本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于噴墨式卷對卷印刷電子設(shè)備中的對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)。更特別地說，是指一種基于柔性鉸鏈的五自由度精密對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：

印刷電子技術(shù)是一種利用傳統(tǒng)印刷技術(shù)在多種襯底上制造電子元器件或者系統(tǒng)的一門技術(shù)。與一般的印刷工藝不同，印刷電子技術(shù)需要能夠印刷具有多層結(jié)構(gòu)特性的功能型器件，對于這類器件而言，層與層之間的套準(zhǔn)精度(Overlay Accuracy)至關(guān)重要，套準(zhǔn)精度的高低將直接影響電子器件的性能。要印刷這樣的器件，就需要一套精密對準(zhǔn)系統(tǒng)來實現(xiàn)層與層間的套準(zhǔn)。在現(xiàn)今高端的印刷電子設(shè)備中，一套超精密的對準(zhǔn)系統(tǒng)不可或缺，且越來越顯示其重要性。

對于噴墨式卷對卷印刷電子設(shè)備而言，噴印環(huán)節(jié)是整個印刷單元的最后一個環(huán)節(jié)，如何在這一環(huán)節(jié)提高套準(zhǔn)精度對于提高印刷電子設(shè)備整體性能具有重要意義。噴墨頭與薄膜上圖案的對準(zhǔn)是一個空間五自由度的誤差消除問題，這些誤差包括：噴墨頭相對圖案的距離，噴墨頭與圖案的位置偏差，以及噴墨頭相對薄膜的傾斜偏差。因此，對應(yīng)這五個自由度上可能產(chǎn)生的誤差，一套高性能的噴印系統(tǒng)需要的對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)也應(yīng)該具有相應(yīng)五個方向的運動對準(zhǔn)能力，才能有效的補償誤差，實現(xiàn)高精密對準(zhǔn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于噴墨式多層卷對卷印刷電子設(shè)備的、基于柔性鉸鏈的五自由度定位對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)。本發(fā)明五自由度定位對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)采用串并聯(lián)結(jié)合的設(shè)計的方式，部件采用電火花線切割一體化加工，避免了運動部件裝配的過程，減少了由此引入的誤差。本發(fā)明以兩二自由度XY平臺(3)、Z軸直線導(dǎo)向平臺(4)、X軸轉(zhuǎn)動平臺(5)和Z軸轉(zhuǎn)動平臺(6)四個主要部分，形成對輸出端的五個自由度的解耦定位對準(zhǔn)運動。

兩自由度XY平臺是由兩個壓電陶瓷驅(qū)動的可以實現(xiàn)兩個方向解耦運動的柔性定位平臺?？紤]到壓電陶瓷行程小、推力大的特點，為了滿足對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)移動范圍的需要，XY平臺采用了Scott-Russell機(jī)構(gòu)和杠桿機(jī)構(gòu)共同組成的兩級位移放大機(jī)構(gòu)來增大XY平臺兩個方向上的輸出位移。放大機(jī)構(gòu)是由圓弧缺口型柔性鉸鏈組成，XY平臺的運動部分由簧片型柔性鉸鏈組成，其中雙簧片實現(xiàn)輸入解耦而柔性平行四邊形機(jī)構(gòu)起導(dǎo)向作用，另外，中間部位的雙平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)起導(dǎo)向和輸出解耦的作用。Z向直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由兩組平行四邊形機(jī)構(gòu)組成，以增大直線平臺的導(dǎo)向性能，減少寄生誤差，提高運動精度。Z向直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)采用的是音圈電機(jī)驅(qū)動，考慮到音圈電機(jī)行程較大而輸出力較小，因此，機(jī)構(gòu)采用的簧片型柔性鉸鏈，以得到較小的機(jī)構(gòu)運動剛度。為了保證運動的穩(wěn)定，提高運動的精度，對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)在該自由度上的運動由兩個相同的部分組成。該機(jī)構(gòu)由壓電陶瓷驅(qū)動，通過兩個遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)相同方向的轉(zhuǎn)動。對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的Z軸轉(zhuǎn)動平臺是基于蝴蝶鉸的構(gòu)型設(shè)計的。由于簧片型鉸鏈組成的蝴蝶鉸構(gòu)型轉(zhuǎn)動剛度低，容易受到干擾，因此，在簧片的中部厚度進(jìn)行加強(qiáng)，以得到合適的轉(zhuǎn)動剛度，保證機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。另外，為了得到精度較高的運動控制，該機(jī)構(gòu)的驅(qū)動選用的是壓電陶瓷，也就是說是在小范圍內(nèi)將壓電陶瓷的直線輸出轉(zhuǎn)化為對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動。

本發(fā)明設(shè)計的五自由度精密對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點在于：

1.該發(fā)明所有運動機(jī)構(gòu)均采用一體化設(shè)計，通過電火花線切割加工，避免了一個自由度方向上運動機(jī)構(gòu)裝配過程可能出現(xiàn)的誤差。驅(qū)動器根據(jù)具體需要選擇具有高輸出力、高分辨率的壓電陶瓷和具有大行程、高響應(yīng)速度的音圈電機(jī)驅(qū)動器，保證了在不同自由度機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計和運動需要的情況下對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)都有較高精度的位移或角度輸出；其中，壓電陶瓷的預(yù)緊方式根據(jù)構(gòu)型需要采用螺釘預(yù)緊和彈簧預(yù)緊，同時壓電陶瓷和音圈電機(jī)均固定于機(jī)構(gòu)內(nèi)部，可以使對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)更緊湊。

2.針對壓電陶瓷驅(qū)動器的行程小的特點，設(shè)計采用Scott-Russell機(jī)構(gòu)和杠桿機(jī)構(gòu)共同組成的兩級位移放大機(jī)構(gòu)來增大輸出位移，在保證輸出精度的前提下，可以獲得較大的位移輸出。

3.相比單一的杠桿放大機(jī)構(gòu)，Scott-Russell機(jī)構(gòu)和杠桿機(jī)構(gòu)組成的兩級位移放大機(jī)構(gòu)具有更大的輸出剛度和更大的位移放大倍數(shù)，因此在驅(qū)動柔性機(jī)構(gòu)時可以獲得更大的輸出位移。

4.機(jī)構(gòu)均采用對稱式設(shè)計，包括雙平行四邊形機(jī)構(gòu)和部件的對稱布置等，避免了由于溫度等外界因素的變化對機(jī)構(gòu)的影響，提高機(jī)構(gòu)的對準(zhǔn)定位精度。

5.機(jī)構(gòu)采用串并聯(lián)結(jié)合的設(shè)計方式，實現(xiàn)了在設(shè)計的五個自由度方向上的解耦運動輸出，避免了各個自由度方向上對準(zhǔn)過程中的相互干擾，提高了機(jī)構(gòu)對準(zhǔn)定位的精度。

6.運動傳遞機(jī)構(gòu)采用柔性機(jī)構(gòu)，也即柔性元件的彈性變形來實現(xiàn)，避免了傳統(tǒng)剛性機(jī)構(gòu)本身無法避免的間隙、摩擦以及潤滑等方面的影響，有效地保證了對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的對準(zhǔn)精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于柔性鉸鏈的五自由度精密對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。

圖1A是本發(fā)明基于柔性鉸鏈的五自由度精密對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的另一視角結(jié)構(gòu)圖。

圖1B是未裝配外部支撐的五自由度精密對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。

圖1C是本發(fā)明對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)中Z軸直線導(dǎo)向平臺與X軸轉(zhuǎn)動平臺的裝配圖。

圖1D是本發(fā)明對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)中Z軸直線導(dǎo)向平臺與兩自由度XY平臺的裝配圖。

圖2是本發(fā)明檢測組件的結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本發(fā)明兩自由度XY平臺的結(jié)構(gòu)圖。

圖3A是本發(fā)明兩自由度XY平臺的另一視角結(jié)構(gòu)圖。

圖3B是本發(fā)明兩自由度XY平臺的圖片。

圖3C是本發(fā)明兩自由度XY平臺中凸起柔性單元的正視圖。

圖3D是本發(fā)明兩自由度XY平臺中凸起柔性單元的左視圖。

圖3E是本發(fā)明兩自由度XY平臺中凸起柔性單元的俯視圖。

圖3F是本發(fā)明兩自由度XY平臺中凸起柔性單元的立體圖。

圖3G是本發(fā)明兩自由度XY平臺的俯視圖。

圖4是本發(fā)明Z軸直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。

圖4A是本發(fā)明Z軸直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中DA導(dǎo)向本體的正視圖。

圖4B是本發(fā)明Z軸直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中DB導(dǎo)向本體的正視圖。

圖5是本發(fā)明X軸轉(zhuǎn)動組件的結(jié)構(gòu)圖。

圖5A是本發(fā)明X軸轉(zhuǎn)動組件中EA運動傳遞機(jī)構(gòu)的正視。

圖6是本發(fā)明Z軸轉(zhuǎn)動組件的結(jié)構(gòu)圖。

圖6A是本發(fā)明Z軸轉(zhuǎn)動組件的另一視角結(jié)構(gòu)圖。

圖6B是本發(fā)明Z軸轉(zhuǎn)動組件的分解圖。

圖6C是本發(fā)明Z軸轉(zhuǎn)動組件中Z軸轉(zhuǎn)動平臺的結(jié)構(gòu)圖。

圖6D是本發(fā)明Z軸轉(zhuǎn)動組件中Z軸轉(zhuǎn)動平臺的正視圖。

圖6E是本發(fā)明Z軸轉(zhuǎn)動組件中Z軸轉(zhuǎn)動輸入件的正視圖。

圖6F是本發(fā)明Z軸轉(zhuǎn)動組件中Z軸轉(zhuǎn)動輸入件的結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

參見圖1、圖1A、圖1B所示，本發(fā)明設(shè)計了一種應(yīng)用于噴墨式卷對卷印刷電子設(shè)備中的、基于柔性鉸鏈的五自由度精密對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，該五自由度精密對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)包括有支撐組件1、檢測組件2、兩二自由度平臺XY3、Z軸直線導(dǎo)向平臺4、X軸轉(zhuǎn)動平臺5、Z軸轉(zhuǎn)動平臺6和安裝面板7。

被試件2C為十字結(jié)構(gòu)體，被試件2C的X軸方向的梁位于BA豎直支撐板2A的BA開口槽2A1與BB豎直支撐板2B的BB開口槽2B1中；被試件2C的連接端2C1固定在Z軸轉(zhuǎn)動平臺6A的Z軸中心圓臺6A1的底部。

在本發(fā)明中，五自由度是指XYZ三個方向的移動、繞X軸的轉(zhuǎn)動和繞Z軸的轉(zhuǎn)動。

本發(fā)明設(shè)計的五自由度精密對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)為了減少裝配誤差，柔性鉸鏈通過電火花線切割的方式一體化加工，材料為7075鋁合金。柔性鉸鏈采用圓弧型柔性鉸鏈和簧片型柔性鉸鏈。

支撐組件1

參見圖1、圖1A、圖1B所示，支撐組件1包括有AA豎直支撐板1A、AB豎直支撐板1B、AA橫向支撐板1C和AB橫向支撐板1D。

其中，AA豎直支撐板1A與AB豎直支撐板1B結(jié)構(gòu)相同；AA豎直支撐板1A上設(shè)有AA減重孔1A1；AB豎直支撐板1B上設(shè)有AB減重孔1B1。AA豎直支撐板1A的AA減重孔1A1的上端部上固定有AA橫向支撐板1C的一端，AB豎直支撐板1B的AB減重孔1B1的上端部上固定有AA橫向支撐板1C的另一端。AA橫向支撐板1C的中部固定在CB支架3-2上。

AA豎直支撐板1A與AB豎直支撐板1B平行放置；且AA豎直支撐板1A的下端固定在安裝面板7上，AA豎直支撐板1A的上端端部固定有AB橫向支撐板1D的一端；AB豎直支撐板1B的下端固定在安裝面板7上，AB豎直支撐板1B的上端端部固定有AB橫向支撐板1D的另一端。AB橫向支撐板1D的中部固定在CC支架3-3、CA支架3-1和CD支架3-4上。

檢測組件2

參見圖2所示，檢測組件2包括有三個電容傳感器(圖中示出了電容傳感器的探頭)、BA豎直支撐板2A和BB豎直支撐板2B。其中，BA豎直支撐板2A與BB豎直支撐板2B結(jié)構(gòu)相同。

BA豎直支撐板2A的上端設(shè)有BA開口槽2A1，BA開口槽2A1上設(shè)有用于放置電容傳感器探頭的沿Z軸方向設(shè)置的BI通孔(圖中未示出)；所述BA開口槽2A1的兩邊是BA支臂2A2與BB支臂2A3；BA支臂2A2上設(shè)有用于安裝A電容傳感器探頭2D的BA通孔2A2A和BB通孔2A2B；所述BA通孔2A2A沿Y軸方向設(shè)置；所述BB通孔2A2B沿X軸方向設(shè)置。BB支臂2A3上設(shè)有用于安裝電容傳感器探頭的BC通孔2A3A和BD通孔2A3B；所述BC通孔2A3A沿Y軸方向設(shè)置；所述BD通孔2A3B沿X軸方向設(shè)置。在圖2中，A電容傳感器探頭2D是固定在沿Y軸方向設(shè)置的BA通孔2A2A中。

BB豎直支撐板2B的上端設(shè)有BB開口槽2B1，BB開口槽2B1上設(shè)有用于放置C電容傳感器探頭2F的BJ通孔2B1A，BJ通孔2B1A沿Z軸方向設(shè)置；所述BB開口槽2B1的兩邊是BC支臂2B2與BD支臂2B3；BC支臂2B2上設(shè)有用于安裝B電容傳感器探頭2E的BE通孔2B2A和BF通孔2B2B；所述BE通孔2B2A沿Y軸方向設(shè)置；所述BF通孔2B2B沿X軸方向設(shè)置。BD支臂2B3上設(shè)有用于安裝電容傳感器探頭的BG通孔2B3A和BH通孔2B3B；所述BG通孔2B3A沿Y軸方向設(shè)置；所述BH通孔2B3B沿X軸方向設(shè)置。在圖2中，B電容傳感器探頭2E是固定在沿X軸方向設(shè)置的BF通孔2B2B中。

在本發(fā)明中，電容傳感器選用的性能參數(shù)為：分辨率4納米、最大測量范圍250微米和測量線性度不低于0.1％。

兩自由度XY平臺及支架

參見圖1B、圖1D、圖3、圖3A所示，兩自由度XY平臺3是由兩個壓電陶瓷驅(qū)動的可以實現(xiàn)兩個方向解耦運動的柔性定位平臺?？紤]到壓電陶瓷驅(qū)動器(3-5、3-6)行程小、推力大的特點，為了滿足對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)移動范圍的需要，兩自由度XY平臺3采用了Scott-Russell機(jī)構(gòu)和杠桿機(jī)構(gòu)共同組成的兩級位移放大機(jī)構(gòu)來增大兩自由度XY平臺3兩個方向上的輸出位移。Scott-Russell機(jī)構(gòu)和杠桿機(jī)構(gòu)是由圓弧缺口型柔性鉸鏈組成。兩自由度XY平臺3的運動部分由簧片型柔性鉸鏈組成，其中CA簧片3A14和CB簧片3A15(配合對稱設(shè)置的CC簧片3A16和CD簧片3A17)實現(xiàn)輸入解耦，而柔性CA平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3A13(配合對稱設(shè)置的CB平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3A18)起導(dǎo)向作用。兩兩對稱設(shè)置的雙平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(3A31、3A32、3A33和3A34)起導(dǎo)向和輸出解耦的作用。

參見圖1B、圖1D、圖3、圖3A、圖3B所示，兩自由度XY平臺3為采用線切割技術(shù)加工成的一體結(jié)構(gòu)件。通過線切割技術(shù)使得兩自由度XY平臺3上設(shè)有剛性的CA固定板3A、CB固定板3C、CC固定板3D、CA輸入板3E、CB輸入板3F、輸出板3B、CA矩形通孔3G和CB矩形通孔3H，以及柔性單元。所述CA矩形通孔3G用于放置CA壓電陶瓷驅(qū)動器3-5，CA壓電陶瓷驅(qū)動器3-5的輸出端與CA輸入板3E的端部接觸，CA壓電陶瓷驅(qū)動器3-5的另一端通過CA預(yù)緊螺釘3-51頂緊，CA預(yù)緊螺釘3-51穿過兩自由度XY平臺3側(cè)邊上的通孔。所述CB矩形通孔3H用于放置CB壓電陶瓷驅(qū)動器3-6，CB壓電陶瓷驅(qū)動器3-6的輸出端與CB輸入板3F的端部接觸，CB壓電陶瓷驅(qū)動器3-6的另一端通過CB預(yù)緊螺釘3-61頂緊，CB預(yù)緊螺釘3-61穿過兩自由度XY平臺3相鄰側(cè)邊上的通孔。所述柔性單元包括有X軸方向的柔性單元、Y軸方向的柔性單元和凸起柔性單元；X軸方向的柔性單元和Y軸方向的柔性單元設(shè)置在CA固定板3A上；凸起柔性單元設(shè)置在輸出板3B的上下。

參見圖3B、圖3G所示，兩自由度XY平臺3的外部切割構(gòu)型有結(jié)構(gòu)相同的X軸方向的柔性單元和Y軸方向的柔性單元；

所述X軸方向的柔性單元包括有CA杠桿放大機(jī)構(gòu)3A11、第一Scott-Russell機(jī)構(gòu)3A12、CA平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3A13、CA簧片3A14、CB簧片3A15、CC簧片3A16、CD簧片3A17、CB平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3A18；從驅(qū)動力輸入至輸出順次設(shè)置為CA杠桿放大機(jī)構(gòu)3A11、第一Scott-Russell機(jī)構(gòu)3A12、CA平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3A13、CA簧片3A14和CB簧片3A15，為了滿足輸出板3B的平衡解耦，設(shè)置對稱的CB平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3A18與CA平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3A13、平行放置的CC簧片3A16和CD簧片3A17與CA簧片3A14和CB簧片3A15達(dá)到X軸方向的柔性單元平衡解耦。

所述Y軸方向的柔性單元包括有CB杠桿放大機(jī)構(gòu)3A21、第二Scott-Russell機(jī)構(gòu)3A22、CC平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3A23、CE簧片3A24、CF簧片3A25、CG簧片3A26、CH簧片3A27、CD平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3A28；從驅(qū)動力輸入至輸出順次設(shè)置為CB杠桿放大機(jī)構(gòu)3A21、第二Scott-Russell機(jī)構(gòu)3A22、CC平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3A23、CE簧片3A24和CF簧片3A25，為了滿足輸出板3B的平衡解耦，設(shè)置對稱的CD平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3A28與CC平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3A23、平行放置的CG簧片3A26和CH簧片3A27與CE簧片3A24和CF簧片3A25達(dá)到Y(jié)軸方向的柔性單元平衡解耦。

其中，輸出板3B的四邊(A邊、B邊、C邊和D邊，所述A邊與C邊為相對邊，所述B邊與D邊為相對邊)分別與平行放置的兩個簧片接合，位于輸出板3B四邊的簧片結(jié)構(gòu)是相同的。即輸出板3B的A邊與平行放置的CA簧片3A14與CB簧片3A15接合，輸出板3B的B邊與平行放置的CG簧片3A26與CH簧片3A27接合，輸出板3B的C邊與平行放置的CC簧片3A16與CD簧片3A17接合，輸出板3B的D邊與平行放置的CE簧片3A24與CF簧片3A25接合。

參見圖3B、圖3C、圖3D、圖3E、圖3F所示，兩自由度XY平臺3的內(nèi)部切割構(gòu)型為凸起柔性單元；所述凸起柔性單元包括有CA雙平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3A31、CB雙平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3A32、CC雙平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3A33和CD雙平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3A34；CA雙平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3A31與CB雙平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3A32的結(jié)構(gòu)相同(如圖3C、圖3F所示)；CC雙平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3A33與CD雙平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3A34的結(jié)構(gòu)相同(如圖3D、圖3F所示)。

參見圖1B、圖1D、圖3、圖3A所示，兩自由度XY平臺3的CA固定板3A的上面板上固定有平行放置的CA支架3-1的底部、CC支架3-3的底部和CD支架3-4的底部；CA支架3-1的另一端固定在CB固定板3C與AB橫向支撐板1D之間；CC支架3-3的另一端與CD支架3-4的另一端固定在AB橫向支撐板1D上；兩自由度XY平臺3的CC固定板3D的下面板上固定有CB支架3-2的底部，CB支架3-2的另一端固定在AA橫向支撐板1C上。平行放置的CA支架3-1、CC支架3-3和CD支架3-4的一端固定有AB橫向支撐板1D，CB支架3-2的一端固定有AA橫向支撐板1C。在本發(fā)明中，4個支架的設(shè)計是為了與支撐組件1的穩(wěn)定固定。

Z軸直線導(dǎo)向組件4

參見圖1C、圖4、圖4A所示，Z軸直線導(dǎo)向平臺4包括有DA導(dǎo)向本體4A、DB導(dǎo)向本體4B、DA支架4C和音圈電機(jī)4D。其中，DA導(dǎo)向本體4A與DB導(dǎo)向本體4B的結(jié)構(gòu)相同。音圈電機(jī)4D的定子固定在DA支架4C上，音圈電機(jī)4D的動子固定在EA支架5C上。DA支架4C固定在平行放置的DA導(dǎo)向本體4A與DB導(dǎo)向本體4B之間。DA導(dǎo)向本體4A與DB導(dǎo)向本體4B的頂部固定在兩自由度XY平臺3的底部。

參見圖4A所示，DA導(dǎo)向本體4A采用線切割技術(shù)加工。DA導(dǎo)向本體4A上設(shè)有DA固定板4A1、DA輸出板4A2、DA平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)4A3和DB平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)4A4。所述DA固定板4A1的一邊面板上設(shè)有供DA螺釘4E穿過的DA通孔4A11，所述DA固定板4A1的另一邊面板上設(shè)有供DB螺釘4F穿過的DB通孔4A12；穿過DA通孔4A11后的DA螺釘4E螺紋連接在DA支架4C一端面的螺紋孔中；穿過DB通孔4A12后的DB螺釘4F螺紋連接在DA支架4C一端面的螺紋孔中；通過DA螺釘4E和DB螺釘4F實現(xiàn)了DA導(dǎo)向本體4A的DA固定板4A1與DA支架4C一端的固定。

參見圖4B所示，DB導(dǎo)向本體4B上設(shè)有DB固定板4B1、DB輸出板4B2、DC平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)4B3和DD平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)4B4。所述DB固定板4B1的一邊面板上設(shè)有供DC螺釘4G穿過的DC通孔4B11，所述DB固定板4B1的另一邊面板上設(shè)有供DD螺釘4H穿過的DD通孔4B12；穿過DC通孔4B11后的DC螺釘4G螺紋連接在DA支架4C另一端面的螺紋孔中；穿過DD通孔4B12后的DD螺釘4H螺紋連接在DA支架4C另一端面的螺紋孔中；通過DC螺釘4G和DD螺釘4H實現(xiàn)了DB導(dǎo)向本體4B的DB固定板4B1與DA支架4C另一端的固定。

在本發(fā)明中，DA導(dǎo)向本體4A與DB導(dǎo)向本體4B的運動是相同且同時完成的，即音圈電機(jī)4D推動EA支架5C沿Z軸方向移動，EA支架5C的運動帶動了DA導(dǎo)向本體4A的DA輸出板4A2沿Z軸方向移動，在兩個平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(4A3、4A4)作用下，保證所述DA輸出板4A2沿Z軸作直線運動。音圈電機(jī)4D推動EA支架5C沿Z軸方向移動，EA支架5C的運動帶動了DB導(dǎo)向本體4B上的DB輸出板4B2沿Z軸方向移動，在兩個平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(4B3、4B4)作用下，保證所述DB輸出板4B2沿Z軸作直線運動。

在本發(fā)明中，Z向直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)4由兩組平行四邊形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(4A3與4A4和4B3與4B4)組成，以增大直線平臺的導(dǎo)向性能，減少寄生誤差，提高運動精度。Z向直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)4采用的是音圈電機(jī)驅(qū)動，考慮到音圈電機(jī)行程較大而輸出力較小，因此，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)采用的簧片型平行四邊形柔性鉸鏈，以得到較小的機(jī)構(gòu)運動剛度。

X軸轉(zhuǎn)動組件5

參見圖1C、圖5、圖5A所示，X軸轉(zhuǎn)動平臺5包括有EA運動傳遞機(jī)構(gòu)5A、EB運動傳遞機(jī)構(gòu)5B、EA支架5C、EA預(yù)緊彈簧心軸5D、EB預(yù)緊彈簧心軸5E、EA預(yù)緊彈簧5F、EB預(yù)緊彈簧5G、EA壓電陶瓷驅(qū)動器5H和EB壓電陶瓷驅(qū)動器5I。其中，第一X軸轉(zhuǎn)動平臺5A與第二X軸轉(zhuǎn)動平臺5B的結(jié)構(gòu)相同。EA支架5C為十字結(jié)構(gòu)，即EA支架5C上設(shè)有EA支臂5C1、EB支臂5C2、EC支臂5C3和ED支臂5C4；EA支臂5C1上設(shè)有供EE螺釘5C5穿過的通孔，EB支臂5C2上設(shè)有供EF螺釘5C6穿過的通孔，EA支架5C的中部設(shè)有供EG螺釘5C7穿過的通孔。通過EE螺釘5C5使DA支架5C的EA支臂5C1與DA導(dǎo)向本體4A的DA輸出板4A2的底部固定。通過EF螺釘5C6使DA支架5C的EB支臂5C2與DB導(dǎo)向本體4B的DB輸出板4B2的底部固定。通過EG螺釘5C7使音圈電機(jī)4D固定在EA支架5C上。

參見圖5A所示，EA運動傳遞機(jī)構(gòu)5A上設(shè)有多個圓弧型鉸鏈、EA固定板5A1、EA輸出板5A2、EA剛性梁5A3、EB剛性梁5A6、EC剛性梁5A7、ED剛性梁5A8、EE剛性梁5A9、EA矩形通孔5A4和EB矩形通孔5A5。EA矩形通孔5A4內(nèi)安裝有EA壓電陶瓷驅(qū)動器5H，EA壓電陶瓷驅(qū)動器5H的輸出端與EA剛性梁5A3的端面接觸。EB矩形通孔5A5內(nèi)放置有EA預(yù)緊彈簧5F，且EA預(yù)緊彈簧5F套接在EA預(yù)緊彈簧心軸5D上，EA預(yù)緊彈簧心軸5D螺紋連接在EB剛性梁5A6的EA螺紋孔5A61中，且伸入EB矩形通孔5A5內(nèi)。EA固定板5A1上設(shè)有供EA螺釘5A-31穿過的通孔，通過EA螺釘5A-31實現(xiàn)EA運動傳遞機(jī)構(gòu)5A與EA支架5C的EC支臂5C3固定。EA輸出板5A2上設(shè)有供EB螺釘5A-32穿過的通孔，通過EB螺釘5A-32實現(xiàn)EA運動傳遞機(jī)構(gòu)5A與Z軸轉(zhuǎn)動組件6中的Z軸轉(zhuǎn)動平臺6A一端固定。

在本發(fā)明中，EA運動傳遞機(jī)構(gòu)5A上的每個圓弧型鉸鏈?zhǔn)怯蓛蓚€圓形切縫構(gòu)成。參見圖5A所示，第一個圓弧型鉸鏈的變形點記為EA變形點5A-1；第二個圓弧型鉸鏈的變形點記為EB變形點5A-2；第三個圓弧型鉸鏈的變形點記為EC變形點5A-3；第四個圓弧型鉸鏈的變形點記為ED變形點5A-11；第五個圓弧型鉸鏈的變形點記為EE變形點5A-12；第六個圓弧型鉸鏈的變形點記為EF變形點5A-13；第七個圓弧型鉸鏈的變形點記為EG變形點5A-21；第八個圓弧型鉸鏈的變形點記為EH變形點5A-22；第九個圓弧型鉸鏈的變形點記為EI變形點5A31。在本發(fā)明中，EA運動傳遞機(jī)構(gòu)5A為平行四邊形運程運動機(jī)構(gòu)，因此EA虛擬轉(zhuǎn)動中心點5A-23設(shè)置在所述EA運動傳遞機(jī)構(gòu)5A的EA輸出板5A2的下方。連接EA變形點5A-1與EE變形點5A-12構(gòu)成線段A，連接EB變形點5A-2與EH變形點5A-22構(gòu)成線段B，連接EC變形點5A-3與EA虛擬轉(zhuǎn)動中心點5A-23構(gòu)成線段C，連接ED變形點5A-11與EE變形點5A-12構(gòu)成線段D，連接EE變形點5A-12與EH變形點5A-22構(gòu)成線段E，連接EF變形點5A-13與EA虛擬轉(zhuǎn)動中心點5A-23構(gòu)成線段F，使得線段A、線段B、線段D和線段E形成一個平行四邊形柔性驅(qū)動機(jī)構(gòu)；使得線段B、線段C、線段E和線段F形成另一個平行四邊形柔性驅(qū)動機(jī)構(gòu)。

EA運動傳遞機(jī)構(gòu)5A的運動關(guān)系：EA壓電陶瓷驅(qū)動器5H的驅(qū)動下推動EA剛性梁5A3運動，通過EI變形點5A31推動EB剛性梁5A6繞EG變形點5A-12轉(zhuǎn)動，于是EA變形點5A-1和ED變形點5A-11也繞EG變形點5A-12轉(zhuǎn)動，依據(jù)平行四邊形運程運動機(jī)構(gòu)的運動原理，EB變形點5A-2和EE變形點5A-12以及EC剛性梁5A7繞EH變形點5A-22轉(zhuǎn)動，EC變形點5A-3和EF變形點5A-13以及EA輸出板5A2繞EA虛擬轉(zhuǎn)動中心點5A-23轉(zhuǎn)動，最后將運動傳遞到Z軸轉(zhuǎn)動組件6的Z軸轉(zhuǎn)動平臺6A上，最終帶動被試件2C輪動。

參見圖1C、圖5所示，EB運動傳遞機(jī)構(gòu)5B上的固定板上設(shè)有供EC螺釘5B-31穿過的通孔，通過EC螺釘5B-31實現(xiàn)EB運動傳遞機(jī)構(gòu)5B與EA支架5C的ED支臂5C4固定。EB運動傳遞機(jī)構(gòu)5B上的輸出板上設(shè)有供ED螺釘5B-32穿過的通孔，通過ED螺釘5B-32實現(xiàn)EB運動傳遞機(jī)構(gòu)5B與Z軸轉(zhuǎn)動組件6中的Z軸轉(zhuǎn)動平臺6A另一端固定。

在本發(fā)明中，X軸轉(zhuǎn)動平臺5是基于平行四邊形遠(yuǎn)程運動機(jī)構(gòu)的運動原理，其通過兩個對稱分布的平行四邊形機(jī)構(gòu)組成。這種結(jié)構(gòu)可以使輸出端繞著機(jī)構(gòu)外虛擬點轉(zhuǎn)動，為了保證運動的穩(wěn)定，提高運動的精度，對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)在該自由度(繞X軸的轉(zhuǎn)動)上的運動由兩個相同的EA運動傳遞機(jī)構(gòu)5A、EB運動傳遞機(jī)構(gòu)5B組成。該機(jī)構(gòu)由壓電陶瓷驅(qū)動，通過兩個遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)相同方向的轉(zhuǎn)動帶動虛擬點轉(zhuǎn)動。

Z軸轉(zhuǎn)動組件6

參見圖6、圖6A、圖6B所示，Z軸轉(zhuǎn)動組件6包括有Z軸轉(zhuǎn)動平臺6A、Z軸轉(zhuǎn)動輸入件6B、F壓電陶瓷驅(qū)動器6C、F預(yù)緊彈簧6D和F預(yù)緊彈簧心軸6E。

參見圖6C、圖6D所示，Z軸轉(zhuǎn)動平臺6A為采用線切割技術(shù)加工而成的一體結(jié)構(gòu)件。Z軸轉(zhuǎn)動平臺6A的中部是Z軸中心圓臺6A1、FA動平臺6A11和FB動平臺6A12；沿Z軸中心圓臺6A1的外圓周均勻分布有FA簧片6A3、FB簧片6A4、FC簧片6A5和FD簧片6A6，F(xiàn)A簧片6A3與FB簧片6A4的一端是FA動平臺6A11，F(xiàn)C簧片6A5與FD簧片6A6的一端是FB動平臺6A12。Z軸中心圓臺6A1上設(shè)有放置FB螺釘62的FC螺紋孔6A-3，以及放置BA螺釘2C2的FD螺紋孔6A-4，Z軸轉(zhuǎn)動平臺6A的Z軸中心圓臺6A1底部固定有被試件的連接端。

參見圖6C、圖6D所示，Z軸轉(zhuǎn)動平臺6A的四邊為兩兩對稱設(shè)置有FA安裝臺6A2A和FB安裝臺6A2B、FA限位臺6A2C和FC限位臺6A2D；FA限位臺6A2C與FA動平臺6A11之間設(shè)有FE簧片6A7和FF簧片6A8，且FE簧片6A7與FF簧片6A8位于FA簧片6A3與FB簧片6A4之間；FC限位臺6A2D與FB動平臺6A12之間設(shè)有FG簧片6A9和FH簧片6A10，且FG簧片6A9與FH簧片6A10位于FC簧片6A5與FD簧片6A6之間。

參見圖6B、圖6D、圖6E所示，Z軸轉(zhuǎn)動輸入件6B上設(shè)有Z軸轉(zhuǎn)動塊6B1和Z軸本體6B8；

所述Z軸本體6B8上設(shè)有FA通孔6B4、FC通孔6B6和FA螺紋孔6B7，F(xiàn)A螺釘61穿過FA通孔6B4后螺紋連接在FA安裝臺6A2A的FA螺紋孔6A-1中，F(xiàn)C螺釘63穿過FC通孔6B6后螺紋連接在FB安裝臺6A2B的FB螺紋孔6A-2中，F(xiàn)A螺紋孔6B7用于放置預(yù)緊彈簧心軸6E；Z軸本體6B8的底部與Z軸轉(zhuǎn)動平臺6A的上部之間設(shè)有FA運動間隙6F，在F壓電陶瓷驅(qū)動器6C提供的驅(qū)動力條件下，通過Z軸轉(zhuǎn)動輸入件6B傳遞到Z軸轉(zhuǎn)動平臺6A的Z軸中心圓臺6A1上的運動不受Z軸本體6B8的干涉。

所述Z軸轉(zhuǎn)動塊6B1上設(shè)有FB通孔6B5、FA圓弧型鉸鏈6B1A和FB圓弧型鉸鏈6B1B；FB螺釘62穿過FB通孔6B5后螺紋連接在Z軸中心圓臺6A1的FC螺紋孔6A-3中；當(dāng)通過FB螺釘62將Z軸轉(zhuǎn)動輸入件6B與Z軸轉(zhuǎn)動平臺6A固定后，使得Z軸轉(zhuǎn)動塊6B1作為了Z軸轉(zhuǎn)動中心。

在本發(fā)明中，Z軸轉(zhuǎn)動平臺6A的Z軸中心圓臺6A1的轉(zhuǎn)動中心點記為O₁(如圖6D)，Z軸轉(zhuǎn)動輸入件6B的變形點記為O₂(如圖6E，即設(shè)置在FA圓弧型鉸鏈6B1A上)。F壓電陶瓷驅(qū)動器6C的輸出端與Z軸轉(zhuǎn)動塊6B1的一端面接觸，使得F壓電陶瓷驅(qū)動器6C的輸出運動通過FB圓弧型鉸鏈6B1B帶動FA圓弧型鉸鏈6B1A繞著所述FA圓弧型鉸鏈6B1A與Z軸中心圓臺6A1重合(O₁與O₂重合)的轉(zhuǎn)動中心轉(zhuǎn)動。由于F壓電陶瓷驅(qū)動器6C的輸出位移較小，為了保證Z軸轉(zhuǎn)動組件6的輸出轉(zhuǎn)動角足夠大，Z軸轉(zhuǎn)動輸入件6B可以使F壓電陶瓷驅(qū)動器6C的直線輸出離轉(zhuǎn)動中心點O₂較近，從而獲得足夠大的轉(zhuǎn)動角度輸出。同時FB圓弧型鉸鏈6B1B可以避免Z軸轉(zhuǎn)動塊6B1在變形點O₂轉(zhuǎn)動過程中對F壓電陶瓷驅(qū)動器6C產(chǎn)生側(cè)向偏移，保證F壓電陶瓷驅(qū)動器6C輸出端與Z軸轉(zhuǎn)動塊6B1的端面始終接觸。

Z軸轉(zhuǎn)動輸入件6B的兩端通過螺釘(61、63)固定安裝在Z軸轉(zhuǎn)動平臺6A的FA安裝臺6A2A與FB安裝臺6A2B上，Z軸轉(zhuǎn)動輸入件6B的Z軸轉(zhuǎn)動塊6B1通過FB螺釘62與Z軸轉(zhuǎn)動平臺6A的Z軸中心圓臺6A1固定。

在本發(fā)明中，Z軸轉(zhuǎn)動平臺6A是基于蝴蝶鉸的構(gòu)型設(shè)計的。由于簧片型鉸鏈組成的蝴蝶鉸構(gòu)型轉(zhuǎn)動剛度低，容易受到干擾，因此，在簧片的中部厚度進(jìn)行加強(qiáng)，以得到合適的轉(zhuǎn)動剛度，保證Z軸轉(zhuǎn)動平臺6A的穩(wěn)定性。另外，為了得到精度較高的運動控制，該Z軸轉(zhuǎn)動平臺6A的驅(qū)動選用的是壓電陶瓷驅(qū)動器，也就是說是在小范圍內(nèi)將壓電陶瓷驅(qū)動器的直線輸出轉(zhuǎn)化為對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動。

安裝面板7

參見圖1、圖1A所示，安裝面板7上設(shè)有多個限位安裝孔7A，通過限位安裝孔7A一方面實現(xiàn)將支撐組件1中的AA豎直支撐板1A的一端和AB豎直支撐板1B的一端固定在安裝面板7上，通過限位安裝孔7A另一方面實現(xiàn)將檢測組件2中的BA豎直支撐板2A的一端和BB豎直支撐板2B的一端固定在安裝面板7上。

在本發(fā)明中，限位安裝孔7A的設(shè)計是為了輔助對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)在安裝面板7的XY平面內(nèi)的位置約束。

本發(fā)明設(shè)計的基于柔性鉸鏈的五自由度精密對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，兩自由度XY平臺3在300N(壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動)輸入力作用下，可以產(chǎn)生171.29微米的輸出位移，同時在兩自由度XY平臺3的解耦性能可以很好，沒有出現(xiàn)有影響的干擾運動；Z軸直線導(dǎo)向平臺4在20N(音圈電機(jī)驅(qū)動)輸入力的作用下，可以產(chǎn)生205.32微米的輸出位移；X軸轉(zhuǎn)動平臺5和Z軸轉(zhuǎn)動平臺6都是按照設(shè)計的轉(zhuǎn)動中心轉(zhuǎn)動，并且分別在150N(壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動)輸入力和120N(壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動)輸入力的作用下，其輸出轉(zhuǎn)角分別可以達(dá)到0.502度和0.824度。

本發(fā)明設(shè)計了一種基于柔性鉸鏈的五自由度精密對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，所要解決的是噴墨式卷對卷印刷電子設(shè)備中的對準(zhǔn)誤差補償?shù)募夹g(shù)問題；在深入了解了噴墨式卷對卷印刷電子生產(chǎn)工藝過程后，對多層套準(zhǔn)誤差來源進(jìn)行了深入分析。針對多層套準(zhǔn)誤差導(dǎo)致生產(chǎn)效率受損，產(chǎn)品質(zhì)量失效等問題，通過引入五自由度柔性對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)來主動補償對準(zhǔn)誤差。利用柔性單元的高精度運動、壓電陶瓷和音圈電機(jī)驅(qū)動器的高位移分辨率，將對準(zhǔn)誤差始終控制在5～10微米以內(nèi)。