垂向运动装置的制作方法

本发明涉及集成电路装备制造领域，具体涉及一种垂向运动装置。

背景技术：

近年来，随着大规模集成电路器件集成度不断提高，工件台的精度和产率需求不断提高，尤其是垂向模块的运动的运行速度、加速度、性能以及负载能力，都在逐年不断的提高，比如光刻机设备、探针台检测领域。探针台主要应用于半导体行业、光电行业、集成电路以及元器件的质量测试等；所以，探针台不仅对垂向运动模块的精度和效率有很高的要求，而且还要求能够承受来自探针的针测压力。因此，对于结构简单、驱动垂向大负载、运动速度快的垂向运动装置的需求更是迫切。目前垂向运动装置中最常用的是楔形块机构。

比如，在某文献中，提出一种该领域的垂向运动装置方案。该发明的垂向装置是通过电机驱动丝杠和楔形块，同时依靠两个0.5mm厚的簧片提供往复力从而实现垂向运动。该发明可实现驱动垂向大负载，但结构较为复杂，传动环节较多。同时，当垂向负载变大时，垂向驱动电机的功率会增大，同时垂向的运动速度会降低。

在某专利文献中，也是利用了电机驱动楔形块运动，通过楔形块上的倾斜面推动平台相对底座上下滑动，利用导轨来进行导向。该发明同样可实现大负载的驱动。但同样存在结构复杂，传动环节多等问题，而且存在驱动负载和垂向运动速度难以协调等问题。

在某些文献中，利用电机和气缸结构，虽然减少了传动环节，结构比较简单，但是气缸的压力控制比较复杂，加大了运动台的设计难度。

因此，现阶段需要一种新的精密垂向运动台，既能解决传统精密垂向运动台结构复杂、传动环节多等问题，又能实现驱动垂向大负载、运动速度快、易于控制的特点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种垂向运动装置，以解决上述现有技术中存在的问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种垂向运动装置，所述垂向运动装置包括凸轮组件、电机组件以及运动平台，所述凸轮组件包括凸轮定子和凸轮动子，所述凸轮定子与所述电机组件连接并在顶部设有高度变化的驱动表面，所述凸轮动子与所述凸轮定子配合并与所述运动平台连接，通过所述电机组件运动带动所述凸轮定子转动从而驱动所述凸轮动子沿所述驱动表面滚动，以驱动所述运动平台进行垂向运动。

在一个实施例中，所述垂向运动装置还包括底座，所述电机组件包括电机定子和电机动子，所述电机定子与所述底座固定连接，所述电机动子与所述电机定子配合并与所述凸轮定子固定连接，所述电机动子转动时带动所述凸轮定子转动从而驱动所述凸轮动子带动所述运动平台进行垂向运动。

在一个实施例中，所述底座包括底部、内圆筒部以及外圆筒部，所述内圆筒部布置于所述外圆筒部内并从所述底部向上伸出形成，所述内圆筒部的外周壁与外圆筒部的内周壁之间形成安装凹槽，所述电机组件、轴承组件以及凸轮定子布置于所述安装凹槽内。

在一个实施例中，所述凸轮定子具有外圆筒部，所述垂向运动装置还包括轴承组件，所述轴承组件设置于所述底座的内圆筒部的外周壁和所述凸轮定子的外圆筒部的内周壁之间。

在一个实施例中，所述垂向运动装置还包括导向组件，所述导向组件连接在所述底座与所述运动平台之间，以使所述运动平台沿垂向运动。

在一个实施例中，所述导向组件包括导向基座、导向杆和导向座，所述导向基座安装在所述底座上，所述导向座安装在所述导向基座或所述运动平台上，所述导向杆的一端安装于所述导向座内并能够在所述导向座内滑动，所述导向杆的另一端与所述运动平台或所述导向基座固定连接。

在一个实施例中，所述垂向运动装置还包括多个导向组件，所述多个导向组件沿导向基座的周向等距布置。

在一个实施例中，所述垂向运动装置还包括测量组件，所述测量组件安装于所述底座和所述运动平台之间，以测量所述运动平台的垂向位移。

在一个实施例中，所述垂向运动装置还包括导向基座，所述测量组件包括第一光栅尺座、光栅尺、第二光栅尺座以及光栅尺读头，所述第一光栅尺座与所述运动平台固定相连，所述第二光栅尺座与所述导向基座固定相连，所述光栅尺读头安装在所述第二光栅尺座上，所述光栅尺安装在所述第一光栅尺座上。

在一个实施例中，所述凸轮动子包括滚轮和连接件，所述连接件的一端与所述运动平台固定连接，所述连接件的另一端安装所述滚轮，所述滚轮与所述凸轮定子的驱动表面接触配合；在一个实施例中，所述垂向运动装置包括多个凸轮动子，所述多个凸轮动子与所述凸轮定子顶部的驱动表面配合。

在一个实施例中，所述底座的底部、内圆筒部和外圆筒部三个部分可一体成型。

在一个实施例中，所述电机组件为直驱电机。

综上，本发明针对现有垂向装置结构复杂、整体尺寸较大、传动环节多、响应慢、承载小等问题，提供了一种结构简单、能实现垂向大负载、运动速度快、同时可以具有高精度的垂向运动装置，其具有结构简单、整体结构紧凑合理，尺寸较小的有益效果。

同时本发明采用直驱形式，减少了传动环节，提高了垂向的运动速度，响应较快。此外，由于采用直驱和凸轮结构相结合，提高了垂向运动的负载能力，也解决了动负载和垂向运动速度难以协调的问题。

附图说明

图1是本发明一个实施例的垂向运动装置的立体图；

图2是图1的垂向运动装置的剖视图；以及

图3-4分别示出包括三个导向组件和四个导向组件时的布置图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况下来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。

在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。

本发明要是为了解决传统精密垂向运动平台结构复杂、整体尺寸大、传动环节多、响应较慢、承载小、垂向运动速度小而且存在驱动负载和垂向运动速度难以协调、紧急情况下不能制动等问题。

为了解决上述问题，本发明总体上提供了一种垂向运动装置，该垂向运动装置主要包括凸轮组件、电机组件以及运动平台，凸轮组件包括凸轮定子和凸轮动子，凸轮定子与电机组件连接并在顶部设有高度变化的驱动表面，凸轮动子与凸轮定子配合并与运动平台连接，通过电机组件运动带动凸轮定子转动从而驱动凸轮动子沿驱动表面滚动，以驱动运动平台进行垂向运动。其中，电机组件可以采用直驱电机，从而使得整个垂向运动装置具有结构简单、能实现垂向大负载、运动速度快、并同时具有高精度的技术效果。下面参照附图对发明的具体实施例进行描述。

图1是本发明一个实施例的垂向运动装置100的立体图，图2是图1的垂向运动装置100的剖视图，如图1-2所示，垂向运动装置100总体上包括底座10、电机组件30、轴承组件40、凸轮组件50、导向组件60以及运动平台80。电机组件30安装于底座10上并与凸轮组件50连接从而驱动凸轮组件50的凸轮定子51转动。轴承组件40设置于底座10与凸轮组件50之间，导向组件60设置于底座10与运动平台80之间以对运动平台80的垂向运动进行导向。在一个实施例中，电机组件30可以采用直驱电机。

底座10整体上包括矩形底部11、从矩形底部11的上表面一体向上伸出的外圆筒部12以及位于外圆筒部12的内部并从底部一体向上伸出内圆筒部13，在一个实施例中，底座10的底部11、内圆筒部13和外圆筒部12三个部分可一体成型。外圆筒部12的上表面与导向组件60连接并可以设有与电机定子31的接线端配合的凹槽(图未示)，内圆筒部13的外周壁与外圆筒部12的内周壁之间形成安装凹槽14，电机组件30、轴承组件40以及凸轮定子51布置于安装凹槽14内，内圆筒部13的外周壁上形成有底座第一台阶131，安装凹槽14的外侧壁(即外圆筒部12的内周壁)上形成有底座第二台阶132以分别与轴承组件40和电机定子31配合，下文还会进一步详细描述。

凸轮定子51整体上形成圆筒状并在外周壁上形成凸轮定子第一台阶511和内周壁上形成凸轮定子第二台阶512，以分别与电机转子32和轴承组件40的顶部配合。凸轮定子51的顶部设有高度连续变化的驱动表面515以与凸轮动子52配合，凸轮定子51随电机转子32转动的过程中，凸轮动子52沿驱动表面515运动，从而带动运动平台80进行垂向运动。

电机定子31布置于底座10的安装凹槽14内并与安装凹槽14的外侧壁上形成的底座第二台阶132配合，电机转子32安装于凸轮定子51的第一台阶511上并位于电子定子31的内部。导向基座20呈圆盘状并与底座10的外圆筒部12和电机定子31的上表面配合，以将电机定子31和底座10的外圆筒部12的上表面遮挡并将电机定子31压在底座第二台阶132上。导向基座20的中心同样设有中心开口以与凸轮定子51配合，供凸轮定子51从其穿过以与凸轮动子52接触。

底座10与运动平台80之间设置导向组件60，以对凸轮定子50的运动进行导向。具体地，导向组件60包括导向基座20、导向杆61和导向座62，导向基座20安装于底座10上，导向座62安装于运动平台80上，导向杆61的下端固定于导向基座20上，导向杆61的上端安装于导向座62内并可在导向座61内滑动，为运动平台80的垂向运动提供支撑和导向作用。在本实施例中，在导向基座20的上表面上沿周向布置多个导向组件60，较佳地，多个导向组件60沿导向基座20的周向等距布置。

虽然在本实施例中导向座62安装于运动平台80上，然而，本领域的技术人员可以理解，在另外的实施例中，导向座62也可以安装于导向基座20上，此时导向杆61的上端固定于运动平台80的下表面，导向杆61的下端安装于导向座62内并可以在导向座62内滑动。

此外，在本实施例中，例如可以包括三个导向组件、四个导向组件等，然而本领域的技术人员可以理解，也可以包括多于或少于三个或四个导向组件。

图3示出包括三个导向组件时，三个导向组件60的较佳布置图，图4示出包括四个导向组件时，四个导向组件的较佳布置图。如图3-4所示，三个导向组件或四个导向组件优选均匀分布于导向基座20的上表面。

返回参照图1-2，凸轮定子51的顶部设有高度连续变化的驱动表面55，凸轮动子52包括滚轮521和连接件522，连接件522的上端与运动平台80固定连接，连接件522的下端安装滚轮521，滚轮521与凸轮定子51的驱动表面55接触。电机转子32运转时，带动凸轮定子51旋转，凸轮动子52的滚轮521与驱动表面55接触并在驱动表面55上滚动，由于驱动表面55的高度连续变化，从而推动运动平台80进行垂向运动。

本实施例的垂向运动装置100还可以包括测量组件90。测量组件90例如可以安装于导向基座20上，以对垂向运动的位移进行测量。如果在未设置导向基座20的实施例中，测量组件90例如可以直接安装于底座10上或安装于底座10和运动平台80之间的其他位置，以对垂向运动的位移进行测量。

测量组件90可以采用本领域采用的任意测量垂向位移的装置。在一个实施例中，测量组件90包括第一光栅尺座91、光栅尺92、第二光栅尺座93以及光栅尺读头94。第一光栅尺座91与运动平台80固定相连，第二光栅尺座93与导向基座20固定相连，光栅尺读头94安装在第二光栅尺座93上，光栅尺92安装在第一光栅尺座91上。光栅尺读头94靠读取光栅尺92不同的位置信息来检测垂向运动平台的位置。然而本领域的技术人员也可以理解光栅尺读头和光栅尺的位置并不限于这种方式，也可以将光栅尺设置于导向基座20上，将光栅尺读数头设置于运动平台80上，或采用其他测量组件。

综上，本发明针对现有垂向装置结构复杂、整体尺寸较大、传动环节多、响应慢、承载小等问题，提供了一种结构简单、能实现垂向大负载、运动速度快，同时可以具有高精度的垂向运动装置，其具有结构简单、整体结构紧凑合理，尺寸较小的有益效果，同时本发明采用直驱形式，减少了传动环节，提高了垂向的运动速度，响应较快。此外，由于采用直驱和凸轮结构相结合，提高了垂向运动的负载能力，也解决了动负载和垂向运动速度难以协调的问题。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。