TWI775326B

TWI775326B - 精密線性馬達平台

Info

Publication number: TWI775326B
Application number: TW110106701A
Authority: TW
Inventors: 李成鲁; 南基善; 張仁瀚
Original assignee: 南韓商埃爾帕特克股份有限公司
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2022-08-21
Also published as: CN113364241B; KR20210112694A; TW202135435A; KR102313067B1; CN113364241A

Abstract

一種精密線性馬達平台包括：基底部件，以沿長度方向延長的方式形成；至少一個引導軌，設置在基底部件；移動部件，以能夠沿引導軌滑動的方式設置；永磁體元件，設置在基底部件與移動部件中的任一者；線圈元件，設置在基底部件與移動部件中的另一者，以產生磁力並通過與永磁體元件的相互作用使移動部件沿引導軌移動；多個渦流管，設置在基底部件與移動部件中的至少任一者；多個供應管，分別連接到多個渦流管，以對多個渦流管供應壓縮空氣；以及控制部，控制線圈元件的作動。精密線性馬達平台具有以比較低的價格實現精確且精密的作動的效果。另外，精密線性馬達平台具有結構比較簡單、不會大大增加體積與重量且可精密作動的優點。

Description

精密線性馬達平台

本發明是有關於一種精密線性馬達平台，且特別是有關於一種使用線性馬達準確驅動線性運動的裝置。

線性馬達平台非常廣泛地用於半導體設備及精密加工裝置等設備。

根據線性馬達平台的作動精密度，半導體製程及切削製程的精密度及精確度受到大的影響。

最近，需要一種具有幾乎數微米以內的作動精密度的線性馬達平台。

線性馬達由於其裝置的特性而會從線圈產生大量熱量，且由於在線圈中產生的熱量加熱周邊構成會引起熱變形，因此是降低作動精密度的主要原因。

為了防止如上所述的熱變形，在高精密度的設備中大量使用使用石定盤的方法。如上所述，在將石定盤用作基底的情況下可通過減少在線圈中產生的熱量引起的熱變形來提高作動精密度。然而，使用石定盤的方法存在製造成本變高且設備整體的重量變重的問題。

因此，需要一種能夠在不使用如上所述石定盤等昂貴的材料的同時也將溫度變化的影響最小化來實現高精密度的作動的精密線性馬達平台。

本發明是為了解決如上所述的必要性而提出的，其目的在於提供一種結構比較簡單且體積不大、可以比較低廉的費用製造的高精密度精密線性馬達平台。

為了達成所述目的，本發明的精密線性馬達平台的特徵在於包括：基底部件，以沿長度方向延長的方式形成；至少一個引導軌，設置在所述基底部件；移動部件，以能夠沿所述引導軌滑動的方式設置；永磁體元件，設置在所述基底部件與移動部件中的任一者；線圈元件，設置在所述基底部件與移動部件中的另一者，以產生磁力並通過與所述永磁體元件的相互作用使所述移動部件沿引導軌移動；多個渦流管，設置在所述基底部件與移動部件中的至少任一者；多個供應管，分別連接到所述多個渦流管，以對所述多個渦流管供應壓縮空氣；以及控制部，控制所述線圈元件的作動。

本發明的精密線性馬達平台具有以比較低的價格實現準確且精密的作動的效果。

另外，本發明的精密線性馬達平台具有結構比較簡單、不會大大增加體積與重量且可精密作動的優點。

100:基底部件

101:貫通孔

110:中空部

210、220:引導軌

300:移動部件

400:永磁體元件

500:線圈元件

600:渦流管

601:溫度感測器

610:氣動流入口

620:低溫排出口

630:高溫排出口

650:供應管

670:氣動閥

700:控制部

800:折疊蓋

圖1是根據本發明一實施例的精密線性馬達平台的立體圖。

圖2是圖1所示精密線性馬達平台的仰視立體圖。

圖3是關於圖1所示精密線性馬達平台的一部分的剖面圖。

圖4是根據本發明的另一實施例的精密線性馬達平台的立體圖。

以下，參照圖1及圖2，對根據本發明一實施例的精密線性馬達平台進行說明。

圖1是根據本發明一實施例的精密線性馬達平台的立體圖，圖2是圖1所示精密線性馬達平台的仰視立體圖。

參照圖1及圖2，本實施例的精密線性馬達平台包括如下構成：基底部件100，一對引導軌210、220，移動部件300，永磁體元件400及線圈元件500。

基底部件100、引導軌210、220、移動部件300、永磁體元件400及線圈元件500的構成以與使用一般的線性馬達的線性引導件相似的結構形成。

基底部件100起到支撐將佈置在上側的其他構成的作用。本實施例的情況，基底部件100以擠壓鋁合金並沿長度方向延長的方式形成。在如上所述通過擠壓鋁合金而形成基底部件100的過程中，沿此基底部件100的長度方向在基底部件100的內部由空的空間形成中空部110。如上所述，通過以包括中空部110的形態構成基底部件100，可降低製造成本並減輕設備的重量。

與一般結構的線性馬達相同，在基底部件100設置編碼器刻度(encoder scale)，以使編碼器頭讀取編碼器刻度而知道作動位移。

本實施例的情況，如圖1所示，在基底部件100的上表面中，一對引導軌210、220以沿基底部件100的長度方向延長的方式設置。

移動部件300設置在引導軌210、220，以可沿一對引導軌210、220滑動。即，移動部件300在相對於一對引導軌210、220滑動的同時相對於基底部件100進行相對移動。如上所述的編碼器頭設置在移動部件300，以讀取設置在基底部件100的編碼器刻度。

移動部件300通過由永磁體元件400與線圈元件500的相互作用產生的磁力而相對於基底部件100移動。

永磁體元件400設置並固定在基底部件100。線圈元件500以在芯上纏繞線圈的電磁體的形態構成，且可由多個電磁體構成。線圈元件500設置在移動部件300，且起到相對於基底部件100驅動移動部件300的作用。

控制部700控制供應到線圈元件500的電力來控制移動部件300的作動。控制部700通過接收在編碼器頭處感知的測量值來控制線圈元件500的作動，從而調節移動部件300相對於基底部件100的位置。

多個渦流管(vortex tube)600設置在基底部件100。渦流管600由如圖3所示的結構構成。渦流管600包括氣動流入口610、低溫排出口620及高溫排出口630。渦流管600起到將通過氣動流入口610注入的壓縮空氣分離為相對高溫的流股與相對低溫的流股的作用。當由渦流管600的氣動流入口610注入的壓縮空氣朝向渦流管600的渦旋室(swirl chamber)噴出並加速到快的速度旋轉，以分離成高溫的氣體與低溫的氣體。低溫的氣體通過渦流管600的低溫排出口620排出，而高溫的氣體通過渦流管600的高溫排出口630排出。

本發明的情況，其特徵在於通過如上所述使用通過渦流管600的低溫排出口620排出的低溫的壓縮空氣對包括基底部件100的周圍構成進行冷卻，從而維持溫度，改善了作業精密度。

在渦流管600的氣動流入口610連接各個供應管650，以將壓縮空氣供應到渦流管600。在供應管650中的每一者設置氣動閥670，以控制流過供應管650的壓縮空氣的流動。在本實施例的情況下，電磁閥形態的氣動閥670設置在供應管650，以打開或關閉在供應管650內部流動的壓縮空氣的流動。如上所述的氣動閥670的作動由控制部700調節。

如圖1所示，多個渦流管600中的一部分渦流管以低溫排出口620朝向基底部件100的上側的方式設置在基底部件100，因此從低溫排出口620排出的壓縮空氣向基底部件100的上側排出。渦流管600中的另一部分渦流管以低溫排出口620朝向基底部件100的中空部110內部的方式設置在基底部件100，因此從低溫排出口620排出的壓縮空氣排出到中空部110。此時，渦流管600的高溫排出口630以朝向基底部件100的下側或側面的方式佈置。

在基底部件100中設置多個溫度感測器601，且在溫度感測器601中測量的值被傳遞到控制部700。控制部700監測溫度感測器601中測量的溫度，同時調節氣動閥670的作動，以控制供應到各個渦流管600的壓縮空氣的流量，從而可調節基底部件100與其周圍的溫度。

以下，將對如上所述構成的精密線性馬達平台的作動進行說明。

首先，控制部700控制施加到線圈元件500的電力以在線圈元件500處產生磁力。由線圈元件500產生的磁力與佈置在下側的永磁體元件400產生的磁力相互作用，以相對於基底部件100驅動移動部件300。通過由線圈元件500與永磁體元件400之間的相互作用產生的力，移動部件300沿引導軌210、220相對於基底部件100進行滑動。此時，設置在移動部件300的編碼器頭讀取設置在基底部件100的編碼器刻度的值，並傳遞到控制部700，且控制部700即時接收移動部件300的當前位移以使線圈元件500作動將移動部件300移動到所需位置。

如上所述，在移動部件300的作動中，由於施加到線圈元件500的電力而在線圈元件500中產生熱量，溫度升高。如上所述，在線圈元件500中產生的熱量被傳遞到下部的基底部件100及其周圍的構成。如上所述，由於在線圈元件500中產生的熱量被傳遞到其周邊的構成且使相應構成熱膨脹，從而可能降低移動部件300的作動精確性。

此時，設置在基底部件100的溫度感測器601測量設置有各個溫度感測器601的點處的基底部件100的溫度，並傳遞到控制部700。控制部700為冷卻溫度已升高的點而打開連接到設置在相應點附近的渦流管600的供應管650的氣動閥670。當氣動閥670打開時，壓縮空氣通過供應管650供應到渦流管600的氣動流入口610。

參照圖3，通過渦流管600的氣動流入口610流入的壓縮空氣在渦流管600內形成渦流並以高速旋轉。在如上所述的過程中，壓縮空氣被分離為相對高溫的壓縮空氣與相對低溫的壓縮空氣。高溫的壓縮空氣由高溫排出口630排出，而低溫的壓縮空氣由低溫排出口620排出。

如上所述，從渦流管600的低溫排出口620噴射的低溫壓縮空氣被噴射到設置有此渦流管600的基底部件100的相應點周圍，以使所述相應點周圍冷卻。結果，當通過溫度感測器601感知到溫度下降到目標溫度以下時，控制部700再次使氣動閥670作動以關閉流過供應管650的壓縮空氣。

為了提高通過如上所述渦流管600對基底部件100的溫度控制性能，優選為一部分渦流管600以低溫排出口620朝向基底部件100的上側的方式設置在基底部件100。此時，優選為以高溫排出口630向基底部件100的下側或基底部件100的側方向排出的方式佈置渦流管600，使得從高溫排出口630噴射的高溫壓縮空氣不會加熱基底部件100。

如上所述，當使用渦流管600時，具有如下優點：可僅由比較簡化且簡單的構成來冷卻基底部件100及其周圍構成並維持尺寸精密度。通過如上所述方式，具有如下優點：即使不使用如石定盤或高精密度的編碼器刻度等昂貴的材料，也可以比較低廉的費用構成具有非常優異的作動精確度的精密線性馬達平台。另外，與使用包括壓縮機與冷凝器的一般冷卻器的情況相比，具有可簡化設備的整體結構且減小大小的優點。另外，在使用如上所述的冷卻器的情況下，由於必須將壓縮機或熱交換器設置在靠近設備之處，因此會存在設備的整體大小可能會變大、設置設備的面積可能會增大、且可設置設備的條件受到限制的問題。然而，在如本發明般使用渦流管600的情況下，通過僅將本發明的精密線性馬達平台與一般工廠設施中可易於使用的壓縮空氣配管連接，即可容易地設置及使用，因此具有使用便利性得到飛躍式提高的優點。

可以說本發明在如下方面具有優異性：通過採用以往未使用過的渦流管600來獲得優異的效果以解決欲以少的費用構成高精密度線性運動引導件的此技術領域中長期未解決的問題。

另一方面，如上所述，當基底部件100通過擠壓鋁合金形成且在內部形成沿長度方向延長的空腔(cavity)形態的中空部110的情況下，優選為渦流管600中的一部分渦流管以低溫排出口620朝向中空部110內部且高溫排出口630朝向基底部件100下側的方式設置在基底部件100。從如上所述般設置的渦流管600噴射的低溫壓縮空氣有效地填充到基底部件100的中空部110內，以均勻的溫度冷卻中空部110整體並保持，且由於使用中空部110內部的空間，因此具有能夠使設備的整體大小與形狀緊湊地構成的優點。

另外，即使由具有比較高的熱膨脹係數、且製造成本低於石定盤的鋁合金形成基底部件100的情況下，也可均勻地保持整體溫度，因此具有可優異地保持線性引導件的作動精確度及精密度，同時降低整體設備的製造成本的優點。另外，由於鋁合金熱膨脹係數高，反而導熱性優異，因此具有如下優點：當如本實施例的精密線性馬達平台般使用渦流管600對基底部件100進行冷卻的情況下，鋁合金材質的基底部件100可提高整體冷卻效率。另外，具有如下優點：通過有效地利用通常形成在擠壓鋁合金製造而成的基底部件100的中空部110的空間，可構成非常適合於使用渦流管600的結構。

以上，儘管已列舉關於本發明的優選示例進行說明，但是本發明的範圍不限於前文說明並示出的形態。

例如，儘管前文已列舉渦流管600設置在基底部件100的情況並進行了說明，但是也可將渦流管600設置在移動部件300。由於在線性馬達中產生熱量的主要構成是線圈元件500，因此也可在設置有線圈元件500的移動部件300處設置渦流管600。

另外，儘管前文已對在基底部件100的上表面與基底部件100的中空部110分別設置有渦流管600的情況進行了說明，但是可對在基底部件100設置渦流管600的位置進行各種變形。例如，若僅在基底部件100的中空部110處設置渦流管600，且形成多個連接基底部件100的上表面與中空部110的貫通孔101，則也可當填充在中空部110中的低溫壓縮空氣通過貫通孔101向基底部件100的上側噴射時起到冷卻作用。

另外，儘管前文已對基底部件100通過擠壓鋁合金形成的情況進行了說明，但是基底部件100的材質與結構可進行各種變形，且也可使用不包括中空部110的形態的基底部件100。

另外，儘管前文已對在基底部件100中設置多個溫度感測器601的情況進行了說明，但是也可構成不包括溫度感測器601的結構的精密線性馬達平台。在此情況下，對渦流管600連續地供應壓縮空氣，且從低溫排出口620連續地排出低溫壓縮空氣以冷卻周圍構成。在此種情況下，由於不存在溫度感測器601，因此控制部700以開環(open loop)方式控制渦流管600的作動。另外，在此種情況下，當設計精密線性馬達平台時，也可通過優化渦流管600的個數與位置以及壓縮空氣的供應壓力來設計精密線性馬達平台。

另外，儘管前文已列舉包括一對引導軌210、220的結構的精密線性馬達平台並進行了說明，但是也可構成包括僅設置一個引導軌210、220、或者包括三個以上的引導軌210、220的結構的精密線性馬達平台。

另外，如上所述，可以如下方式構成精密線性馬達平台：可使從渦流管600的高溫排出口630噴射的壓縮空氣在基底部件100的下側或側方向排出；在高溫排出口630連接單獨的排出管，以通過此排出管將高溫壓縮空氣引導至距基底部件100一定距離的位置排出。

另外，儘管前文已列舉永磁體元件400設置在基底部件100且線圈元件500設置在移動部件300的結構的精密線性馬達平台並進行了說明，但是根據情況，還可構成如下結構的精密線性馬達平台：線圈元件500設置在基底部件100且永磁體元件400設置在移動部件300。

另一方面，也可由如圖4所示的結構構成根據本發明另一實施例的精密線性馬達平台。

如圖4所示的精密線性馬達平台與參照圖1及圖2說明的實施例的精密線性馬達平台所有構成均相同，但不同之處在於還包括折疊蓋800。因此，對與圖1及圖2所示的實施例相同的構成賦予相同的部件符號進行說明，且對折疊蓋800進行進一步說明。

折疊蓋800設置在基底部件100的上表面。如圖4所示，折疊蓋800被構成為以銅鈸形態折疊或展開的結構。折疊蓋800連接到移動部件300，並在根據移動部件300的移動而折疊或展開的同時覆蓋基底部件100的上表面。即，隨著移動部件300的移動，折疊蓋800折疊或展開的同時覆蓋上側被暴露出的基底部件100的上表面及引導軌210、220。通過如上所述的折疊蓋800的結構，具有防止異物進入基底部件100的上表面而被污染的效果。

另外，折疊蓋800覆蓋基底部件100的上表面，以在基底部件100的上表面與折疊蓋800的下表面之間形成預定空間。如在圖1及圖2的實施例中說明所示，當從渦流管600噴射的低溫壓縮空氣向基底部件100的上表面噴射時，可獲得如下效果：相對於周圍空氣，折疊蓋800可在一定程度阻斷其下側內部空間，使低溫壓縮空氣在與基底部件100之間的空間中停留比較久的時間。結果，折疊蓋800具有如下優點：在防止基底部件100上表面的構成受到污染的同時實現提高基底部件100上表面及周圍構成的冷卻效率的效果。通過如上所述折疊蓋800的作用，可更加優異地保持精密線性馬達平台的作動精確度及精密度。

另一方面，儘管前文已列舉包括一個基底部件100與移動部件300、沿一個方向進行線性運動的同時進行一自由度運動的精密線性馬達平台並進行了說明，但是當然也可構成組合多個如上所述結構的精密線性馬達平台實現二自由度以上的運動的設備。