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CN114153127B - 一种基于多自由度柔性铰链的微型镜面阵列驱动装置 - Google Patents

一种基于多自由度柔性铰链的微型镜面阵列驱动装置 Download PDF

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CN114153127B CN202111541834.XA CN202111541834A CN114153127B CN 114153127 B CN114153127 B CN 114153127B CN 202111541834 A CN202111541834 A CN 202111541834A CN 114153127 B CN114153127 B CN 114153127B
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Abstract

本发明提出了一种基于多自由度柔性铰链的微型镜面阵列驱动装置，属于精密仪器及机械技术领域。解决了兼顾运动精度、运动范围、热耗散、尺寸控制的问题。它包括多个驱动单元，多个驱动单元以阵列形式排布，每个驱动单元上端均与镜面相连，所述驱动单元包括外壳、致动器、第一柔性铰链、第二柔性铰链、传动杆和滑块，所述致动器固定在外壳的内部，所述致动器与滑块相连，所述第一柔性铰链的一端与滑块相连，另一端与传动杆相连，所述第二柔性铰链一端固定在外壳上，另一端与镜面相连，所述传动杆穿过第二柔性铰链后与镜面相连。它主要用于镜面的驱动。

Description

一种基于多自由度柔性铰链的微型镜面阵列驱动装置
技术领域
本发明属于精密仪器及机械技术领域，特别是涉及一种基于多自由度柔性铰链的微型镜面阵列驱动装置。
背景技术
光刻是半导体制造工艺流程中至关重要的一步，光刻机作为集多项顶尖技术于一体的超精密设备，实现将掩模版上的电路图案刻蚀到硅片上的功能。为改变入射到掩膜版上光的方向，以产生不同的光瞳形状，需要在照明系统中使用多个微型镜面阵列单元组成微型镜面阵列。每个微型镜面阵列单元围绕各自的两个相互正交的轴旋转，以改变入射光的反射方向。在光刻机的工作过程中，微型镜面阵列位姿调整精度不达标，将影响最终的电路刻蚀效果，故对每个微型镜面阵列单元的位姿调整精度都提出了极高的要求。同时为了提高微型镜面阵列的占空比以及在真空环境中的适用性，也限制了微型镜面阵列单元驱动装置的尺寸和热耗散，进一步提高了设计难度。
华中科技大学吴鑫设计的快速控制反射镜系统包括反射镜系统、直线音圈电机、反射角探测系统等，该装置实现了反射镜的快速位姿调整，且音圈电机对称分布提高了调整过程的稳定性，但是该装置驱动设备组成较多，成本偏高，其较大的尺寸也不适合微型镜面阵列的应用背景。
代尔夫特大学Ruipan Chen设计的照面系统反射镜阵列致动器基于电磁驱动，并通过四边形柔性铰链机构带动反射镜单元围绕两个正交轴旋转，满足照面系统反射镜阵列的尺寸限制和精度需求。但是此设计每个单元的电磁驱动之间产生磁串扰，导致输出驱动力线性度较差，且电磁驱动产生的热量较大、旋转角度较小。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种基于多自由度柔性铰链的微型镜面阵列驱动装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于多自由度柔性铰链的微型镜面阵列驱动装置，它包括多个驱动单元，多个驱动单元以阵列形式排布，每个驱动单元上端均与镜面相连，所述驱动单元包括外壳、致动器、第一柔性铰链、第二柔性铰链、传动杆和滑块，所述致动器固定在外壳的内部，所述致动器与滑块相连，所述第一柔性铰链的一端与滑块相连，另一端与传动杆相连，所述第二柔性铰链一端固定在外壳上，另一端与镜面相连，所述传动杆穿过第二柔性铰链后与镜面相连。
更进一步的，所述致动器包括第一电机和第二电机，所述第一电机的第一电机固定端固定在外壳的外壳内底面，所述第二电机的第二电机固定端堆叠在第一电机的第一电机输出端上，所述第一电机和第二电机中心位置重合，形成正方形工作区域。
更进一步的，所述滑块的滑块第一连接端与第二电机的第二电机输出端固定连接。
更进一步的，所述滑块的中心设置有同心圆槽，所述第一柔性铰链通过同心圆槽与滑块定位安装，所述第一柔性铰链的第一柔性铰链第一连接端与滑块固定连接。
更进一步的，所述第一柔性铰链沿第一柔性铰链中轴线设置有通孔，所述传动杆的传动杆下端定位脚伸入通孔中与第一柔性铰链进行定位。
更进一步的，所述第一柔性铰链中轴线与滑块的几何中心重合，在初始状态下，第一柔性铰链中轴线、第二柔性铰链中轴线和传动杆中轴线重合，所述第一柔性铰链上具有相互正交且相交于一点的第一柔性铰链旋转轴一和第一柔性铰链旋转轴二，第一柔性铰链旋转轴一和第一柔性铰链旋转轴二约束的平面与第一柔性铰链中轴线垂直，所述第二柔性铰链上具有相互正交且相交于一点的第二柔性铰链旋转轴一和第二柔性铰链旋转轴二，第二柔性铰链旋转轴一和第二柔性铰链旋转轴二约束的平面与第二柔性铰链中轴线垂直。
更进一步的，所述传动杆的传动杆第一连接端与第一柔性铰链的第一柔性铰链第二连接端固定连接，所述传动杆的传动杆第二连接端与法兰的法兰第一连接端固定连接，所述法兰的法兰第二连接端与镜面相连，所述法兰第一连接端同时与第二柔性铰链的第二柔性铰链第二连接端固定相连。
更进一步的，所述第二柔性铰链的第二柔性铰链第一连接端固定在外壳的外壳顶部，所述第二柔性铰链沿第二柔性铰链中轴线设置有通孔，所述传动杆的传动杆上端伸入通孔中与第二柔性铰链进行定位。
更进一步的，所述外壳内部安装有散热部件和倾斜测量传感器。
更进一步的，所述第一柔性铰链和第二柔性铰链的材质为弹簧钢、不锈钢、殷钢、钛合金或铍青铜，所述第一柔性铰链和第二柔性铰链的形式为片簧、双曲线型柔性铰链、抛物线型柔性铰链、反转抛物线型柔性铰链、正割型柔性铰链或双曲余弦型柔性铰链。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了兼顾运动精度、运动范围、热耗散、尺寸控制的问题。本发明的结构可靠性高，各反射镜单元的角度调整因此获得较高的重复定位精度。本发明通过第一、二柔性铰链的一体化特性，使得驱动装置中的传动机构具有较小的传动误差。第一、二电机选用位移分辨率高、尺寸小、热功耗低，具备线性输出特性的压电电机，使得致动器在满足行程以及精度的同时，还具备真空环境的适用性。
本发明提供的一种微型镜面阵列驱动装置，兼顾大行程和高精度，可实现各单元中反射镜的Rx、Ry自由度调整。利用柔性铰链配合传动杆和滑块，减小传动环节中机械配合误差，提高传动精度，同时具备行程放大的效果。同时利用单个柔性铰链限制反射镜沿x、y、z方向和绕Rz自由度，简化设备组成，提高了装置运行可靠性。采用压电陶瓷直线电机作为致动器，具有比电磁驱动更优越的输出线性度和更小的热耗散。将两个压电陶瓷直线电机在竖直方向上堆叠，兼顾驱动装置所需滑块行程和照明系统微型镜面阵列对驱动装置的尺寸限制。
与现有技术中的照面系统反射镜阵列致动器相比，其每个单元的电磁驱动之间产生磁串扰，导致输出驱动力线性度较差，且电磁驱动产生的热量远大于本发明的压电驱动，同时两者设计的柔性铰链结构不同，照面系统反射镜阵列致动器因限制四边形柔性铰链机构尺寸，导致反射镜单元的旋转角度也远小于本发明。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于多自由度柔性铰链的微型镜面阵列驱动装置结构示意图；
图2为本发明所述的驱动单元界面示意图；
图3为本发明所述的第一柔性铰链结构示意图；
图4为本发明所述的第二柔性铰链结构示意图；
图5为本发明所述的传动机构组成结构示意图。
1-驱动单元，2-镜面，11-外壳，111-外壳内底面，112-外壳顶部，12-致动器，121-第一电机，122-第一电机固定端，123-第一电机输出端，124-第二电机，125-第二电机固定端，126-第二电机输出端，13-第一柔性铰链，131-第一柔性铰链第一连接端，132-第一柔性铰链第二连接端，133-第一柔性铰链旋转轴一，134-第一柔性铰链旋转轴二，135-第一柔性铰链中轴线，14-第二柔性铰链，141-第二柔性铰链第一连接端，142-第二柔性铰链第二连接端，143-第二柔性铰链旋转轴一，144-第二柔性铰链旋转轴二，145-第二柔性铰链中轴线，15-传动杆，151-传动杆第一连接端，152-传动杆第二连接端，153-传动杆下端定位脚，154-传动杆上端，155-传动杆中轴线，16-滑块，161-滑块第一连接端，162-同心圆槽，17-法兰，171-法兰第一连接端，172-法兰第二连接端，
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。
参见图1-5说明本实施方式，一种基于多自由度柔性铰链的微型镜面阵列驱动装置，它包括多个驱动单元1，多个驱动单元1以阵列形式排布，每个驱动单元1上端均与镜面2相连，驱动单元1包括外壳11、致动器12、第一柔性铰链13、第二柔性铰链14、传动杆15和滑块16，致动器12固定在外壳11的内部，致动器12与滑块16相连，致动器12带动滑块16做线性运动，第一柔性铰链13的一端与滑块16相连，另一端与传动杆15相连，第二柔性铰链14一端固定在外壳11上，另一端与镜面2相连，带动镜面2运动，传动杆15穿过第二柔性铰链14后与镜面2相连。
致动器12包括第一电机121和第二电机124，第一电机121的第一电机固定端122通过螺栓固定在外壳11的外壳内底面111，第二电机124的第二电机固定端125堆叠在第一电机121的第一电机输出端123上，第一电机121和第二电机124中心位置重合，形成正方形工作区域，第一电机121和第二电机124为压电陶瓷直线电机，采用压电陶瓷直线电机作为致动器，具有比电磁驱动更优越的输出线性度和更小的热耗散，利用超声电机也可以达到所需的运动精度。
滑块16为圆形滑块，滑块16的滑块第一连接端161与第二电机124的第二电机输出端126固定连接。滑块16的中心设置有同心圆槽162，第一柔性铰链13通过同心圆槽162与滑块16定位安装，第一柔性铰链13的第一柔性铰链第一连接端131通过螺钉与滑块16固定连接。
第一柔性铰链13沿第一柔性铰链中轴线135设置有通孔，传动杆15的传动杆下端定位脚153伸入通孔中与第一柔性铰链13进行定位。第一柔性铰链中轴线135与滑块16的几何中心重合，在初始状态下，第一柔性铰链中轴线135、第二柔性铰链中轴线145和传动杆中轴线155重合，第一柔性铰链13上具有相互正交且相交于一点的第一柔性铰链旋转轴一133和第一柔性铰链旋转轴二134，第一柔性铰链旋转轴一133和第一柔性铰链旋转轴二134约束的平面与第一柔性铰链中轴线135垂直，第二柔性铰链14上具有相互正交且相交于一点的第二柔性铰链旋转轴一143和第二柔性铰链旋转轴二144，第二柔性铰链旋转轴一143和第二柔性铰链旋转轴二144约束的平面与第二柔性铰链中轴线145垂直。
传动杆15的传动杆第一连接端151通过螺钉与第一柔性铰链13的第一柔性铰链第二连接端132固定连接，传动杆15的传动杆第二连接端152与法兰17的法兰第一连接端171固定连接，法兰17的法兰第二连接端172与镜面2相连，法兰第一连接端171通过螺钉同时与第二柔性铰链14的第二柔性铰链第二连接端142固定相连。
第二柔性铰链14的第二柔性铰链第一连接端141固定在外壳11的外壳顶部112，第二柔性铰链14沿第二柔性铰链中轴线145设置有通孔，传动杆15的传动杆上端154伸入通孔中与第二柔性铰链14进行定位，镜面2的旋转自由度由第二柔性铰链14限制。
外壳11内部留有足够的空间安装辅助镜面2散热的散热部件和倾斜测量传感器，最终可实现高速、高精度位姿调整，散热部件可以是驱动装置的一部分，例如第二柔性铰链14和外壳11，也可以以任何形式集成在驱动装置中。
第一柔性铰链13和第二柔性铰链14的材质选用具有疲劳强度高、热变形小、稳定性高的材料，如弹簧钢、不锈钢、殷钢、钛合金或铍青铜等常见的柔性铰链用材，第一柔性铰链13和第二柔性铰链14的形式为片簧、双曲线型柔性铰链、抛物线型柔性铰链、反转抛物线型柔性铰链、正割型柔性铰链或双曲余弦型柔性铰链等形式。
第一柔性铰链13、第二柔性铰链14、传动杆15和滑块16组成的传动机构可以将在工作区域中连续的平面运动，例如沿X，Y轴的线性运动，转化成连续的旋转运动，例如绕X，Y轴的旋转。第二柔性铰链14的第二柔性铰链第一连接端141固定在外壳11上，第二柔性铰链第二连接端142与镜面2连接，由此来限定镜面2的运动自由度。传动杆15被配置为沿传动杆中轴线155方向的柔性特征，以响应运动过程中第一柔性铰链13和第二柔性铰链14的相对位置变化。本实施例还包括控制装置，控制装置被配置为控制致动器12的输出以获得镜面2的期望位置。光学设备被配置为从辐射源接收辐射并将辐射进行加工后传递到目标位置，包括一个或者多个光学部件，光学元件包括安装在驱动装置上的可移动镜面2。光学设备由一个或者多个光学元件(2a，2b，2c…)以及相关联的驱动装置(1a，1b，1c…)组成照明系统的一部分，即微型镜面阵列。根据不同技术需求具有不同的排布形式，且各个微型镜面阵列单元之间不存在运动干涉。例如其驱动装置分别位于对应反射镜下方的左端、中端或右端交错排布，且在满足技术指标的前提下，例如占空比，各个微型镜面阵列单元之间不存在干涉。本实施例图1为3×3的微型镜面阵列。
如图2所示，第一电机121的位移输出平行于纸面方向(y方向)，第二电机124的位移输出垂直于纸面方向(x方向)，两者以中心位置重合的方式堆叠可以实现在与xy平面平行的正方形区域内的连续位移输出。
如图3和4所示，第一柔性铰链13和第二柔性铰链14可分别围绕两正交轴连续旋转，且两轴交点与柔性铰链的中轴线重合。
如图3-5所示，由第一柔性铰链13、第二柔性铰链14、传动杆15和滑块16组成的传动机构可以实现线性运动与旋转运动的转换。
工作时，第一电机121带动第二电机124和滑块16作平行y轴的线性运动，第二电机124带动滑块16作平行x轴的线性运动，由第一柔性铰链13、第二柔性铰链14、传动杆15和滑块16组成的传动部分将上述线性运动转化为旋转运动，故滑块16在平面内的线性位移量与镜面2的旋转角度直接对应。其中，传动杆15具有沿传动杆中轴线155方向的柔性特征，用于响应运动过程中第一柔性铰链13和第二柔性铰链14之间距离的变化。外壳11内留有足够的空间安装辅助镜面2散热的散热部件和用于反馈控制的位移测量传感器，最终可实现高速、高精度位姿调整。
以上对本发明所提供的一种基于多自由度柔性铰链的微型镜面阵列驱动装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于多自由度柔性铰链的微型镜面阵列驱动装置，其特征在于：它包括多个驱动单元(1)，多个驱动单元(1)以阵列形式排布，每个驱动单元(1)上端均与镜面(2)相连，所述驱动单元(1)包括外壳(11)、致动器(12)、第一柔性铰链(13)、第二柔性铰链(14)、传动杆(15)和滑块(16)，所述致动器(12)固定在外壳(11)的内部，所述致动器(12)与滑块(16)相连，所述第一柔性铰链(13)的一端与滑块(16)相连，另一端与传动杆(15)相连，所述第二柔性铰链(14)一端固定在外壳(11)上，另一端与镜面(2)相连，所述传动杆(15)穿过第二柔性铰链(14)后与镜面(2)相连；
所述致动器(12)包括第一电机(121)和第二电机(124)，工作时，第一电机(121)带动第二电机(124)和滑块(16)作平行y轴的线性运动，第二电机(124)带动滑块(16)作平行x轴的线性运动，由第一柔性铰链(13)、第二柔性铰链(14)、传动杆(15)和滑块(16)组成的传动部分将上述线性运动转化为旋转运动，故滑块(16)在平面内的线性位移量与镜面(2)的旋转角度直接对应； 其中，传动杆(15)具有沿传动杆中轴线(155)方向的柔性特征，用于响应运动过程中第一柔性铰链(13)和第二柔性铰链(14)之间距离的变化。
2.根据权利要求1所述的一种基于多自由度柔性铰链的微型镜面阵列驱动装置，其特征在于：所述第一电机(121)的第一电机固定端(122)固定在外壳(11)的外壳内底面(111)，所述第二电机(124)的第二电机固定端(125)堆叠在第一电机(121)的第一电机输出端(123)上，所述第一电机(121)和第二电机(124)中心位置重合，形成正方形工作区域。
3.根据权利要求1所述的一种基于多自由度柔性铰链的微型镜面阵列驱动装置，其特征在于：所述滑块(16)的滑块第一连接端(161)与第二电机(124)的第二电机输出端(126)固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于多自由度柔性铰链的微型镜面阵列驱动装置，其特征在于：所述滑块(16)的中心设置有同心圆槽(162)，所述第一柔性铰链(13)通过同心圆槽(162)与滑块(16)定位安装，所述第一柔性铰链(13)的第一柔性铰链第一连接端(131)与滑块(16)固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于多自由度柔性铰链的微型镜面阵列驱动装置，其特征在于：所述第一柔性铰链(13)沿第一柔性铰链中轴线(135)设置有通孔，所述传动杆(15)的传动杆下端定位脚(153)伸入通孔中与第一柔性铰链(13)进行定位。
6.根据权利要求5所述的一种基于多自由度柔性铰链的微型镜面阵列驱动装置，其特征在于：所述第一柔性铰链中轴线(135)与滑块(16)的几何中心重合，在初始状态下，第一柔性铰链中轴线(135)、第二柔性铰链中轴线(145)和传动杆中轴线(155)重合，所述第一柔性铰链(13)上具有相互正交且相交于一点的第一柔性铰链旋转轴一(133)和第一柔性铰链旋转轴二(134)，第一柔性铰链旋转轴一(133)和第一柔性铰链旋转轴二(134)约束的平面与第一柔性铰链中轴线(135)垂直，所述第二柔性铰链(14)上具有相互正交且相交于一点的第二柔性铰链旋转轴一(143)和第二柔性铰链旋转轴二(144)，第二柔性铰链旋转轴一(143)和第二柔性铰链旋转轴二(144)约束的平面与第二柔性铰链中轴线(145)垂直。
7.根据权利要求1所述的一种基于多自由度柔性铰链的微型镜面阵列驱动装置，其特征在于：所述传动杆(15)的传动杆第一连接端(151)与第一柔性铰链(13)的第一柔性铰链第二连接端(132)固定连接，所述传动杆(15)的传动杆第二连接端(152)与法兰(17)的法兰第一连接端(171)固定连接，所述法兰(17)的法兰第二连接端(172)与镜面(2)相连，所述法兰第一连接端(171)同时与第二柔性铰链(14)的第二柔性铰链第二连接端(142)固定相连。
8.根据权利要求1所述的一种基于多自由度柔性铰链的微型镜面阵列驱动装置，其特征在于：所述第二柔性铰链(14)的第二柔性铰链第一连接端(141)固定在外壳(11)的外壳顶部(112)，所述第二柔性铰链(14)沿第二柔性铰链中轴线(145)设置有通孔，所述传动杆(15)的传动杆上端(154)伸入通孔中与第二柔性铰链(14)进行定位。
9.根据权利要求1所述的一种基于多自由度柔性铰链的微型镜面阵列驱动装置，其特征在于：所述外壳(11)内部安装有散热部件和倾斜测量传感器。
10.根据权利要求1所述的一种基于多自由度柔性铰链的微型镜面阵列驱动装置，其特征在于：所述第一柔性铰链(13)和第二柔性铰链(14)的材质为弹簧钢、不锈钢、殷钢、钛合金或铍青铜，所述第一柔性铰链(13)和第二柔性铰链(14)的形式为片簧、双曲线型柔性铰链、抛物线型柔性铰链、反转抛物线型柔性铰链、正割型柔性铰链或双曲余弦型柔性铰链。
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