CN202085440U - 带有减少移动质量的直驱贴片系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种带有减少移动质量的直驱贴片系统，该直驱贴片系统包括：无刷旋转电机(20)、无刷直线电机(22)、贴片探头(24)、真空装置(26)、转子(28)以及定子(30)。无刷直线电机(22)和无刷旋转电机(20)分别提供一个直线运动和一个旋转运动，无刷直线电机(22)、无刷旋转电机(20)以及贴片探头(24)结合在一起，探头(24)沿着垂直轴线从定子(30)移动，转子(28)在其轴上旋转贴片探头(24)。当带有贴片探头(24)的旋转电机的转子部分移动时，提供完善的动力，减少了在高加速度里以同样数量的力移动的质量。

Description

带有减少移动质量的直驱贴片系统

技术领域

本实用新型涉及一种带有减少移动质量的直驱贴片系统，其用于微型装置的贴片，例如半导体IC封装或者光学器件。

背景技术

贴片系统在全世界被广泛的使用在自动化应用上。许多不同类型的贴片系统，其中大部分被设计成非常具体的应用。贴片系统的基本功能是来从一个位置取并准确地放置在另一个位置上。大部分常见的贴片应用包括一个垂直运动的轴(Z方向运动)，它由像在XY平台里另一个X轴或者/和Y轴携带着。在应用中，包含微型装置的贴片，这里也需要增加一个旋转运动(Theta轴)。Z轴运动需要拾起一个零件放置在另一个位置。Theta轴运动需要旋转零件到正确的方向。放置的准确度能从几毫米到几个微米的范围。这样一个贴片操作有时也可能含有其他过程，例如在放置后粘合。一个贴片应用的例子是从晶圆拾起一个半导体晶片，放置在基板上，粘结晶片到基板上。另一个例子用于表面贴装机，零组件是快速贴片在PCB上。有了这么多不同类型的装置，本实用新型的目的是有Z轴运动和Theta轴旋转的一个灵活的贴片系统，并且同时也包含一个用于吸放的完整真空系统。系统也被设计成高性能，低移动质量，紧凑的尺寸，高放置精度和良好的动态响应。

美国专利号6,364,387B1由Bolotin实用新型的，其揭露了一个贴片系统，它使用一个带活塞的气缸，通过电子阀门驱动气动来提供为了贴片头的上下运动。这个系统只限于2个控制向上和向下的固定位置。由于没有闭环反馈，它不能很流畅的或者有不同的停止位置的控制运动。当贴片单位需要为了不同高度，一些形状的机械调整或者调试使用将是必要的。当改变产品装置，这意味着停机时间。此外，贴片组件不能提供方向上的调整。这里没有旋转轴。

美国专利号5,422,554由Rohde实用新型的，其揭露了一个贴片组件，它使用一个丝杆连接步进电机来提供Z轴的运动。当步进电机作为一个开环传动器时，测力传感器感应到施加的力，反馈回控制卡。随着步进电机，这个传动器将限制动态响应并且高速度和加速度也不能实现。这个系统也不提供零件方向的Theta校准。

美国专利号5,953,812由Ferrante实用新型的，其揭露一个携带theta轴的Z伺服轴贴片系统。Theta轴由皮带系统连接到一个从旋转轴偏移的伺服电机驱动的。theta轴的总重量必须随着喷管头移动而上下。这限制了像移动质量包括全部的旋转传动器和附加的机械的系统的动态。有theta轴的不是直接驱动的，这里会有齿隙，会造成较差的精度。头也被建有一个真空空间并且在喷管和套管之间的来界定真空室。这需要零件的精密加工来提供严密的公差和好的计量，因此制造的价格将不会是价值不高的。

美国专利号5,315,189和5,446,323由Neff实用新型的，其揭露传动器包括平移和旋转控制。系统使用一个线性音圈电机来提供线性力。音圈电机是基于单相电机，它有一个绕组，端口带有2条电线。当线圈安置在一个由永磁体产生的磁场内，当电流通过线圈时，产生一个力。通过电流方向的转变，产生一个相反的力。位置反馈由LVDT或线性光学编码器提供的。由旋转电机通过连杆机构或皮带/滑轮机制，齿轮系统，或者定子安装在手柄/杆附近的连接，来提供旋转力矩。连杆机构给旋转运动引入了额外的惯量和摩擦力，并且也减少了精度(由于用齿轮和滑轮固有的齿隙)。此外，在所有配置中，整个电机重量和机械重量必须一直上下。执行器的探头也上下移动。这限制了系统的动态性能。

美国专利号5,789,830由Portegies实用新型的，其揭露了串联旋转驱动机器，它提供平移和旋转运动。系统也使用线性的音圈电机来提供线性力。代替安装在执行器探头偏移一点距离的电机和有连杆机构从电机轴到执行器探头来传递旋转力矩，旋转电机安装在同轴对准执行器探头里。在执行器探头上的这个最小的不平衡侧向力，这将导致它摆动。然而，以这个设计，灵活的连接器需要连接电机轴到执行器探头。灵活的连接器需要在2个轴里调节不重合度。这样一个连接器减少系统的刚性，因此减少动态性能。这将会明显的在非常高的角加速度需要的应用，就像涉及非常小角度运动但是在非常短的时间内，并且包括当运动结束时，头寸紧缺公差或者错误容限。在旋转轴里任何灵活性或者低刚性会引起震动并且轴将会在运动结束需要较长的时间来稳定下来。设计中，整个电机重量由线性轴携带着，一直上下移动执行器探头拾取工件。移动活塞，旋转电机和机芯的质量是比拾取的工件的质量来的大。然而，电机和执行器探头是安装在同轴，为了提供给真空执行器探头，一个溶液腔需要被提供。这个溶液腔在由Neff发行的美国专利号5,685,214被揭露。一个有多元化端口成形的圆柱形套筒和由环形密封圈成形的气密密封需要使真空在空心钻杆里从真空端口连接到真空源流动。密封件引入了运动摩擦，这可能由于磨损和密封件的裂纹随着时间变化，影响系统的控制性能。随着磨损，密封件会久而久之变质并且需要被替换，尤其当这样的贴片系统被设计成为了非常高的使用率，通常每天数千个循环或者过了几年数百万次的循环。

实用新型内容

本实用新型的目的是在于提高一种带有减少移动质量的直驱贴片系统，其带有轴向和径向磁铁复合式的改良双线圈电机，该双线圈电机采用了双线圈的设计和用轴向磁化的永磁体和一个或多个安排在一个圆环用的径向磁化的永磁体的互相作用来产生非常高的磁场力。

直驱贴片系统提供Z由运动和Theta旋转，并且同时为了吸放工件包括一个整体式的使用三相无铁芯无刷直线电机提供线性力的真空系统和一个提供有电机定子线圈被固定在外壳上，转子被建在执行器轴上的旋转运动的旋转电机。

本实用新型因此有较高的性能，低移动质量，紧凑的尺寸，高定位精度和良好的动态响应。

本实用新型所述带有减少移动质量的直驱贴片系统，包括：

一无刷旋转电机；

一无刷直线电机；

一贴片探头；

一真空装置；

一转子；以及

一定子；

无刷直线电机和无刷旋转电机分别提供一个直线运动和一个旋转运动，无刷直线电机、无刷旋转电机以及贴片探头结合在一起，探头沿着垂直轴线从定子移动，转子在其轴上旋转贴片探头。

优选的，在转子上设有弧形磁铁，弧形磁铁按照的最大线性行程的关系式为：

最大直线行程＝Rm-Rc；

Rm是弧型磁铁的长度；

Rc是定子的长度。

优选的，直线电机线圈长度和磁轨长度也必须满足以下关系：

Lm-Lc＞Rm-Rc(最大直线行程)；

Lm是直线电机磁轨的长度；

Lc是直线电机线圈的长度。

优选的，无刷直线电机和无刷旋转电机使用模拟量霍尔传感器，它装配在无刷直线电机和无刷旋转电机内，为了位置反馈来监听磁铁变更的极性而固有的产生的正弦磁通密度信号，因此剔除了外部反馈装置的需要，例如直线编码器或者旋转编码器。

优选的，贴片探头包含一空心轴，通过一真空装置和真空吸盘来捡起并放置物体。

优选的，真空装置由靠近空心轴一端的真空供应，空心轴的另一端由用来贴片物体的通孔组成。

优选的，当从空心轴里通孔吸进真空时，真空装置是可操作的，

在物体上的所述真空吸盘，当真空供应通过通孔被发散，所述吸盘释放抓住的对象。

优选的，无刷直线电机，无刷旋转电机和定子封入在外壳里。

优选的，定子包含线圈，线圈背铁和定子的机壳被固定在外壳上。

优选的，无刷直线电机、无刷旋转电机、贴片探头以及转子分别与运动控制器连接并由运动控制器控制的，该运动控制器控制移动贴片系统拾取物体并且放置该物体。

优选的，贴片系统的物体的贴片是由运动控制器和编程软件的进一步操作控制的。

本实用新型还同时公开了带有减少移动质量的直驱贴片系统的实现方法，包括如下步骤：

贴片探头移动至第一拾取物体位置；

吸盘放置在物体上；

从空心轴里的通孔吸进真空，吸盘拾取物体；

贴片探头带着物体移动到第二位置；

真空通过通孔消散；

吸盘在第二位置离开被拾取的物体，并且

贴片系统的探头移动并返回至第一拾取物体位置并重复取放物体。

本实用新型具有的有益效果：本实用新型使用较少的移动部件并且有一个更好的刚性系统，因此能给予更好的动态性能，在静止位置的振动也大大降低或者消除了，特别当执行高加速度和减速度运动的时候。

这也会有较低的故障发生频率，节约了相关的停机时间的的花费。更少的零件使用并且在减轻的移动质量里，更少数量的移动部件和密封件。总的来说，这个变化降低了每年的维护费用。

附图说明

图1是本实用新型所述直驱贴片系统的一截面图；

图2是本实用新型所述直驱贴片系统的另一截面图；

图3是本实用新型所述直驱贴片系统的又一截面图。

图4是本实用新型所述直驱贴片系统的示意图。

【图号对照说明】

1机壳            2移动线圈

3磁轨            4a霍尔传感器

4b霍尔传感器     5支撑架

6导轨            7空心轴

8a轴承外壳       8b轴承外壳

11直线电机线圈   12铁

13a引导轴承      13b引导轴承

14真空吸盘        15环形磁铁

20无刷旋转电机    22无刷直线电机

24探头            26真空装置

28转子            30定子

具体实施方式

为使对本实用新型的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

图1是本实用新型所述直驱贴片系统的一截面图，该截面图示出了直线电机的位置，移动支撑架和在最上面位置的轴。图2是本实用新型所述直驱贴片系统的另一截面图，该截面图示出了直线电机的位置，移动支撑架和在最下面位置的轴。

机壳1是形成本实用新型所述贴片系统的基础，所有的其它组件都被安装在它的上面。通过使用单个实体铝片作为基础，其刚性、直线度和平面度有了大大的提高。

带有移动线圈2和磁轨3的无铁芯无刷直线电机用于提供线性力。这个无铁芯直线电机虽然具有很短的线圈，但是具有很强的力，造成了大推力/尺寸密度比，像是在新加坡的实用新型专利P-No.125972所描述的，其描述了独特的绕线技术并且使霍尔传感器(4a，4b)安放在移动线圈2里的线圈装配。在本实用新型优选实施例中，模拟的霍尔传感器(4a，4b)装配在移动线圈2内。

变更在静态磁轨3上的磁铁的极性(南-北-南-北等等)得到一个正弦余弦磁感应强度信号(正弦型)，这个可以通过模拟量霍尔传感器读到，并且为了位置反馈运用在许多商业上的运动控制器上，比如Elmo的CEL5/60I控制器。控制器能读到这些信号并且修改它们转入数字脉冲。可以达到1微米的最后线性位置分辨率。

直线电机11用来驱动移动支撑架5，它引导在导轨6上面的直线轴承。由通过轴承外壳(8a，8b)连接空心轴7到移动支撑架5，空心轴7会和移动支撑架5一起上下做直线移动。空心轴7允许真空吸盘14固定在底端，真空从空心轴7的顶端供应，因此作为执行器贴片探头24。带有连接到空心轴7的环形磁铁15的空心轴7也作为无刷旋转电机20的转子28，定子30建在底部。定子30被固定并且不能和转子28一起上下移动。图1示出了直线电机线圈11的位置，移动支撑架5和在最高位置的空心轴7，图2示出了直线电机线圈11的位置，移动支撑架5和在最低位置的空心轴7。图3显示了本实用新型所述直驱贴片系统的截面图，明确揭示了线圈11和无刷旋转电机定子30的线圈背铁12。通过控制器转换线圈11相关的相位，空心轴7可以相应的旋转，引导轴承(13a，13b)分别固定在轴承外壳(8a，8b)上。模拟量霍尔传感器(4a，4b)也安装在定子30里，用来发现由磁铁15改变极性正弦余弦的信号。以这个信号，在插入电子器件里，旋转的解析度可以到达0.02度。通过平移和旋转空心轴7，可以精确的实现包括垂直方向和定位的贴片操作。

参考图3，环形磁铁15的长度比定子30长，能够实现旋转无刷电机20能完全贯穿系统的整个线性范围的工作(从最高的位置到最低的位置)。实际上，磁铁15的长度由贴片系统所需的最大行程和以下的关系来确定的：

最大直线行程＝Rm-Rc；

Rm是弧型磁铁(15)的长度；

Rc是定子30的线圈11的长度；

此外，直线电机线圈11的长度和磁轨3的长度也必须满足关系：

Lm-Lc＞Rm-Rc(最大直线行程)；

Lm是直线电机磁轨3的长度；

Lc是直线电机线圈11的长度；

无刷旋转电机20的线圈11的实际工作长度将会实际上是Rec而不是Rc，Rec是线圈11的实际工作长度。这是线圈11的一部分，当线圈11是通电的，它会在空心轴7上生成一个力矩。因此，理论上弧型磁铁15不必超出线圈11的长度Rec。然而，可以看出，线圈11外面的末端部分Rec将会因为在垂直方向上小的线性力，甚至线圈后面的铁12不延伸到它们线圈的末端部分。这些小线性力会干扰由直线电机线圈11产生的线性力。通过环形磁铁15延伸到线圈11的长度Rc完全覆盖到线圈11，可以完全除去任何从无刷旋转电机20带来的线性力。

不像传统的滑轮，齿轮或者弹性联轴器用于传送力和从执行器到移动负载的力矩的设计，本实用新型所述贴片系统使用直接驱动，不带有任何的机械传动装置。这不仅是由使用少量的零件的简化的设计，而且是更为严格的系统，因此本实用新型能够提供更好的动态性能。在静止位置的振动也大大降低或者消除了，特别当执行高加速度和减速度运动的时候。

图4是本实用新型所述直驱贴片系统的示意图。本实用新型使用数量较少的移动部分并且因为使用直驱，本实用新型的贴片系统不容易频繁发生故障并且也有较少的维护费用。

不像美国专利号5789830由Portegies实用新型的，整个旋转轴电机是上下移动的，本实用新型贴片系统的实现是仅仅移动旋转电机的转子28部分。包括线圈11，线圈11后面的铁12和定子30机壳是被固定的。可以发现，在独特的无刷旋转电机20里，定子30由整个电机总质量的65-80％组成，而余下的构成转子28。这是因为钢，线圈背铁12和在线圈11里的铜有相对来说高的密度，构成电机的定子30。铜的密度是8.9g/cm³，钢的密度是7.8g/cm³。通过固定住定子30，仅仅移动转子28，这样能实现一个较轻的移动质量。这提高了系统的动力并且用同样数量的力能得到更高的加速度。

无刷直线电机22和无刷旋转电机20的设计是成一体的，使用模拟量霍尔传感器(4a，4b)来监听为了获得直线电机22和旋转电机20的转子28上的位置反馈，由磁铁15交替的极性固有产生的正弦磁通密度信号。这消除了昂贵的线性光学编码器的需要，玻璃刻度尺通常被烛刻，用于产生类似的正弦信号。旋转反馈通过模拟量霍尔传感器(4a，4b)也是优于旋转编码器，作为商业可得到的旋转编码器不是很紧凑的，并且/或者不能允许空心轴7通过它们。

为了垂直运动，通过使用无刷直线电机22代替直线线圈电机来产生线性力，其允许行程可以延伸，仅通过增加直线电机磁轨3的长度。在线圈电机里，当行程需要增加时，为了维持相似的力，电机的尺寸必须在全部3个方向增加，来符合增加的行程。在无刷直线电机22里，当在同样的时间符合同样数量的能产生的力时，在行程的比例需要时，仅仅是磁轨3的长度需要增加。这允许灵活的设计并且行程完全可延长。

其它优选实施例中，贴片探头24基本上是任何带有真空装置的空心轴7。自从贴片系统减少了移动质量，它用于微型设备的贴片，比如半导体IC封装或者光学装置，其他类似的和类似的延伸，中空装置除了空心轴7可以被例如中空圆柱，中空杆或中空棒取代。

综上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用来限定本实用新型实施的范围，凡依本实用新型权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本实用新型的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种带有减少移动质量的直驱贴片系统，其特征在于，该直驱贴片系统包括：

一无刷旋转电机(20)；

一无刷直线电机(22)；

一贴片探头(24)；

一真空装置(26)；

一转子(28)；以及

一定子(30)；

无刷直线电机(22)和无刷旋转电机(20)分别提供一个直线运动和一个旋转运动，无刷直线电机(22)、无刷旋转电机(20)以及贴片探头(24)结合在一起，探头(24)沿着垂直轴线从定子(30)移动，转子(28)在其轴上旋转贴片探头(24)。

2.根据权利要求1所述的带有减少移动质量的直驱贴片系统，其特征在于，转子(28)上设有弧型磁铁(15)，弧型磁铁(15)的最大线性行程的关系式为：

最大直线行程＝Rm-Rc，其中Rm是弧型磁铁(15)的长度，Rc是定子(30)的长度。

3.根据权利要求1所述的带有减少移动质量的直驱贴片系统，其特征在于，直线电机线圈长度和磁轨长度的关系式为：

Lm-Lc＞Rm-Rc，其中Lm是直线电机磁轨(3)的长度，Lc是直线电机线圈(11)的长度。

4.根据权利要求1所述的带有减少移动质量的直驱贴片系统，其特征在于，无刷直线电机(22)和无刷旋转电机(20)采用模拟量霍尔传感器(4a，4b)，该模拟量霍尔传感器(4a，4b)是装配在无刷直线电机(22)和无刷旋转电机(20)内来监听磁铁(15)变更的极性而产生正弦磁通密度信号而获得位置反馈。

5.根据权利要求1所述的带有减少移动质量的直驱贴片系统，其特征在于，贴片探头(24)包含一空心轴(7)，通过一真空装置(26)和真空吸盘(14)来捡起并放置物体。

6.根据权利要求1所述的带有减少移动质量的直驱贴片系统，其特征在于，所述真空装置(26)与空心轴(7)连接并由靠近空心轴(7)的一端的供应真空，空心轴(7)的另一端由用来贴片物体的通孔组成。

7.根据权利要求1所述的带有减少移动质量的直驱贴片系统，其特征在于，无刷直线电机(22)、无刷旋转电机(20)以及定子(30)是封入至外壳内。

8.根据权利要求1所述的带有减少移动质量的直驱贴片系统，其特征在于，定子(30)包含线圈(11)，线圈(11)背面的铁(12)和定子(30)的机壳被固定在外壳上。

9.根据权利要求1所述的带有减少移动质量的直驱贴片系统，其特征在于，无刷直线电机(22)、无刷旋转电机(20)、贴片探头(28)以及转子(28)分别与运动控制器连接并由运动控制器控制的，该运动控制器控制移动贴片系统拾取物体并且放置该物体。

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