TW581899B - Linear motor driven mechanism using flexure bearings for opto-mechanical devices - Google Patents

Description

581899 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 Β7 五、發明說明（1) 【發明領域】 本發明有關一種可在光學機械系統内移動一元件之裝 置，尤其有關一種可用在例如引線焊接機中，於例如透鏡 聚焦操作時，用以移動一透鏡之裝置。 【發明背景】 引線焊接機及其他用於半導體製造與組裝工業中的裝 置，經常使用一種電腦化的圖像系統，用以監視製程及精 密正確定位諸如半導體器件等物件之位置與方位。此種圖 像系統包括一光學機械系統，特別用以移動諸如透鏡之光 學元件，以完成聚焦作業。 【先前技術】 撓曲構件（flexures)係慣常用在光學機械系統中， 以於聚焦及尋跡（追蹤）時用以操控諸如反射鏡或透鏡等 光學元件（見美國專利號4927235、5208703、 6064505)。撓曲構件由於其運動執道沒有摩擦與磨損， 具有天生絕佳的可重複性，因此尤其適於這些目的。在多 種應用中’諸如磁碟機，即為使用一對類似圖丄所示之 扁形平行撓曲構件。它們精密模仿標準的四連桿。因此， 當每一撓曲構件之自由端沿一弧度移動時，撓曲構件間的 剛性耦接器可確保其自由端不發生實質旋轉。其中之小量 位移Δχ，近似與整體移動方向垂直且在容許範圍内之小 量寄生移動Λζ的線性運動，但幾乎不會造成透鏡傾斜。 然而，在某些應用中，諸如在-引線焊接機之電㈣ 圖像系統中，活動透鏡的光轴導向與位置’於整個透鏡 - —^9 ^ · ---------^--------- {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 3 581899 A7 -----------B7_ 五、發明說明（2 ) %範圍Θ都必彡貞維持在極小的公差内。在此種情況時， 、L用上这的平行撓曲構件。圓形對稱的撓曲構件並無 t生侧向移動之困擾，但是會產生以運動轴線為中心的小 角旋轉（角位移）。此種挽曲構件已被用在長效壓縮機 與低/皿冷卻器中，如美國專利號535149〇、5492313、 5522214、564 7 217、5920133 “050556 及 6129527 =揭不。圖2顯示一些典型的設計。這些撓曲構件為扁 平碟片狀僅有微微婁丈毫米厚。每一碟片具有特定數目的 槽孔:通常為三個，但不一定要三個。槽孔可為螺旋形、 直線开/或弧形，或二者之組合。利用鋼絲放電切削或照相 '平版印刷或任何其他適合的方法加卫，來產生多數挽性 臂 承叉活動構件之負載。使用此種撓曲構件可實現 極高的徑向勁度與軸向勁度之比。 使用圓形對稱式撓曲構件之機構，通常係以使用永久 磁鐵之無電刷線性馬達來作動。在數種可能的拓樸（佈局） 支;^中不_疋何種，但最常用的是圓筒形，線性馬達可 為單相（通常稱為音圈電機)或多相設計。圓筒形音圈馬 達一方面可最充分利用可用的空間而允許極小體積的設 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

計，同時可保持幾乎與撓曲碟片轴線對正成一直線的作動 施力。。一定位傳感器提供位置反饋，使馬達可用閉路飼服 模式操作，非常精密地控制活動構件上安裝的光學組件之 轴向位置。 與撓曲轴承關聯的-個問題是，在其動程結尾時發生 的自激振動。系統中欠缺充分阻尼時，這些振動持續相當 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 581899 Α7 _______ Β7 五、發明說明（3) 長久的期間後，才衰減到移動階段指定目標可接受的程 度。以本案為例，是移動一透鏡以使一重要影像聚焦。如 此會使整個過程速度相當緩慢。為了實質加速不當振動的 衰減，系統中需要引進某種阻尼。 【發明概要】 根據本發明，其中提供一種可在光學機械系統中移動 一光學元件之裝置。此裝置包括至少一個環設在光學元件 周圍之圓形對稱式撓曲構件，及一移動裝置；該移動裝置 可沿垂直並穿過該至少一個撓曲構件中心之軸線，移動該 光學元件。 較佳是’其中可包括一圓形對稱式撓曲構件疊層組， 而且每一組中的撓曲構件最好可用間隔構件分開。此等分 隔構件可包括周緣間隔器，將撓曲構件之圓形邊緣部彼此 分隔；並包括中央間隔器，將該等間隔構件之中央部彼此 分隔。 在本發明一特定較佳實施例中，該光學元件係安裝在 二組撓曲構件疊層組間，而該光學元件之移動軸線係垂直 並穿過每一組的中心而延伸。 該光學元件移動裝置可包括一音圈馬達。 本發明中可設置傳感裝置用以感知該光學元件之位 置’並對該移動裝置提供反饋控制。該傳感裝置可包括一 直線位移差動傳感器，一光學傳感器，一電容傳感器或一 感應式傳感器。 本發明另一較佳特徵為，該光學元件可支撐在與其一 5 本.、、氏張尺度通用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐） ------------裝----^---訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 刈 1899 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 2 3 3a 3b A7 B7 五、發明說明（4 ) =移動的管形構件内，以使管形構件之一末端容置在一固 疋組件内一體形成的孔徑内。該孔徑之内徑略大於該管形 之外徑，以於二者之間定義一狹窄環形通道，藉此， 田&氣經由該環形通道移進與移出該孔徑時，可阻尼該光 學元件之移動。 【圖式簡要說明】 現在以舉例方式並參照附圖說明本發明一些實施例。 附圖包括： 圖1顯示一先前技術之實例，係有關一對直線型平行 撓曲構件，用於達成無傾斜、近似直線前進之移動； 圖2顯示三種圓形對稱式撓曲構件設計； 圖3顯示本發明一較佳實施例； 圖4a及圖4b顯示一挽曲構件叠層組之二面視圖； 圖4d及圖4e分別顯示用於圖4。所示撓曲構件 ， 隔器與中央間隔器；以及 緣間 圖5a及圖5b顯示另一撓曲構件疊層組之二面視 圖5d及圖50別顯示用於圖5c所示撓曲 ’ 隔器與中央間隔器。 β緣間 【圖號明細表】 活動光學組件（透鏡） 管形構件（管體） 疊層組 圓形撓曲構件 撓曲臂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） —--------^—訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 581899

五、發明說明（5 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 主支撐（主殼體） 5 周緣間隔器 5a 開孔 6 中央間隔器 6 a 開孔 7 直線位移差動傳感器 固定線圈總成 7b 活動鐵磁芯 Ί c 鐵芯架 8 線圈架 9 音圈 10 螺帽 11 永久磁鐵 12 極片 13 環形氣隙 14 固定透鏡 15 固定透鏡架 16 環形間隙 【較佳實施例詳細說明】 ----I--I----裝--I l·---訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 現在參照圖3說明本發明_較佳實施例。 活動光學組件（以下稱為、'透鏡,Ί1係以適當方式附在 一精確加工的管狀構件2 (以下稱為、'管體〃）之管徑内。 管體2利用扁圓开>撓曲構件3a之疊層組3，從主撐架4 懸垂。通常使用二組以適當距離分隔之撓曲構件3a疊層 7 本紐尺度適用中國國家標準（W)A4規袼（21() X 297公f ~ -一 581899 A7 ΰ/ 五、發明說明（6 ) 組3。另外使用—個由固定線圈總成^及 構成的直線位移差動傳感器（LVDT)7，作 心7b 請 但可以適當方式使用任何其他傳感器，諸如傳= 或光學傳感器，以取代直線位移差動傳感器。谷、感應式 圖4a及圖4b顯示一撓曲構件叠層組；之二面視圖， 圖4〇、4^4^顯示其組成部份。目5 另一撓曲構件叠層組3之二面視圖，圖5c、5dh = 顯示其組成部份。每一叠層、组3包括—或多個撓曲構件 33 ’用間隔器5、6分隔。每-周緣間隔器5之形狀可覆 羞撓曲構件3a須保持固定之部份，其上設有開孔〜

以供叠層組3安裝於主殼體4上。每一中央間隔器6包 括-開孔6a，其與活動管體2相配。中央間隔器6之形 狀可覆蓋撓曲構件3a上雖可移動但不撓曲之部份。挽曲 碟片3a上標示為3b之部份（以下稱為''挽曲臂"），未被 任何間隔器5、6覆蓋，可撓曲而產生所要的軸向運動。 撓曲臂3b在同-撓曲構件3a及在同一疊層组3内不同 撓曲構件3a間之相互麵接，對整個組裝總成產生極高的 徑向勁度，同時保持相當低的軸向勁度。 請再參照圖3。撓曲疊層組3之活動區段，係用音圈 9之線圈$ 8彼此分隔，其固定區段則用主撐架4分隔。 然後，直線位移差動傳感器7之活動鐵芯7b係經由鐵芯 架7c安裝在活動管體工上，並利用螺帽1〇將此活動次 裝配件整體夾緊。直線位移差動傳感$ 7之鐵芯7七，必 須與直線位移差動傳感器線圈總成7a確保標稱同轴。 __ 8 本紙張尺度適用中關冢標準（CNS)A4規格咖χ挪公爱 581899 A7 五、發明說明（7 ) 主"又體4内膠合一軸向磁化的環形永久磁鐵11。永 久磁鐵11係用高能密緻材料製成，諸如麵硼化亞鐵。磁 :上膠合-導磁性鐵合金之環形極片12。主殼體4亦以 導磁性鐵合金製成，係用作外極。因此，内極片12與主 Λ又體/間的環形氣隙13 ’包含—徑向磁場。當適當定位 在磁^隙13内的線圈9受電流激勵時，其上感應-軸向 力、。當電流方向反轉時，線圈上的力亦反轉。因此可使用 上述音圈馬達移動與定位管體2及容置在管體2内的透 頁 鏡亦可使用具有其他拓樸（佈局）的音圈馬達或多相線 性馬達替代前述音圈馬達。

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 透鏡架15精密加工之孔徑内部，附著須保持固定之 另透鏡14。透鏡架15之孔徑之尺寸精確，使活動管 體2於適當組裝時，可進入其中而不與其接觸。換言之， 活動1體2之圓淹开；外表面與固定透鏡架工$之孔徑圓筒 形内表面間，存在一大小約1〇-20微米的極小環形間隙 16首先如此可確保固定透鏡與活動透鏡1適當同 軸，因此有助於適當的光學功能。其次，此種簡易安排方 式亦在系統中導入所要的阻尼。茲說明如下。當活動管體 2移向固定透鏡14時，陷在二透鏡工、14間的空氣被壓 縮。當氣壓上升超過周圍氣壓時，將空氣經由活動管體2 與固定透鏡架15間的狹窄環形間隙逐出。空氣通過時產 生的磨擦導致阻尼。當活動管體2移離固定透鏡14時， 陷在二透鏡1、14間的空氣膨脹，導致壓力降低。如此 迫使周圍空氣進入透鏡1與14間的空間，導致磨擦阻尼， Μ氏張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐 581899 A7 五、發明說明（8 ) 〜 "" 如以上所解說的情況。因此’活動管體的任何移動，都會 導致氣流進入或離開透鏡1與14間包_^ 1㈣ 致與管體速度成比例的磨擦阻尼。如此有助於加速每—動 程結尾時的振動衰減，縮短調㈣間並加速整體作業。 因此可以看出，本發明至少在其較佳形式中提供— 種使用撓曲軸承移動一光學组件（諸如透鏡）之機構，特 別可供用於-引線焊接機中，但亦可用於其他一般性機器 中。此種機構之目的係為達成一透鏡相對另一同抽透鏡之 直線移動’因而產生-種裝置，藉以改變光學裝配件之聚 焦而不加以人工干預。此機構的活動部份係用一音圈馬達 作動，使其有效作動力與活動透鏡間保持標稱同轴。 本發明另-目的是提供一種簡易方法，用以衰減前述 機構於其動程結尾時的不利振動，因此有助於較快的作 業。本發明以上主要特徵可運用在本文中未述及的各種不 同實施例中，而不脫離本發明範圍。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 訂--------- #- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 581899 「、申請專利範圍 1 ·種可在光學機械系統内移動一光學元 =少及-該光學元件周圍之 個撓曲構件中\置，用以沿著垂直並穿過該至少-獍曲構件中心之軸線，移動該光學元件。 2.如申請專利範圍第丄項之裝置，1 圓形對稱式撓曲構件。 -括且疊層之 其中母組疊層中之繞 其中該間隔構件包括 3·如申請專利範圍第2項之裝置 曲構件，係用間隔構件彼此分隔 4·如申請專利範圍第3項之裝置 =:，Γ間隔該撓曲構件之圓 中央間以，用以間隔該等間隔構件之中央部份。 5 2項之裝置，其中該光學元件係安 二組疊層之挽曲構件間’且其中該光學元件之 移動軸線係垂直並穿過每組疊層之中心而延伸。 6.如申請專利範圍第工項之裝置，其中該光學元件之移 動裝置係包括一音圈馬達。 L如申請專利_丄項之裝置，其中包括傳感裝置， 經 濟 部 智 慧 財 產 局 消 費 合 作 社 印 製 用以感知該光學元件之位置；並包括反饋裝置，可對 該移動裝置提供反饋控制。 8·如申請專利範圍帛7項之裝置，其中該傳感裝置可包 括直線位移差動傳感器、光學傳感器、電容傳感器、 及感應式傳感器中之任一種。 9·如申請專利範圍第1項之裝置，其中該光學元件為一 可相對一固定透鏡移動之透鏡。 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21 Οχ297公缝 581899 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 10·如申請从專利範圍第！項之裝置，其中該光學元件係 支撐在一 3形構件内，且該管形構件與該光學構件一 同移動；其中，該管形構件之一端係容置在一固定組 件内一體形成的孔技内，該孔徑之内徑略大於該管形 構件之外徑’以於該管形構件與該孔徑之間定義一狹 窄環形通道；藉此，該光學元件之移動可藉空氣經由 該環形通道移進、移出該孔徑而衰減。 --------·1 _ I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、1T 4 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公嫠）