CN109562406B - 具有气动驱动分配单元的螺线管阀的将材料分配于基板上的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将材料分配于基板上的系统，所述系统包括具有分配活塞的分配单元。所述分配活塞从第一下部位置被气动地驱动至第二上部位置。所述系统还包括螺线管阀，所述螺线管阀耦接至所述分配单元，其中所述螺线管阀被配置成控制空气去往和来自所述分配活塞的流动。所述螺线管阀包括螺线管线圈和连接至所述螺线管线圈的放大器。所述系统还包括控制器，所述控制器耦接至所述放大器，其中所述控制器被配置成对所述放大器生成命令信号以控制所述螺线管线圈中的电流。

Description

具有气动驱动分配单元的螺线管阀的将材料分配于基板上的 系统

发明背景

1.技术领域

本公开总体涉及用于将粘性材料分配于诸如印刷电路板的基板上的设备和方法。

2.相关技术的讨论

具有用于分配电子材料的分配泵的粘性材料分配器以各种方式进行操作。一些周知分配泵利用伺服电机来驱动旋转式螺旋推运器，而一些分配泵利用线性伺服电机来驱动活塞。其它分配泵不使用伺服电动机，而是依赖于其它致动装置。一种此类分配泵(其公开于Smith等人的美国专利No.5,747,102)包括分配阀或单元，该分配阀或单元通过以下方式进行操作：利用气动压力使活塞远离阀座移动，从而压缩弹簧，并且然后释放气动压力以允许弹簧抵着阀座将活塞向后加速。利用该分配单元，随着活塞接触阀座，微滴的材料从阀座处的孔口被推出。在此类分配单元中，螺线管阀通常用于控制空气(或其它气体)流入活塞腔室和流出活塞腔室。

在分配行业周知的是，相比于当分配器重复地循环来以快速连续方式产生定期的一系列液滴时的响应，分配器当一次循环一个液滴时将以不同方式作出响应。特别地，尽管并不清楚其原因何在但众所周知的是，定期的一系列液滴中的第一液滴或甚至第一若干最初的液滴可不同于该定期的一系列液滴中的其余液滴。例如，相比于后续沉积的液滴，最初的液滴可包含较少质量的材料。

图1和图2示出了用于激励线圈的两种已知螺线管驱动电路。现有技术螺线管驱动电路通常利用接通/断开驱动电路来激励线圈。一些现有技术电路(参见授予Gieffers的美国专利No.3,116,441)通过增加另一离散电平的驱动电压(或电流)来对简单接通或断开状态作出改进。该辅助驱动电平用于将使得线圈维持在激励位置所需的电流减小到一电平，该电平低于用来将螺旋管从未激励位置快速地过渡至致动位置所需的电平(即，低于牵引电流的保持电流)。当相比于较简单的接通/断开驱动电路时，该较低驱动电平有益于节省能量并且减少线圈加热，并且通过使当螺线管断开时螺线管磁场瓦解所需的时间最小化可提高操作速度。

发明内容

本公开的一个方面涉及一种用于将材料分配于基板上的系统。在一个实施例中，系统包括分配单元，该分配单元包括分配活塞。该分配活塞从第一下部位置被气动地驱动至第二上部位置。系统还包括螺线管阀，该螺线管阀耦接至分配单元，其中螺线管阀被配置成控制空气去往和来自分配活塞的流动。螺线管阀包括螺线管线圈和气动阀。系统还包括放大器，该放大器连接至螺线管线圈。系统还包括控制器，该控制器耦接至放大器，其中控制器被配置成对放大器生成命令信号以控制螺线管线圈中的电流。

系统的实施例还可包括跨导脉宽调制放大器。放大器可通过无源电气滤波器部件连接至螺线管线圈。螺线管阀的螺线管线圈可作为放大器的负载连接。螺线管阀的螺线管线圈可直接地或通过中间滤波器部件连接至放大器。螺线管阀的螺线管线圈可以通过减小的保持电流维持于接通状态以使当螺线管断开时螺线管磁场瓦解所需的时间最小化。对于螺线管线圈的磁场瓦解和螺线管阀关闭所需的时间可通过指定极短时间段的微负电流来进一步缩短以将场强度更快速地和主动地驱动至近零断开状态条件。在螺线管阀的螺线管线圈中建立电流所需的时间可与可用的供电电压成反比例。放大器可允许使用高于螺线管阀的螺线管线圈的额定电压的供电电压。分配单元可配置成将粘性材料分配于电子基板上。

本公开的另一方面涉及一种用于将粘性材料分配于电子基板上的系统。该系统包括分配单元、螺线管阀和控制器；该分配单元包括分配活塞，该分配活塞从第一下部位置被气动地驱动至第二上部位置；该螺线管阀耦接至分配单元，该螺线管阀配置成控制空气去往和来自分配活塞的流动；该控制器耦接至螺线管阀。螺线管阀包括螺线管线圈和连接至螺线管线圈的放大器。控制器配置成对放大器生成命令信号以控制螺线管线圈中的电流。

螺线管阀的实施例还可包括跨导脉宽调制放大器。放大器可通过无源电气滤波器部件连接至螺线管线圈。螺线管阀的螺线管线圈可作为放大器的负载连接，并且可直接地或通过中间滤波器部件连接至放大器。螺线管阀的螺线管线圈可以通过减小的保持电流维持于接通状态以使当螺线管断开时螺线管磁场瓦解所需的时间最小化。螺线管线圈的磁场瓦解和螺线管阀关闭所需的时间可通过指定极短时间段的微负电流来进一步缩短以将场强度更快速地和主动地驱动至近零断开状态条件。在螺线管阀的螺线管线圈中建立电流所需的时间可与可用供电电压成反比例。放大器可允许使用高于螺线管阀的螺线管线圈的额定电压的供电电压。

附图说明

附图非旨在按比例绘制。在图中，各图中所示的每个等同或近乎等同部件由类似附图标记来表示。为清楚起见，不是每个部件都绘制在每张图中。在附图中：

图1为用以切换螺线管线圈中的电流的现有技术双极结型晶体管(BJT)的示意图；

图2为用以切换螺线管线圈中的电流的场效应晶体管(FET)的示意图；

图3为本公开的一个实施例的分配器的示意图；

图4为具有用以驱动螺线管线圈中的电流的放大器的致动器驱动电路的示意图；

图5为示出没有无功电流的分配单元的位置相对时间的图表；和

图6为示出具有0.1安培(A)的无功电流的分配单元的位置相对时间的图表。

具体实施方式

仅出于说明目的并且总体来说不构成限制，现将参考附图来详细地描述本公开。本公开的应用范围不限于下面的说明书中所阐释或图中所示的部件的构造和布置的细节。本公开所阐释的原理能够适用于其它实施例，并且能够以各种方式付诸实践或执行。另外，如本文所用的措辞或术语是出于描述的目的并且不应视为限制性的。本文所用的“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”和其变型意指涵盖此后所列的项目和其等同物以及额外项目。

本公开的各种实施例涉及粘性材料分配系统、包括分配系统的装置。本文所公开的实施例涉及用于通过分配泵将材料分配于电子基板上的技术，该技术配置成以期望的电平控制在气动螺线管阀的线圈中流动的电流。

图3示意性地示出了根据本公开的一个实施例的分配器，总体表示为10。分配器10用于将粘性材料(例如，粘合剂、密封剂、环氧树脂、焊膏、底部填充材料等)或半粘性材料(例如，助焊剂等)分配于电子基板12上，诸如印刷电路板或半导体晶片。分配器10可另选地用于其它应用，诸如用于施加汽车密封材料，或可用于某些医疗应用，或用于施加导电油墨。应当理解，对粘性或半粘性材料(如本文所用)的引用为示例性的，并且旨在为非限制性的。分配器10包括第一和第二分配单元(分别总体表示为14和16)和控制器18以控制分配器的操作。应当理解，分配单元在本文中还可被称为分配泵和/或分配头部。尽管示出了两个分配单元，但是应当理解，可提供一个或多个分配单元。

分配器10还可包括：框架20，其具有基部或支撑件22以用于支撑基板12；分配单元台架24，其可移动地耦接至框架20以用于支撑和移动分配单元14,16；和重量测量装置或称重秤26，用于称量粘性材料的分配量，例如作为校准程序的一部分，和用于将重量数据提供至控制器18。输送器系统(未示出)或其它传送机构(诸如步进梁)可用于分配器10中以控制将基板装载至分配器和从分配器卸载。台架24可利用电机在控制器18的控制下移动以将分配单元14,16定位于基板上的预定位置处。分配器10可包括连接至控制器18的显示单元28以用于将各种信息显示给操作员。可存在选用的第二控制器以用于控制分配单元。另外，每个分配单元14,16可配置有z轴传感器以检测分配单元设置于电子基板12上方或设置于电子基板上的特征上方的高度。z轴传感器耦接至控制器18以将由该传感器所获得的信息转发至控制器。

在执行分配操作之前，如上文所描述，基板(例如，印刷电路板)必须与分配系统的分配器对准或以其它方式配准。分配器还包括视觉系统30，视觉系统30在一个实施例中耦接至视觉系统台架32，视觉系统台架32可移动地耦接至框架20以用于支撑和移动视觉系统。该实施例也示于图3中。在另一个实施例中，视觉系统30可被设置在分配单元台架24上。如所描述的，视觉系统30用于检查基板上的界标(已知为基准)或部件的位置。一旦定位，则控制器可编程成操控分配单元14,16中的一者或多者的移动来将材料分配于电子基板上。

本公开的系统和方法涉及将材料分配于基板(例如，电路板)上。本文所提供的系统和方法的描述参考示例性电子基板12(例如，印刷电路板)，示例性电子基板12被支承在分配器10的支撑件22上。在一个实施例中，分配操作由控制器18进行控制，控制器18可包括配置成控制材料分配器的计算机系统。在另一个实施例中，控制器18可由操作员进行操控。控制器18配置成操控视觉系统台架32的移动来移动视觉系统以获得电子基板12的一个或多个图像。控制器18还配置成操控分配单元台架24的移动以移动分配单元14,16来执行分配操作。

本公开的实施例涉及一种分配单元(诸如分配单元14,16)，该分配单元具有致动器控制电路，该致动器控制电路配置成以(实际)任何期望电平控制气动螺线管阀的线圈中的电流。具体地，参考图4，致动器驱动电路(总体表示为40)配置成用PWM跨导放大器46驱动螺线管阀(总体表示为44)的螺线管线圈42中的电流，PWM跨导放大器46利用输入电压来指定和控制负载中的电流。尽管本文示出并描述了跨导放大器46，但是其它类型的放大器也可用于实现用跨导放大器实现的结果。在一个实施例中，螺线管阀44的螺线管线圈42作为放大器46的负载被连接，并且直接地或通过中间滤波器部件48(诸如高频扼流电感器)连接至放大器。换句话讲，电流控制为模拟控制系统而非数字(接通/断开)控制系统的一部分，该数字控制系统通常见于其它线圈驱动系统，并且这种额外的控制用于更好地实现整体系统目标。例如，较小保持电压的益处也可以通过模拟放大器控制来实现，而无需任何特殊或额外的电路。

如所示，放大器46耦接至控制器18以控制致动器控制电路40的操作，更具体地控制螺线管阀44的操作，螺线管阀44包括螺线管线圈42和气动阀50，其中螺线管阀配置成驱动分配单元14,16的操作。螺线管阀44配置成控制空气向气缸52的流动，气缸52耦接至活塞54，活塞54从下部(第一)位置向上部(第二)位置被气动地驱动。活塞54接合阀座56以将材料分配于基板12上。具体地，螺线管阀44配置成控制空气去往和来自气缸52和活塞54的流动。耦接至放大器46的控制器18被配置成对放大器生成命令信号以控制螺线管线圈42中的电流。

通过对螺线管线圈42的电流波形提供完全模拟控制，螺线管阀44的许多特性可被修改或调控以更好地满足分配系统的特定需求。例如，用减小的保持电流将螺线管线圈42维持于接通状态可使当螺线管阀44关闭时螺线管磁场瓦解所需的时间最小化。关于本公开的实施例的致动器控制电路40，通过指定极短时间段(例如，数百微秒)的微负电流来进一步缩短螺线管线圈42的磁场瓦解(即，螺线管断开)所需的时间，以将场强度更快速地和主动地驱动至近零(断开状态)条件。

致动器驱动电路40的另一益处涉及这一事实：在线圈或其它电感器中建立电流所需的时间与可用供电电压成反比例(di/dt＝V/L)。在现有技术的接通/断开系统中，线圈绕组的电阻和额定供电电压被选择成使得螺线管线圈42中所消耗的功率落在线圈的额定值范围内。利用电流控制放大器46允许使用高于螺线管线圈42的额定电压的供电电压。例如，从48V电源(而非从24V电源)驱动24V线圈可允许螺线管线圈42中的电流快两倍地建立，但电流将建立至额定电流的两倍，并且因此功率消耗将为标称值的四倍。通过利用电流控制放大器46，可以在满额定值下指定期望电流，并且放大器可使用可用的满额供电电压在螺线管线圈42中快速地建立电流，然而一旦到达指定数值则对电流进行限流。

应当指出的是，在本文背景中，“模拟控制系统”旨在包括数字控制放大器，诸如利用数模转换器(DAC)和模数转换器(ADC)来通过数字电路提供伪模拟控制的那些数字控制放大器，并且该数字控制放大器能够在给定范围内生成成百上千的小离散电平。例如，12位DAC可提供4096个离散电平，其可被称为“模拟控制”以将其与双电平或三电平接通/断开控制系统区分开。此外，尽管上文所引用的已知系统可使用双极结型晶体管(BJT)或场效应晶体管(FET)来控制螺线管线圈42中的电流，和尽管此类晶体管还可用于放大器中或可自身视为放大器，但是其在接通/断开电路(诸如已知系统中的那些)中的使用特征在于以饱和(接通)条件或以切断(断开)条件操作晶体管。该操作模式显著不同于放大器46的功能，放大器46的灵活性和优点示于本文中。在放大器中，诸如本公开的实施例中所用的PWM跨导放大器46，晶体管在饱和状态和截止状态之间来回快速地切换以使晶体管所消耗的功率最小化。然而，该切换以足够高的频率发生，使得该切换频率下的大体所有能量和其谐波可在到达负载之前被过滤掉。其余直流(DC)和较低频率能量经过滤波器到达负载。在该配置中，即使晶体管仅利用其接通或断开状态，放大器子系统的功能也没有缺点地——特别是无已知接通/断开系统的局限性地——提供了模拟放大器的功能和优点。

当人们认识到许多现有分配机器作为伺服电机机构而驱动分配单元时，实现了利用放大器46来驱动螺线管线圈42的显著商业优点。通过利用该现有基础结构，受螺线管控制的气动驱动泵的部署对现有技术有极大的促进。螺线管阀44可连接至相同连接器，该连接器通常支持伺服驱动泵，并且对用以容纳不同泵类型的系统的改装得以最小化。在被设计成也支持受伺服电机控制的分配泵的系统中使用已知螺线管控制系统将需要用于伺服电机控制的放大器和单独螺线管线圈驱动系统两者的存在，将需要这两者的组合以支持两种泵类型的驱动。

本公开的其它实施例涉及使一系列液滴中的第一液滴或第一若干最初液滴的分配和该系列液滴中的后续液滴的分配之间的液滴分配行为的差异最小化的方法。观察到，线圈中消耗的功率随着循环频率而改变，线圈的温度随着线圈中消耗的功率而改变，线圈的绕组电阻随着线圈温度而改变，和继而，线圈的响应可随着线圈的绕组电阻而改变。可参考下述关系：

循环频率→所消耗功率→线圈温度→绕组电阻→螺线管响应

当线圈在长时间闲置之后第一次被致动时，线圈将处于一温度下，该温度不同于定期分配的后续液滴所处的温度。因此，如果可以更准确地控制线圈温度，那么可使得线圈的响应更为一致。该方法的实施例还包括利用放大器来驱动螺线管线圈，使得接通和断开时间相比于用现有技术驱动方法获得的时间更快。

在一个实施例中，本公开的方法能够以(实际)任何期望电平控制气动螺线管阀的线圈中的电流流动。具体地，该方法包括用分配单元的PWM跨导放大器驱动线圈中的电流，该PWM跨导放大器利用输入电压来指定和控制负载中的电流。如上文所述及，其它类型的放大器可用于实现相同益处。在一个实施例中，螺线管阀的线圈作为放大器的负载被连接，并且直接地或通过中间滤波器部件(诸如高频扼流电感器)连接至放大器。利用放大器布置，当阀未被主动地致动时，可控制电流以低稳态电平流动。该电平可被选择为足够低以不致动阀，但又足以保持线圈温热。换句话讲，电流控制为模拟控制系统而非数字(接通/断开)控制系统的一部分，该数字控制系统通常见于已知线圈驱动系统，并且利用这种额外的控制来更好地实现整体系统目标。较小保持电压的益处也可通过模拟放大器控制来实现。

一些已知系统发现了维持螺线管线圈的温度的优点(参见授予North的美国专利No.8,339,762)。然而，此类已知系统使用短脉冲来消耗线圈中的一些能量，而不将螺线管激励至接通位置。

在一种方法中，线圈是针对24V设计的，并且在25℃下具有约15欧姆的电阻，从而得到1.6安培的电流。当线圈变热时，电阻将增加并且电流将减小。1.4A的受控致动电流使得阀以与较高电流大体相同的速度来致动，并且因此使不必要的绕组加热最小化。一旦处于致动状态，则线圈将维持其致动位置，直至电流减小至低于约300mA。低于该电平的话，该特定线圈将返回至不被激励状态。此外，将电流维持在远低于该保持电流阈值的电平将不会使阀返回至激励状态。

用大约0.1A的无功电流将线圈的无功温度增加，这具有有益效果。该低“本底”电流生成足够热量以将线圈加热至高于环境温度，但其不妨碍线圈的正常操作。实际上，用以在线圈中产生相同稳态温度所需的无功电流的电平将取决于环境条件、线圈的热时间常数、线圈的正常定期致动速率，和其它类似因素和变量。

当比较气动阀中提升阀的位置相对于时间的响应时，线圈中低电平“无功电流”的存在可显著减少或甚至消除第一致动响应中的差异。参考图5和图6，第三迹线表示螺线管提升阀的运动。可看出，图6中阀的响应更加一致，因为它是已相对于图5中所见的缘于第一脉冲响应的独立迹线经过校正的。

如图5和图6所示，第一迹线表示电流命令，第二迹线表示触发器，第三迹线表示提升阀位置，并且第四迹线表示活塞位置。这些迹线由数字示波器以持续模式捕获，其中十个事件的迹线彼此重叠。如图5中的第三组迹线中所见，一个事件响应不同于扫描组中的其它事件的响应——这就是不活动周期之后的第一事件(即，第一液滴)。在第四迹线中还可看出，活塞有区别地对提升阀响应中的这种变化作出响应。在图6中，线圈中的无功电流已被引入，并且在表示提升阀响应的第三组迹线中，可以清楚看到，所有的提升阀响应曲线为基本相同的。活塞响应的其余轻微改变是由于其它原因。

因此，尽管已描述了本公开的至少一个实施例的若干方面，但是应当理解，各种变更、修改和改进对于本领域的技术人员而言是容易想到的。此类变更、修改和改善旨在为本公开的一部分，并且旨在落在本发明的精神和范围内。因此，前述描述和附图仅作为实例。

Claims (16)

1.一种用于将材料分配于基板上的系统，所述系统包括：

分配单元，所述分配单元包括分配活塞，所述分配活塞从第一下部位置气动地被驱动至第二上部位置；

螺线管阀，所述螺线管阀耦接至所述分配单元，所述螺线管阀配置成控制空气去往和来自所述分配活塞的流动，所述螺线管阀包括螺线管线圈；

放大器，所述放大器连接至所述螺线管线圈；和

控制器，所述控制器耦接至所述放大器，所述控制器被配置成对所述放大器生成命令信号以控制所述螺线管线圈中的电流；

其中所述控制器配置为用减小的保持电流将所述螺线管阀的所述螺线管线圈维持于接通状态以使当所述螺线管线圈断开时螺线管磁场瓦解所需的时间最小化。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述放大器为跨导脉宽调制放大器。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述放大器通过无源电气滤波器部件连接至所述螺线管线圈。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述螺线管阀的所述螺线管线圈作为所述放大器的负载被连接。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述螺线管阀的所述螺线管线圈直接地或通过中间滤波器部件连接至所述放大器。

6.根据权利要求1所述的系统，其中使所述螺线管线圈的磁场瓦解和所述螺线管阀关闭所需的时间通过指定极短时间段的微负电流被进一步缩短，以将场强度更快速地和主动地驱动至近零断开状态条件。

7.根据权利要求1所述的系统，其中在所述螺线管阀的所述螺线管线圈中建立电流所需的时间与可用供电电压成反比例。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述放大器允许使用高于所述螺线管阀的所述螺线管线圈的额定电压的供电电压。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述分配单元配置成将粘性材料分配于电子基板上。

10.一种用于将粘性材料分配于电子基板上的系统，所述系统包括分配单元、螺线管阀和控制器；所述分配单元包括分配活塞，所述分配活塞从第一下部位置被气动地驱动至第二上部位置；所述螺线管阀耦接至所述分配单元，所述螺线管阀配置成控制空气去往和来自所述分配活塞的流动；所述控制器耦接至所述螺线管阀，其中所述螺线管阀包括：

螺线管线圈，和

放大器，所述放大器连接至所述螺线管线圈，

其中所述控制器配置成对所述放大器生成命令信号以控制所述螺线管线圈中的电流；

其中所述控制器配置为用减小的保持电流将所述螺线管阀的所述螺线管线圈维持于接通状态以使当所述螺线管线圈断开时螺线管磁场瓦解所需的时间最小化。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述放大器为跨导脉宽调制放大器。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述放大器通过无源电气滤波器部件连接至所述螺线管线圈。

13.根据权利要求10所述的系统，其中所述螺线管阀的所述螺线管线圈作为所述放大器的负载被连接，并且其中所述螺线管阀的所述螺线管线圈直接地或通过中间滤波器部件连接至所述放大器。

14.根据权利要求10所述的系统，其中使所述螺线管线圈的磁场瓦解和所述螺线管阀关闭所需的时间通过指定极短时间段的微负电流被进一步缩短，以将场强度更快速地和主动地驱动至近零断开状态条件。

15.根据权利要求10所述的系统，其中在所述螺线管阀的所述螺线管线圈中建立电流所需的时间与可用供电电压成反比例。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述放大器允许使用高于所述螺线管阀的所述螺线管线圈的额定电压的供电电压。

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