TW201830450A - 高精確性線性致動器 - Google Patents

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Abstract

一種高精確性線性致動器,其包含:一第一筆直引導機構,其引導一致動器元件及一工作裝置相對於一致動器外殼之移動;一按壓機構,在一按壓接觸條件中,該按壓機構以一預定力將該致動器框架及該致動器外殼抵靠彼此按壓;及一第二筆直引導機構,其引導該致動器外殼相對於該致動器框架的在該按壓接觸條件與釋放接觸條件之間的移動,在該釋放接觸條件中,該按壓機構將該致動器框架及該致動器外殼朝向彼此按壓。本發明提供一種安全機構,其自動地恢復該工作環境中之未預見碰撞之負面後果。另外,本發明允許該致動器元件及該工作裝置之緊湊及輕重量設計,從而改良該線性致動器之操作速度及有效性。

Description

高精確性線性致動器
發明領域 本發明係關於一種高精確性線性致動器,其包含: -一用於固定地附接在工作環境內之致動器框架; -一致動器外殼; -一致動器元件; -一第一筆直引導機構,其將該致動器元件可移動地連接至該致動器外殼,且引導該致動器元件相對於該致動器外殼的與該高精確性線性致動器之一線性致動器軸平行的第一線性移動; -一用於驅動該第一線性移動之驅動機構; -一用於在該工作環境內執行任務之工作裝置,其中該工作裝置係連接至該致動器元件以使得該工作裝置藉由該致動器元件移動從而亦執行該第一線性移動。
發明背景 此種根據本發明之高精確性線性致動器經組配用於在相對短距離上的精確運動(典型地多達數毫米數量級之範圍內),且用於以高位準之準確度進行定位(典型地小到微米或更小)。此等高精確性線性致動器係例如用於(電子)光學顯微鏡或原子力顯微鏡中之樣本處置,用於半導體設備中之精確運動,或用於各種其他種類之微處置。
當此種線性致動器在如此寶貴的高科技工作環境中工作時,安全機構是重要的,該安全機構保護線性致動器及其工作環境免於歸因於線性致動器之移動工作裝置與工作環境之部分之間的未預見碰撞的破壞。
針對線性致動器,已建議過安全機構,該等安全機構使用有意設計的弱元件,該等弱元件在此中未預見碰撞之狀況下容易破裂。此種「斷裂元件」吸收碰撞之衝擊,且可佈置在線性致動器之致動器元件及/或工作裝置中,諸如例如佈置在致動器元件與工作裝置之間的連接區中。當斷裂元件在碰撞之後斷裂時,其可藉由備用斷裂元件更滑。
使用一或多個斷裂元件作為安全機構之缺點在於當斷裂元件斷裂時要耗費時間來更換該等斷裂元件。另一缺點在於,在致動器元件中及/或在工作裝置中斷裂元件之存在增加線性致動器之此等可移動部分之體積及重量,從而對高精確性線性致動器之操作速度及有效性具有負面效應。
應注意,US 2008/0034749 A1之圖1揭示可伸縮類型之線性致動器。然而,如將在本文件中進一步論述的,US 2008/0034749 A1未在本發明之意義上揭示安全機構。
發明概要 本發明之目標係提供一種解決方案,根據該解決方案,線性致動器之移動工作裝置與線性致動器之工作環境之部分之間的未預見碰撞之負面後果自動地恢復,而同時該線性致動器之可移動部分可得以緊湊地及以輕重量設計,以便最佳化高精確性線性致動器之操作速度及有效性。
出於彼目的,本發明提供一種高精確性線性致動器,其包含: -一用於固定地附接在工作環境內之致動器框架; -一致動器外殼; -一致動器元件; -一第一筆直引導機構,其將該致動器元件可移動地連接至該致動器外殼,且引導該致動器元件相對於該致動器外殼的第一線性移動,該移動係與該高精確性線性致動器之一線性致動器軸平行; -用於驅動該第一線性移動之一驅動機構; -用於在該工作環境內執行任務之一工作裝置,其中該工作裝置係連接至該致動器元件,使得該工作裝置藉由該致動器元件移動從而亦執行該第一線性移動; -一按壓機構,在該高精確性線性致動器之一按壓接觸條件中,該按壓機構以一預定力、藉由該致動器框架之一第一接觸區域與該致動器外殼之一第二接觸區域之間的按壓接觸,來將該致動器框架及該致動器外殼抵靠彼此按壓;及 -一第二筆直引導機構,其將該致動器外殼可移動地連接至該致動器框架,且引導該致動器外殼相對於該致動器框架、與該線性致動器軸平行且在該高精確性線性致動器之該按壓接觸條件與釋放接觸條件之間的第二線性移動,其中在該釋放接觸條件中,該按壓機構將該致動器框架及該致動器外殼朝向彼此按壓,而該第一接觸區域及該第二接觸區域則彼此不接觸; 其特徵在於: 該按壓機構及該第二筆直引導機構形成該高精確性線性致動器之一安全機構,其中該按壓機構及該第二筆直引導機構經組配用於允許該高精確性線性致動器,在在該線性致動器之操作期間發生該工作裝置與該工作環境中之一物體之一未預見碰撞的狀況下,自其按壓接觸條件自動地改變至其釋放接觸條件。
由於該按壓機構及該第二筆直引導機構,使得根據本發明之高精確性線性致動器在其中在該線性致動器之操作期間例如發生該工作裝置與該工作環境中之一物體之一未預見碰撞的狀況下自其按壓接觸條件自動地改變至其釋放接觸條件。
在已移除該未預見碰撞及向該釋放接觸條件之後繼改變的原因之後,根據本發明之線性致動器自動地返回其按壓接觸條件,由於處於該釋放接觸條件中之事實,該按壓機構保持按壓該致動器框架及該致動器外殼朝向彼此。換言之,本發明提供一種安全機構,其自動地恢復未預見碰撞之負面後果。
此外有利的是,呈按壓機構及第二筆直引導機構之形式的安全機構不必併入線性致動器之可移動部分中,亦即,其不必併入致動器元件及/或工作裝置中。此意味此等可移動部分可緊湊地及以輕重量設計以便最佳化根據本發明之線性致動器之操作速度及有效性。
在根據本發明之高精確性線性致動器之較佳實施例中,該按壓機構包含用於調整該預定力之調整機構。
上述的第一及/或第二筆直引導機構可以許多不同的方式實現。例如,筆直引導機構可基於多個平行片彈簧,及/或基於球/滾輪引導件,及/或基於連桿/棒之系統等來應用。
此外,上述的按壓機構可以許多不同的方式實現,以用於利用預定力將致動器框架及致動器外殼抵靠/朝向彼此按壓。例如,按壓機構可基於輓簧,及/或基於壓縮彈簧,及/或基於(電)磁性,及/或基於流體壓力差異,及/或基於重力等等來應用。
如上文所提及,US 2008/0034749 A1(下文稱為「US’749」)之圖1揭示可伸縮類型之線性致動器。此線性致動器10具有活性材料組件32、38、44,在US’749之圖1之情形中,該等活性材料組件處於其伸展條件下。在所展示的伸展條件下,可伸縮構件16、14、12之止擋件24、22、20分別在(任擇)壓縮彈簧54、56、44的輔助下,分別壓靠在構件18、16、14上。若活性材料組件32、38、44之一被加熱,則其將收縮,從而引起可伸縮線性致動器10滑入以與所涉及壓縮彈簧之動作相抵。若活性材料組件32、38、44之一被冷卻,則其將伸展,從而引起可伸縮線性致動器10在所涉及壓縮彈簧之動作的輔助下滑出。
然而,針對其中在線性致動器之操作期間發生工作裝置與工作環境中之物體之未預見碰撞的狀況,US’749之線性致動器10不具有根據本發明之上文解釋的安全機構。
較佳實施例之詳細說明 在所展示實例中,工作環境包含L形框架30。在此L形框架30之水平底部壁處佈置有高科技工件31。此外,僅在圖3中展示作為工作環境之部分的未預見物體32。
線性致動器1利用其致動器框架2固定地附接至工作環境之L形框架30之垂直側壁。線性致動器軸10係垂直地佈置。
線性致動器1之第一筆直引導機構包含呈兩個平行片彈簧11A、11B形式的筆直引導件,其每一者將致動器框架2及工作裝置6互連。第一筆直引導機構進一步包含具有另一適合類型之另外筆直引導件11C (例如球/滾輪引導件)。此筆直引導件11C為致動器外殼3之部分且與致動器元件4接合。
線性致動器1之第二筆直引導機構包含呈兩個平行片彈簧12A、12B形式的筆直引導件,其每一者將致動器框架2及致動器外殼3互連。
參考數字5指示驅動機構之高度示意描繪馬達(例如壓電步進馬達)。馬達5驅動致動器元件4相對於致動器外殼3之第一線性移動。
在所展示實例中,線性致動器1之按壓機構包含輓簧7,在圖1、2之按壓接觸條件中,該輓簧(連同重力)有助於以預定力將致動器框架2及致動器外殼3抵靠彼此按壓。亦即,在圖1及2中,在致動器框架之第一接觸區域21與致動器外殼之第二接觸區域22之間存在按壓接觸。應注意,出於清晰性之原因,在圖1、2中已省略參考數字21、22 (此等數字21、22參見圖3)。
在所展示實例中,該預定力係實質上藉由輓簧7之預張緊來決定(且針對另一部件,係藉由重力來決定)。參考數字8、9指示用於調整輓簧7之預張緊的高度示意描繪構件。此等構件可為用於拉伸及鬆弛輓簧7之構件。
如所提及的,在圖1中及在圖2中,線性致動器1係處於其按壓接觸條件中。可見,在圖2之情形中,致動器元件4及工作裝置6已相較於圖1之情形向下移動一些,而未發生在工作區域中之任何碰撞。
亦可見,在圖3之情形中,致動器元件4及工作裝置6已相較於圖1之情形向下移動一些。然而,這次,在向下移動期間的某一時間點處,已發生工作裝置6與未預見物體32之間的未預見碰撞。歸因於此碰撞,致動器元件4及工作裝置6之向下移動已自彼時間點起遭阻斷。歸因於向下移動之此阻斷及歸因於馬達5仍在彼時間點處可操作之事實,馬達5實際上已變得可操作來提供在致動器外殼3與致動器框架2之間起作用的分離力。歸因於所展示實例中之此分離力已高於藉由按壓機構遞送的上述預定力,致動器外殼3已相對於致動器框架2向上移動一些,如在圖3中清楚所見。因此,在圖3中,線性致動器1不再處於其按壓接觸條件中,而是處於其釋放接觸條件之一中。
當在圖3之情形中移除未預見碰撞之原因時(亦即當移除物體32時),線性致動器1將再次自動地返回至其按壓接觸條件中,此係由於在釋放接觸條件中按壓機構保持將致動器框架2及致動器外殼3朝向彼此按壓之事實。換言之,線性致動器1具有安全機構,其自動地恢復未預見碰撞之負面後果。
1‧‧‧高精確性線性致動器/線性致動器
2‧‧‧致動器框架
3‧‧‧致動器外殼/外殼
4‧‧‧致動器元件
5‧‧‧驅動機構/馬達
6‧‧‧工作裝置
7‧‧‧按壓機構之輓簧/輓簧
8、9‧‧‧按壓機構之調整機構
10‧‧‧線性致動器軸
11A、11B‧‧‧第一筆直引導機構/平行片彈簧
11C‧‧‧第一筆直引導機構/筆直引導件
12A、12B‧‧‧第二筆直引導機構/片彈簧
21‧‧‧第一接觸區域
22‧‧‧第二接觸區域
30‧‧‧工作環境/L形框架
31‧‧‧工作環境/高科技工件
32‧‧‧工作環境/未預見物體
在下文中,進一步參考非限制實施例並參考隨附圖式中之示意圖來闡明本發明,圖中展示以下內容。
圖1以橫截面圖展示根據本發明之高精確性線性致動器之實施例的實例,其佈置在工作環境內且其中此線性致動器處於其按壓接觸條件中。
圖2再次展示圖1之情形,然而,其中在圖2中,相較於圖1而言,線性致動器之致動器元件及工作裝置處於相對於致動器外殼的不同位置中,如沿線性致動器軸所見。
圖3再次展示圖2之情形,然而,其中在圖3中,相較於圖2而言,線性致動器不再處於其按壓接觸條件中,而是處於其釋放接觸條件之一中,此歸因於工作裝置與工作環境中之未預見物體之未預見碰撞。
用於圖1-3中之參考符號係由以下方式指代本發明之上述部件及態樣,以及指代相關部件及態樣。 1 高精確性線性致動器 2 致動器框架 3 致動器外殼 4 致動器元件 5 驅動機構 6 工作裝置 7 按壓機構之輓簧 8、9 按壓機構之調整機構 10 線性致動器軸 11A、11B、11C 第一筆直引導機構 12A、12B 第二筆直引導機構 21 第一接觸區域 22 第二接觸區域 30、31、32 工作環境

Claims (2)

  1. 一種高精確性線性致動器,其包含: -一用於固定地附接在一工作環境內之致動器框架; -一致動器外殼; -一致動器元件; -一第一筆直引導機構,其將該致動器元件可移動地連接至該致動器外殼,且引導該致動器元件相對於該致動器外殼的第一線性移動,該移動係與該高精確性線性致動器之一線性致動器軸平行; -用於驅動該第一線性移動之一驅動機構; -用於在該工作環境內執行任務之一工作裝置,其中該工作裝置係連接至該致動器元件,使得該工作裝置藉由該致動器元件移動從而亦執行該第一線性移動; -一按壓機構,在該高精確性線性致動器之一按壓接觸條件中,該按壓機構以一預定力、藉由該致動器框架之一第一接觸區域與該致動器外殼之一第二接觸區域之間的按壓接觸,來將該致動器框架及該致動器外殼抵靠彼此按壓;及 -一第二筆直引導機構,其將該致動器外殼可移動地連接至該致動器框架,且引導該致動器外殼相對於該致動器框架、與該線性致動器軸平行且在該高精確性線性致動器之該按壓接觸條件與釋放接觸條件之間的第二線性移動,其中在該釋放接觸條件中,該按壓機構將該致動器框架及該致動器外殼朝向彼此按壓,而該第一接觸區域及該第二接觸區域則彼此不接觸;其特徵在於: 該按壓機構及該第二筆直引導機構形成該高精確性線性致動器之一安全機構,其中該按壓機構及該第二筆直引導機構經組配用於允許該高精確性線性致動器,在在該線性致動器之操作期間發生該工作裝置與該工作環境中之一物體之一未預見碰撞的狀況下,自其按壓接觸條件自動地改變至其釋放接觸條件。
  2. 如請求項1之高精確性線性致動器,其中該按壓機構包含用於調整該預定力之一調整機構。
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