CN113628990B - 旋转升降运动机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种旋转升降运动机构，包括：旋转导向磁铁轴、线性直线电机线圈、重力补偿器和电机，所述线性直线电机线圈和所述重力补偿器均套设在所述旋转导向磁铁轴上，所述线性直线电机线圈仅驱动所述旋转导向磁铁轴进行升降运动，所述重力补偿器对所述旋转导向磁铁轴重力进行补偿，所述电机驱动所述旋转导向磁铁轴旋转。本发明中旋转导向磁铁轴的重力由重力补偿器补偿，旋转导向磁铁轴的旋转由电机驱动，线性直线电机线圈仅需提供旋转导向磁铁轴进行升降运动的驱动力，减小线性直线电机线圈提供的驱动力，降低了运动轴(旋转导向磁铁轴)的复杂性，提高运动轴动态性能。

Description

旋转升降运动机构
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种旋转升降运动机构。
背景技术
旋转升降运动机构应用于多种场合，在半导体制造技术领域例如可应用于硅片传输预对准设备，芯片晶圆键合设备等。旋转升降运动机构在晶圆键合设备中多处使用，如键合头、拾片手等。键合头为粘片机上的关键部件,需要精确、平稳地往返于拾片和粘片位置或键合位置,实现芯片的拾取、传送和粘接等动作。
现有的旋转升降运动机构，有的运动轴采用双轴，有的驱动部件驱动垂向上整个轴的升降和旋转，还需承载运动轴的重力，运动轴结构复杂，质量重，运动速度低，高频运动性能差。
由于提升产率的要求，对旋转升降运动机构的运动速度、运动频率提出非常高的要求，因此要求尽可能整合并轻量化，以提高动态性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种旋转升降运动机构，降低运动轴的复杂性，提高运动轴动态性能，提高设备产率。
本发明提供一种旋转升降运动机构，包括：
旋转导向磁铁轴、线性直线电机线圈、重力补偿器和电机，所述线性直线电机线圈和所述重力补偿器均套设在所述旋转导向磁铁轴上，所述线性直线电机线圈仅驱动所述旋转导向磁铁轴进行升降运动，所述重力补偿器对所述旋转导向磁铁轴重力进行补偿，所述电机驱动所述旋转导向磁铁轴旋转。
进一步的，在轴向方向上，所述重力补偿器与所述电机之间设置有旋转导向轴承；所述旋转导向轴承套设在所述旋转导向磁铁轴上。
进一步的，所述旋转导向磁铁轴和所述旋转导向轴承沿轴向其中一个设置有键槽，另一个设置有凸键，所述键槽与所述凸键匹配；通过所述键槽与所述凸键匹配，所述旋转导向磁铁轴沿所述旋转导向轴承垂向滑动，且所述电机驱动所述旋转导向轴承转动，所述旋转导向轴承带动所述旋转导向磁铁轴旋转。
进一步的，所述电机通过联轴器驱动所述旋转导向轴承旋转。
进一步的，所述旋转导向轴承包括轴承内圈和轴承外圈，所述轴承外圈固定，所述轴承内圈轴向的一端固定连接有转动轴，所述转动轴与所述电机的输出轴通过所述联轴器连接固定，所述轴承内圈侧壁上沿轴向设置有所述凸键或所述键槽。
进一步的，所述旋转升降运动机构还包括气浮导向单元，所述气浮导向单元包括气浮轴套，所述气浮轴套套设在所述旋转导向磁铁轴上且径向间隙配合；在轴向方向上，所述气浮轴套位于所述线性直线电机线圈与所述重力补偿器之间。
进一步的，所述气浮轴套与所述旋转导向磁铁轴的径向间隙距离在1μm～10μm范围内。
进一步的，所述气浮导向单元还包括气浮轴套座，所述气浮轴套座固定所述气浮轴套，所述气浮轴套座具有延伸部，所述线性直线电机线圈、所述重力补偿器和所述电机均固定在所述延伸部上。
进一步的，所述旋转导向磁铁轴在所述气浮轴套和所述旋转导向轴承套设的部分为磁性材料时，所述气浮轴套和所述旋转导向轴承为非磁性材料。
进一步的，所述线性直线电机线圈作为Z轴定子，所述旋转导向磁铁轴作为Z轴动子，所述线性直线电机线圈与所述旋转导向磁铁轴之间存在径向间隙。
进一步的，所述重力补偿器包括：磁浮补偿磁铁和磁铁座，所述磁浮补偿磁铁套设在所述旋转导向磁铁轴上且存在径向间隙，所述磁铁座固定所述磁浮补偿磁铁，所述磁浮补偿磁铁与所述旋转导向磁铁轴的充磁方向相反。
进一步的，所述重力补偿器保持所述旋转导向磁铁轴的初始位置和断电位置。
进一步的，所述旋转导向磁铁轴整个轴全部为磁性材料，或者所述旋转导向磁铁轴仅在所述线性直线电机线圈和所述重力补偿器套设的部分为磁性材料。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
所述线性直线电机线圈仅驱动旋转导向磁铁轴进行上下升降运动,所述重力补偿器对所述旋转导向磁铁轴重力进行补偿，旋转导向磁铁轴的重力由重力补偿器补偿，旋转导向磁铁轴的旋转由电机驱动，线性直线电机线圈仅需提供旋转导向磁铁轴进行升降运动的驱动力，减小线性直线电机线圈提供的驱动力，降低了运动轴(旋转导向磁铁轴)的复杂性，提高运动轴动态性能。
附图说明
图1为本发明实施例的旋转升降运动机构示意图。
图2为本发明实施例的重力补偿器装配示意图。
图3为本发明实施例的旋转导向轴承装配示意图。
图4为本发明实施例的气浮导向单元装配示意图。
图5为本发明实施例的旋转导向磁铁轴示意图。
其中，附图标记如下：
10-旋转导向磁铁轴；10’-输出轴端；101-键槽；20-线性直线电机线圈；30-气浮导向单元；301-气浮轴套；302-气浮轴套座；302a-第一延伸部；302b-第二延伸部；302c-第三延伸部；40-重力补偿器；401-磁铁座；402-磁浮补偿磁铁；50-旋转导向轴承；501-凸键；60-联轴器；70-电机；80-气体接头。
具体实施方式
基于上述研究，本发明实施例提供了一种旋转升降运动机构。以下结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明实施例提供了一种旋转升降运动机构，包括：旋转导向磁铁轴、线性直线电机线圈和重力补偿器，所述线性直线电机线圈和所述重力补偿器均套设在所述旋转导向磁铁轴上，所述线性直线电机线圈驱动所述旋转导向磁铁轴进行升降运动，所述重力补偿器对所述旋转导向磁铁轴重力进行补偿，所述电机驱动所述旋转导向磁铁轴旋转。
下面结合图1至图5详细介绍本发明实施例的旋转升降运动机构。
如图1所示，本发明实施例提供了一种旋转升降运动机构，包括：旋转导向磁铁轴10、线性直线电机线圈20和重力补偿器40，所述线性直线电机线圈20和所述重力补偿器40均套设在所述旋转导向磁铁轴10上，所述线性直线电机线圈20驱动所述旋转导向磁铁轴10进行上下升降运动，所述重力补偿器40对所述旋转导向磁铁轴10重力进行补偿。所述线性直线电机线圈20作为Z轴定子，所述旋转导向磁铁轴10作为Z轴动子，所述线性直线电机线圈20与所述旋转导向磁铁轴10之间存在径向间隙，以便于旋转导向磁铁轴10在线性直线电机线圈20作用下垂向运动时能顺畅进行，二者互不干涉。
如图1和图2所示，所述重力补偿器40例如为磁浮重力补偿器，用于补偿旋转导向磁铁轴10的重力，所述重力补偿器40包括：磁浮补偿磁铁402和磁铁座401，所述磁浮补偿磁铁402套设在所述旋转导向磁铁轴10上且存在径向间隙，以便于旋转导向磁铁轴10垂向运动时能顺畅进行，与所述重力补偿器40不干涉。所述磁浮补偿磁铁402具体为环形磁铁阵列。所述磁浮补偿磁铁402垂向(即竖直方向)充磁，所述旋转导向磁铁轴10垂向充磁并且与所述磁浮补偿磁铁402的充磁方向相反。所述磁浮补偿磁铁402与所述旋转导向磁铁轴10例如均由钕铁硼(NdFeB)材料制成。所述磁浮补偿磁铁402产生稳定的垂向向上的磁浮力，补偿旋转导向磁铁轴10的重力。
所述磁铁座401套设固定所述磁浮补偿磁铁402。所述重力补偿器保持所述旋转导向磁铁轴的初始位置和断电位置保护。线性直线电机线圈20在初始位置(未启动)和断电时(断电失去控制作用)，对旋转导向磁铁轴10不产生垂向上的作用力，此时重力补偿器40通过磁浮补偿磁铁402产生的洛伦兹力来平衡旋转导向磁铁轴10的重力，避免旋转导向磁铁轴10因重力下降。
所述旋转导向磁铁轴10靠近所述线性直线电机线圈20的一端作为旋转升降运动机构的输出端10’，所述旋转导向磁铁轴10远离所述线性直线电机线圈20的一侧设置有电机70，所述电机70驱动所述旋转导向磁铁轴10旋转。
从下到上，所述电机70依次通过联轴器60、旋转导向轴承50与所述旋转导向磁铁轴10连接，电机70通过联轴器60输出旋转扭矩，所述旋转导向轴承50位于所述重力补偿器40的下方。只有旋转导向磁铁轴10为动子，可在Z向(垂向)上做升降运动。
如图1和图3所示，图3为旋转导向磁铁轴10的下端和旋转导向轴承50的装配示意图。旋转导向轴承50具有轴承内圈和轴承外圈，轴承外圈固定，轴承内圈轴向的一端固定连接有转动轴，所述转动轴与所述电机70的输出轴通过联轴器60连接固定。
具体的，所述旋转导向轴承50的轴承内圈套设在所述旋转导向磁铁轴10上，所述旋转导向磁铁轴10的下端悬空在所述旋转导向轴承50的轴承内圈空间内。所述旋转导向磁铁轴10沿轴向设置有键槽101，所述旋转导向轴承50的轴承内圈侧壁上沿轴向设置有凸键501，所述键槽101与所述凸键501匹配。通过垂向上键槽101沿凸键501滑动，实现所述旋转导向磁铁轴10沿所述旋转导向轴承50垂向滑动。本实施例也可以所述旋转导向磁铁轴10沿轴向设置有凸键，所述旋转导向轴承50的轴承内圈侧壁上沿轴向设置有键槽，凸键与键槽二者匹配。
所述电机70旋转通过联轴器60带动旋转导向轴承50的轴承内圈旋转，于是轴承内圈侧壁上的凸键501一起旋转，凸键501带动键槽101旋转，从而实现旋转导向磁铁轴10的旋转。
如图1和图4所示，所述旋转升降运动机构还包括气浮导向单元30，所述气浮导向单元30包括气浮轴套301，所述气浮轴套301套设在所述旋转导向磁铁轴10上且径向间隙配合，此间隙为气压气膜间隙。轴向上，所述气浮轴套301位于所述线性直线电机线圈20与所述重力补偿器40之间。
具体的，气浮轴套301的内壁上开有导通的出气孔(或出气槽)，气浮轴套301上设有与出气孔(或出气槽)导通的进气孔。使用时，通过进气孔持续通入压缩空气，该压缩空气通过气浮轴套301的内壁上的出气孔引出，使得气浮轴套301内壁与旋转导向磁铁轴10外壁之间形成气浮状态，减小了旋转导向磁铁轴10旋转和垂向运动时的摩擦和震动。一般压缩空气例如为0.4MPa以上。气浮轴套301内壁与旋转导向磁铁轴10外壁径向间隙配合，气浮轴套301内壁与旋转导向磁铁轴10外壁径向距离在1μm～10μm范围内。气浮轴套301的刚性好，气浮轴套301与旋转导向磁铁轴10之间气体润滑，使旋转导向磁铁轴10在旋转和垂向运动的时候无摩擦力或小摩擦力，并使旋转导向磁铁轴10在旋转时不发生转动偏心，也没有发热，保旋转导向磁铁轴10旋转和垂向运动的的平稳性。通过气体润滑也没有磨损，增加旋转升降运动机构的使用寿命。
所述气浮导向单元30还包括气浮轴套座302和气体接头80，气体接头80用于引入气浮导向单元30所需的气体，气体接头80与气浮轴套301的所述进气孔连通。所述气浮轴套座302支撑并固定所述气浮轴套301，所述气浮轴套座具有延伸部，具体的所述气浮轴套座302的一侧垂向上分别向上和向下延伸出第一延伸部302a和第二延伸部302b，第一延伸部302a的高度与所述线性直线电机线圈20的高度相当，所述线性直线电机线圈20固定在第一延伸部302a上；所述重力补偿器40固定在第二延伸部302b上；所述气浮轴套座302还包括第三延伸部302c，所述第三延伸部302c例如为由水平面板和竖直面板构成的直角面板，所述第三延伸部302c的竖直面板与第二延伸部302b在垂向上连接，所述电机70固定在所述第三延伸部302c的水平面板上。所述旋转导向轴承50的轴承外圈可固定在所述气浮轴套座302的延伸部上，例如固定在第三延伸部302c的竖直面板上。如图1所示，I区为旋转导向磁铁轴10和线性直线电机线圈20配合区，此区域具有磁性，实现旋转导向磁铁轴10垂向运动。
II区为旋转导向磁铁轴10和气浮导向单元30配合区，实现旋转导向磁铁轴10旋转和垂向运动时的导向作用。减小了旋转导向磁铁轴10旋转和垂向运动时的摩擦和震动，并使旋转导向磁铁轴10在旋转时不发生转动偏心，也没有发热，保旋转导向磁铁轴10旋转和垂向运动的的平稳性。通过气体润滑也没有磨损，增加旋转升降运动机构的使用寿命。III区为旋转导向磁铁轴10和重力补偿器40配合区，此区域具有磁性，实现旋转导向磁铁轴10重力补偿，减少线性直线电机线圈20的出力，还可以保持旋转导向磁铁轴10的初始位置和断电垂向位置保护。
IV区为旋转导向磁铁轴10和旋转导向轴承50配合区，实现旋转导向磁铁轴10旋转运动时的转矩传递和垂向运动时的自由度解耦。
如图1、图4和图5所示，所述旋转导向磁铁轴10可以是整个轴全部为磁性材料，所述旋转导向磁铁轴10也可以仅在所述线性直线电机线圈20和所述重力补偿器40套设的部分(I区和III区)为磁性材料。
所述旋转导向磁铁轴10在所述气浮轴套301和所述旋转导向轴承50套设的部分(II区和IV区)为磁性材料时，所述气浮轴套301和所述旋转导向轴承50为非磁性材料。
本实施例的旋转升降运动机构，电机70通过联轴器60输出旋转扭矩，再通过旋转导向轴承50带动旋转导向磁铁轴10实现旋转，重力补偿器40实现重力的补偿,因此所述线性直线电机线圈20仅驱动旋转导向磁铁轴(I区至IV区)进行上下升降运动。与现有技术中有的驱动部件驱动垂向上整个轴的升降和旋转，还需承载运动轴的重力，运动轴结构复杂相比，本实施例的线性直线电机线圈20仅驱动旋转导向磁铁轴进行上下升降运动，运动轴(旋转导向磁铁轴)的旋转由电机70驱动，运动轴的重力由重力补偿器40分担，减小了线性直线电机线圈20提供的驱动力，降低了运动轴(旋转导向磁铁轴)的复杂性。
综上所述，本发明提供了一种旋转升降运动机构，所述线性直线电机线圈仅驱动旋转导向磁铁轴进行上下升降运动,所述重力补偿器对所述旋转导向磁铁轴重力进行补偿，旋转导向磁铁轴的重力由重力补偿器补偿，旋转导向磁铁轴的旋转由电机驱动，线性直线电机线圈仅需提供旋转导向磁铁轴进行上下升降运动的驱动力，减小线性直线电机线圈提供的驱动力，降低了运动轴(旋转导向磁铁轴)的复杂性，提高运动轴动态性能。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于与实施例公开的器件相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (12)

1.一种旋转升降运动机构，其特征在于，包括：旋转导向磁铁轴、线性直线电机线圈、重力补偿器和电机，所述线性直线电机线圈和所述重力补偿器均套设在所述旋转导向磁铁轴上，所述线性直线电机线圈仅驱动所述旋转导向磁铁轴进行升降运动，所述重力补偿器对所述旋转导向磁铁轴重力进行补偿，所述电机驱动所述旋转导向磁铁轴旋转；
所述旋转升降运动机构还包括气浮导向单元，所述气浮导向单元包括气浮轴套，所述气浮轴套套设在所述旋转导向磁铁轴上且径向间隙配合；在轴向方向上，所述气浮轴套位于所述线性直线电机线圈与所述重力补偿器之间。
2.如权利要求1所述的旋转升降运动机构，其特征在于，在轴向方向上，所述重力补偿器与所述电机之间设置有旋转导向轴承；所述旋转导向轴承套设在所述旋转导向磁铁轴上。
3.如权利要求2所述的旋转升降运动机构，其特征在于，所述旋转导向磁铁轴和所述旋转导向轴承沿轴向其中一个设置有键槽，另一个设置有凸键，所述键槽与所述凸键匹配；通过所述键槽与所述凸键匹配，所述旋转导向磁铁轴沿所述旋转导向轴承垂向滑动，且所述电机驱动所述旋转导向轴承转动，所述旋转导向轴承带动所述旋转导向磁铁轴旋转。
4.如权利要求3所述的旋转升降运动机构，其特征在于，所述电机通过联轴器驱动所述旋转导向轴承旋转。
5.如权利要求4所述的旋转升降运动机构，其特征在于，所述旋转导向轴承包括轴承内圈和轴承外圈，所述轴承外圈固定，所述轴承内圈轴向的一端固定连接有转动轴，所述转动轴与所述电机的输出轴通过所述联轴器连接固定，所述轴承内圈侧壁上沿轴向设置有所述凸键或所述键槽。
6.如权利要求1所述的旋转升降运动机构，其特征在于，所述气浮轴套与所述旋转导向磁铁轴的径向间隙距离在1μm～10μm范围内。
7.如权利要求1所述的旋转升降运动机构，其特征在于，所述气浮导向单元还包括气浮轴套座，所述气浮轴套座固定所述气浮轴套，所述气浮轴套座具有延伸部，所述线性直线电机线圈、所述重力补偿器和所述电机均固定在所述延伸部上。
8.如权利要求2所述的旋转升降运动机构，其特征在于，所述旋转导向磁铁轴在所述气浮轴套和所述旋转导向轴承套设的部分为磁性材料时，所述气浮轴套和所述旋转导向轴承为非磁性材料。
9.如权利要求1所述的旋转升降运动机构，其特征在于，所述线性直线电机线圈作为Z轴定子，所述旋转导向磁铁轴作为Z轴动子，所述线性直线电机线圈与所述旋转导向磁铁轴之间存在径向间隙。
10.如权利要求1所述的旋转升降运动机构，其特征在于，所述重力补偿器包括：磁浮补偿磁铁和磁铁座，所述磁浮补偿磁铁套设在所述旋转导向磁铁轴上且存在径向间隙，所述磁铁座固定所述磁浮补偿磁铁，所述磁浮补偿磁铁与所述旋转导向磁铁轴的充磁方向相反。
11.如权利要求1所述的旋转升降运动机构，其特征在于，所述重力补偿器保持所述旋转导向磁铁轴的初始位置和断电位置。
12.如权利要求1至11任意一项所述的旋转升降运动机构，其特征在于，所述旋转导向磁铁轴整个轴全部为磁性材料，或者所述旋转导向磁铁轴仅在所述线性直线电机线圈和所述重力补偿器套设的部分为磁性材料。
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