，光栅尺1104固定在直接驱动部件5底部，光栅尺读数头1103与光栅尺1104位置相对并读取光栅尺1104刻度，光栅尺读数头1103与光栅尺读数头固定侧板1102相连，光栅尺读数头固定侧板1102与光栅尺读数头底部固定件1101相连。通过直线电机驱动模块12带动直接驱动部件5作线性运动，以直线光栅尺反馈模块11为运动测量反馈环节。

固定模块3包括安装基座301、安装侧板302和侧板固定件303，安装基座301与安装侧板302相连，安装侧板302与侧板固定件303相连，二阶簧片组件2与安装基座301相连，负刚度簧片固定组件6包括负刚度弹簧基座601和负刚度弹簧底部固定件602，负刚度弹簧基座601与负刚度弹簧底部固定件602相连，负刚度补偿簧片组件10与负刚度弹簧基座601相连，折叠簧片固定组件8包括折叠弹簧基座801和折叠弹簧底部固定件802，折叠弹簧基座801与折叠弹簧底部固定件802相连，被动折叠簧片组件9与折叠弹簧基座801相连。

直线电机驱动模块12驱动直接驱动部件5作线性运动时，各被动折叠簧片组件9同时产生相同大小的形变，同时，二阶簧片组件2和一阶簧片组件4中的二阶簧片204和一阶簧片404产生的形变方向相反，使二阶簧片组件2能补偿一阶簧片组件4在非工作方向上的运动偏移，保证直接驱动部件5的几何轴线与两个固定模块3的几何中心连线始终重合，实现直线导向功能。

在直接驱动部件5作线性运动时，负刚度补偿簧片组件10因初始状态即存在的弯曲变形，可提供与二阶簧片组件2和一阶簧片组件4与被动折叠簧片组件9中的簧片回弹力方向相反的补偿力，起到被动补偿的作用，实现柔性直线导向机构的准零刚度特性。

除直线电机驱动模块12和直线光栅尺反馈模块11外，所有部件均对称于两个固定模块3几何中心的连线布置，使得直接驱动部件5的位移路径不会发生偏移。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (10)

1.一种基于被动补偿结构的准零刚度柔性导向机构，其特征在于：它包括间接驱动部件(1)、直接驱动部件(5)、二阶簧片组件(2)、一阶簧片组件(4)、被动折叠簧片组件(9)、负刚度补偿簧片组件(10)和直线电机驱动模块(12)，所述直接驱动部件(5)左右两侧端部分别通过两个一阶簧片组件(4)与两个间接驱动部件(1)相连，所述两个间接驱动部件(1)的两端内侧分别通过两个二阶簧片组件(2)与两个固定模块(3)相连，所述一阶簧片组件(4)内包括一阶簧片(404)，所述二阶簧片组件(2)内包括二阶簧片(204)，所述两个间接驱动部件(1)的两端外侧均设置有被动折叠簧片组件(9)，所述被动折叠簧片组件(9)通过折叠簧片固定组件(8)固定，所述直接驱动部件(5)左右两侧中部分别连接有一个负刚度补偿簧片组件(10)，所述负刚度补偿簧片组件(10)通过负刚度簧片固定组件(6)固定，所述直线电机驱动模块(12)与直接驱动部件(5)相连，所述直接驱动部件(5)底部设置有直线光栅尺反馈模块(11)，所述间接驱动部件(1)底部设置有重力补偿模块(7)。

2.根据权利要求1所述的一种基于被动补偿结构的准零刚度柔性导向机构，其特征在于：所述二阶簧片组件(2)还包括二阶簧片连接件(201)、二阶簧片固定件(202)和二阶簧片垫块(203)，所述二阶簧片(204)两端分别通过二阶簧片垫块(203)与二阶簧片固定件(202)相连，所述二阶簧片固定件(202)与二阶簧片连接件(201)相连，所述二阶簧片连接件(201)分别安装在间接驱动部件(1)和固定模块(3)上。

3.根据权利要求1所述的一种基于被动补偿结构的准零刚度柔性导向机构，其特征在于：所述一阶簧片组件(4)还包括一阶簧片连接件(401)、一阶簧片固定件(402)和一阶簧片垫块(403)，所述一阶簧片(404)数量为多个，多个一阶簧片(404)的两端之间均分别通过一阶簧片垫块(403)相连，所述一阶簧片(404)两端外侧分别连接有一阶簧片固定件(402)，所述一阶簧片固定件(402)与一阶簧片连接件(401)相连，所述一阶簧片连接件(401)分别安装在直接驱动部件(5)和间接驱动部件(1)上。

4.根据权利要求1所述的一种基于被动补偿结构的准零刚度柔性导向机构，其特征在于：所述重力补偿模块(7)包括磁铁A连接件(701)、磁铁A(702)、磁铁B(703)和磁铁B固定件(704)，所述磁铁A连接件(701)与间接驱动部件(1)底部相连，所述磁铁A(702)与磁铁A连接件(701)相连，所述磁铁B(703)与磁铁B固定件(704)相连，所述磁铁A(702)和磁铁B(703)同极相对。

5.根据权利要求1所述的一种基于被动补偿结构的准零刚度柔性导向机构，其特征在于：所述被动折叠簧片组件(9)包括弯折簧片(901)、簧片连接块(902)和簧片(903)，所述簧片连接块(902)和簧片(903)交错排列布置，所述簧片(903)两端分别与簧片连接块(902)相连，最外端的连个簧片连接块(902)分别通过弯折簧片(901)与间接驱动部件(1)和折叠簧片固定组件(8)相连。

6.根据权利要求1所述的一种基于被动补偿结构的准零刚度柔性导向机构，其特征在于：所述负刚度补偿簧片组件(10)包括负刚度补偿簧片连接件(1001)、负刚度补偿簧片固定件(1002)、负刚度补偿簧片垫块(1003)和负刚度补偿簧片(1004)，所述负刚度补偿簧片(1004)数量为多个，多个负刚度补偿簧片(1004)的两端之间均分别通过负刚度补偿簧片垫块(1003)相连，所述负刚度补偿簧片(1004)两端外侧分别连接有负刚度补偿簧片固定件(1002)，所述负刚度补偿簧片固定件(1002)与负刚度补偿簧片连接件(1001)相连，所述负刚度补偿簧片连接件(1001)分别安装在直接驱动部件(5)和负刚度簧片固定组件(6)上。

7.根据权利要求6所述的一种基于被动补偿结构的准零刚度柔性导向机构，其特征在于：初始状态下，所述负刚度补偿簧片(1004)为具有一定弧度的弯曲变形状态。

8.根据权利要求1所述的一种基于被动补偿结构的准零刚度柔性导向机构，其特征在于：所述直线光栅尺反馈模块(11)包括光栅尺读数头底部固定件(1101)、光栅尺读数头固定侧板(1102)、光栅尺读数头(1103)和光栅尺(1104)，所述光栅尺(1104)固定在直接驱动部件(5)底部，所述光栅尺读数头(1103)与光栅尺(1104)位置相对并读取光栅尺(1104)刻度，所述光栅尺读数头(1103)与光栅尺读数头固定侧板(1102)相连，所述光栅尺读数头固定侧板(1102)与光栅尺读数头底部固定件(1101)相连。

9.根据权利要求1所述的一种基于被动补偿结构的准零刚度柔性导向机构，其特征在于：所述直线电机驱动模块(12)包括电机固定块(1201)、电机定子(1202)、电机动子(1203)和电机连接块(1204)，所述电机定子(1202)安装在电机固定块(1201)上，所述电机动子(1203)与电机连接块(1204)相连，所述电机连接块(1204)与直接驱动部件(5)相连。

10.根据权利要求1所述的一种基于被动补偿结构的准零刚度柔性导向机构，其特征在于：所述固定模块(3)包括安装基座(301)、安装侧板(302)和侧板固定件(303)，所述安装基座(301)与安装侧板(302)相连，所述安装侧板(302)与侧板固定件(303)相连，所述二阶簧片组件(2)与安装基座(301)相连，所述负刚度簧片固定组件(6)包括负刚度弹簧基座(601)和负刚度弹簧底部固定件(602)，所述负刚度弹簧基座(601)与负刚度弹簧底部固定件(602)相连，所述负刚度补偿簧片组件(10)与负刚度弹簧基座(601)相连，所述折叠簧片固定组件(8)包括折叠弹簧基座(801)和折叠弹簧底部固定件(802)，所述折叠弹簧基座(801)与折叠弹簧底部固定件(802)相连，所述被动折叠簧片组件(9)与折叠弹簧基座(801)相连。

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