雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器的製作方法

2023-04-26 22:17:56 2

專利名稱：雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器的製作方法
技術領域：
本發明屬於精密隔振技術領域，主要涉及一種雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器。
背景技術：
隨著超精密加工與測量精度的不斷提高，環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模集成電路加工裝備，技術密集度與複雜度極高，關鍵技術指標均達到了現有技術的極限，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鍵技術；步進掃描光刻機的線寬已達到22nm及以下，矽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，這對現有的隔振技術提出了新的挑戰。首先，光刻機需要為計量系統與光刻物鏡提供「超靜」的工作環境，同時又需要驅動工件臺以高速度與高加速度運動，這對隔振系統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，例如光刻物鏡與矽片表面的距離，均具有非常嚴格的要求，且處於位置閉環反饋控制系統的控制之下，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，傳統隔振器的定位精度遠遠不能滿足要求。根據隔振理論，被動式隔振器的固有頻率與剛度成正比、與負載質量成反比，因此在負載質量一定的前提下，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。傳統空氣彈簧等形式的隔振器存在靜態承載能力與剛度的固有矛盾，同時受材料特性、結構剛度等因素制約，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」式結構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 Corp oration. 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於1)受材料特性與結構剛度制約，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，導致隔振器高度過大，容易發生弦膜共振，穩定性差。通過對現有空氣彈簧隔振器技術方案的分析可見，現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橡膠空氣彈簧的隔振器技術方案(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EP1803970A2 ;3· Integrated Dynamics Engineering GmbH. Air Bearing withConsideration of High-Frequency Resonances.美國專利公開號US20080193061A1)。該方案採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於1)已公開技術方案中，隔振器無法實現精確定位；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採用橡膠塊為上、下安裝板提供繞水平軸旋轉的角運動自由度，但由於橡膠塊角剛度很大，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 Control led Gas Supply.國際專利公開號W099/22272 ;3. ASML Netherlands B. V. Support Device,LithographicAppara·tus, 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反饋控制，達到提高隔振器的穩定性與性能的目的；專利US007084956B2與EP1486825A1中在上安裝板上設有振動傳感器，同時引入參考振動系統，通過控制算法提升隔振器的隔振性能。但所提出技術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。

發明內容
本發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，提供一種雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，隔振器在三維均具有近似零剛度與極低的固有頻率，上、下安裝板之間能夠進行精確定位與三維直線運動自由度、角運動自由度解耦，從而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。本發明的技術解決方案是一種雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，由上安裝板、下安裝板、潔淨壓縮氣源、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，潔淨壓縮氣源通過氣管與隔振器主體連通，所述隔振器主體的結構中，套筒的下表面與氣浮板通過軸向承載平面氣浮面潤滑與支撐，活塞筒倒扣安裝在套筒內，並與套筒通過徑向承載圓柱氣浮面潤滑與支撐，氣浮球軸承安裝在活塞筒和上安裝板之間，X向氣浮導軌的下表面與氣浮板剛性連接，套筒與X向氣浮導軌通過X嚮導軌氣浮面潤滑與導向，Y向氣浮導軌的下表面與下安裝板剛性連接，氣浮板與下安裝板通過Z向承載氣浮面潤滑與支撐，氣浮板與Y向氣浮導軌通過Y嚮導軌氣浮面潤滑與導向；z向音圈電機、Z向位移傳感器、Z向限位開關安裝在活塞筒與套筒之間，X向音圈電機、X向位移傳感器、X向限位開關安裝在套筒與氣浮板之間，Y向音圈電機、Y向位移傳感器、Y向限位開關安裝在氣浮板與下安裝板之間；z向音圈電機的驅動力方向為豎直方向，X向音圈電機與Y向音圈電機的驅動力方向在水平面內且相互垂直，x、Y、z向位移傳感器和Χ、Υ、Ζ向限位開關的作用線方向與Χ、γ、ζ向音圈電機的驅動力方向一致；Χ、Υ、Ζ向位移傳感器和Χ、Υ、Ζ向限位開關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動器的信號輸入端連接，驅動器的信號輸出端分別與Χ、Υ、Ζ向音圈電機連接；在氣浮板上表面側壁沿X向音圈電機驅動力方向安裝X向永磁體構成X向電磁阻尼器，在氣浮板上表面側壁沿Y向音圈電機驅動力方向安裝Y向永磁體構成Y向電磁阻尼器，在活塞筒外圓柱面側壁沿Z向音圈電機驅動力方向安裝Z向永磁體構成Z向電磁阻尼器，Χ、Υ向永磁體的磁極方向垂直於氣浮板的上表面，且N、S極交替布置，Z向永磁體的磁極方向垂直於活塞筒的外圓柱面,且N、S極交替布置,活塞筒與氣浮板採用鐵磁材料，套筒採用不導磁的良導體材料。所述活塞筒內設有氣體壓力傳感器，活塞筒上設有進氣口和電磁閥，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動器的信號輸入端連接，驅動器的信號輸出端與電磁閥連接。所述X、Y、Z向音圈電機為圓筒型音圈電機或平板型音圈電機。所述X向氣浮導軌和Y向氣浮導軌為單導軌結構或雙導軌結構。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向限位開關為機械式限位開關、霍爾式限位開關或光電式限位開關。所述活塞筒內氣體 壓力為O.1MPa O. 8MPa。所述軸向承載平面氣浮面、徑向承載圓柱氣浮面、X嚮導軌氣浮面、Y嚮導軌氣浮面和Z向承載氣浮面的氣膜厚度為10 μ m 20 μ m。所述活塞筒上的圓柱氣浮面節流孔和套筒上的平面氣浮面節流孔的直徑為Φ O.1mm Φ 1mm。本發明的技術創新性及產生的良好效果在於(I)本發明摒棄了傳統基於彈性元件/機構的隔振器技術方案，採用軸向承載平面氣浮面、徑向承載圓柱氣浮面分別對水平向與垂向振動進行解耦與隔振，氣浮面無摩擦，剛度近似為零，可使隔振器獲得近似的零剛度特性和突出的超低頻隔振性能，解決了現有技術受結構剛度、材料特性限制，剛度難以進一步降低，剛度與穩定性不能兼顧的問題。這是本發明區別於現有技術的創新點之一。(2)本發明採用位移傳感器、限位開關、控制器、驅動器與音圈電機等構成豎直方向與水平方向的位置閉環反饋控制系統，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，可有效解決現有技術方案定位精度低、定位精度與剛度、隔振性能不能兼顧的問題。這是本發明區別於現有技術的創新點之二。(3)本發明採用雙層正交氣浮導軌對隔振器上、下安裝板之間的水平直線運動自由度進行解耦，氣浮導軌無摩擦與磨損，不引入附加剛度，解耦效果好，可使隔振器達到高定位精度與隔振性能；採用氣浮球軸承對角運動自由度進行解耦，氣浮球軸承無摩擦與磨損，不引入附加角剛度，可有效解決現有採用彈性體解耦的技術方案引入較大附加剛度，制約固有頻率與低頻隔振性能等問題。這是本發明區別於現有技術的創新點之三。(4)本發明採用氣體壓力傳感器、電磁閥與控制器、驅動器等構成壓力閉環反饋控制系統，精確控制套筒內的氣體壓力使之保持恆定，對隔振器的軸向載荷進行重力平衡與補償，在徑向承載圓柱氣浮面的作用下，承載負載重力的活塞筒可沿套筒以零剛度自由上下滑動，從而實現理想的重力平衡與零剛度隔振效果。這是本發明區別於現有技術的創新點之四。(5)本發明採用主動執行器對上、下安裝板之間的相對位置進行主動控制，隔振器參數可根據被隔振對象特點與工作環境變化實時調節，從而適應不同的工況，具有較好的靈活性、適應性與穩定性。這是本發明區別於現有技術的創新點之五。(6)本發明採用基於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於一體，電磁阻尼器具有較理想的線性阻尼特性，可有效衰減振動能量，減小電機驅動定位的超調，提供隔振器的穩定性。這是本發明區別於現有技術的創新點之六。


圖1為拆除上安裝板後的雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器的結構示意圖；圖2為雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器的剖面結構示意圖；圖3為軸向承載平面氣浮面、徑向承載圓柱氣浮面、X嚮導軌氣浮面和球面氣浮面的不意圖；圖4為Y嚮導軌氣浮面和Z向承載氣浮面的示意圖；圖5為套筒結構示意圖；圖6為雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器的控制結構框圖；圖7為套筒上平面氣浮面節流孔的示意圖；圖8為活塞筒上圓柱氣浮面節流孔和球面氣浮面節流孔的示意圖；圖9為Z向電磁阻尼器的剖面結構示意圖；圖10為X、Y向電磁阻尼器的局部剖面結構示意圖；圖11為Z向永磁體在活塞筒外圓柱面側壁一種安裝方式的A-A向剖視圖；圖12為Z向永磁體在活塞筒外圓柱面側壁另一種安裝方式的A-A向剖視圖；圖13為X、Y向永磁體在氣浮板上表面側壁的一種安裝方式不意圖；圖14為X、Y向永磁體在氣浮板上表面側壁的另一種安裝方式不意圖。圖中件號說明1上安裝板、2下安裝板、3潔淨壓縮氣源、4隔振器主體、5活塞筒、6套筒、7氣浮球軸承、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、IlaX向光柵讀數頭過渡件、lib X向光柵讀數頭、lie X向玻璃光柵尺、12Y向位移傳感器、
13Z向位移傳感器、13a Z向光柵讀數頭過渡件、13b Z向光柵讀數頭、13c Z向玻璃光柵尺、14X向限位開關、14aX向限位塊、14b X向霍爾開關、14c X向限位開關過渡件、14d X向限位塊過渡件、15Y向限位開關、16Z向限位開關、16a Z向限位塊、16b Z向霍爾開關、16c Z向限位開關過渡件、17氣體壓力傳感器、18電磁閥、19控制器、20驅動器、21軸向承載平面氣浮面、22徑向承載圓柱氣浮面、23進氣口、24平面氣浮面節流孔、25圓柱氣浮面節流孔、26氣管、27球面氣浮面、28球面氣浮面節流孔、29X向氣浮導軌、30Y向氣浮導軌、31X嚮導軌氣浮面、32Y嚮導軌氣浮面、33Z向承載氣浮面、34氣浮板、40X向電磁阻尼器、40AX向永磁體、41Y向電磁阻尼器、41AY向永磁體、42Z向電磁阻尼器、42AZ向永磁體。
具體實施例方式下面結合附圖給出本發明的具體實施例。一種雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，由上安裝板1、下安裝板2、潔淨壓縮氣源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，潔淨壓縮氣源3通過氣管26與隔振器主體4連通，所述隔振器主體4的結構中，套筒6的下表面與氣浮板34通過軸向承載平面氣浮面21潤滑與支撐，活塞筒5倒扣安裝在套筒6內，並與套筒6通過徑向承載圓柱氣浮面22潤滑與支撐，氣浮球軸承7安裝在活塞筒5和上安裝板I之間，X向氣浮導軌29的下表面與氣浮板34剛性連接，套筒6與X向氣浮導軌29通過X嚮導軌氣浮面31潤滑與導向，Y向氣浮導軌30的下表面與下安裝板2剛性連接，氣浮板33與下安裝板2通過Z向承載氣浮面33潤滑與支撐，氣浮板34與Y向氣浮導軌30通過Y嚮導軌氣浮面32潤滑與導向；Z向音圈電機10、Z向位移傳感器13、Z向限位開關16安裝在活塞筒5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14安裝在套筒6與氣浮板34之間，Y向音圈電機9、Y向位移傳感器12、Y向限位開關15安裝在氣浮板34與下安裝板2之間；Z向音圈電機10的驅動力方向為豎直方向，X向音圈電機8與Y向音圈電機9的驅動力方向在水平面內且相互垂直，X、Y、Z向位移傳感器11、12、13和Χ、Υ、Ζ向限位開關14、15、16的作用線方向與X、Y、Z向音圈電機8、9、10的驅動力方向一致；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的信號輸出端與驅動器20的信號輸入端連接，驅動器20的信號輸出端分別`與Χ、Υ、Ζ向音圈電機8、9、10連接；在氣浮板34上表面側壁沿X向音圈電機8驅動力方向安裝X向永磁體40Α構成X向電磁阻尼器40,在氣浮板34上表面側壁沿Y向音圈電機9驅動力方向安裝Y向永磁體41Α構成Y向電磁阻尼器41,在活塞筒5外圓柱面側壁沿Z向音圈電機10驅動力方向安裝Z向永磁體42Α構成Z向電磁阻尼器42, Χ、Υ向永磁體40Α、41Α的磁極方向垂直於氣浮板34的上表面,且N、S極交替布置，Z向永磁體42Α的磁極方向垂直於活塞筒5的外圓柱面,且N、S極交替布置,活塞筒5與氣浮板34採用鐵磁材料，套筒6採用不導磁的良導體材料。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，Χ、Υ、Ζ向限位開關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X、Y、Z向位移傳感器11、12、13和Χ、Υ、Ζ向限位開關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。所述活塞筒5內設有氣體壓力傳感器17，活塞筒5上設有進氣口 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的信號輸出端與驅動器20的信號輸入端連接，驅動器20的信號輸出端與電磁閥18連接。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。所述X向氣浮導軌29和Y向氣浮導軌30為單導軌結構或雙導軌結構。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。所述Χ、Υ、Ζ向限位開關14、15、16為機械式限位開關、霍爾式限位開關或光電式限位開關。所述活塞筒5內氣體壓力為O.1MPa O. 8MPa。所述軸向承載平面氣浮面21、徑向承載圓柱氣浮面22、X嚮導軌氣浮面31、Y嚮導軌氣浮面32和Z向承載氣浮面33的氣膜厚度為10 μ m 20 μ m。所述活塞筒5上的圓柱氣浮面節流孔25和套筒6上的平面氣浮面節流孔24的直徑為 Φ O.1mm Φ 1mm。下面結合圖1 圖6給出本發明的一個實施例。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繞於線圈骨架8c上。X向電機鐵軛8a和X向電機磁鋼8b構成電機的定子，X向電機線圈骨架8c和X向電機線圈8d構成電機的動子。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的安裝結構。電機工作時線圈中通以電流，根據電磁理論，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動力的大小和方向。氣浮球軸承7的安裝方式為氣浮球軸承7的下表面安裝在活塞筒5上，並通過球面氣浮面27潤滑與支撐，氣浮球軸承7的上表面與上安裝板I剛性連接。X、Y、Z向位移傳感器11、12、13採用光柵尺。以Z向位移傳感器13為例，其主要包括Z向光柵讀數頭過渡件13a、Z向光柵讀數頭13b和Z向玻璃光柵尺13c等部件，Z向光柵讀數頭過渡件13a提供Z向光柵讀數頭13b的安裝結構。光柵尺工作時，Z向光柵讀數頭13b能夠將其與Z向玻璃光柵尺13c的相對位移檢測出來，並通過信號導線送給控制器19。X、Y、Z向限位開關14、15、16採用霍爾式限位開關。以Z向限位開關16為例，其主要包括Z向限位塊16a、Z向霍爾開關16b和Z向限位開關過渡件16c等部件。兩個Z向霍爾開關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16b的敏感端相對安裝。Z向限位開關過渡件16c提供Z向霍爾開關16b的安裝結構。限位開關工作時，當Z向霍爾開關16b接近Z向限位塊16a時，Z向霍爾開關16b給出限位信號，並通過信號導線送給控制器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16安裝在活塞筒5和套筒6之間，且均安裝在活塞筒5內部。隔振器對負載的承載採用如下方式實現潔淨壓縮氣源3通過氣管26、經電磁閥18、進氣口 23向活塞筒5內輸送潔淨壓縮空氣。控制器19根據氣體壓力傳感器17的反饋信號，控制電磁閥18的開度，調節輸入到活塞筒5內的氣體流量，從而調節活塞筒5內潔淨壓縮空氣的壓力，使潔淨壓縮空氣對活塞筒5向上的作用力與負載、活塞筒5及加載於活塞筒5上的其它零部件的重力相平衡，實現理想的重力補償與零剛度隔振效果。本實施例中，活塞筒5內潔淨壓縮空氣的壓力為O. 4Mpa，活塞筒5下表面的有效半徑為100_，則單個隔振器承載的質量為m = pX Jir2/g ^ 1282kg，其中p為氣體壓力，P = O. 4Mpa, r為活塞筒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個平面氣浮面節流孔24，直徑為Φ0. 2mm。圖8給出活塞筒上圓柱氣浮面節流孔和球面氣浮面節流孔的一個實施例。本實施例中，活塞筒5側壁上沿圓周方向均布兩排圓柱氣浮面節流孔25，每排圓柱氣浮面節流孔25的數量為8個，直徑為Φ0. 2mm。活塞筒5上表面的凹球面上繞圓心沿圓周方向均勻分布8個球面氣浮面節流孔28，直徑為Φ O. 2mm。下面結合圖9、圖11給出Z向電磁阻尼器的一個實施例。本實施例中，隔振器具有二個Z向電磁阻尼器42，由安裝在活塞筒5外圓柱面側壁的Z向永磁體42A陣列構成，活塞筒5採用45號鋼材料，具有較高的導磁率，套筒6採用紫銅材料，不導磁且具有高電導率。Z向永磁體42A為條形，沿Z向音圈電機10的驅動力方向、即活塞筒5的軸線方向布置，磁極方向垂直於活塞筒5的外圓柱面，且N、S極交替布置。當套筒6與活塞筒5產生Z向相對運動時，套筒6切割磁力線而產生電渦流和阻尼力，Z向阻尼力與套筒6與活塞筒5的Z向相對運動速度成正比，方向與Z向音圈電機10的驅動力方向一致，達到消耗振動能量，提高定位穩定性的目的。圖9、圖12給出了 Z電磁阻尼器的另一個實施例。本實施例中，隔振器具有四個Z向電磁阻尼器42,由安裝在活塞筒5外圓柱面側壁的Z向永磁體42A陣列構成。Z向永磁體42A為條形，沿Z向音圈電機1 0的驅動力方向、即活塞筒5的軸線方向布置，磁極方向垂直於活塞筒5的外圓柱面，且N、S極交替布置。下面結合圖10、圖13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，分別由安裝在氣浮板34上表面側壁的X、Y向永磁體40Α、41Α陣列構成，氣浮板34採用45號鋼材料，具有較高的導磁率，套筒6採用紫銅材料，不導磁且具有高電導率。X、Y向永磁體40Α、41Α為長條形狀，分別沿X、Y向音圈電機8、9的驅動力方向布置,磁極方向垂直於氣浮板34的上表面,且N、S極交替布置。當套筒6與氣浮板34產生相對運動時，氣浮板34切割磁力線而產生電渦流和阻尼力，Χ、Υ向阻尼力與套筒6與氣浮板34在Χ、Υ向的相對運動速度成正比，方向與Χ、Υ向音圈電機8、9的驅動力方向一致，達到消耗振動能量，提高定位穩定性的目的。圖10、圖14給出了 Χ、Υ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，分別由安裝在氣浮板34上表面側壁的X、Y向永磁體40Α、41Α陣列構成。Χ、Υ向永磁體40Α、41Α為長條形狀，分別沿Χ、Υ向音圈電機8、9的驅動力方向布置,磁極方向垂直於氣浮板34的上表面,且N、S極交替布置。
權利要求
1.一種雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，由上安裝板(I)、下安裝板(2)、潔淨壓縮氣源(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，潔淨壓縮氣源(3)通過氣管(26)與隔振器主體(4)連接，其特徵在於所述隔振器主體(4)的結構中，套筒(6)的下表面與氣浮板(34)通過軸向承載平面氣浮面(21)潤滑與支撐，活塞筒(5)倒扣安裝在套筒￠)內，並與套筒(6) 通過徑向承載圓柱氣浮面(22)潤滑與支撐，氣浮球軸承(7)安裝在活塞筒(5)和上安裝板(I)之間，X向氣浮導軌(29)的下表面與氣浮板(34)剛性連接，套筒(6)與X向氣浮導軌 (29)通過X嚮導軌氣浮面(31)潤滑與導向，Y向氣浮導軌(30)的下表面與下安裝板(2) 剛性連接，氣浮板(34)與下安裝板(2)通過Z向承載氣浮面(33)潤滑與支撐，氣浮板(34) 與Y向氣浮導軌(30)通過Y嚮導軌氣浮面(32)潤滑與導向；Z向音圈電機(10)、Z向位移傳感器(13)、Z向限位開關(16)安裝在活塞筒(5)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(14)安裝在套筒(6)與氣浮板(34)之間，Y向音圈電機(9)、Y向位移傳感器(12)、Υ向限位開關(15)安裝在氣浮板(34)與下安裝板(2)之間； Z向音圈電機(10)的驅動力方向為豎直方向，X向音圈電機⑶與Y向音圈電機(9)的驅動力方向在水平面內且相互垂直，Χ、Υ、Ζ向位移傳感器(11、12、13)和Χ、Υ、Ζ向限位開關 (14、15、16)的作用線方向與X、Y、Z向音圈電機(8、9、10)的驅動力方向一致；X、Y、Z向位移傳感器(11、12、13)和Χ、Υ、Ζ向限位開關(14、15、16)分別與控制器(19)的信號輸入端連接，控制器(19)的信號輸出端與驅動器(20)的信號輸入端連接，驅動器(20)的信號輸出端分別與Χ、Υ、Ζ向音圈電機(8、9、10)連接；在氣浮板(34)上表面側壁沿X向音圈電機 ⑶驅動力方向安裝X向永磁體(40Α)構成X向電磁阻尼器(40),在氣浮板(34)上表面側壁沿Y向音圈電機(9)驅動力方向安裝Y向永磁體(41Α)構成Y向電磁阻尼器(41)，在活塞筒(5)外圓柱面側壁沿Z向音圈電機(10)驅動力方向安裝Z向永磁體(42Α)構成Z向電磁阻尼器(42),Χ、Υ向永磁體(40Α、41Α)的磁極方向垂直於氣浮板(34)的上表面,且N、 S極交替布置，Z向永磁體(42Α)的磁極方向垂直於活塞筒(5)的外圓柱面,且N、S極交替布置，活塞筒(5)與氣浮板(34)採用鐵磁材料，套筒(6)採用不導磁的良導體材料。
2.根據權利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，其特徵在於所述活塞筒(5)內設有氣體壓力傳感器(17)，活塞筒(5)上設有進氣口(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) 的信號輸出端與驅動器(20)的信號輸入端連接,驅動器(20)的信號輸出端與電磁閥(18) 連接。
3.根據權利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，其特徵在於所述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。
4.根據權利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，其特徵在於所述X向氣浮導軌(29)和Y向氣浮導軌(30)為單導軌結構或雙導軌結構。
5.根據權利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，其特徵在於所述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。
6.根據權利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，其特徵在於所述X、Y、Z向限位開關(14、15、16)為機械式限位開關、霍爾式限位開關或光電式限位開關。
7.根據權利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，其特徵在於所述活塞筒(5)內氣體壓力為O.1MPa O. 8MPa。
8.根據權利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，其特徵在於所述軸向承載平面氣浮面(21)、徑向承載圓柱氣浮面(22)、X嚮導軌氣浮面(31)、Y嚮導軌氣浮面(32)和Z向承載氣浮面(33)的氣膜厚度為IOym 20μπι。
9.根據權利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，其特徵在於所述活塞筒(5)上的圓柱氣浮面節流孔(25)和套筒(6)上的平面氣浮面節流孔(24)的直徑為Φ0.1mm Φ 1mm。
全文摘要
雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器屬於精密隔振技術領域，隔振器主體的套筒與氣浮板通過氣浮面潤滑與支撐，通過電磁阻尼器衰減振動能量、提高穩定性，氣浮板與下安裝板、活塞筒與套筒通過氣浮面潤滑與支撐，上、下安裝板之間的水平直線運動自由度通過雙層正交氣浮導軌進行解耦，角運動自由度通過氣浮球軸承進行解耦，音圈電機、位移傳感器、限位開關和控制器、驅動器構成位置閉環反饋控制系統，對上、下安裝板的相對位置進行精確控制；本發明具有三維零剛度、高定位精度、直線運動自由度和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F16F15/03GK103047345SQ20121057470
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月19日 優先權日2012年12月19日
發明者崔俊寧, 譚久彬, 王雷 申請人:哈爾濱工業大學