CN1848627A - 具有速度探测器的线性执行机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于运动***的线性执行机构，其上安装有速度探测器用于监测被驱动的传动杆的速度。该线性执行机构包含有：磁场；第一线圈，在磁场内通过调整流经该第一线圈的电流控制线圈的运动藉此驱动传动杆；第二线圈，其随着第一线圈运动，且配置成在第二线圈里产生与其速度相匹配的电压；以及控制器设备，其与第二线圈相连，用于接收在第二线圈里产生的反馈以藉此确定该传动杆的速度，其中该控制器设备更进一步连接于第一线圈，且可以根据所述的反馈来有效调整流经第一线圈的电流，以可控制的驱动该传动杆。
Description
技术领域
本发明涉及运动***的线性执行机构，其用以驱动传动杆(actuation arm)，尤其是提供一种安装有速度探测器的线性执行机构，该探测器用于监测被驱动的传动杆的速度。
背景技术
推顶器***(ejector systems)应用在半导体工业里多种用途。其应用领域之一为在工作夹盘(work-holder)上自动传送半导体衬底(semiconductor substrate)。例如，使用推顶器***自动的将衬底从其所在的容器内传送到导线焊接机(wire bonding machines)，以便在附于衬底上的电子元件(electronic components)与衬底上的电气连接焊垫(electrical connection pads)之间形成导线连接。
特别地，在一种典型的导线焊接机里，推顶器***用于推顶衬底(通常是以引线框的形式)从衬底盒(magazine)到工作夹盘通道上。该衬底每隔一段时间被推到工作夹盘上，并通过夹紧装置(clampingdevices)夹紧固定。其后，焊接工具将导线焊接在工作夹盘上面的衬底上，同时由夹紧装置夹紧该衬底。定位***(indexing system)和夹紧装置一起，用于精确的标定衬底并将该衬底送至焊接工具。由焊接工具将衬底的连接焊盘(例如引线)与固定在衬底上面的半导体器件上的连接焊盘之间形成互连。
通常，推顶器***包含推顶杆，其受直流电动机牵引驱动。现有技术推顶器***100如图1所示。该推顶器***100具有推顶杆102用以推动引线框104进入工作夹盘通道里(图未示)。该推顶杆102受到其上橡皮辊106(rubber rollers)按压而产生的摩擦力朝引线框104驱动。该橡皮棍106直接设置在齿轮直流发动机(图未示)的发动机轴杆108(motor shaft)上。有深槽的滚动轴承(deep-grooved ball bearings)110沿着推顶杆102的运动路线设置，以供推顶杆光滑且精确的线性运动。该滚动轴承110中至少一个设置在预载杆114上。弹性装置112安装在该预载杆114上以供预载杆114承载某一预加负载，以及至少一个滚动轴承110用以保持该推顶杆102的稳定性及稳定移动。***的初始化和运动控制是通过位于滚动轴承110邻近区域的内部传感器116(home sensor)和极限传感器118(limit sensor)实现的。
引线框104和衬底盒之间的摩擦力变化或引线框104和工作夹盘通道之间的未对准，都可能导致衬底盒或工作夹盘通道里引线框的堵塞。因此，在引线框104上方恰好设置一堵塞检测感应器120，用以感应在引线框104发生堵塞期间的任何横向变形。堵塞检测是重要的，这是由于半导体衬底通常下是易碎且易受损坏的，因此过度的外部压力作用在电子元件上时，堵塞就可能导致损害。
这种传统设计存在某些缺点。由于该传统设计采用地轮驱动机械(traction drive mechanism)，其可靠性和寿命受不成熟磨损的限制。并且，用于不同类型引线框的推力通常是非程序化的且不可控制的。因此，施加在由不同材料，厚度及宽度组成的引线框上的相似推力可能导致不同的影响。即使存在在制造公差和装配上的紧缩控制，也很难解决上述问题中推力的一致性问题。进而，堵塞检测和保护性能在很大程度上依赖于堵塞检测感应器120的敏感度。尤其对于厚的引线框而言，引线框里的变形或许很小，如果被堵塞，要感应引线框里的变形就会相当困难。因此，这种堵塞感应模块必然会增加额外的成本，甚至会比推顶器***本身的费用还要高。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种改进型线性执行机构，以避免现有技术中线性执行机构中的某些不足，并且提供一种允许堵塞检测的更加有效及成本低廉的机械。
为此，本发明提供一种线性执行机构用于驱动传动杆，其包含有：磁场；第一线圈，在磁场内通过调整流经该第一线圈的电流控制线圈的运动藉此驱动传动杆；第二线圈，其随着第一线圈运动，且配置成在第二线圈里产生与其速度相匹配的电压；以及控制器设备，其与第二线圈相连，用于接收在第二线圈里产生的反馈以藉此确定该传动杆的速度，其中该控制器设备更进一步连接于第一线圈，且可以根据所述的反馈来有效调整流经第一线圈的电流，以可控制的驱动该传动杆。
参阅后附的描述本发明实施例的附图，随后来详细描述本发明是很方便的。附图和相关的描述不能理解成是对本发明的限制，本发明的特点限定在权利要求书中。
附图说明
根据本发明在线性执行机构里并入推顶器***的较佳实施例现将参考附图加以描述，其中：
图1是现有技术推顶器***的剖面示意图；
图2是根据本发明所述实施例具有线性执行机构的推顶器***的立体示意图；
图3是图2推顶器***沿A-A方向的局部剖面示意图；
图4是图2推顶器***沿B-B方向的局部剖面平面示意图；
图5显示了用于控制线性执行机构的控制***的示意图；
图6是根据图2推顶器***的堵塞检测和引线框保护过程绘制的示意图。
具体实施方式
根据本发明所述的推顶器***的具体实施例现结合附图2和3描述如下，然而，本发明不限于附图所述的这种实施例。图2是根据本发明具体实施例所述推顶器***10的立体示意图，其包含有线性执行机构。图3是图2推顶器***沿A-A的局部剖面示意图。
推顶器***10包括以推顶杆12形式存在的传动杆，用于推动物体，例如引线框14。推顶杆12安装在机架16上且配置为易于朝向机架处滑动。机架16容置有用于驱动推顶杆12及感应推顶杆12被驱动的速度的组件。
用于驱动推顶杆12的主要组件包括音圈马达VCM(voice coilmotor)，其包含第一线圈，例如活动马达线圈30，以及磁体36，其布置在中心磁头18的周围并平行于马达线圈30运动的方向定位。磁体36和中心磁头18产生磁场以便在磁场内通过调整流经该马达线圈30的电流以控制该马达线圈30的运动。推顶杆12通过托架26(bracket)牢牢地附在可移动的马达线圈30上以便通过马达线圈28的移动驱动推顶杆12相对于机架16移动。
在马达线圈30和托架26上也可以安装速度探测器。该速度探测器最好至少包含有第二线圈，例如感应线圈28，以及第三线圈，例如补偿线圈32，该速度探测器布置以便与磁体36之间产生电磁相互作用。该感应线圈28可以随着马达线圈30运动，且配置成在感应线圈28里产生与其速度相匹配的电压。感应线圈28可以设置在与马达线圈相同的磁场里用于电磁相互作用，然而其也可以设置在单独的磁场里而远离马达线圈30。作为本实施例的上述结构，感应线圈28最好设置在马达线圈30的顶部。
马达线圈30，感应线圈28以及托架26作为一个单元相对于中心磁头18是可以活动的。为了促进这些组件相对于中心磁头18运动，托架26包含设置在两个轴杆20、22上的线性轴承，该轴杆20、22与中心磁头方向，也就是马达线圈30的运动方向平行布置。线性轴承24允许托架26相对于轴杆20、22滑动，有助于向托架提供平滑且精确的移动。
推顶杆12最初搁置在内部或缩进位置。当被激活时，推顶杆从机架16以朝向引线框14的方向延伸用以推动引线框14直到其达到预定的延伸限度。内部传感器34和限位传感器35于推顶杆12临近设置以检测形成在推顶杆上的标记参数，以便测定推顶杆12的位置，尤其是用于分别测定完全到达的内缩位置和延伸位置。内部传感器34和限位传感器35对于***初始化和运动辨别是有用的。
当音圈马达VCM(包含马达线圈30和磁体36)驱动推顶杆以推动引线框14时，速度探测器(包含感应线圈28，补偿线圈32及磁体36)感应运动的速度和方向。持续的监测该推顶杆12运动的速度和方向的电信号以确定基于闭合回路控制的速率，从而确保推顶器***10沿着预定的速度分布运行。该速度分布可以现场编程以适应不同的引线框14。对于移动的引线框14的任何不期望的干扰都会导致电动机电流的变化，在下述内容中会进一步阐述。一旦电流超过预定极限，则推顶器***10就可以测定推顶杆12的移动已经受阻，以及引线框发生堵塞。在加速和减速过程中任何超过预定极限的电流被编程为尽可能的短，以便当检测到引线框堵塞时则电流可以简单地排除。
图4是图2推顶器***10沿B-B方向的局部剖面平面示意图。为了简便起见，推顶器***10的机架16在图中未标识。附图显示了音圈马达VCM配置的示意图，其标明了本应用中应注意的最大行进的必要条件。其也显示了音圈马达VCM随不同行进条件而变化的配置。
图4显示了一对设置在后磁头组38上的矩形磁体盒36，其按照标明的极性布置。后磁头组38对称地附在中心磁头18相对的两端用以固定磁体。后磁头组38和中心磁头18的布置介于由每个磁体36和中心磁头18之间产生的同等强度的相同磁场之内，以便马达线圈30和感应线圈28分别在磁场内的运动期间经受一样的磁场强度。
当音圈马达VCM的马达线圈30通过电流加压时，与电流的大小成正比的洛伦兹力(Lorentz force)以与中心磁头18的纵向轴线19平行和共线(co-linear)的方向产生。马达线圈30里倒转电流的方向也会调转洛伦兹力的方向。
速度探测器最好采用与音圈马达VCM相同的磁性材料和机械配置。感应线圈28直接安装在马达线圈30的顶部，连同马达线圈30一起运动。这样，当马达线圈30的运动受音圈马达VCM的驱动时，在感应线圈28里产生的反电动势(back-EMF)就会与运动的速度成正比。这决定了推顶杆12运动的速度。
同时，在感应线圈28里也会产生不需要的感应电压，尤其是在马达线圈30由交换电流加压时，由与马达线圈30相耦合的感应线圈28周围的磁力所致。因此，在本发明最佳实施例中并入补偿线圈32以将来自马达线圈30的电磁干扰达到最小化。如图3和图4所示，补偿线圈32是固定的且最好是安装在中心磁头18上。在本实施例中，补偿线圈32布置在与感应线圈28和马达线圈30同一磁场里。其与感应线圈28以反向串联的方式(anti-series)电性连接，以便在感应线圈28和补偿线圈32里产生的感应电压能够相互抵消。由于存在马达线圈30产生磁场的变化及中心磁头18沿着马达线圈32的轨迹饱和度(saturation level)，故产生的电压要完全抵消是困难的。因此希望增加一种低通过滤器用于抑制峰值而仅仅提取检测到的有用的速度信息。
图5显示了用于控制线性执行机构的控制***的示意图。该控制***通常包含控制器设备，其可以包括微控制器(microcontroller)40和比例积分控制器(PI，proportional-integral)42，音圈马达模块44以及速度探测器模块46。微控制器40接收输入，其包括触发脉冲输入(trigger input)48，内部传感器输入(home sensor input)50，限位传感器输入(limit sensor input)52，速度设定输入(velocity setting input)54以及堵塞极限输入(jam threshold input)56。在微控制器40和其他设备之间还可以增加通信端口(communications port)58以建立通信。
以速度探测器模块46为代表，控制器设备与感应线圈28相连，用于接收表明在感应线圈28里所产生电压的反馈电压Vfeedback，藉此确定推顶杆12的速度。以音圈马达模块44为代表，该控制设备还进一步与马达线圈30相连，其通过基于前述反馈值的电流信号Icmd(t)有效调整流经马达线圈30内的电流，用以根据事先调整的预定参考速度分布控制驱动推顶杆12。
根据事先调整的参考速度分布图，微控制器40发出速度请求Vcmd(t)到比例积分控制器42，由该比例积分控制器回送电流信号Icmd(t)以启动音圈马达模块44驱动音圈马达VCM。当驱动推顶杆12时，速度探测器模块46感应推顶杆12运动的速度。通过速度探测器模块46发送感应线圈28内产生的以电压形式存在的速度反馈Vfeedback到微控制器40而实现速度的闭环控制(velocity loop)，以跟踪速度请求参数Vcmd(t)和得到指定的速度分布。Ifeedback，是检测到的马达电流，也反馈给微控制器用于堵塞检测，速度波动会导致马达电流信号Icmd(t)的快速变化以纠正速度错误。一旦检测到马达电流Ifeedback超过某一值，就认为是引线框堵塞。然而，由于电流反馈信号在推顶杆12的加速和减速过程中很有可能超过预定极限，因此在包括有相对短时期电流增加的加速和减速过程，控制***自动的先占取并排除堵塞触发。该预定参考速度和堵塞极限最好是可编程的，以适应不同的情形。
图6是根据图2推顶器***10的堵塞检测和引线框保护过程绘制的示意图。图中包括参考速度曲线60，速度感应器输出曲线62和被检测的马达电流曲线64。由于音圈马达VCM启动的相对驱动方向所致，图中显示的数值是负值，而初始参数是绝对值，故数值也可以为正值。本发明具体实施例不受相对驱动方向的影响。
推顶器***10最好以由流经马达线圈30的电流的控制器设备控制的可控速度闭环***运行，该闭环具有梯形参考速度分布，并且尽可能在运行中保持这种分布。如图6a所示当不发生堵塞时，由于在恒定速度运动中运动组件仅需要克服摩擦力，故巡航马达电流很小(约240mA)。速度曲线60，62的波谷显示了推顶杆12以恒定速度沿引线框14方向的行径。马达电流曲线64中的波峰和波谷代表了电流增加以加速和减速推顶杆12。
图6b包含在t1和t2区间内堵塞分布示意图。一旦推顶杆12的运动存在障碍且遭遇堵塞，马达电流曲线64的电流绝对值将迅速增加(到达约1.6A)，其超过了根据所使用引线框14的性质而预定的保护极限。马达电流在t2-t1持续期间超过预定的保护极限。这个持续期间比推顶杆12的加速和减速的预想期间要长。因此，***测定其存在引线框堵塞。从而，推顶器***10被迫暂停重新触发。
作为选择的，当推顶杆12的运动受到障碍时，感应线圈28感应的速度明显减小，推顶器***10可以编程以便控制器设备被设置以检测如在t1和t2区间速度曲线60所示的推顶杆12的速度低于预定极限的某一时间区间。假如这样的话，也标明对于推顶杆12的运动存在障碍，最好能重新触发。
使用内置有如上述本发明具体实施例所述的速度探测器的线性执行机构的引线框推顶器***10，能与音圈马达VCM和速度探测器共享相似磁性和机械组件。补偿配置也能实施以提高速度探测器的感应质量，其对于自动化堵塞检测和引线框保护是非常重要的。在该设计中，自动化引线框堵塞检测不需要采用额外的反馈设备就可以实现，不需要增加额外的成本。此外，电流极限是可以软件编程的，故***适用于不同的引线框。
采用上述具体实施例的测试表明了速度探测器的卓越特征和堵塞检测足够的敏感度和可靠性以及用于不同种类引线框的保护性能。
此处描述的本发明在所具体描述的内容基础上很容易产生变化、修正和/或补充，可以理解的是所有这些变化、修正和/或补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。
Claims (15)
1、一种线性执行机构，用于驱动传动杆，其包含有：
磁场；
第一线圈，在磁场内通过调整流经该第一线圈的电流控制线圈的运动藉此驱动传动杆；
第二线圈，其随着第一线圈运动，且配置成在第二线圈里产生与其速度相匹配的电压；以及
控制器设备，其与第二线圈相连，用于接收在第二线圈里产生的反馈以藉此确定该传动杆的速度，其中该控制器设备更进一步连接于第一线圈，且可以根据所述的反馈来有效调整流经第一线圈的电流，以可控制的驱动该传动杆。
2、如权利要求1所述的线性执行机构，更进一步包含：中心磁头，其平行定位于该第一线圈运动的方向；以及磁体，其布置在该中心磁头的周围用于产生磁场。
3、如权利要求2所述的线性执行机构，包括后磁头组，其对称布置在该中心磁头的相对两端用于安装磁体。
4、如权利要求1所述的线性执行机构，其中该第一和第二线圈设置在同一磁场里用于进行电磁相互作用。
5、如权利要求3所述的线性执行机构，其中该第二线圈设置在第一线圈的顶部。
6、如权利要求1所述的线性执行机构，包括托架，其具有线性轴承，用于安置至少第一线圈和传动杆，其中该线性轴承设置在轴杆上，该轴杆平行布置于第一线圈的运动方向。
7、如权利要求1所述的线性执行机构，更进一步包含有第三线圈，其设置为产生感应电压，其与当第一线圈承载电流时在第二线圈里产生的感应电压相反。
8、如权利要求7所述的线性执行机构，其中该第三线圈以反向串联的方式电性连接于第二线圈。
9、如权利要求7所述的线性执行机构，其中该第一和第三线圈设置在同一磁场里。
10、如权利要求9所述的线性执行机构，其中该第三线圈设置在线性执行机构的中心磁头上。
11、如权利要求1所述的线性执行机构，其中该控制器设备设置以检测当第一线圈内的电流超过预定极限时，由此表明该传动杆的运动存在障碍。
12、如权利要求1所述的线性执行机构，其中该控制器设备设置以检测当传动杆的速度低于预定极限时，由此表明该传动杆的运动存在障碍。
13、如权利要求1所述的线性执行机构，其中该控制器设备设置以控制流经第一线圈的电流，以便第一线圈的运动沿预定速度分布的轨迹行进。
14、如权利要求1所述的线性执行机构，其中该控制器设备包含微控制器和比例积分控制器。
15、如权利要求1所述的线性执行机构，其中该传动杆包含推顶杆，其被设置并布置以推动沿着该推顶杆被驱动的路径安置的半导体器件。
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