[发明专利]一种基于柔性铰链的五自由度精密对准机构

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于喷墨式卷对卷印刷电子设备中的对准机构。更特别地说，是指一种基于柔性铰链的五自由度精密对准机构。

背景技术

印刷电子技术是一种利用传统印刷技术在多种衬底上制造电子元器件或者系统的一门技术。与一般的印刷工艺不同，印刷电子技术需要能够印刷具有多层结构特性的功能型器件，对于这类器件而言，层与层之间的套准精度(Overlay Accuracy)至关重要，套准精度的高低将直接影响电子器件的性能。要印刷这样的器件，就需要一套精密对准系统来实现层与层间的套准。在现今高端的印刷电子设备中，一套超精密的对准系统不可或缺，且越来越显示其重要性。

对于喷墨式卷对卷印刷电子设备而言，喷印环节是整个印刷单元的最后一个环节，如何在这一环节提高套准精度对于提高印刷电子设备整体性能具有重要意义。喷墨头与薄膜上图案的对准是一个空间五自由度的误差消除问题，这些误差包括：喷墨头相对图案的距离，喷墨头与图案的位置偏差，以及喷墨头相对薄膜的倾斜偏差。因此，对应这五个自由度上可能产生的误差，一套高性能的喷印系统需要的对准机构也应该具有相应五个方向的运动对准能力，才能有效的补偿误差，实现高精密对准。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于喷墨式多层卷对卷印刷电子设备的、基于柔性铰链的五自由度定位对准机构。本发明五自由度定位对准机构采用串并联结合的设计的方式，部件采用电火花线切割一体化加工，避免了运动部件装配的过程，减少了由此引入的误差。本发明以两二自由度XY平台(3)、Z轴直线导向平台(4)、X轴转动平台(5)和Z轴转动平台(6)四个主要部分，形成对输出端的五个自由度的解耦定位对准运动。

两自由度XY平台是由两个压电陶瓷驱动的可以实现两个方向解耦运动的柔性定位平台。考虑到压电陶瓷行程小、推力大的特点，为了满足对准机构移动范围的需要，XY平台采用了Scott-Russell机构和杠杆机构共同组成的两级位移放大机构来增大XY平台两个方向上的输出位移。放大机构是由圆弧缺口型柔性铰链组成，XY平台的运动部分由簧片型柔性铰链组成，其中双簧片实现输入解耦而柔性平行四边形机构起导向作用，另外，中间部位的双平行四边形导向机构起导向和输出解耦的作用。Z向直线导向机构由两组平行四边形机构组成，以增大直线平台的导向性能，减少寄生误差，提高运动精度。Z向直线导向机构采用的是音圈电机驱动，考虑到音圈电机行程较大而输出力较小，因此，机构采用的簧片型柔性铰链，以得到较小的机构运动刚度。为了保证运动的稳定，提高运动的精度，对准机构在该自由度上的运动由两个相同的部分组成。该机构由压电陶瓷驱动，通过两个远程转动机构相同方向的转动。对准机构的Z轴转动平台是基于蝴蝶铰的构型设计的。由于簧片型铰链组成的蝴蝶铰构型转动刚度低，容易受到干扰，因此，在簧片的中部厚度进行加强，以得到合适的转动刚度，保证机构的稳定性。另外，为了得到精度较高的运动控制，该机构的驱动选用的是压电陶瓷，也就是说是在小范围内将压电陶瓷的直线输出转化为对准机构的转动。

本发明设计的五自由度精密对准机构的优点在于：

1.该发明所有运动机构均采用一体化设计，通过电火花线切割加工，避免了一个自由度方向上运动机构装配过程可能出现的误差。驱动器根据具体需要选择具有高输出力、高分辨率的压电陶瓷和具有大行程、高响应速度的音圈电机驱动器，保证了在不同自由度机构构型设计和运动需要的情况下对准机构都有较高精度的位移或角度输出；其中，压电陶瓷的预紧方式根据构型需要采用螺钉预紧和弹簧预紧，同时压电陶瓷和音圈电机均固定于机构内部，可以使对准机构更紧凑。

2.针对压电陶瓷驱动器的行程小的特点，设计采用Scott-Russell机构和杠杆机构共同组成的两级位移放大机构来增大输出位移，在保证输出精度的前提下，可以获得较大的位移输出。

3.相比单一的杠杆放大机构，Scott-Russell机构和杠杆机构组成的两级位移放大机构具有更大的输出刚度和更大的位移放大倍数，因此在驱动柔性机构时可以获得更大的输出位移。

4.机构均采用对称式设计，包括双平行四边形机构和部件的对称布置等，避免了由于温度等外界因素的变化对机构的影响，提高机构的对准定位精度。

5.机构采用串并联结合的设计方式，实现了在设计的五个自由度方向上的解耦运动输出，避免了各个自由度方向上对准过程中的相互干扰，提高了机构对准定位的精度。