CN100562826C - 用于定位负载的电动机*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电动机***和一种定位负载的方法。该***包括诸如XY工作台的支撑装置以支撑负载。一第一电动机和一第二电动机协作以驱动负载，其中在定位负载的定位序列期间，第一电动机适于提供比第二电动机较高的推动力，而第二电动机适于提供比第一电动机较高的定位精度。

Description

用于定位负载的电动机***
技术领域
本发明涉及一种电动机***，其可被用于调整负载相对于一平面的位置，且其可与一定位装置的平台或台相关联而用于负载的定位，该定位装置例如为XY工作台。
背景技术
在工业上使用不同的电动机以移动负载并控制它们的位置。线性电动机，即通过电磁相互作用而在直线上产生推力的电动机，就是这样的一种电动机。
例如，关于“线性电动机”的美国专利5808381揭示了线性电动机的几种配置，其使用了永磁体，该永磁体与气隙中的线圈相结合，(其设置于有磁通区域内)。关于“线性电动机”的美国专利5087844，也揭示了一种移动线圈的线性电动机，其有一对永磁部件处于一中心磁轭的两侧，通过它们之间的空隙而彼此相对。多相的交错式(interlaced)线圈部件被置于气隙中，使得一个永磁部件产生的力与另一个永磁部件产生的力作用于同一个方向。永磁部件经过成形处理，使得其磁通密度在移动部件的运动方向上的变化比传统线性电动机更接近于理想的正弦形式。
在半导体组装设备领域，过去的十年里经历了从旋转式电动机和基于滚珠丝杠的平移台(translation stages)到基于线性电动机的平移台的转变。这在用于以两个独立轴向在一平面上移动负载的高速、高精度XY工作台的方面尤其如此。XY工作台包括独立移动的台或平台，每个都能在一个轴上移动。在两个轴上的移动的组合允许一个物体定位于一平面上的任何一个位置。比如，XY工作台可以用作半导体组装设备、加工工具和测量工具上的定位装置。
在线性电动机驱动的XY工作台的传统设计中，平面上两个轴中的每个轴都由一线性电动机以闭环伺服控制方式驱动，同时由数字编码器提供反馈，每个轴一个数字编码器。有多种不同设计的线性电动机可以用于这样的XY工作台。
迄今，没有铁芯的动圈式电动机是后端(backend)半导体工业中的XY工作台广泛使用的电动机。无论单相或多相，它们都要求使用悬臂(cantilever)式线圈托座。对围绕运动轴(和垂直于该运动轴的轴)的移动质量(包括负载)的转动惯量来说，悬臂有显著贡献。由于左右摇摆(yaw)和纵向颠簸(pitch)模式中的振动，这是所不希望的。因此，电动机设计者的一个目标是保持线圈部件尽可能地紧凑，从而减小悬臂的长度。所以，在多相电动机中，分布式线圈绕组优于集中式绕组。分布式绕组的另一个优点是其产生的热耗散得更好。图6c是一个集中式线圈绕组的例子，而图6a和6b是分布式线圈绕组的例子。
包括每个轴有一线性电动机的XY工作台的例子公示于关于“XY工作台”的美国专利6244192。该设计在现有技术上的改进被认为是沿X和Y轴定位负载时，使用的是线性电动机，而不是连接驱动电动机的滚珠馈进丝杆(ball feed screws)。除了别的以外，滚珠馈进丝杆由于丝杆连接的误差而不够准确。而且，高速加速和减速是不可能的。
然而，一个涉及高带宽伺服控制电动机——如在前述专利中所使用的电动机——的控制问题，是驱动器电路中的失调电流(offset current)的影响，由于温度的变化和电路中的其它老化影响，该电流可随时间而变。这一失调电流可表示为一种不需要的电动机力，该力等于电动机加力常数与失调电流的积。电动机的加力常数可被定义为力乘以单位电流。对一个多相电动机，该加力常数一般是基于在其每个相中的正弦电流的峰值。具有高加力常数的线性电动机甚至对小量的驱动器偏移和寄生噪声都敏感。
通常在仅使用一个电动机时，其只有一个加力常数，难于满足高精度和高速的矛盾。当电动机的加力常数较高时，由于诸如驱动器偏移和寄生噪声的干扰而产生的不希望的力也较大。因此，这样的电动机难以控制，特别是在其行程的末端保持稳定静态位置时。然而，从以一紧凑的电动机进行较快操作而无需来自驱动电路的很高电流的观点看，电动机的加力常数需要足够的高。以单个电动机控制每个轴所伴随而来的缺点是为了精度而让速度受到损失。
在较大距离上移动负载时，采用一高加力常数电动机对夹持负载的台提供一高的力量是有利的，且当更精确地定位于较小的距离时提供一较小的力是所需的。
发明内容
本发明的一个目的是寻求提供一种改进的电动机***以比上述的现有技术更高速度和精度定位负载。
根据本发明的第一方面，提供一电动机***以定位一负载，该电动机***包括用以支撑负载的支撑装置和第一及第二电动机，第一电动机和第二电动机配合以驱动负载，其中第一电动机适于提供比第二电动机更高的推动力，且在定位负载的定位工序中第二电动机适于比第一电动机提供更高的精度。
根据本发明的第二方面，提供一种用于定位负载的方法，该方法包括协作使用第一电动机和第二电动机以驱动负载，其中第一电动机对所述负载提供较高的推动力，而第二电动机对所述负载提供较高的定位精度
应用本发明，可以提供两个级联的(tandem)线性电动机，其可移动负载于XY工作台，以提供快速、精确的负载定位。动圈式电动机的悬臂总体尺寸可被减小，使得***紧凑且绕垂直于运动轴的重心的转动惯量更小。使用本发明，有利于在较大面积上隔热和散热，因此导致更低的操作温度。
通过参考说明本发明一个具体实施例的附图，下面可以更容易地详细说明本发明。附图的特殊性和相关的说明不能被理解为取代根据权利要求所界定的本发明的广泛的标志的一般性。
附图说明
图1是包括一XY工作台的立体图，该工作台包括X台和Y台，其中并入了根据本发明的优选实施例的电动机***；
图2是图1中的XY工作台的底部的立体图；
图3是从图1中D方向看去的XY工作台的侧视示意图；
图4是从图1中E方向看去的XY工作台的侧视示意图；
图5a和5b是图3中第二电动机的放大的侧视图；
图6a和6b分别说明动圈式电动机和动磁式(moving magnet)电动机的交错式线圈的构造，根据本发明，它们都可用于电动机***；以及
图6c说明现有技术的集中式或非交错式线圈绕组的构造。
具体实施方式
参考附图，图1是根据本发明优选实施例，并入了电动机***的XY工作台40的立体图。XY工作台40的磁体部件已被移去，以便更清楚地显示电动机***。XY工作台通常包括支撑装置，比如X台7和Y台17，X台7可沿X轴在X轴交叉滚柱导轨8上移动，而Y台17可沿Y轴而沿Y轴交叉滚柱导轨16移动。支撑装置7、17支撑将被定位于一平面上的负载(图中未示)。X台7的位置可通过X轴编码器14确定，而Y台17的位置可通过Y轴编码器15确定。上部线圈5被X台7上的托座6支撑，其包括第一电动机1的一部分，以提供高加力常数的第一电动力给X台7。也就是说第一电动机1提供高的推动力来驱动X台7。
图2是图1中XY工作台40的底部的立体图。该图示出包括第二电动机2的一部分的下部线圈11，电动机2提供第二电动力给X台7。该下部线圈11被安装在支座或护铁(back iron)12上。优选地，一热沉13被加到护铁12的侧面，基本远离下部线圈11，从而有利于耗散XY工作台40的第二电动机2所产生的热。
图3是从图1中D方向看XY工作台40的侧视示意图。X台7适于在X轴方向上移动，而Y台17装配到X台7上且适于在一个平面的Y轴方向上移动。Y台17可连接到要求在XY轴上定位的外部装置，例如引线接合器(wire bonder)(未示出)的接合头(bond head)。
关于X台7，其被X轴交叉滚柱导轨8支撑且可沿其移动。第一电动机1优选为一动圈式电动机，其提供高加力常数。故第一电动机1的定子(stator)包括气隙20，其形成于两排永磁体3之间，永磁体3以特定图案附着在由高磁导率材料制成的磁轭4上。这导致了沿运动的X轴方向，气隙20中的磁通量呈标称正弦变化。而且，上部线圈5被置于气隙20中从而允许平移运动(translational movement)。在所述优选实施例中，线圈5的结构由分布式或交错式绕组组成，如图6a所示。X台7由X轴交叉滚柱导轨8s所支撑，且可沿其相对于固定的工作台基座18移动。
流过上部线圈5的电流和磁通量的结合导致托座6和X台7通过电磁相互作用而沿X轴移动。X台在X轴上的移动方向可通过改变流过上部线圈5的电流方向而被改变。
X台7的移动也依赖于第二电动机2。以下参考附图5a和5b而更详细地说明第二电动机2。第一电动机1优选具有较大加力常数以使得负载有较高加速度，导致更快的操作。第二电动机2则具有相对较低的加力常数，这使其与第一电动机1相比，能够在给电动机1、2提供同样电流的情况下，提供更高的定位精度，以微调负载的位置。
在优选实施例中，本发明的电动机***并入到X台7，但也能作适当的修改而将电动机***并入到Y台17。第一电动机1和第二电动机2相结合而协作移动较低、较重的X台7，从而在一方面，可从级联工作的这两个电动机获得大的合成力，在另一方面，只通过对第二电动机在行程末端进行控制而实现位置的准确保持。为达此目的，优选通过独立的驱动器分别驱动和控制两个电动机1、2。在这样的安排中，虽然在执行特定移动时，两个电动机都贡献驱动力，但X台7在行程末端的伺服控制将只受具有较低加力常数和较高精度的电动机2的作用。
另外，在移动行程末端的位置控制的要求不是特别严格的应用中，电动机可以串联或并联，且由单独一个驱动器和单独一个控制器分别控制和驱动。这样会简化控制器和驱动器的电路，同时具有紧凑和散热较佳的优点。
图4是从图1中的E方向看XY工作台40的侧视图。所示Y台17带有单个Y轴电动机19。Y轴托座21固定一系列Y轴电动机线圈22且附着到Y台17。Y轴电动机线圈22被置于形成于永磁体23的顶部和底部之间的气隙中。永磁体23在该气隙中产生磁通量。Y台17的移动原理和第一电动机1关于X台的移动原理相似，所以不再重复。如前所述，Y台17可选择包括第二电动机，尽管这在所述实施例中不是优选的。
所述实施例中，较轻故易于控制的Y台17的Y电动机19具有常规构造，其优选为动圈式类型(参看图6a)，固定于Y台17上且受到线***叉滚柱导轨16支撑。Y台的这些线***叉滚柱导轨16依次固定于X台7的顶部侧面，垂直于X台的X轴交叉滚柱导轨8的方向。Y电动机19接收来自Y轴数字编码器15的反馈。
展示于图4中的还有X台7的X轴编码器14。同样更详细地示出热沉13的构造。第一电动机1和第二电动机2接收来自X轴数字编码器14的反馈。
图5a是图3中第二电动机2的放大的侧视图，其中第二电动机2位于X台7下面。第二电动机2的定子包括多个下部线圈11，其优选为分布式或交织式绕组，如图6b所示。下部线圈11固定于导磁支座或护铁12上。在护铁12的底部安置有热沉13以耗散来自第二电动机2的热。在第二电动机2的设计中，永磁体9附着于高磁导率材料制成的磁轭10上。磁轭10固定于X台7的下侧。所述优选实施例具有动磁式构造，使用无槽(slotless)分布式线圈绕组11，因为无槽设计不会引起造成控制复杂的齿槽力(cogging force)。
图5b是从图5a中F方向看的第二电动机2的图示。
现说明定位负载的定位工序。为启动X台7移动，通过上部线圈5和下部线圈11传输电流，从而产生电磁相互作用力，并通过第一电动机1和第二电动机2相结合而在一个方向移动X台7。力的结合导致X台7加速移动至X轴上的所需位置。当X台7到达其目的位置，例如通过切断上部线圈5的电流而使第一电动机1退出工作。然而，第二电动机继续产生力，用以微调X台7的位置。
第一电动机1和第二电动机2的力牵引成分(takeoff elements)位于距X台总的移动质量的重心(C.G.)不同高度处。它们被安排成使第一电动机1的力(F1)与其距重心(C.G.)的偏移(a)的积等于第二电动机2的相应的量(F2，b)的积(参看图3)。这可表达为：
F1×a＝F2×b
这样确保在移动期间，在X轴交叉滚柱导轨8上几乎没有残余力矩，导致导轨更长的操作寿命。
因为X台7对力的要求为第一电动机1和第二电动机2所分担，故与只为X台7提供一个电动机的情况相比，每个电动机在尺寸上更小。尤其是，这转化为更小和紧凑的线圈组件5，其使得托座6更短，从而导致线圈支架6的动态刚性较高而XY工作台40的总转动惯量较低。本领域普通技术人员也可构思采用相似的级联电动机安排而作设计上的其它变化。
在此说明的本发明易于变化、修改和/或进行本说明书所未具体描述的补充，应理解，本发明包括所有这些落入上述说明范围的变化、修改和/或补充。

Claims (20)

1.一种用于定位负载的电动机***，其包括用以支撑所述负载的支撑装置；和第一电动机；及第二电动机，第一电动机和第二电动机操作地驱动相同的所述负载，从而所述第一和第二电动机不是每个分别驱动各自其它的负载而是都驱动所述负载，并且其中在定位所述负载的定位工序中，第一电动机适于提供比第二电动机更高的推动力，而第二电动机适于提供比第一电动机更高的定位精度，其中在所述定位负载的所述定位工序开始时，须将所述第一电动机和第二电动机的力结合起来在一相对较大距离上移动所述负载；而在所述定位负载的所述定位工序结束时，所述第一电动机需要退出工作，所述第二电动机需要继续产生力，用以微调所述负载的位置。
2.根据权利要求1所述的电动机***，其特征在于第一电动机具有比第二电动机更高的加力常数。
3.根据权利要求1所述的电动机***，其特征在于：第一电动机适于产生在相对较大距离上移动所述负载的力，而第二电动机适于产生在所述负载的预定位置处微调该负载的位置的力。
4.根据权利要求1所述的电动机***，其特征在于：第一和/或第二电动机包括电气线圈以导通电流，且其中在一对磁体之间形成一气隙，所述线圈被置于该气隙中，所述磁体适于产生磁通量，以便与所述线圈进行电磁相互作用从而移动所述负载。
5.根据权利要求4所述的电动机***，其特征在于：第一电动机包括动圈式线性电动机，而第二电动机包括动磁式线性电动机。
6.根据权利要求4或5所述的电动机***，其特征在于所述线圈包括分布式或交错式绕组。
7.根据权利要求1所述电动机***，其特征在于所述支撑装置是XY工作台的一个台。
8.根据权利要求7所述的电动机***，其特征在于其适于驱动所述XY工作台的X台。
9.根据权利要求7所述的电动机***，其特征在于其适于驱动所述XY工作台的Y台。
10.根据权利要求1所述的电动机***，其特征在于第一和第二电动机由独立驱动器或控制器独立地控制。
11.根据权利要求1所述的电动机***，其特征在于第一和第二电动机串联或并联，且由单独一个驱动器或控制器控制。
12.一种用于定位负载的方法，其包括使用第一电动机和第二电动机以驱动相同的所述负载，从而所述第一和第二电动机不是每个分别驱动各自其它的负载而是都驱动所述负载，并且其中第一电动机对所述负载提供较高的推动力，而第二电动机对所述负载提供较高的定位精度，其中在所述定位负载的所述定位工序开始时，须将所述第一电动机和第二电动机的力结合起来在一相对较大距离上移动所述负载；而在所述定位负载的所述定位工序结束时，所述第一电动机需要退出工作，所述第二电动机需要继续产生力，用以微调所述负载的位置。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于第一电动机具有比第二电动机更高的加力常数。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：第一电动机产生一力以在一相对较大的距离上移动所述负载，而第二电动机产生一力以在所述负载的预定位置处微调该负载的位置。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于第一和/或第二电动机包括一导通电流的电气线圈，且所述线圈位于形成于一对磁体之间的气隙中，该磁体产生磁通量，以便与所述线圈进行电磁相互作用从而移动所述负载。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：第一电动机包括动圈式线性电动机，而第二电动机包括动磁式线性电动机。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于所述线圈所具有的绕组选自包括分布式和交错式绕组的一组绕组。
18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于第一和第二电动机驱动XY工作台的一个台，且所述负载连接到该台。
19.根据权利要求12所述的方法，其特征在于第一和第二电动机由独立的驱动器或控制器所独立地控制。
20.根据权利要求12所述的方法，其特征在于第一和第二电动机串联或并联，且由单独一个驱动器或控制器所控制。
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