KR102281285B1 - 감소된 진동 전달을 가지는 구동 시스템 - Google Patents

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Abstract

구동 시스템은 물체를 왕복 방향으로 이동시키도록 구동하기 위한 구동력을 생성하도록 동작하는 구동 모터 본체를 가진다. 선회 지지부는 기계 베이스 상에 구동 모터 본체를 지지하기 위하여 구동 모터 본체와 기계 베이스 사이에 위치된다. 선회 지지부는 기계 베이스로의 진동 전달을 감소시키도록 물체를 구동하는 구동 모터 본체에 의해 생성된 구동력의 방향에 반대 방향으로 기계 베이스에 대해 구동 모터 본체의 적어도 일부를 회전시킨다.

Description

감소된 진동 전달을 가지는 구동 시스템{DRIVING SYSTEM HAVING REDUCED VIBRATION TRANSMISSION}
본 발명은 와이어 본더와 같은 기계 상의 구성 요소를 작동시키기 위한 구동 시스템에 관한 것으로, 특히, 기계의 다른 부분으로 전달되는, 구동 시스템에 의해 발생된 진동을 감소시키는 구동 시스템에 관한 것이다.
모터를 구비한 기계 상의 구성 요소를 구동할 때, 반동력은 전형적으로 이러한 구동 운동으로부터 발생되어 기계 베이스로 전달된다. 반동력은 운동 방향으로의 진동을 유발할 것이며, 이러한 것은 구동되는 구성 요소의 운동 정확도에 영향을 미칠 수 있다.
이를 설명하기 위해, 도 1은 와이어 본더에 있는 것과 같은 종래의 선형 모터 조립체(100)의 사시도이다. 종래의 선형 모터 조립체(100)의 구동 모터 본체(102)는 기계 베이스(104)에 직접 장착된다. 모터 구동 코일(106)이 모터 구동력(Fa)으로 본드 헤드 지지부(110)를 구동하도록 모터 구동 자석(108)과 전자기적으로 상호 작용할 때, 모터 구동력(Fa)에 대항하는 모터 본체 반동력(Fb)은 기계 베이스 반동력(Fc)으로서 기계 베이스에 직접 전달될 것이다. 일반적으로, Fc = Fb = Fa이다.
기계 베이스 반동력(Fc)은 기계가 모터 구동력(Fa)(도 1 참조)의 운동 방향을 따라서 진동하도록 할 것이다. 그러므로, 모터의 정확성은 특히 고속 구동 운동으로부터 악영향을 받을 수 있다.
반동력을 감소시키는 하나의 방식은 "반도체 제조 장치를 위한 XY 테이블"이라는 명칭의 미국 특허 제6,727,666호에 기술되어 있으며, 여기에서, 모터의 모터 베이스는 발생된 반동력을 상쇄하도록 피동체에 반대인 선형 방향으로 이동 가능하도록 조정된다.
또 다른 유사한 접근법은 "이중 샤프트 플로팅 스테이터의 선형 플랫폼"이라는 명칭의 중국 특허 제CN102522356B호에 기술되어 있으며, 여기에서, XY 운동 플랫폼의 XY 모터 베이스는 운전자에 반대인 선형 방향으로 이동 가능하여서, 반동력이 XY 운동 플랫폼으로 전달되지 않을 것이다. 스프링 댐핑 시스템이 운동체의 움직임을 제한하도록 또한 추가된다.
이러한 접근법은 전형적으로 구동 모터 본체(102)가 모터 구동력(Fa)에 반대인 선형 방향으로 이동 가능하도록 롤러들을 사용하여 진동 영향을 최소화한다. 이러한 것은 기계 베이스(104)로 전달되는 반동력(Fb)을 상쇄하거나 또는 최소화하는 것을 돕는다. 그러나, 실제 동작에서, 스프링 댐핑 시스템은 구동 모터 본체(102)가 모터 구동 코일(106)과 모터 구동 자석(108) 사이의 유효 전자기 상호 작용 영역 밖으로 이동하는 것을 방지하기 위해 추가되어야만 할 것이다. 이러한 스프링 댐핑 시스템은 여전히 모터 본체 반동력(Fb)의 많은 부분이 스프링 댐핑 시스템의 스프링력을 통해 모터 구동력(Fa)의 인가 방향과 평행하게 기계 베이스(104)로 전달되도록 할 것이다. 그러므로, 종래의 선형 모터 조립체(100)의 운동 정확성은 여전히 악영향을 받을 것이다.
그러므로, 본 발명의 목적은 기계 본체에서의 구성 요소 구동 운동으로부터의 진동 전달을 감소시키는 동시에, 전술한 종래 기술의 단점을 피하는 것이다.
따라서, 본 발명은 구동 모터로부터 기계 베이스로의 진동 전달을 감소시키기 위한 구동 시스템을 제공하며, 구동 시스템은, 물체를 왕복 방향으로 이동시키도록 구동하기 위한 구동력을 생성하도록 동작하는 구동 모터 본체; 구동 모터 본체를 지지하기 위하여, 구동 모터 본체와 기계 베이스 사이에 위치되는 선회 지지부를 포함하며; 선회 지지부는 물체를 구동하는 구동 모터 본체에 의해 생성된 구동력의 방향에 반대 방향으로 기계 베이스에 대해 구동 모터 본체의 적어도 일부를 회전시키도록 동작한다.
이하, 본 발명의 특정 바람직한 실시예를 도시하는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하는 것이 편리할 것이다. 도면의 특정성 및 관련 설명은 청구범위에 의해 한정된 본 발명의 광범위한 식별의 보편성을 대체하는 것으로 이해되어서는 안된다.
본 발명에 따른 감소된 진동 전달을 제공하는 예시적인 구동 시스템은 이제 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다:
도 1은 종래의 선형 모터 조립체의 사시도;
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 제1 바람직한 실시예에 따른 모터 구동 시스템의 사시도 및 측면도;
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 제2 바람직한 실시예에 따른 모터 구동 시스템의 사시도 및 측면도;
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 제3 바람직한 실시예에 따른 모터 구동 시스템의 사시도 및 측면도;
도 5는 본 발명의 제1 바람직한 실시예에 따른 모터 구동 시스템의 전방측의 사시도;
도 6a 및 도 6b는 구동력의 인가시에 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 구동 시스템의 힘 분석의 개략도;
도 7은 구동력에 대항하는 반경 방향 힘의 생성을 개략적으로 도시한 도면;
도 8a 및 도 8b는 구동력에 대해 가로 방향으로 기계 베이스로 전달되는 힘의 개략도; 및
도 9 내지 도 12는 구동 모터 본체의 회전 운동을 달성하도록 구동 모터 본체를 장착하기 위한 본 발명에서 사용될 수 있는 탄성 구조물의 상이한 예를 도시한 도면.
도 2a 및 도 2b는 와이어 본더에 있는 것과 같은 본 발명의 제1 바람직한 실시예에 따른 모터 구동 시스템(10)의 사시도 및 측면도이다. 모터 구동 시스템(10)의 구동 모터 본체(12)는 모터 구동 코일(16)과 모터 구동 자석(18) 사이의 전자기 상호 작용에 의해 이동하도록 구동된다. 구동 모터 본체(12)는 구동 모터 본체(12)에 부착된 본드 헤드 지지부(20)와 같은 물체의 위치를 구동하고 결정하기 위한 구동력을 생성하도록 차례로 동작한다. 물체는 일반적으로 왕복 방향으로 이동하도록 구동된다.
모터 구동 시스템(10)의 기계 베이스(14) 상에 직접 장착되는 대신에, 십자형상의 판 스프링 조립체(22)의 형태일 수 있는 탄성 구조물을 포함하는 선회 지지부가 구동 모터 본체(12)와 기계 베이스(14)를 연결하도록 사용된다. 구동 모터 본체(12)와 기계 베이스(14) 사이에 위치한 탄성 구조물의 기능은 주로 구동 모터 본체(12)의 적어도 일부를 기계 베이스(14)에 대해 회전 가능하게 만드는 것이다. 모터 구동 시스템(10)의 이러한 구성은 모터 본체(12)로부터 기계 베이스(14)로의 진동 전달의 감소를 가능하게 한다.
탄성 구조물은 본드 헤드 지지부(20)를 구동하도록 구동 모터 본체(12)에 의해 생성된 구동력의 방향에 반대 방향으로, 구동 모터 본체(12)의 적어도 일부, 이 경우에 모터 구동 코일(16) 또는 모터 구동 자석(18)을 기계 베이스(14)에 대해 회전시키도록 동작한다. 그러므로, 십자 형상의 판 스프링 조립체(22)는, 구동 모터 본체(12)의 적어도 일부가 회전 선회 지점을 중심으로 기계 베이스(14)에 대해 회전 가능하도록 회전 선회 지점을 포함하도록 배열되고 구성된다. 이 실시예에서, 십자 형상의 판 스프링 조립체(22)는 한 쌍의 판 스프링을 포함하고, 회전 선회 지점은 각각의 판 스프링이 서로 교차하는 위치에 위치된 실제 선회 지점일 수 있다.
이러한 탄성 구조물 회전 선회 지점은 구동 모터 본체(12)를 기계 베이스(14)에 연결하기 위한 상이한 디자인을 가질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 제2 바람직한 실시예에 따른 모터 구동 시스템(30)의 사시도 및 측면도이다. 이 실시예에서, 탄성 구조물은 한 쌍의 판 스프링을 포함하는 일반적으로 V-자 형상의 판 스프링 조립체(32)의 형태를 하고, V-자 형상의 베이스는 기계 베이스(14)에 위치된다. 그러므로, V-자 형상의 판 스프링 조립체(32)는 구동 모터 본체(12)의 회전을 위한 가상의 회전 선회 지점을 형성한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 모터 구동 시스템(34)의 사시도 및 측면도이다. 이 실시예에서, 탄성 구조물은 구동 모터 본체(12)의 양쪽 단부를 기계 베이스(14) 상의 대응하는 위치에 연결하는 수직으로 배열된 한 쌍의 판 스프링(36)의 형태를 한다. 한 쌍의 수직으로 배열된 판 스프링(36)은 구동 모터 본체(12)의 적어도 일부가 기계 베이스(14)에 대해 회전하는 것을 가능하게 하는 무한 선회를 유발할 것이다.
도 5는 본 발명의 제1 바람직한 실시예에 따른 모터 구동 시스템(10)의 전방측의 사시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 구동 모터 본체(12)의 적어도 일부는 모터 구동력의 인가시에 XZ 평면을 따라서 회전할 것이다. 모터 구동 코일(16)과 모터 구동 자석(18)은 심지어 구동 모터 본체(12)의 어느 한 구성 요소의 회전 운동 동안에도 모터 구동 코일(16)과 모터 구동 자석(18) 사이의 갭이 실질적으로 일정하게 유지하기 위하여 XZ 평면에 평행한 방향으로 충분한 공간을 두고 배열되어야 한다. 모터 구동 시스템(10)이 이동하는 모터 구동 코일(16), 또는 기계 베이스(14)에 대해 회전하도록 구성되는 이동하는 구동 자석(18)으로 설계되었는지에 의존하여, 본드 헤드 지지부(20)는 이동하도록 구동되기 위해 가동성 구동 부분 중 어느 하나에 연결될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 구동력의 인가시에 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 구동 시스템(10)의 힘 분석의 개략도이다. 도 6a에서, 구동력(도시되지 않음)이 구동 모터 본체(12)에 인가될 때, 모터 본체 반동력(Fb)이 생성된다. 구동 모터 본체(12)의 회전으로 인하여, 모터 본체 반동력은(Fb)은 구동 모터 본체(12)의 회전 운동을 유지하도록 회전 선회 지점(40)을 향하여 반경 방향을 따라서 당김력(Fd)을 생성한다. 이러한 당김력(Fd)은 십자 형상의 판 스프링 조립체(22)와 같은 탄성 구조물에 의해 생성되고, 구동 모터 본체(12)가 중심에서 벗어나 이동하고 회전 선회 지점(40)으로부터 더욱 멀리 이동함에 따라서(도 6b) 회전 선회 지점(40)을 향해 계속 유도된다. 탄성 구조물이 구동 모터 본체(12)와 기계 베이스(14) 사이에 위치되기 때문에, 당김력(Fd)은 주로 기계 베이스(14)의 방향이다.
일반적으로, Fb = Fa = Fmax sin ωt이며, 여기에서, Fmax는 최대 구동력이며, ω는 구동 명령의 진동수이며, t는 구동력의 인가 기간이다.
도 7은 구동력에 대항하는 반경 방향 힘(Fbr)의 생성을 개략적으로 도시한다. 회전 동안, 반동력(Fb)은 접선력(Fbt)(회전 속도를 증가시키는)과 반경 방향 힘(Fbr)(당김력과 반대 방향인)으로 분해된다.
Figure 112019072034639-pat00001
(여기서, m은 구동 모터 본체의 질량이며, v는 구동 모터 본체의 회전 동안 선형 속도이고, a는 구동 모터 본체의 회전 동안 선형 가속도이다)
그러므로, 당김력(Fd)은 구동력, 명령 진동수(ω), 및 구동 모터 본체(12)의 위치에 의해 결정된다.
도 8a 및 도 8b는 구동력에 대해 가로 방향으로 기계 베이스(14)로 전달되는 힘의 개략도이다.
구동 모터 본체(12)와 기계 베이스(14)가 십자 형상의 판 스프링 조립체(22)와 같은 탄성 구조물에 의해 연결되기 때문에, 반경 방향 힘(Fd)(십자 형상의 판 스프링 조립체(22)에 의해 생성된)만이 기계 베이스(14)에 전달될 것이다. 기계 베이스에 가해지는 힘(Fe)은 Fd와 동일하지만 반대 방향이다. 기계 베이스에 가해지는 힘(Fe)은 운동 방향을 따르는 Fex, 및 운동 방향에 직각인 Fez으로 분해될 수 있다(도 8b에서와 같이).
운동 방향으로 기계 베이스(14)로 전달된 힘은 다음의 공식에 따라 표현될 수 있다:
Figure 112019072034639-pat00002
Fex의 최대치가 Fmax보다 작은 것을 보장하도록, 아래에 도시된 바와 같이, 전달되는 진동이 감소할 것이다:
Figure 112019072034639-pat00003
요구된 조건은 상기 공식을 단순화한 후에 얻어질 수 있다:
Figure 112019072034639-pat00004
전술한 요구 조건에 기초하여, 모터 본체의 질량(m) 및 회전 반경(r)은 가능한 커야 하고, 회전 범위(θ)는 가능한 작아야 한다. 요구 조건으로부터 얻어진 공식으로부터, 진동 감소가 반경 방향 힘(Fbr)을 가능한 작게 구성하기 위하여 보다 낮은 진동수 명령(즉, 더욱 작은 ω를 가지는)에 대한 것보다 높은 진동수 명령(즉 더욱 ω를 가지는)에 대해 보다 효율적이라는 것을 알 수 있었다.
도 9 내지 도 12는 구동 모터 본체(12)의 회전 운동을 달성하도록 구동 모터 본체(12)를 장착하기 위해 본 발명에서 사용될 수 있는 탄성 구조물의 다른 예들이다. 도 9a 및 도 9b에서, 탄성 구조물은 구동 모터 본체(12)를 지지하고 구동 모터 본체를 기계 베이스(14)에 대해 회전 가능하게 하는 S-자 형상 판 스프링(50)의 형태를 한다.
도 10a 및 도 10b에서, 구동 모터 본체(12)는, 구동 모터 본체(12)를 매달고 구동 모터 본체를 기계 베이스(14)에 대해 회전 가능하게 하는 단일 판 스프링 판(52)에 의해 지지된다.
도 11a 및 도 11b에서, 탄성 구조물은 다중 판 스프링 구조(54)의 형태를 한다. 적어도 2개의 판 스프링은 구동 모터 본체(12)가 장착되는 플랫폼을 지지하고 기계 베이스(14)에 대해 구동 모터 본체(12)를 회전 가능하게 하도록 판 스프링 구조(54)에서 사용된다.
도 12a 및 도 12b에서, 구동 모터 본체(12)의 어느 한쪽 측부에 수평으로 배열된 S자 형상의 굴곡 구조물(56)들은 구동 모터 본체(12)를 지지하고 구동 모터 본체(12)를 기계 베이스(14)에 대해 회전 가능하게 하도록 사용된다. 각각의 판 스프링은 이 실시예에서 "S"자 형상의 단면을 가진다.
본 명세서에 기술된 상이한 실시예에 따른 모터 구동 시스템은 반동력을 당김력으로 전환하는 것에 의해 구동되는 물체의 운동 방향에 거의 직각이도록 물체를 구동하는 구동력에 기인하는 반동력을 변경하도록 동작한다. 그러므로, 운동 방향으로 기계 베이스(14)로의 진동의 어떠한 전달도 감소되고, 기계 전체에 의해 생성되는 임의의 진동 및 소음이 대응하여 상당히 감소될 것이다.
더욱이, 기계 베이스(14)로 전달된 힘이 운동 방향 대신에, 운동 방향에 거의 직각이기 때문에, 상기된 접근법은 구동되는 물체의 운동 정확성에 대한 어떠한 악영향도 상당히 감소되는 것을 보장한다.
본 명세서에 기술된 발명은 구체적으로 설명된 것 이외의 변형, 수정 및/또는 추가를 허용하며, 본 발명이 상기 설명의 사상 및 범위 내에 있는 이러한 모든 변형, 수정 및/또는 추가를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (16)

  1. 구동 모터로부터 기계 베이스로의 진동 전달을 감소시키기 위한 구동 시스템으로서,
    물체를 왕복 방향으로 이동시키도록 구동하기 위한 구동력을 생성하도록 동작하는 구동 모터 본체;
    상기 구동 모터 본체를 지지하기 위한 선회 지지부로서, 상기 구동 모터 본체와 상기 기계 베이스 사이에 위치되는, 상기 선회 지지부를 포함하며;
    상기 선회 지지부는, 상기 물체를 구동하는 상기 구동 모터 본체에 의해 생성된 구동력의 방향에 반대 방향으로 상기 기계 베이스에 대해 상기 구동 모터 본체의 적어도 일부를 회전시키도록 동작하는, 구동 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 선회 지지부는 탄성 구조물을 포함하는, 구동 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 탄성 구조물은 하나 이상의 판 스프링을 포함하는, 구동 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 탄성 구조물은 회전 선회 지점에서 서로 교차하는 한 쌍의 판 스프링을 포함하고, 상기 회전 선회 지점은 상기 구동 모터 본체의 적어도 일부가 상기 회전 선회 지점을 중심으로 상기 기계 베이스에 대해 회전하는 것을 가능하게 하는, 구동 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 탄성 구조물의 회전 선회 지점은 상기 구동 모터 본체의 적어도 일부가 가상의 선회 지점을 중심으로 상기 기계 베이스에 대해 회전하는 것을 가능하게 하는 상기 가상의 회전 선회 지점인, 구동 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 하나 이상의 판 스프링은 "V" 형상을 형성하고, 이러한 "V" 형상의 베이스는 상기 기계 베이스에 위치되는, 구동 시스템.
  7. 제3항에 있어서, 상기 탄성 구조물의 회전 선회 지점은 상기 구동 모터 본체의 적어도 일부가 무한 선회 지점을 중심으로 상기 기계 베이스에 대해 회전하는 것을 가능하게 하는 상기 무한 선회 지점인, 구동 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 탄성 구조물은 상기 기계 베이스 상의 대응하는 위치들에 상기 구동 모터 본체의 적어도 일부 상의 각각의 위치를 연결하는 한 쌍의 수직으로 배열된 판 스프링을 포함하는, 구동 시스템.
  9. 제3항에 있어서, 상기 탄성 구조물은 상기 구동 모터 본체의 적어도 일부가 매달리도록 배열되는 단일 판 스프링을 포함하는, 구동 시스템.
  10. 제3항에 있어서, 상기 탄성 구조물은 "S"자 형상의 단면을 구비하는 하나 이상의 판 스프링을 포함하는, 구동 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 구동 모터 본체는 상기 구동 모터 본체의 적어도 일부의 회전 운동 동안 모터 구동 코일과 모터 구동 자석 사이에 갭을 유지하기 위하여 그 사이에 충분한 공간을 두고 배열되는 상기 모터 구동 코일과 상기 모터 구동 자석을 포함하는, 구동 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 물체는 상기 물체를 이동하도록 구동하기 위해 상기 모터 구동 코일 또는 상기 모터 구동 자석 중의 어느 하나에 연결되는, 구동 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 구동력은 상기 구동 모터 본체의 적어도 일부의 회전 운동을 유지하도록 회전 선회 지점을 향하는 방향으로 생성되는 당김력을 유발하는, 구동 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 당김력은 주로 상기 기계 베이스의 방향으로 유도되는, 구동 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 당김력에 반대의 방향으로의 반경 방향 힘이 상기 기계 베이스에 가해지고, 상기 반경 방향 힘이 상기 구동 모터 본체의 질량, 상기 구동 모터 본체의 회전 반경, 및 상기 구동 모터 본체의 회전 범위를 고려하여 가능한 작도록 구성되는, 구동 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 상기 물체는 와이어 본더의 본드 헤드인, 구동 시스템.
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