專利名稱：共面氣浮正交解耦與柔性膜角度解耦的電磁阻尼隔振器的制作方法
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電磁阻尼隔振器。
背景技術(shù)：
隨著超精密加工與測量精度的不斷提高，環(huán)境振動成為制約超精密加工裝備與測量儀器精度和性能提高的重要因素。尤其是步進掃描光刻機為代表的超大規(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裝備中的核心關(guān)鍵技術(shù)；步進掃描光刻機的線寬已達到22nm及以下，硅片定位精度與套刻精度均達到幾納米，而工件臺運動速度達到lm/s以上，工件臺加速度達到重力加速度的幾十倍，這對現(xiàn)有的隔振技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。首先，光刻機需要為計量系統(tǒng)與光刻物鏡提供“超靜”的工作環(huán)境，同時又需要驅(qū)動工件臺以高速度與高加速度運動，這對隔振系統(tǒng)的隔振性能提出了極其苛刻的要求，其三個方向的固有頻率均需要達到IHz以下；其次，光刻機各部件之間的相對位置，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位置精度達到10 μ m量級，傳統(tǒng)隔振器的定位精度遠遠不能滿足要求。根據(jù)隔振理論，被動式隔振器的固有頻率與剛度成正比、與負載質(zhì)量成反比，因此在負載質(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，同時受材料特性、結(jié)構(gòu)剛度等因素制約，要進一步降低其剛度、尤其是水平向剛度十分困難。針對這一問題，研究人員將“擺”式結(jié)構(gòu)引入到空氣彈簧隔振器中，達到降低隔振器水平剛度的目的(1. Nikon Corpor ation. Vibration Isolator With Low Lateral Stiffness.美國專利公開號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.美國專利號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，無法滿足光刻工藝的要求；3)要達到較低的水平剛度需要較大的擺長，導(dǎo)致隔振器高度過大，容易發(fā)生弦膜共振，穩(wěn)定性差。通過對現(xiàn)有空氣彈簧隔振器技術(shù)方案的分析可見，現(xiàn)有空氣彈簧隔振器難以滿足光刻機對超低剛度與高定位精度的要求。德國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.歐洲專利號EP1803965A2 ；2.1ntegrated DynamicsEngineeringGmbH. Schwingungsisolationssystem Mit Pneumatischem Tiefpassfilter.歐洲專利號ΕΡ1803970Α2 ;3· Integrated Dynamics Engineering GmbH. Air Bearing withConsideration of High-Frequency Resonances.美國專利公開號US20080193061A1)。該方案采用垂向與水平向氣浮面對各方向的振動進行解耦與隔振，可以達到極低的剛度與固有頻率。該方案存在的問題在于1)已公開技術(shù)方案中，隔振器無法實現(xiàn)精確定位；2)專利EP1803965A2中，上、下安裝板之間不存在繞水平軸旋轉(zhuǎn)的角運動自由度，該方向的角剛度與固有頻率都很高；專利EP1803970A2與US20080193061A1采用橡膠塊為上、下安裝板提供繞水平軸旋轉(zhuǎn)的角運動自由度，但由于橡膠塊角剛度很大，無法有效地進行角運動自由度解耦，角運動自由度解耦機構(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.美國專利號US006144442A ;2·Koninklijke Philips ElectronicsN. V. , ASM LithographyB.V.Lithographic Pneumatic Support Device with Controlled Gas Supply.國際專利公開號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.美國專利號USOO7O8^i956B2 ;4. ASML Netherlands B. V. Support Device, LithographicApparatus, and Device ManufacturingMethod Employing A Supporting Device and APosition Control System Arranged for Use in ASupporting Device.歐洲專利號EP1486825A1)。專利US006144442A與W099/22272中對氣源壓力進行閉環(huán)反饋控制，達到提高隔振器的穩(wěn)定性與性能的目的；專利US007084956B2與EP1486825A1中在上安裝板上設(shè)有振動傳感器，同時引入?yún)⒖颊駝酉到y(tǒng)，通過控制算法提升隔振器的隔振性能。但所提出技術(shù)方案仍然沒有解決隔振器的精確定位與上、下安裝板的角運動自由度解耦問題
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對超精密測量儀器與加工裝備、尤其是步進掃描光刻機等超大規(guī)模集成電路加工裝備對隔振器低固有頻率、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電磁阻尼隔振器，隔振器具有三維超低剛度、超低固有頻率，上、下安裝板之間能夠進行精確定位及三維直線運動自由度、角運動自由度的充分解耦，可有效解決超精密測量儀器與加工裝備、尤其是步進掃描光刻機中的精密隔振問題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種共面氣浮正交解耦與柔性膜角度解耦的電磁阻尼隔振器，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，潔凈壓縮氣源通過氣管與隔振器主體連接，所述隔振器主體的結(jié)構(gòu)中，套筒的下表面與下安裝板通過軸向承載平面氣浮面潤滑與支撐，柔性膜安裝在套筒的上端，并通過壓圈壓緊與密封，壓板裝配體的上壓板與下壓板相對配裝在柔性膜的上、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X向?qū)к墯飧∶鏉櫥c導(dǎo)向，X向氣浮導(dǎo)軌與下安裝板通過Z向承載氣浮面潤滑與支撐，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Y向?qū)к墯飧∶鏉櫥c導(dǎo)向；z向音圈電機、Z向位移傳感器與Z向限位開關(guān)安裝在壓板裝配體與套筒之間，X向音圈電機、X向位移傳感器、X向限位開關(guān)與Y向音圈電機、Y向位移傳感器、Y向限位開關(guān)安裝在套筒與下安裝板之間；z向音圈電機的驅(qū)動力方向為豎直方向，X向音圈電機與Y向音圈電機的驅(qū)動力方向在水平面內(nèi)且相互垂直，X、Y、Z向位移傳感器和X、Y、Z向限位開關(guān)的作用線方向與X、Y、Z向音圈電機的驅(qū)動力方向一致；X、Y、Z向位移傳感器和X、Y、Z向限位開關(guān)分別與控制器的信號輸入端連接，控制器的信號輸出端與驅(qū)動器的信號輸入端連接，驅(qū)動器的信號輸出端分別與Χ、γ、ζ向音圈電機連接；在下安裝板上表面?zhèn)缺谘豖向音圈電機驅(qū)動力方向安裝X向永磁體構(gòu)成X向電磁阻尼器，在下安裝板上表面?zhèn)缺谘豗向音圈電機驅(qū)動力方向安裝Y向永磁體構(gòu)成Y向電磁阻尼器，X、Y向永磁體的磁極方向垂直于下安裝板的上表面，且N、S極交替布置，下安裝板采用鐵磁材料，套筒采用不導(dǎo)磁的良導(dǎo)體材料。所述套筒內(nèi)設(shè)有氣體壓力傳感器，套筒上設(shè)有進氣口和電磁閥，氣體壓力傳感器與控制器的信號輸入端連接，控制器的信號輸出端與驅(qū)動器的信號輸入端連接，驅(qū)動器的信號輸出端與電磁閥連接。所述Χ、Υ、Ζ向音圈電機為圓筒型音圈電機或平板型音圈電機。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、容柵尺或直線式電位器。所述X、Y、Z向限位開關(guān)為機械式限位開關(guān)、霍爾式限位開關(guān)或光電式限位開關(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。所述軸向承載平面氣浮面、X向?qū)к墯飧∶?、Y向?qū)к墯飧∶婧蚙向承載氣浮面的氣膜厚度為ΙΟμ 20μπ 。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)明采用軸向承載平面氣浮面對水平向振動進行隔離，氣浮面無摩擦、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一步降低，剛度與穩(wěn)定性不能兼顧的問題。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之一。(2)本發(fā)明采用位移傳感器、限位開關(guān)、控制器、驅(qū)動器與音圈電機等構(gòu)成豎直方向與水平方向的位置閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，對上、下安裝板之間的相對位置進行精確控制，定位精度可達到IOym級及以上，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題。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之二。(3)本發(fā)明采用共面正交氣浮導(dǎo)軌對隔振器上、下安裝板之間的水平直線運動自由度進行解耦，氣浮導(dǎo)軌無摩擦與磨損，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；采用柔性膜對角運動自由度進行解耦，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題。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之三。(4)本發(fā)明采用氣體壓力傳感器、電磁閥與控制器、驅(qū)動器構(gòu)成壓力閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，精確控制套筒內(nèi)氣體壓力使之保持恒定，對隔振器的軸向載荷進行重力平衡與補償，柔性膜在平衡位置附近剛度近似為零，承載負載重力的上、下壓板與上安裝板可以超低剛度上下滑動，從而實現(xiàn)理想的重力補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)新點之四。(5)本發(fā)明采用主動執(zhí)行器對上、下安裝板之間的相對位置進行主動控制，隔振器參數(shù)可根據(jù)被隔振對象特點與工作環(huán)境變化實時調(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)新點之五。(6)本發(fā)明提出一種基于磁極交替永磁陣列的電磁阻尼器，能夠很好地與隔振器集成于一體，且具有較理想的線性阻尼特性，可有效衰減振動能量，減小電機驅(qū)動定位的超調(diào)，提供隔振器的穩(wěn)定性。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之六。


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電磁阻尼隔振器的結(jié)構(gòu)不意圖；圖2為共面氣浮正交解耦與柔性膜角度解耦的電磁阻尼隔振器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為軸向承載平面氣浮面、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電磁阻尼隔振器的控制結(jié)構(gòu)框圖；圖7為套筒上平面氣浮面節(jié)流孔的示意圖；圖8為X、Y向電磁阻尼器的局部剖面結(jié)構(gòu)不意圖；圖9為X、Y向永磁體在下安裝板上表面?zhèn)缺诘囊环N安裝方式示意圖；圖10為X、Y向永磁體在下安裝板上表面?zhèn)缺诘牧硪环N安裝方式示意圖。圖中件號說明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、8Χ向音圈電機、8a X向電機鐵軛、8b X向電機磁鋼、8c X向電機線圈骨架、8d X向電機線圈、9Y向音圈電機、IOZ向音圈電機、IOa Z向電機鐵軛、IOb Z向電機磁鋼、IOc Z向電機線圈骨架、IOd Z向電機線圈、IOe Z向電機過渡件、IlX向位移傳感器、I la X向光柵讀數(shù)頭過渡件、I Ib X向光柵讀數(shù)頭、I Ic 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)頭過渡件、13b Z向光柵讀數(shù)頭、13cZ向玻璃光柵尺、14X向限位開關(guān)、14a X向限位塊、14b X向霍爾開關(guān)、14c X向限位開關(guān)過渡件、14d X向限位塊過渡件、15Y向限位開關(guān)、16Z向限位開關(guān)、16a Z向限位塊、16b Z向霍爾開關(guān)、16c Z向限位開關(guān)過渡件、17氣體壓力傳感器、18電磁閥、19控制器、20驅(qū)動器、21軸向承載平面氣浮面、22壓圈、23進氣口、24平面氣浮面節(jié)流孔、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、40X向電磁阻尼器、40AX向永磁體、41Y向電磁阻尼器、41AY向永磁體。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明的具體實施例。一種共面氣浮正交解耦與柔性膜角度解耦的電磁阻尼隔振器，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)中，套筒6的下表面與下安裝板2通過軸向承載平面氣浮面21潤滑與支撐，柔性膜5安裝在套筒6的上端，并通過壓圈22壓緊與密封，壓板裝配體7的上壓板7a與下壓板7b相對配裝在柔性膜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X向?qū)к墯飧∶?1潤滑與導(dǎo)向，X向氣浮導(dǎo)軌29與下安裝板2通過Z向承載氣浮面33潤滑與支撐，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Y向?qū)к墯飧∶?2潤滑與導(dǎo)向；Z向音圈電機
10、Z向位移傳感器13與Z向限位開關(guān)16安裝在壓板裝配體7與套筒6之間，X向音圈電機8、X向位移傳感器11、X向限位開關(guān)14與Y向音圈電機9、Y向位移傳感器12、Y向限位開關(guān)15安裝在套筒6與下安裝板2之間；Z向音圈電機10的驅(qū)動力方向為豎直方向，X向音圈電機8與Y向音圈電機9的驅(qū)動力方向在水平面內(nèi)且相互垂直，X、Y、Z向位移傳感器
11、12、13和X、Y、Z向限位開關(guān)14、15、16的作用線方向與Χ、Υ、Ζ向音圈電機8、9、10的驅(qū)動力方向一致；Χ、Υ、Ζ向位移傳感器11、12、13和Χ、Υ、Ζ向限位開關(guān)14、15、16分別與控制器19的信號輸入端連接,控制器19的信號輸出端與驅(qū)動器20的信號輸入端連接,驅(qū)動器20的信號輸出端分別與X、Y、Z向音圈電機8、9、10連接；在下安裝板2上表面?zhèn)缺谘豖向音圈電機8驅(qū)動力方向安裝X向永磁體40Α構(gòu)成X向電磁阻尼器40,在下安裝板2上表面?zhèn)缺谘豗向音圈電機9驅(qū)動力方向安裝Y向永磁體41Α構(gòu)成Y向電磁阻尼器41，X、Y向永磁體40Α、41Α的磁極方向垂直于下安裝板2的上表面,且N、S極交替布置,下安裝板2米用鐵磁材料，套筒6采用不導(dǎo)磁的良導(dǎo)體材料。X、Y、Z向位移傳感器11、12、13對X、Y、Z向音圈電機8、9、10輸出的位移進行測量，X、Y、Z向限位開關(guān)14、15、16對X、Y、Z向音圈電機8、9、10運動的行程進行限制；控制器19根據(jù)X、Y、Z向位移傳感器11、12、13和Χ、Υ、Ζ向限位開關(guān)14、15、16的反饋信號，控制X、Y、Z向音圈電機8、9、10對上、下安裝板1、2之間的相對位置進行精確控制。所述套筒6內(nèi)設(shè)有氣體壓力傳感器17，套筒6上設(shè)有進氣口 23和電磁閥18，氣體壓力傳感器17與控 制器19的信號輸入端連接,控制器19的信號輸出端與驅(qū)動器20的信號輸入端連接，驅(qū)動器20的信號輸出端與電磁閥18連接。所述Χ、Υ、Ζ向音圈電機8、9、10為圓筒型音圈電機或平板型音圈電機。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、容柵尺或直線式電位器。所述Χ、Υ、Ζ向限位開關(guān)14、15、16為機械式限位開關(guān)、霍爾式限位開關(guān)或光電式限位開關(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所述軸向承載平面氣浮面21、X向?qū)к墯飧∶?1、Y向?qū)к墯飧∶?2和Z向承載氣浮面33的氣膜厚度為10 μ m 20 μ m。所述套筒6上的平面氣浮面節(jié)流孔24的直徑為Φ O.1mm Φ 1mm。下面結(jié)合圖1 圖6給出本發(fā)明的一個實施例。本實施例中，隔振器工作時，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與被隔振的負載連接。X、Y、Z向音圈電機8、9、10均米用圓筒型音圈電機。以X向音圈電機8為例,其主要包括X向電機鐵軛8a、X向電機磁鋼8b、X向電機線圈骨架8c、X向電機線圈8d。X向電機鐵軛8a和X向電機線圈骨架8c為圓筒形,X向電機磁鋼8b為圓柱形,X向電機線圈8d繞于X向電機線圈骨架8c上。X向電機鐵軛8a和X向電機磁鋼8b構(gòu)成電機的定子,X向電機線圈骨架8c和X向電機線圈8d構(gòu)成電機的動子。Z向音圈電機10中，Z向電機過渡件IOe提供Z向電機線圈骨架IOc的安裝結(jié)構(gòu)。電機工作時線圈中通以電流，根據(jù)電磁理論，通電線圈在磁場中會受到音圈力作用，通過控制電流的大小和方向可以控制電機輸出驅(qū)動力的大小和方向。本實施例中，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，Z向光柵讀數(shù)頭13b能夠?qū)⑵渑cZ向玻璃光柵尺13c的相對位移檢測出來，并通過信號導(dǎo)線送給控制器19。X、Y、Z向限位開關(guān)14、15、16采用霍爾式限位開關(guān)。以Z向限位開關(guān)16為例，其主要包括Z向限位塊16a、Z向霍爾開關(guān)16b和Z向限位開關(guān)過渡件16c等部件。兩個Z向霍爾開關(guān)16b背靠背安裝,兩個Z向限位塊16a為金屬材料,與Z向霍爾開關(guān)16b的敏感端相對安裝。Z向限位開關(guān)過渡件16c提供Z向霍爾開關(guān)16b的安裝結(jié)構(gòu)。限位開關(guān)工作時，當(dāng)Z向霍爾開關(guān)16b接近Z向限位塊16a時，Z向霍爾開關(guān)16b給出限位信號，并通過信號導(dǎo)線送給控制器19。本實施例中，Z向音圈電機10、Z向位移傳感器13和Z向限位開關(guān)16均安裝在套筒6的內(nèi)部。隔振器對負載的承載采用如下方式實現(xiàn)潔凈壓縮氣源3通過氣管26、經(jīng)電磁閥18、進氣口 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，控制電磁閥18的開度， 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空氣對壓板裝配體7和柔性膜5向上的作用力與負載及壓板裝配體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,而橫向剛度相對于軸向承載氣浮面21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，從而具有突出的超低頻隔振性能。本實施例中，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。圖7給出套筒上平面氣浮面節(jié)流孔的一個實施例。本實施例中，套筒6下表面圍繞圓心沿圓周方向均布8個平面氣浮面節(jié)流孔24，直徑為Φ0. 2mm。下面結(jié)合圖8、圖9給出X、Y向電磁阻尼器的一個實施例。本實施例中，隔振器具有兩個X向電磁阻尼器40，兩個Y向電磁阻尼器41，分別由安裝在下安裝板2上表面?zhèn)缺诘摩?、Υ向永磁體40Α、41Α陣列構(gòu)成，下安裝板2采用45號鋼材料，具有較高的導(dǎo)磁率，套筒6采用紫銅材料，不導(dǎo)磁且具有高電導(dǎo)率。X、Y向永磁體40A、41A為長條形狀，分別沿X、Y向音圈電機8、9的驅(qū)動力方向布置,磁極方向垂直于下安裝板2的上表面,且N、S極交替布置。當(dāng)套筒6與下安裝板2產(chǎn)生相對運動時，套筒6切割磁力線而產(chǎn)生電渦流和阻尼力，X、Y向阻尼力與套筒6與下安裝板2的X、Y向相對運動速度成正比，方向與X、Y向音圈電機8、9的驅(qū)動力方向一致，從而達到消耗振動能量，提高定位穩(wěn)定性的目的。圖8、圖10給出了 X、Y向電磁阻尼器的另一個實施例。本實施例中，隔振器具有一個X向電磁阻尼器40，一個Y向電磁阻尼器41，分別由安裝在下安裝板2上表面?zhèn)缺诘腦、Y向永磁體40A、41A陣列構(gòu)成。X、Y向永磁體40A、41A為長條形狀，分別沿X、Y向音圈電機8、9的驅(qū)動力方向布置,磁極方向垂直于下安裝板2的上表面,且N、S極交替布置。
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電磁阻尼隔振器，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)中，套筒(6)的下表面與下安裝板(2)通過軸向承載平面氣浮面(21)潤滑與支撐，柔性膜(5)安裝在套筒￠)的上端，并通過壓圈(22) 壓緊與密封，壓板裝配體(7)的上壓板(7a)與下壓板(7b)相對配裝在柔性膜(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￠)與X向氣浮導(dǎo)軌(29)通過X向?qū)к墯飧∶?31)潤滑與導(dǎo)向，X向氣浮導(dǎo)軌(29)與下安裝板(2) 通過Z向承載氣浮面(33)潤滑與支撐，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Y向?qū)к墯飧∶?32)潤滑與導(dǎo)向；Z向音圈電機(10)、Z向位移傳感器(13)與Z向限位開關(guān)(16)安裝在壓板裝配體(7)與套筒(6) 之間，X向音圈電機⑶、X向位移傳感器(11)、X向限位開關(guān)(14)與Y向音圈電機(9)、Y 向位移傳感器(12)、Y向限位開關(guān)(15)安裝在套筒(6)與下安裝板(2)之間；Ζ向音圈電機 (10)的驅(qū)動力方向為豎直方向，X向音圈電機(8)與Y向音圈電機(9)的驅(qū)動力方向在水平面內(nèi)且相互垂直，X、Y、Z向位移傳感器(11、12、13)和Χ、Υ、Ζ向限位開關(guān)(14、15、16)的作用線方向與Χ、Υ、Ζ向音圈電機(8、9、10)的驅(qū)動力方向一致；Χ、Υ、Ζ向位移傳感器(11、12、13)和Χ、Υ、Ζ向限位開關(guān)(14、15、16)分別與控制器(19)的信號輸入端連接，控制器(19) 的信號輸出端與驅(qū)動器(20)的信號輸入端連接，驅(qū)動器(20)的信號輸出端分別與X、Y、Z 向音圈電機(8、9、10)連接；在下安裝板(2)上表面?zhèn)缺谘豖向音圈電機(8)驅(qū)動力方向安裝X向永磁體(40Α)構(gòu)成X向電磁阻尼器(40)，在下安裝板⑵上表面?zhèn)缺谘豗向音圈電機(9)驅(qū)動力方向安裝Y向永磁體(41Α)構(gòu)成Y向電磁阻尼器(41), X、Y向永磁體(40Α、 41Α)的磁極方向垂直于下安裝板(2)的上表面，且N、S極交替布置，下安裝板(2)采用鐵磁材料，套筒(6)采用不導(dǎo)磁的良導(dǎo)體材料。
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電磁阻尼隔振器，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)有進氣口(23)和電磁閥(18),氣體壓力傳感器(17)與控制器(19)的信號輸入端連接,控制器(19)的信號輸出端與驅(qū)動器(20)的信號輸入端連接，驅(qū)動器(20)的信號輸出端與電磁閥(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電磁阻尼隔振器，其特征在于所述X、Y、Z向音圈電機(8、9、10)為圓筒型音圈電機或平板型音圈電機。
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電磁阻尼隔振器，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)。
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電磁阻尼隔振器，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、容柵尺或直線式電位器。
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電磁阻尼隔振器，其特征在于所述X、Y、Z向限位開關(guān)(14、15、16)為機械式限位開關(guān)、霍爾式限位開關(guān)或光電式限位開關(guān)。
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電磁阻尼隔振器，其特征在于所述柔性膜(5)為橡膠膜。
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電磁阻尼隔振器，其特征在于所述套筒(6)內(nèi)氣體壓力為O.1MPa O. 8MPa。
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電磁阻尼隔振器，其特征在于所述軸向承載平面氣浮面(21)、X向?qū)к墯飧∶?31)、Y向?qū)к墯飧∶?32)和Z 向承載氣浮面(33)的氣膜厚度為10 μ m 20 μ m。
全文摘要
共面氣浮正交解耦與柔性膜角度解耦的電磁阻尼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氣浮面進行潤滑與支撐，通過電磁阻尼器衰減振動能量、提高定位穩(wěn)定性，上、下安裝板之間的水平直線運動自由度通過共面正交氣浮導(dǎo)軌進行解耦，二者之間的角運動自由度通過柔性膜進行解耦，音圈電機、位移傳感器、限位開關(guān)和控制器、驅(qū)動器構(gòu)成位置閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，對上、下安裝板的相對位置進行精確控制；本發(fā)明具有三維零剛度、高定位精度、直線運動與角運動自由度充分解耦的特性，可有效解決超精密測量儀器與加工裝備、尤其是步進掃描光刻機中的高性能隔振問題。
文檔編號F16F15/027GK103047355SQ20121057521
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月19日
發(fā)明者譚久彬, 崔俊寧, 王雷 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)