CN1665015A - 用于定位物体的执行机构的分离 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于定位物体的装置和方法，其和第一支撑结构、第二支撑结构相连，第一执行机构沿着第一轴线驱动第一支撑结构；第二执行机构沿着第二轴线驱动第一支撑结构，该第二轴线正交于第一轴线；包含有转子和定子的第三执行机构，用于驱动第二支撑结构，该第二支撑结构相对于该第一支撑结构沿着第三轴线被引导移动，该第三轴线正交于第一轴线和第二轴线；该转子和第二支撑结构相连，并随着定子移动，以及该定子相对静止并和该第二支撑结构相分离。

Description

用于定位物体的执行机构的分离

技术领域

本发明涉及电动执行机构(motorized actuators)的使用，其可在不同的正交方向配合驱动和定位物体，诸如附着于XYZ线性移动平台上的末端执行器。

背景技术

由于半导体工业上应用所要求的联合运动的复杂性，可沿正交的X，Y和Z轴移动的线性移动平台(也称为XYZ线性移动平台)已经广泛应用于加工工具和半导体工业。一种普遍的应用是使用执行机构来驱动物体，例如放在类似于平台或台体的支撑结构上的半导体接合头。通过控制该台体和平台的位置，可将该接合头进行相应的定位。

用于该XYZ线性移动系统最简单的配置是将这种使用三个叠加线性移动平台的系统，每个平台的移动是通过结合于该平台的执行机构进行控制，和将沿着正交移动轴线之一移动该平台。在该设计中，控制叠置平台的执行机构的重量通常是由另一个平台支撑，其是由于该执行机构被设计来随着该平台移动，。然而，由其他平台支撑和由其他执行机构驱动的执行机构的尺寸和重量在获得高速移动和极精确定位方面却产生了障碍。当增加在移动轴线上的负载时，诸如结构振动这样各种各样的难题便随之产生，从而需要提升系统的复杂性才得以设法消除这些难题。因此，减少每一个执行机构所装载和驱动的负载是令人所期望的。

为了减少增加重量在移动稳定性方面的影响，研发出了几种机械装置，用以寻求从移动轴线上分离虚拟负载(dummy loads)。“分离”在此处的含义是削减一执行机构和另一执行机构之间的相互关联，以便于一个执行机构的全部重量不由另一执行机构所传送或支撑。不同于仅仅沿X轴和Y轴移动的平台，其只需要一执行机构以至少部分分离于沿正交移动轴线的另一平台，而具有可分离的XYZ平台的前提也包括从另外两个移动轴线上分离出第三个执行机构。

在大多数传统的XYZ线性移动系统中，至少有两个执行机构是相互连接成一定程度。错误的分离不同移动轴线意味着至少一个平台和执行机构需要承担另一个平台和执行机构上的虚拟负载。如果该执行机构是由螺线管、气压柱式马达(pneumatic cylinder motor)或具有相对较轻重量的类似物组成，则额外的负载或许没有意义。然而，随着更高定位精确度和更快加速度需求的提高，具有重定子重量的线性马达的使用将引起更多的重视。

如图1所示，现有技术提供了从一个平台分离出第三个执行机构的装置，而该平台是由另外两个执行机构驱动的。笛卡尔坐标系统的这三个坐标轴标记为X，Y，Z，其中Z轴对应垂直方向。一复合平台44，其由X执行机构41和Y执行机构42驱动，并沿X和Y这两个移动轴移动。这两个移动轴或相连或相分离。Z平台45相对于复合平台44由其上的一对导轨46所引导，并在Z方向上移动。Z执行机构43驱动Z平台45在Z方向上移动通过触点40，该触点40与一辅助连接物(auxillarycoupler)47相连接。该辅助连接物47由固定轨道50引导，沿Z方向移动。触点40可由滑动物质、滚球或类似物构成，以便于在复合平台44沿X和Y方向移动的同时，该触点可滑过Z平台45的表面48。通过使用拉紧弹簧49来确保触点40和表面48之间的持久接触，该拉紧弹簧49是预先装设在复合平台44和Z平台45之间。因此，Z执行机构43能够安装于一独立支撑体上，并当移动平台44，45由X和Y执行机构驱动时，其Z执行机构可以从移动平台44，45上分离。

用于这些线性移动平台44和45的执行机构41，42和43可以由机械的，电子的或气动的装置组成，以用于提供线性移动。安装在Z平台45上的末端执行器(图中未标识)能够通过各自的移动平台44，45的联合移动而在X，Y和Z方向上移动。

与以堆叠(stacked)方式配置的XYZ平台相比较，该配置中Z平台是直接安装在其他平台上，而上述的XYZ平台则是从X和Y移动轴线分离出Z执行机构43。因此，由安装在其他平台上的Z执行机构的重量引起的虚拟负载得以避免。然而，系统长期使用后其辅助连接器47和表面48的磨损也会反过来影响XYZ平台的精确调整和定位。

为了实现Z平台的精确定位和调整，提高加工质量和避免结合(mating)表面的对抗性反应(backlash)，其平整性和光滑性是重要因素。然而，由于表面之间产生摩擦，前述接触部件的磨损是无法避免的。此外，源自反对抗或以保持结合表面持久连接的拉紧弹簧的阻力一定要足够大，否则在快速加速过程中，由于执行激励的缓慢响应而导致平台震荡。其会导致摩擦力的增加，该摩擦力会加速接触部件的磨损。

发明内容

本发明的目的在于提供大量执行机构以在不同的正交轴线上驱动物体，其中这些执行机构中至少有一个是与其他执行机构至少部分的分离开，从而解决了如上所述的现有技术中的某些不足。

本发明一方面提供一种用于定位物体的装置，其和第一支撑结构、第二支撑结构相连，该装置包含有：第一执行机构，用于沿着第一轴线驱动第一支撑结构；第二执行机构，用于沿着第二轴线驱动第一支撑结构，该第二轴线正交于第一轴线；以及包含有转子和定子的第三执行机构，用于驱动第二支撑结构，该第二支撑结构相对于该第一支撑结构沿着第三轴线被引导移动，该第三轴线正交于第一轴线和第二轴线；其中，该转子和第二支撑结构相连，并随着定子移动，以及该定子相对静止并和该第二支撑结构相分离。

本发明另一方面提供一种用于定位物体的方法，其和第一支撑结构、第二支撑结构相连，该方法包括：沿着第一轴线驱动第一支撑结构；沿着第二轴线驱动第一支撑结构，该第二轴线正交于第一轴线；以及提供包含有转子的执行机构，该转子和第二支撑结构相连，并随着相对静止的定子移动；当该第二支撑结构相对于该第一支撑结构引导移动时，驱动该转子沿着第三轴线相对于该定子移动，该第三轴线正交于第一轴线和第二轴线；以及从该第二支撑结构分离该定子，并保持该定子相对固定。

参阅后附的描述本发明实施例的附图，随后来详细描述本发明是很方便的。附图和相关的描述不能理解成是对本发明的限制，本发明的特点限定在权利要求书中。

附图说明

图1所示为现有技术XYZ线性移动平台的运动学布置示意图；

图2所示为根据本发明第一较佳实施例XYZ线性移动平台的运动学布置示意图；

图3是采用图2所说明原理的XYZ平台的立体图；

图4是从图3中沿Y轴A方向所视的XYZ平台的示意图；

图5a-5d所示从图4中类似位置所视的示意图，其说明了对应于Y和Z线性执行机构的线圈支架的四个极端位置的XYZ平台上的不同位置；

图6所示为根据本发明第二较佳实施例XYZ平台的示意图。

具体实施方式

图2是根据本发明第一较佳实施例一种XYZ线性移动平台的运动学(kinematic)分布示意图。和图1中的现有技术相比较，在该运动学分布示意图中描述了该装置以突出其分离机构(decouplingmechanism)。以复合平台(compound table)54的形式存在的第一支撑结构，由第一和第二X和Y执行机构51、52所驱动，分别沿着第一和第二移动轴线X和Y移动。关于这两个移动轴线的X和Y执行机构51、52或相连接或相分离。该执行机构51、52通过机械、电气或气动装置驱动复合平台54以传送线性运动。第二支撑结构以Z平台55的形式，由复合平台54上的一对轨道56引导，通过第三执行机构沿着Z方向移动。不同于图1中的可由任一种执行机构驱动的Z平台45，此处的Z平台55由线性马达53沿着第三或Z轴驱动。但是，该线性马达53在转子(forcer)(即马达的可转动部件，在本实例中其为线圈托架(coilbracket)57)和定子(stator)(即马达的静止部件，在本实例中其为磁铁支架(magnet layings)58)之间构造有空间容差(spaceallowances)，以便于当Z平台被X和Y执行机构51、52以及复合平台54移动时，转子也被允许在X和Y方向上移动，而不是如同大多数传统的线性马达系统中被限制在沿着激励移动轴线(energized motionaxis)移动。该转子或线圈托架57，和定子或磁铁支架58相邻布置，并完全平行于该Y-Z轴线所在的平面延伸。

在转子和定子之间提供的间隔或间隙决定了Z平台55由此分离的轴线和其所移动的距离。总间隔一定要大于物体沿着该轴线移动的距离。当转子在该间隔中相对于定子移动时，本实施例不需要额外的机械连接器(mechanical coupler)和定向器(guidings)。此外，从移动平台54和55中分离出的Z线性马达53上的定子被安置在一独立的静止支撑平面上，并从Z平台55分离出，以便于其上的虚拟负载，尤指线性马达托架的重量，能够被消除。待定位的物体和以移动平台54，55的形式存在的第一和第二支撑结构相连接。在本实施例中，该物体安装在Z平台55上，并通过各个平台54，55的移动联合而能够在X，Y和Z方向上移动。

图3是XYZ平台的立体视图，其所遵循的原理如图2所示。该XYZ平台的主要组成部件是三个线性移动平台1，2和3，其可在X，Y和Z轴线上各自移动。更佳的，如图所示该X平台1由X线性马达4所驱动。然而，只要提供在X方向的线性移动，该线性移动就能够通过机械、电气或气动装置驱动，而该Y平台2和Z平台3分别由Y和Z线性马达或执行机构5，6所驱动。所有线性马达或执行机构4，5和6被分离出，也可以理解为每个马达的大部分重量是通过从移动平台1，2，3中分离出来的支撑平面所独自支撑的。该X执行机构4以静止方式安置于一机座上，同时该Y和Z执行机构5，6是由静止支架22所支撑。该设备的具体结构配合图4详细描述如下。

参照图3沿着Y轴线的方向A所视，图4是XYZ平台的示意图。第一或X执行机构4可包含任何种类的马达，图中用箭头表示。该Y和Z线性马达或第二和第三执行机构5，6每一个由诸如带有缠绕线圈的线圈支架9，10的转子，及马达容置支架7，8内的诸如永久性磁铁支架11，12的定子组成。在马达容置支架7，8的两个相对的内壁处设置有该永久性磁铁支架11，12。该磁铁在移动方向沿着每一个线性马达5，6移动线圈支架9，10的路径排列和延伸。相邻的磁铁具有多重极性，以致于和由线圈支架9，10内的线圈产生的电磁场相互作用。这产生转换阻力以驱动该Y和Z平台2，3移动。在这些内壁之间，提供有充足的间隙以使线圈支架9，10能够在该X和Y两个方向上沿着马达的长度纵向改变。X执行机构4和第二和第三执行机构5，6的马达容置支架7，8可以全部安装在固定表面上。相应地，磁铁支架12完全平行于沿着Y-Z轴线所在的平面，及线圈支架10也完全平行于该平面延伸。

依附于诸如Y线圈支架9的第二转子、包含于该第一支撑结构中的Y平台2安装在Y滑轨13上，以便于其移动是由安装在X平台1上的Y导引轨道14所引导。为了避免Y线圈支架9在其沿着X方向移动期间和Y马达支架7碰撞，提供一充分的Y凹槽16，以便于提供足够的空间用于线圈支架9沿Y轴线移动。在X轴线上Y线圈支架9和磁铁支架11的两侧也提供一恒定的气体间隙15，因此就可以提供足够的空间用于Y线圈支架9在磁铁支架11之间但不触及到其表面沿着X方向移动。所以，当该Y线圈支架7被其自身的线性马达5激发时，该Y线圈支架7除了会沿着Y方向移动之外，也可以按照该X平台1的移动而移动。通过该磁铁分离装置，用于该X和Y平台1，2的执行机构能够以静止的方式被至少部分的分离和安装。该Y线圈支架9或第二转子和Y磁铁支架11或第二定子都平行于X-Y轴线所在的平面延伸。

同样的，第二支撑结构或附着于Z线圈支架10上的Z平台3安装在Z滑体17上，以便于Z平台3通过Z导引轨道18的引导而相对于Y平台2移动。该Z导引轨道18依次安装在Y平台2上，所以该Z平台3不但沿着Z方向还可以沿着Y平台2移动的方向移动。由于该Y平台2按照X和Y两个方向移动，故通过附着在Z平台3上的末端执行器21所代表的物体能够沿着由X，Y和Z的合成方向进行移动。该末端执行器21可以包含半导体接合头。为了避免该Z线圈支架10和Z安装支架8碰撞，为线圈支架10提供有一充分的Z凹槽20，以便于可以提供足够的空间用于Z线圈支架10沿着Z方向移动。不同于Y气体间隙15，其在Y线圈支架9沿着X和Y方向移动的过程中保持相对不变，而在Z线圈支架10和Z磁体支架12之间的该气体间隙19则是足够大，以便于能提供足够的空间用于该Z线圈支架10沿着X方向移动而又不触及到Z磁体支架12的表面。因此全部气体间隙19大于由物体或末端执行器21沿着X轴线可移动的距离。

为了简单起见，沿着X，Y和Z方向平台的移动现在分别进行描述。值得注意的是，平台的移动可以沿着任何合成的方式并按照不同顺序发生和/或以常态运作方式同时发生。对于X移动，该X平台1由该X执行机构4驱动。只要能够提供线性移动，马达的种类是没有差别的。由于该Y轨体13同安装在X平台1上的Y导引轨道14相接合，该X平台1的移动会连同该Y线圈支架9一起带动该Y平台2。同样带有安装于Y平台2上的Z导引轨道18的Z平台3随着X平台1移动。该Y和Z线圈支架9，10安装在该Y平台2和Z平台3上，也分别随着X平台1的移动沿着X方向移动。该X平台1所移动的距离是由该Z气体间隙18的尺寸所决定的。该气体间隙18是足够大的，其为Z线圈支架10在Z安装支架8内沿X轴线的不同方向移动提供了充足的空间。然而，为了避免该线圈支架9，10与马达支架7和8相接触或碰撞，于安装在该X平台1的两端的装置上装设有停止器(stopper)(图中未标识)，其用以限制X平台1的移动量。因此，该Y线性马达5和该Z线性马达6部分的从该X平台1分离出，并且其定子能以静止的方式安装于静止的表面，这样从该物体分离出来。

对于Y移动而言，当该Y线圈支架9内的线圈激活电流时，由该线圈所产生的电磁场和两侧的Y磁铁支架11相互作用。在该Y线性马达5内的磁铁排列并沿着移动的方向延伸，以便于相邻接的磁铁具有多重极性(alternating polarity)，而产生移动力以驱动该Y平台2移动。无论该Y平台2的X和Y的位置如何，该Y线圈支架9内的线圈采用总是由该Y磁铁支架11围绕的方式进行布置。因此，在该磁铁支架11内源于永久磁铁的充足磁场是能够确保提供用以驱动该Y平台2移动的足够移动力。磁铁支架11或第二定子和Y线圈支架9和第二转子充分的沿着平行于X-Y轴线所在的平面延伸。

引导该Z平台3的Z移动的Z导引轨道18安装在Y平台2上。因此，安装有Z线圈支架10的Z平台3在Y方向上随着Y平台2而移动。于该Y线性马达2的Y安装支架7的两端都装设有停止器(图中未标识)，用以限制Y平台2的移动量。

为了从该Y平台2分离出Z线性马达6，在Z线性马达6内的磁铁支架(magnet layings)12沿着Y和Z方向排列和延伸，以便于在该Z线圈支架10内的线圈总是被该磁铁支架12所围绕，而无论该Z平台3的X，Y和Z的位置如何。当该Z线圈支架10内的线圈激活电流时，在该磁铁支架12内源于永久磁铁的充足磁场能够确保产生用以驱动该Z平台3在Z轴移动的移动力。提供有停止器(图中未标识)，用以限制该Z平台3移动的距离。

通过移动控制器(motion driver)(未示)控制该Y和Z平台2，3的移动，该控制器控制该线性马达5，6的激励。每个平台都提供有译码器(图中未标识)，以便监控平台的当前位置，并反馈给处理器以精确定位。

图5a-5d为从与图4相似位置所视的示意图，其说明了与该Y和Z线性执行机构5，6的线圈支架的四个极端位置相对应的XYZ平台的不同位置关系。总共有八种可能的极端位置。在-X和+Z，+X和+Z，-X和-Z，+X和-Z轴线上的极端位置已经分别在图5a，5b，5c和5d中显示出。简单而言，用于表示在极端Y位置上的其他四种极端位置的附图与图5a-5d中表示的沿着Y轴所视的附图相近似，在此省略。

图6表示为根据本发明的第二最佳实施例的XYZ平台的示意图。该第二最佳实施例和第一最佳实施例之间的主要区别在于该Y线性马达34的布置。该Y线圈支架38没有安装在如图4所示的正交于Z线圈支架上，而是对准平行与Z线圈支架39。因此，该第二转子和第二定子完全平行于沿着该Y-Z轴线所在的平面。不同于图4所示的实施例，在那里该Y线圈支架和磁铁支架之间保持恒定的气体间隙15，而气体间隙35则是足够大的，以用于提供Y线圈支架38足够的空间而在该Y马达支架37内的磁铁支架36之间的任何方向沿着X轴线移动。该Y气体间隙35的总体尺寸大于由物体沿着X轴线移动的距离。为了简短而言，该平台31，32和33移动的深入讨论与图4中第一实施例的描述相近似，此处不再累述。

对描述的本发明而言，该线性马达是U形隧道(U-channel)的形式。然而，并非以此否定线性马达的各种配置的可能性，如平面类型和U-类型，可以是单相位和多相位。

此外，尽管本实施例说明了Y和Z线圈支架是相对于该静止的马达安装支架移动的，但是该平台是通过包含有移动磁铁的转子和包含有带绕组的静止线圈支架的定子所驱动来更换。

此外，在上述实施例中，尽管该X和Y平台的移动是由线性马达所驱动的，该移动也可以由机械，电气或气压装置来实现，只要该线性移动是在相应的方向上提供即可。然而，为了实现同样的分离效果，线性马达至少可以更适宜的驱动一个平台。

在上述实施例中，尽管由磁铁分离装置分离出X和Y执行机构，但并非表明其也可以通过其他各种装置分离出。此外，本发明还适用与当X和Y执行机构没有被分离出的情况。

显然，值得注意的是该X，Y和Z平台的布置是本发明的实施例之一。能够实现本发明目的的组件的每一种可能的组合方式在此不可能一一列举。本发明还具有更多的组合和变换方式。

本发明最佳具体实施例提供的优点如下：由于采用线性马达而产生的高速度，高加速度和精确定位，其都是，其无需破坏其结构的稳定性就可以传送马达的额外负载。不同于现有技术中使用的机械分离方法，本最佳具体实施例无需额外提供辅助分离器或定向器。这样也就避免了由这些器件而产生的振动。

当该Z线圈支架移动连接到Y线圈支架时，而该Y线圈支架沿着Y方向的移动是由该Z线圈支架分离出来。因此，尽管要传送该线圈支架的重量，但是由于该执行机构其余的重量(诸如相对较重的磁铁支架)不再传送，所以该执行机构进行了充分的分离。其至少与现有技术中堆叠配置和机械分离配置相比较而言，该Y线圈支架在Y移动的过程中传送的额外负载相当小。在本实施例的描述中，该Y平台传送的额外负载仅仅为该Z线圈支架的重量。相比较而言，其是由现有的机械分离装置支撑的辅助分离器和额外定位器的重量，与现有的用堆叠配置方式支撑的该Z执行机构的全部重量。

本发明在所具体描述的内容基础上很容易产生变化、修正和/或补充，可以理解的是所有这些变化、修正和补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。

Claims (20)

1、一种用于定位物体的装置，其和第一支撑结构、第二支撑结构相连，该装置包含有：

第一执行机构，用于沿着第一轴线驱动第一支撑结构；

第二执行机构，用于沿着第二轴线驱动第一支撑结构，该第二轴线正交于第一轴线；以及

包含有转子和定子的第三执行机构，用于驱动第二支撑结构，该第二支撑结构相对于该第一支撑结构沿着第三轴线被引导移动，该第三轴线正交于第一轴线和第二轴线；

其中，该转子和第二支撑结构相连，并随着定子移动，以及该定子相对静止并和该第二支撑结构相分离。

2、如权利要求1所述的装置，其中该转子和定子彼此相邻布置，并完全平行于该第二轴线和第三轴线所在的平面延伸。

3、如权利要求2所述的装置，该装置包含有间隙，其是沿着第一轴线位于该转子和定子之间，该间隙大于该物体沿着第一轴线移动的距离。

4、如权利要求3所述的装置，该装置包含有装于其上的停止器，该停止器有效防止转子和定子之间沿着第一轴线的接触。

5、如权利要求1所述的装置，其中该第二执行机构包含有第二转子，其随着相对静止的第二定子移动，该第二转子和该第一支撑结构相连，该第二定子和该第一支撑结构相分离。

6、如权利要求5所述的装置，其中该第二转子和第二定子彼此相邻布置，并完全平行于该第一轴线和第二轴线所在的平面延伸。

7、如权利要求5所述的装置，其中该第二转子和第二定子彼此相邻布置，并完全平行于该第二轴线和第三轴线所在的平面延伸。

8、如权利要求7所述的装置，该装置包含有间隙，其沿着第一轴线位于该第二转子和第二定子之间，该间隙的大小大于沿着第一轴线由该物体移动的距离。

9、如权利要求1所述的装置，其中该定子安装于与该物体分离的静止表面。

10、如权利要求1所述的装置，其中该转子包含有线圈托架，该线圈托架包含有线圈绕组。

11、如权利要求1所述的装置，其中该定子包含有永久磁铁支架，其布置于该转子的任一侧。

12、一种用于定位物体的方法，其和第一支撑结构、第二支撑结构相连，该方法包括：

沿着第一轴线驱动第一支撑结构；

沿着第二轴线驱动第一支撑结构，该第二轴线正交于第一轴线；以及

提供包含有转子的执行机构，该转子和第二支撑结构相连，并随着相对静止的定子移动；

当该第二支撑结构相对于该第一支撑结构引导移动时，驱动该转子沿着第三轴线相对于该定子移动，该第三轴线正交于第一轴线和第二轴线；以及

从该第二支撑结构分离该定子，并保持该定子相对固定。

13、如权利要求12所述的方法，其中该转子和定子相互相邻布置，并完全平行于该第二轴线和第三轴线所在的平面延伸。

14、如权利要求13所述的方法，该方法包括：

沿着第一轴线在一间隙内相对于该定子移动该转子，该间隙沿着第一轴线形成于该转子和定子之间，以使得该转子沿着该第一轴线移动而不和该定子接触。

15、如权利要求14所述的方法，其中该位于转子和定子之间的间隙的大小大于该物体沿着第一轴线移动的距离。

16、如权利要求14所述的方法，该方法包括：

使该转子的移动停止，以防止转子和定子之间的接触。

17、如权利要求12所述的方法，其包括：

提供一第二执行机构，该第二执行机构包含有和该第二支撑结构相连的第二转子，其随着相对静止的第二定子移动，驱动该第二转子沿着第二轴线相对于第二定子移动，并从第一支撑结构分离该第二定子和保持第二定子相对静止。

18、如权利要求17所述的方法，其中该第二转子和第二定子相互相邻布置，并完全平行于该第一轴线和第二轴线所在的平面延伸。

19、如权利要求17所述的方法，其中该第二转子和第二定子相互相邻布置，并完全平行于该第二轴线和第三轴线所在的平面延伸。

20、如权利要求19所述的方法，该方法包括：

沿着第一轴线在一间隙内相对于该第二定子移动该第二转子，该间隙形成于该第二转子和第二定子之间，该间隙的大小大于该物体沿着第一轴线移动的距离。

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