專(zhuān)利名稱(chēng)：共面氣浮正交解耦與柔性膜角度解耦的磁浮零剛度隔振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密隔振技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種共面氣浮正交解耦與柔性膜角度解耦的磁浮零剛度隔振器。
背景技術(shù)：
隨著超精密加工與測(cè)量精度的不斷提高，環(huán)境振動(dòng)成為制約超精密加工裝備與測(cè)量?jī)x器精度和性能提高的重要因素。尤其是步進(jìn)掃描光刻機(jī)為代表的超大規(guī)模集成電路加工裝備，技術(shù)密集度與復(fù)雜度極高，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了現(xiàn)有技術(shù)的極限，代表了超精密加工裝備的最高水平，超精密隔振成為此類(lèi)裝備中的核心關(guān)鍵技術(shù)；步進(jìn)掃描光刻機(jī)的線(xiàn)寬已達(dá)到22nm及以下，硅片定位精度與套刻精度均達(dá)到幾納米，而工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到lm/s以上，工件臺(tái)加速度達(dá)到重力加速度的幾十倍，這對(duì)現(xiàn)有的隔振技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。首先，光刻機(jī)需要為計(jì)量系統(tǒng)與光刻物鏡提供“超靜”的工作環(huán)境，同時(shí)又需要驅(qū)動(dòng)工件臺(tái)以高速度與高加速度運(yùn)動(dòng)，這對(duì)隔振系統(tǒng)的隔振性能提出了極其苛刻的要求，其三個(gè)方向的固有頻率均需要達(dá)到IHz以下；其次，光刻機(jī)各部件之間的相對(duì)位置，例如光刻物鏡與硅片表面的距離，均具有非常嚴(yán)格的要求，且處于位置閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的控制之下，要求隔振器上、下安裝板之間的相對(duì)位置精度達(dá)到10 μ m量級(jí)，傳統(tǒng)隔振器的定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求。根據(jù)隔振理論，被動(dòng)式隔振器的固有頻率與剛度成正比、與負(fù)載質(zhì)量成反比，因此在負(fù)載質(zhì)量一定的前提下，降低隔振器的剛度是降低固有頻率、提高低頻與超低頻隔振性能的有效途徑。傳統(tǒng)空氣彈簧等形式的隔振器存在靜態(tài)承載能力與剛度的固有矛盾，同時(shí)受材料特性、結(jié)構(gòu)剛度等因素制約，要進(jìn)一步降低其剛度、尤其是水平向剛度十分困難。針對(duì)這一問(wèn)題，研究人員將“擺”式結(jié)構(gòu)引入到空氣彈簧隔振器中，達(dá)到降低隔振器水平剛度的目的(1. Nikon Corporation. Vibrati on Isolator With Low Lateral Stiffness.美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)US20040065517A1 ；2. U. S. Philips Corporation. Positioning Devicewith a Force Actuator Systemfor Compensating Center-of-gravity Displacements，and Lithographic Device Provided with Such APositioning Device.美國(guó)專(zhuān)利號(hào)US005844664A)。該方法能夠在一定程度上降低空氣彈簧隔振器的水平剛度，提升其低頻隔振性能。該方法存在的問(wèn)題在于1)受材料特性與結(jié)構(gòu)剛度制約，隔振器垂向與水平向剛度降低的幅度有限；2)空氣彈簧隔振器的垂向與水平向定位精度均很差，無(wú)法滿(mǎn)足光刻工藝的要求；3)要達(dá)到較低的水平剛度需要較大的擺長(zhǎng)，導(dǎo)致隔振器高度過(guò)大，容易發(fā)生弦膜共振，穩(wěn)定性差。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有空氣彈簧隔振器技術(shù)方案的分析可見(jiàn)，現(xiàn)有空氣彈簧隔振器難以滿(mǎn)足光刻機(jī)對(duì)超低剛度與高定位精度的要求。德國(guó)IDE公司提出了一種摒棄傳統(tǒng)橡膠空氣彈簧的隔振器技術(shù)方案(1.1ntegrated Dynamics Engineering GmbH.1solatorgeometrie EinesSchwingungs iso Iat ions system.歐洲專(zhuān)利號(hào)EP1803965A2 ；2.1ntegrated DynamicsEngineeringGmbH. Schwingungsisolationssystem Mit Pneumatischem Tiefpassfilter.歐洲專(zhuān)利號(hào)ΕΡ1803970Α2 ;3· Integrated Dynamics Engineering GmbH. Air Bearing withConsideration of High-Frequency Resonances.美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)US20080193061A1)。該方案采用垂向與水平向氣浮面對(duì)各方向的振動(dòng)進(jìn)行解耦與隔振，可以達(dá)到極低的剛度與固有頻率。該方案存在的問(wèn)題在于1)已公開(kāi)技術(shù)方案中，隔振器無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確定位；2)專(zhuān)利EP1803965A2中，上、下安裝板之間不存在繞水平軸旋轉(zhuǎn)的角運(yùn)動(dòng)自由度，該方向的角剛度與固有頻率都很高；專(zhuān)利EP1803970A2與US20080193061A1采用橡膠塊為上、下安裝板提供繞水平軸旋轉(zhuǎn)的角運(yùn)動(dòng)自由度，但由于橡膠塊角剛度很大，無(wú)法有效地進(jìn)行角運(yùn)動(dòng)自由度解耦，角運(yùn)動(dòng)自由度解耦機(jī)構(gòu)部件之間存在摩擦力而引入附加剛度，制約隔振性能。荷蘭ASML公司也提出了類(lèi)似的隔振器技術(shù)方案(1. U. S. Philips Corp,ASM LithographyB. V. Pneumatic Support Device with A Controlled Gas Supply,and Lithographic Device Providedwith Such A Support Device.美國(guó)專(zhuān)利號(hào)US006144442A ;2·Koninklijke Philips ElectronicsN. V. , ASM LithographyΒ.V.Lithographic Pneumatic Support Device with Controlled Gas Supply.國(guó)際專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)W099/22272 ;3. ASML Netherlands B. V. Support Device,LithographicApparatus, and Device Manufacturing Method Employing A SupportingDevice, and A PositionControl System Arranged for Use in A Supporting Device.美國(guó)專(zhuān)利號(hào)USOO7O8^i956B2 ;4. ASML Netherlands Β. V. Support Device, LithographicApparatus, and Device ManufacturingMethod Employing A Supporting Device and APosition Control System Arranged for Use in ASupporting Device.歐洲專(zhuān)利號(hào)EP1486825A1)。專(zhuān)利US006144442A與W099/22272中對(duì)氣源壓力進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，達(dá)到提高隔振器的穩(wěn)定性與性能的目的；專(zhuān)利US007084956B2與EP1486825A1中在上安裝板上設(shè)有振動(dòng)傳感器，同時(shí)引入?yún)⒖颊駝?dòng)系統(tǒng)，通過(guò)控制算法提升隔振器的隔振性能。但所提出技術(shù)方案仍然沒(méi)有解決隔振器的精確定位與上、下安裝板的角運(yùn)動(dòng)自由度解耦問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)超精密測(cè)量?jī)x器與加工裝備、尤其是步進(jìn)掃描光刻機(jī)等超大規(guī)模集成電路加工裝備對(duì)隔振器低固有頻率、高定位精度的迫切要求，提供一種共面氣浮正交解耦與柔性膜角度解耦的磁浮零剛度隔振器，隔振器具有三維近似零剛度與極低固有頻率，上、下安裝板之間能夠進(jìn)行精確定位及三維直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)自由度、角運(yùn)動(dòng)自由度充分解耦，從而可有效解決超精密測(cè)量?jī)x器與加工裝備、尤其是步進(jìn)掃描光刻機(jī)中的精密隔振問(wèn)題。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種共面氣浮正交解耦與柔性膜角度解耦的磁浮零剛度隔振器，由上安裝板、下安裝板、潔凈壓縮氣源、氣管和隔振器主體組成，隔振器主體安裝在上安裝板與下安裝板之間，潔凈壓縮氣源通過(guò)氣管與隔振器主體連接，所述隔振器主體的結(jié)構(gòu)是套筒的下表面與下安裝板通過(guò)磁浮推力軸承潤(rùn)滑與支撐，柔性膜安裝在套筒的上端，并通過(guò)壓圈壓緊與密封，壓板裝配體的上壓板與下壓板同軸相對(duì)配裝于柔性膜的上、下表面，并夾緊柔性膜，上壓板的上表面與上安裝板剛性連接，套筒與X向氣浮導(dǎo)軌通過(guò)X向?qū)к墯飧∶鏉?rùn)滑與導(dǎo)向，X向氣浮導(dǎo)軌與下安裝板通過(guò)Z向承載氣浮面潤(rùn)滑與支撐，Y向氣浮導(dǎo)軌與下安裝板剛性連接，X向氣浮導(dǎo)軌的兩端與Y向氣浮導(dǎo)軌通過(guò)Y向?qū)к墯飧∶鏉?rùn)滑與導(dǎo)向；z向音圈電機(jī)、Z向位移傳感器與Z向限位開(kāi)關(guān)安裝在壓板裝配體與套筒之間，X向音圈電機(jī)、X向位移傳感器、X向限位開(kāi)關(guān)與Y向音圈電機(jī)、Y向位移傳感器、Y向限位開(kāi)關(guān)安裝在套筒與下安裝板之間，Z向音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力方向?yàn)樨Q直方向，X向音圈電機(jī)與Y向音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力方向在水平面內(nèi)且相互垂直，X、Y、Z向位移傳感器和X、Y、Z向限位開(kāi)關(guān)的作用線(xiàn)方向與X、Y、Z向音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力方向一致；x、y、z向位移傳感器和Χ、Υ、Ζ向限位開(kāi)關(guān)分別與控制器的信號(hào)輸入端連接，控制器的信號(hào)輸出端與驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸入端連接，驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸出端分別與X、Y、Z向音圈電機(jī)連接。所述套筒內(nèi)設(shè)有氣體壓力傳感器，套筒上設(shè)有進(jìn)氣口和電磁閥，氣體壓力傳感器與控制器的信號(hào)輸入端連接，驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸出端與電磁閥連接。所述磁浮推力軸承的配置方式是在套筒底面?zhèn)缺谠O(shè)有永磁體，在下安裝板上表面?zhèn)缺谙鄬?duì)配裝電磁線(xiàn)圈，磁浮間隙厚度為O. Olmm 1mm。所述X、Y、Z向音圈電機(jī)為圓筒型音圈電機(jī)或平板型音圈電機(jī)。所述X向氣浮導(dǎo)軌和Y向氣浮導(dǎo)軌為單導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)或雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。所述X、Y、Z向位移傳感器為光柵尺、磁柵尺、容柵尺或直線(xiàn)式電位器。所述X、Y、Z向限位開(kāi)關(guān)為機(jī)械式限位開(kāi)關(guān)、霍爾式限位開(kāi)關(guān)或光電式限位開(kāi)關(guān)。所述柔性膜為橡膠膜。所述套筒內(nèi)氣體壓力為O.1MPa O. 8MPa。本發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)新性及產(chǎn)生的良好效果在于(I)本發(fā)明 采用磁浮推力軸承對(duì)水平向振動(dòng)進(jìn)行隔離，磁浮推力軸承無(wú)摩擦、無(wú)磨損，剛度近似為零，可使隔振器獲得水平方向近似零剛度特性和突出的超低頻隔振性能，解決了現(xiàn)有技術(shù)受結(jié)構(gòu)剛度、材料特性限制，隔振器水平剛度難以進(jìn)一步降低，剛度與穩(wěn)定性不能兼顧的問(wèn)題。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之一。(2)本發(fā)明采用位移傳感器、限位開(kāi)關(guān)、控制器、驅(qū)動(dòng)器與音圈電機(jī)等構(gòu)成位置閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，對(duì)上、下安裝板之間的相對(duì)位置進(jìn)行精確控制，定位精度可達(dá)到ΙΟμπι級(jí)及以上，可有效解決現(xiàn)有技術(shù)方案定位精度低、定位精度與剛度、隔振性能不能兼顧的問(wèn)題。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之二。(3)本發(fā)明采用共面正交氣浮導(dǎo)軌對(duì)隔振器上、下安裝板之間的水平直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)自由度進(jìn)行解耦，氣浮導(dǎo)軌無(wú)摩擦與磨損，不引入附加剛度，解耦效果好，可使隔振器獲得高定位精度與水平方向零剛度特性；采用柔性膜對(duì)角運(yùn)動(dòng)自由度進(jìn)行解耦，引入附加角剛度較小，可有效解決現(xiàn)有采用彈性體解耦的技術(shù)方案引入較大附加剛度的問(wèn)題。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之三。(4)本發(fā)明采用氣體壓力傳感器、電磁閥與控制器、驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成壓力閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，精確控制套筒內(nèi)的氣體壓力使之保持恒定，對(duì)隔振器的軸向載荷進(jìn)行重力平衡與補(bǔ)償，柔性膜在平衡位置附近剛度近似為零，承載負(fù)載重力的上、下壓板可以近似零剛度上下自由滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)理想的重力補(bǔ)償與零剛度隔振效果。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之四。(5)本發(fā)明采用主動(dòng)執(zhí)行器對(duì)上、下安裝板之間的相對(duì)位置進(jìn)行主動(dòng)控制，隔振器參數(shù)可根據(jù)被隔振對(duì)象特點(diǎn)與工作環(huán)境變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而適應(yīng)不同的工況，具有較好的靈活性、適應(yīng)性與穩(wěn)定性。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之五。


圖1為拆除上安裝板后的共面氣浮正交解耦與柔性膜角度解耦的磁浮零剛度隔振器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為共面氣浮正交解耦與柔性膜角度解耦的磁浮零剛度隔振器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為磁浮間隙、X向?qū)к墯飧∶婧蚙向承載氣浮面的示意圖；圖4為Y向?qū)к墯飧∶娴氖疽鈭D；圖5為套筒結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為共面氣浮正交解耦與柔性膜角度解耦的磁浮零剛度隔振器的控制結(jié)構(gòu)框圖。圖中件號(hào)說(shuō)明1上安裝板、2下安裝板、3潔凈壓縮氣源、4隔振器主體、5柔性膜、6套筒、7壓板裝配體、7a上壓板、7b下壓板、8X向音圈電機(jī)、8a X向電機(jī)鐵軛、8b X向電機(jī)磁鋼、8c X向電機(jī)線(xiàn)圈骨架、8d X向電機(jī)線(xiàn)圈、9Y向音圈電機(jī)、IOZ向音圈電機(jī)、IOa Z向電機(jī)鐵軛、IOb Z向電機(jī)磁鋼、IOc Z向電機(jī)線(xiàn)圈骨架、IOd Z向電機(jī)線(xiàn)圈、IOe Z向電機(jī)過(guò)渡件、IlX向位移傳感器、Ila X向光柵讀數(shù)頭過(guò)渡件、lib X向光柵讀數(shù)頭、lie X向玻璃光柵尺、12Y向位移傳感器、13Z向位移傳感器、13a Z向光柵讀數(shù)頭過(guò)渡件、13b Z向光柵讀數(shù)頭、13cZ向玻璃光柵尺、14X向限位開(kāi)關(guān)、14aX向限位塊、14b X向霍爾開(kāi)關(guān)、14c X向限位開(kāi)關(guān)過(guò)渡件、14dX向限位塊過(guò)渡件、15Y向限位開(kāi)關(guān)、16Z向限位開(kāi)關(guān)、16aZ向限位塊、16b Z向霍爾開(kāi)關(guān)、16c Z向限位開(kāi)關(guān)過(guò)渡件、17氣體壓力傳感器、18電磁閥、19控制器、20驅(qū)動(dòng)器、21磁浮間隙、22壓圈、23進(jìn)氣口、24磁浮推力軸承、24a永磁體、24b電磁線(xiàn)圈、26氣管、29X向氣浮導(dǎo)軌、30Y向氣浮導(dǎo)軌、31X向?qū)к墯飧∶妗?2Y向?qū)к墯飧∶妗?3Z向承載氣浮面。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明的具體實(shí)施例。一種共面氣浮正交解耦與柔性膜角度解耦的磁浮零剛度隔振器，由上安裝板1、下安裝板2、潔凈壓縮氣源3、氣管26和隔振器主體4組成，隔振器主體4安裝在上安裝板I與下安裝板2之間，潔凈壓縮氣源3通過(guò)氣管26與隔振器主體4連接，所述隔振器主體4的結(jié)構(gòu)是套筒6的下表面與下安裝板2通過(guò)磁浮推力軸承24潤(rùn)滑與支撐，柔性膜5安裝在套筒6的上端，并通過(guò)壓圈22壓緊與密封，壓板裝配體7的上壓板7a與下壓板7b相對(duì)配裝于柔性膜5的上、下表面，并夾緊柔性膜5，上壓板7a的上表面與上安裝板I剛性連接，套筒6與X向氣浮導(dǎo)軌29通過(guò)X向?qū)к墯飧∶?1潤(rùn)滑與導(dǎo)向，X向氣浮導(dǎo)軌29與下安裝板2通過(guò)Z向承載氣浮面33潤(rùn)滑與支撐，Y向氣浮導(dǎo)軌30與下安裝板2剛性連接，X向氣浮導(dǎo)軌29的兩端與Y向氣浮導(dǎo)軌30通過(guò)Y向?qū)к墯飧∶?2潤(rùn)滑與導(dǎo)向；Z向音圈電機(jī)10、Z向位移傳感器13與Z向限位開(kāi)關(guān)16安裝在壓板裝配體7與套筒6之間，X向音圈電機(jī)8、X向位移傳感器11、X向限位開(kāi)關(guān)14與Y向音圈電機(jī)9、Y向位移傳感器12、Y向限位開(kāi)關(guān)15安裝在套筒6與下安裝板2之間，Z向音圈電機(jī)10的驅(qū)動(dòng)力方向?yàn)樨Q直方向，X向音圈電機(jī)8與Y向音圈電機(jī)9的驅(qū)動(dòng)力方向在水平面內(nèi)且相互垂直，X、Y、Z向位移傳感器11、12、13和X、Y、Z向限位開(kāi)關(guān)14、15、16的作用線(xiàn)方向與X、Y、Z向音圈電機(jī)8、9、10的驅(qū)動(dòng)力方向一致；X、Y、Z向位移傳感器11、12、13和Χ、Υ、Ζ向限位開(kāi)關(guān)14、15、16分別與控制器19的信號(hào)輸入端連接,控制器19的信號(hào)輸出端與驅(qū)動(dòng)器20的信號(hào)輸入端連接,驅(qū)動(dòng)器20的信號(hào)輸出端分別與X、Y、Z向音圈電機(jī)8、9、10連接。X、Y、Z向位移傳感器11、12、13對(duì)X、Y、Z向音圈電機(jī)8、9、10輸出的位移進(jìn)行測(cè)量，Χ、Υ、Ζ向限位開(kāi)關(guān)14、15、16對(duì)X、Y、Z向音圈電機(jī)8、9、10運(yùn)動(dòng)的行程進(jìn)行限制；控制器19根據(jù)X、Y、Z向位移傳感器11、12、13和Χ、Υ、Ζ向限位開(kāi)關(guān)14、15、16的反饋信號(hào)，控制X、Y、Z向音圈電機(jī)8、9、10對(duì)上、下安裝板1、2之間的相對(duì)位置進(jìn)行精確控制。所述套筒6內(nèi)設(shè)有氣體壓力傳感器17，套筒6上設(shè)有進(jìn)氣口 23和電磁閥18，氣體壓力傳感器17與控制器19的信號(hào)輸入端連接，驅(qū)動(dòng)器20的信號(hào)輸出端與電磁閥18連接。所述磁浮推力軸承24的配置方式是在套筒6底面?zhèn)缺谠O(shè)有永磁體24a，在下安裝板上表面?zhèn)缺谙鄬?duì)配裝電磁線(xiàn)圈24b,磁浮間隙21厚度為O. Olmm 1mm。所述X、Y、Z向音圈電機(jī)8、9、10為圓筒型音圈電機(jī)或平板型音圈電機(jī)。所述X向氣浮導(dǎo)軌29和Y向氣浮導(dǎo)軌30為單導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)或雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。所述Χ、Υ、Ζ向位移傳感器11、12、13為光柵尺、磁柵尺、容柵尺或直線(xiàn)式電位器。所述Χ、Υ、Ζ向限位開(kāi)關(guān)14、15、16為機(jī)械式限位開(kāi)關(guān)、霍爾式限位開(kāi)關(guān)或光電式限位開(kāi)關(guān)。所述柔性膜5為橡膠膜。所述套筒6內(nèi)氣體壓力為O.1MPa O. 8MPa0下面結(jié)合圖1 圖6給出本`發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。本實(shí)施例中，隔振器工作時(shí)，下安裝板2安裝在地基、儀器的基座或基礎(chǔ)框架上，上安裝板I與被隔振的負(fù)載連接。X、Y、Z向音圈電機(jī)8、9、10均米用圓筒型音圈電機(jī)。以X向音圈電機(jī)8為例,其主要包括X向電機(jī)鐵軛8a、X向電機(jī)磁鋼8b、X向電機(jī)線(xiàn)圈骨架8c、X向電機(jī)線(xiàn)圈8d。X向電機(jī)鐵軛8a和X向電機(jī)線(xiàn)圈骨架8c為圓筒形,X向電機(jī)磁鋼8b為圓柱形,X向電機(jī)線(xiàn)圈8d繞于X向電機(jī)線(xiàn)圈骨架8c上。X向電機(jī)鐵軛8a和X向電機(jī)磁鋼8b構(gòu)成電機(jī)的定子,X向電機(jī)線(xiàn)圈骨架8c和X向電機(jī)線(xiàn)圈8d構(gòu)成電機(jī)的動(dòng)子。Z向音圈電機(jī)10中，Z向電機(jī)過(guò)渡件IOe提供Z向電機(jī)線(xiàn)圈骨架IOc的安裝結(jié)構(gòu)。電機(jī)工作時(shí)線(xiàn)圈中通以電流，根據(jù)電磁理論，通電線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中會(huì)受到音圈力作用，通過(guò)控制電流的大小和方向可以控制電機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)力的大小和方向。本實(shí)施例中，柔性膜5、壓圈22與套筒6的安裝方式為在套筒6上沿圓周方向加工螺紋孔，在壓圈22、柔性膜5上沿圓周方向加工通孔，采用螺釘將壓圈22壓緊柔性膜5裝配于套筒6上，利用柔性膜5材料的彈性起到密封的作用。上壓板7a、下壓板7b與柔性膜5的安裝方式與之類(lèi)似。X、Y、Z向位移傳感器11、12、13采用光柵尺。以Z向位移傳感器13為例，其主要包括Z向光柵讀數(shù)頭過(guò)渡件13a、Z向光柵讀數(shù)頭13b和Z向玻璃光柵尺13c等部件，Z向光柵讀數(shù)頭過(guò)渡件13a提供Z向光柵讀數(shù)頭13b的安裝結(jié)構(gòu)。光柵尺工作時(shí)，Z向光柵讀數(shù)頭13b能夠?qū)⑵渑cZ向玻璃光柵尺13c的相對(duì)位移檢測(cè)出來(lái)，并通過(guò)信號(hào)導(dǎo)線(xiàn)送給控制器19。X、Y、Z向限位開(kāi)關(guān)14、15、16采用霍爾式限位開(kāi)關(guān)。以Z向限位開(kāi)關(guān)16為例，其主要包括Z向限位塊16a、Z向霍爾開(kāi)關(guān)16b和Z向限位開(kāi)關(guān)過(guò)渡件16c等部件。兩個(gè)Z向霍爾開(kāi)關(guān)16b背靠背安裝,兩個(gè)Z向限位塊16a為金屬材料,與Z向霍爾開(kāi)關(guān)16b的敏感端相對(duì)安裝。Z向限位開(kāi)關(guān)過(guò)渡件16c提供Z向霍爾開(kāi)關(guān)16b的安裝結(jié)構(gòu)。限位開(kāi)關(guān)工作時(shí)，當(dāng)Z向霍爾開(kāi)關(guān)16b接近Z向限位塊16a時(shí)，Z向霍爾開(kāi)關(guān)16b給出限位信號(hào)，并通過(guò)信號(hào)導(dǎo)線(xiàn)送給控制器19。本實(shí)施例中，Z向音圈電機(jī)10、Z向位移傳感器13和Z向限位開(kāi)關(guān)16均安裝在套筒6的內(nèi)部。隔振器對(duì)負(fù)載的承載采用如下方式實(shí)現(xiàn)潔凈壓縮氣源3通過(guò)氣管26、經(jīng)電磁閥18、進(jìn)氣口 23向套筒6內(nèi)輸送潔凈壓縮空氣?？刂破?9根據(jù)氣體壓力傳感器17的反饋信號(hào)，控制電磁閥18的開(kāi)度，調(diào)節(jié)輸入到套筒6內(nèi)的氣體流量，從而調(diào)節(jié)套筒6內(nèi)潔凈壓縮空氣的壓力，使?jié)崈魤嚎s空氣對(duì)壓板裝配體7和柔性膜5向上的作用力與負(fù)載及壓板裝配體7的重力、加載于壓板裝配體7上的其它零部件的重力相平衡。在柔性膜5的平衡位置，柔性膜5的垂向剛度近似為零，而橫向剛度相對(duì)于磁浮推力軸承24的橫向剛度則非常大。因此，套筒6可在柔性膜5的平衡位置附近以近似零剛度沿豎直方向上下移動(dòng)，從而具有突出的超低頻隔振性能。本實(shí)施例中，套筒6內(nèi)潔凈壓縮空氣的壓力為O. 4Mpa，下壓板7b和柔性膜5下表面的有效半徑為100mm，則單個(gè)隔振器承載的質(zhì)量為m = pX Ji r2/g ^ 1282kg，其中p為氣體壓力，P = O. 4Mpa, r為下壓板7b和柔性膜5下表面的有效半徑,r = 100mm, g為重力加速度，g = 9. 8m/m2。
權(quán)利要求
1.一種共面氣浮正交解耦與柔性膜角度解耦的磁浮零剛度隔振器，由上安裝板(I)、 下安裝板(2)、潔凈壓縮氣源(3)、氣管(26)和隔振器主體⑷組成，隔振器主體⑷安裝在上安裝板⑴與下安裝板⑵之間，潔凈壓縮氣源⑶通過(guò)氣管(26)與隔振器主體⑷ 連接，其特征在于所述隔振器主體(4)的結(jié)構(gòu)是套筒(6)的下表面與下安裝板(2)通過(guò)磁浮推力軸承(24)潤(rùn)滑與支撐，柔性膜(5)安裝在套筒(6)的上端，并通過(guò)壓圈(22)壓緊與密封，壓板裝配體(7)的上壓板(7a)與下壓板(7b)相對(duì)配裝于柔性膜(5)的上、下表面， 并夾緊柔性膜(5)，上壓板(7a)的上表面與上安裝板(I)剛性連接，套筒(6)與X向氣浮導(dǎo)軌(29)通過(guò)X向?qū)к墯飧∶?31)潤(rùn)滑與導(dǎo)向，X向氣浮導(dǎo)軌(29)與下安裝板(2)通過(guò)Z 向承載氣浮面(33)潤(rùn)滑與支撐，Y向氣浮導(dǎo)軌(30)與下安裝板(2)剛性連接，X向氣浮導(dǎo)軌(29)的兩端與Y向氣浮導(dǎo)軌(30)通過(guò)Y向?qū)к墯飧∶?32)潤(rùn)滑與導(dǎo)向；Z向音圈電機(jī)(10),Z向位移傳感器(13)與Z向限位開(kāi)關(guān)(16)安裝在壓板裝配體(7)與套筒(6)之間， X向音圈電機(jī)(8)、X向位移傳感器(11)、X向限位開(kāi)關(guān)(14)與Y向音圈電機(jī)(9)、Y向位移傳感器(12)、Y向限位開(kāi)關(guān)(15)安裝在套筒(6)與下安裝板(2)之間，Z向音圈電機(jī)(10) 的驅(qū)動(dòng)力方向?yàn)樨Q直方向，X向音圈電機(jī)⑶與Y向音圈電機(jī)(9)的驅(qū)動(dòng)力方向在水平面內(nèi)且相互垂直，X、Y、Z向位移傳感器(11、12、13)和Χ、Υ、Ζ向限位開(kāi)關(guān)(14、15、16)的作用線(xiàn)方向與X、Y、Z向音圈電機(jī)(8、9、10)的驅(qū)動(dòng)力方向一致；Χ、Υ、Ζ向位移傳感器(11、12、13) 和Χ、Υ、Ζ向限位開(kāi)關(guān)(14、15、16)分別與控制器(19)的信號(hào)輸入端連接，控制器(19)的信號(hào)輸出端與驅(qū)動(dòng)器(20)的信號(hào)輸入端連接,驅(qū)動(dòng)器(20)的信號(hào)輸出端分別與X、Y、Z向音圈電機(jī)(8、9、10)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共面氣浮正交解耦與柔性膜角度解耦的磁浮零剛度隔振器， 其特征在于所述套筒￠)內(nèi)設(shè)有氣體壓力傳感器(17)，套筒(6)上設(shè)有進(jìn)氣口(23)和電磁閥(18)，氣體壓力傳感器(17)與控制器(19)的信號(hào)輸入端連接，驅(qū)動(dòng)器(20)的信號(hào)輸出端與電磁閥(18)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共面氣浮正交解耦與柔性膜角度解耦的磁浮零剛度隔振器，其特征在于所述磁浮推力軸承(24)的配置方式是在套筒(6)底面?zhèn)缺谠O(shè)有永磁體 (24a),在下安裝板上表面?zhèn)缺谙鄬?duì)配裝電磁線(xiàn)圈(24b),磁浮間隙(21)厚度為O.Olmm Imm0
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共面氣浮正交解耦與柔性膜角度解耦的磁浮零剛度隔振器， 其特征在于所述X、Y、Z向音圈電機(jī)(8、9、10)為圓筒型音圈電機(jī)或平板型音圈電機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共面氣浮正交解耦與柔性膜角度解耦的磁浮零剛度隔振器， 其特征在于所述X向氣浮導(dǎo)軌(29)和Y向氣浮導(dǎo)軌(30)為單導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)或雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共面氣浮正交解耦與柔性膜角度解耦的磁浮零剛度隔振器， 其特征在于所述X、Y、Z向位移傳感器(11、12、13)為光柵尺、磁柵尺、容柵尺或直線(xiàn)式電位器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共面氣浮正交解耦與柔性膜角度解耦的磁浮零剛度隔振器， 其特征在于所述X、Y、Z向限位開(kāi)關(guān)(14、15、16)為機(jī)械式限位開(kāi)關(guān)、霍爾式限位開(kāi)關(guān)或光電式限位開(kāi)關(guān)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共面氣浮正交解耦與柔性膜角度解耦的磁浮零剛度隔振器， 其特征在于所述柔性膜(5)為橡膠膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共面氣浮正交解耦與柔性膜角度解耦的磁浮零剛度隔振器， 其特征在于所述套筒(6)內(nèi)氣體壓力為O.1MPa O. 8MPa。
全文摘要
共面氣浮正交解耦與柔性膜角度解耦的磁浮零剛度隔振器屬于精密隔振技術(shù)領(lǐng)域，隔振器主體的套筒與下安裝板之間通過(guò)磁浮推力軸承進(jìn)行潤(rùn)滑與支撐，上、下安裝板之間的水平直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)自由度通過(guò)共面正交氣浮導(dǎo)軌進(jìn)行解耦，二者之間的角運(yùn)動(dòng)自由度通過(guò)柔性膜進(jìn)行解耦，音圈電機(jī)、位移傳感器、限位開(kāi)關(guān)和控制器、驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成位置閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，對(duì)上、下安裝板的相對(duì)位置進(jìn)行精確控制；本發(fā)明具有三維零剛度、高定位精度、直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)與角運(yùn)動(dòng)自由度充分解耦的特性，可有效解決超精密測(cè)量?jī)x器與加工裝備、尤其是步進(jìn)掃描光刻機(jī)中的高性能隔振問(wèn)題。
文檔編號(hào)F16F15/03GK103047351SQ201210574819
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月19日
發(fā)明者王雷, 崔俊寧, 譚久彬 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)