KR102106792B1 - 포지셔닝 장치 - Google Patents

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Abstract

포지셔닝 장치는 로봇에의 고정을 위해 구비되는 베이스 요소, 상기 베이스 요소에 이동 가능하게 지지되는 베이스, 상기 베이스가 상기 베이스 요소에 대한 방향으로 이동 가능하게 하는 피에조 액추에이터를 포함한다. 제2 카운터웨이트가 반대 방향으로 동시에 이동 가능하도록 하는 제2 피에조 액추에이터가 구비된다.

Description

포지셔닝 장치{Positioning apparatus}
본 발명은 특히 미터링 장치(metering apparatus)를 위한 로봇(robot)에 고정될 수 있는 포지셔닝 장치에 관한 것이다.
예를 들어 미터링 장치는 기판 상에 솔더 포인트(solder point)를 형성하기 위해 기판 상으로 특히 방울 형태의 솔더 페이스트(solder paste)의 정의된 양을 도포하기 위해 반도체 산업에서 일반적으로 알려져 있고 사용되고 있다. 여기서 로봇에 미터링 장치를 부착하는 것이 로봇이 미터링 장치를 하나의 솔더 포인트에서 다음 포인트로 이송시키고 방울의 정확한 위치를 위해 멈추도록 한다는 점에서 정해진 시간 내에 복수의 방울 형태의 솔더 포인트의 완전 자동화된 실행을 가능하게 한다. 특히 로봇의 가속 및 감속 시에 일어나고 특정 환경 하에서 로봇의 원하지 않는 진동을 야기할 수 있으며 그에 따라 미디움의 정확한 미터링을 손상할 수 있고 솔더 포인트가 위치되는 속도를 적어도 제한할 수 있는 관성 질량(masses of inertia)이 알려진 미터링 장치에서 문제가 된다는 것이 입증되었다.
나아가 전통적인 로봇은 이동이 매우 빠르게 이루어져야 하거나 방향 전환 시 또는 빠른 출발/정지 시에 문제를 항상 가진다. 방향이 변하는 가속은 로봇에 진동을 유발한다. 선형 가이드들은 부드러운 주행을 해야 하면 높은 정도로 프리로딩(pre-loaded) 될 수 없으며, 이는 이들이 작은 이동에 대한 어떠한 큰 저항도 제공하지 않는다는 것을 의미한다.
본 발명의 기본적인 목적은 빠른 속도로 이송될 수 있는 정확한 위치를 허용하는 포지셔닝 장치를 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 제1항의 특징들을 가지는 장치에 의해 달성된다.
한편으로 단지 로봇에 의해 방울의 배치를 위해 요구되는 미터링 밸브의 이동을 수행하는 것이 아니라 이 목적을 위해 피에조 액추에이터를 추가로 제공하는 것이 미터링 밸브를 위한 포지셔닝 장치의 사용에 있어서 본 발명의 기본적인 일반 아이디어이다. 따라서 소위 로봇 이동은 로봇 이동에 비해 실질적으로 빠르고 더 정확하게 제어될 수 있는 그에 중첩되는 피에조 이동을 가진다. 예를 들어 이 방식으로 미터링 장치는, 방울의 실제 배치가 피에조 액추에이터에 의해 트리거 되는 동안, 적어도 상당히 감속되거나 가속될 필요 없이 일정한 속도로 기판 상에서 이송될 수 있다. 그 결과로, 정확하게 미터링 된 방울, 특히 솔더 페이스트(solder paste)와 같은 100 ㎛ 내지 200 ㎛ 범위의 직경을 가지는 방울들이 더욱 빠르게 그리고 그에 따라 더 경제적으로 기판 상에 도포될 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명은 제2 질량이 동일한 축으로 반대 방향으로 미터링 헤드에서 카운터웨이트로서 이동되면 하중 변화가 로봇에 일어나지 않는다는 아이디어에 기초한다.
본 발명의 유리한 실시예들은 종속 청구항들, 상세한 설명 및 도면에 나타나 있다.
카운터웨이트의 구동이 이 축에서 베이스의 구동과 동일한 요소에 고정된다면 유리할 수 있다. 카운터웨이트는 동일한 축에서 반드시 이동되어야 하는 것은 아니다. 개별 질량의 절반이 오른 쪽 또는 왼 쪽으로의 베이스의 이동 시에 반대 측으로 이동될 때 이동이 또한 보상된다.
베이스의 구동과 보상 질량의 구동을 동일하게 디자인하는 것이 유리할 수 있으며, 이들 두 이동은 제어의 반대 극성에 의해 달성될 수 있다.
이동될 베이스가 가능한 작은 질량을 가진다면 또한 유리하다.
실시예에 따르면, 미터링 밸브가 이송될 수 있는 평면을 형성하는 서로 다른 두 개의 피에조 이동이 구비된다. 피에조 액추에이터의 스트로크는 100 ㎛ 내지 500 ㎛의 범위에 있을 수 있다.
제1 및 제2 방향은 바람직하게는 적어도 서로에 대해 대략 직각을 이룬다. 제1 및 제2 방향 중 하나는 로봇의 이동의 방향과 일치하며, 즉 피에조 이동의 하나는 로봇 이동과 일치한다. 예를 들어, 제1 방향은 수직을 향하고 특히 Z 방향을 정의하며, 반면 제2 및 제3 방향은 수평을 향하며 특히 로봇이 움직이는 X 방향과 Y 방향을 정의한다.
수평방향 로봇 이동이 같은 방향의 제1 피에조 이동 및 그에 중첩되는 수직방향으로의 제2 피에조 이동을 포함하며, 미터링 밸브, 특히 미터링 밸브의 미터링 니들로 사이클로이드(cycloid)를 나타내는 것이 가능해지며, 이때 사이클로이드는 기판 상에 방울을 위치시키는 것에 특히 잘 맞는다.
추가적인 실시예에 따르면, 미터링 밸브의 플런저(plunger)는 피에조 액추에이터에 의해 구동될 수 있다. 미터링 밸브를 위한 피에조 구동의 사용에 의해, 그 빠르고 정확한 제어의 장점이 또한 미터링 밸브 그 자체의 작동, 즉 실제 미터링에 실현될 수 있다. 여기서 제3 피에조 액추에이터의 작동 방향은 미터링 밸브의 이동을 위한 피에조 액추에이터의 작동 방향과 일치하며, 예를 들어 수직방향을 향한다.
적어도 하나의 센서가 적어도 하나의 피에조 액추에이터의 휨(deflection)을 감지하기 위해 유리하게 구비된다. 따라서 피에조 액추에이터의 원하는 휨이 전압의 인가에 의해 실제로 달성되었는지에 대한 체크가 그러한 센서에 의해 이루어질 수 있고 전압이 선택적으로 적절하게 조절될 수 있다. 다시 말해, 센서는 피에조 액추에이터의 조절을 가능하게 한다. 대응하는 센서는 바람직하게는 각 피에조 액추에이터에 연결된다. 그러나 일반적으로 단지 하나의 피에조 액추에이터 또는 피에조 액추에이터의 선택이 또한 각 하나의 센서에 의해 모니터링 될 수 있다.
피에조 액추에이터 또는 각 피에조 액추에이터는 전압의 인가에 의해 변형되는 특히 꺾이는 피에조 요소, 그리고 피에조 요소에 부착되는 암 연장부(arm extension)를 포함한다. 피에조 액추에이터의 스트로크는 암 연장부에 의해 증가될 수 있다.
본 발명의 추가 대상은 로봇 및 위에서 설명한 것들이 고정되는 포지셔닝 장치를 포함하는 미터링 시스템이다. 따라서 위에서 설명된 유리한 점은 미터링 시스템에 의해 달성될 수 있다.
추가로 본 발명은 로봇 및 로봇에 이동 가능하게 지지되는 미터링 밸브를 포함하는 포지셔닝 장치를 가지는 미터링 시스템에 의해 미디움을 미터링하는 방법에 관한 것이며, 여기서 미터링 밸브는 로봇에 의해 제1 방향으로 이송되고 동시에 로봇에 대해 적어도 하나의 제1 피에조 액추에이터에 의해 제1 방향으로 그리고 적어도 하나의 제2 피에조 액추에이터에 의해 제1 방향과 실질적으로 수직인 제2 방향으로 이동되어 미터링 밸브의 미터링 니들이 제1 및 제2 방향에 의해 형성되는 평면 상에서 사이클로이드를 형성한다. 예를 들어 솔더 페이스트의 정확하게 미터링 된 방울들, 특히 100 ㎛ 내지 200 ㎛ 범위의 직경을 가지는 방울들이 이 방법을 사용하여 특히 빠르고 경제적으로 도포될 수 있다.
본 발명은 유리한 실시예와 첨부된 도면을 참조로 단지 순수하게 예로서 이하에서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 포지셔닝 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 포지셔닝 장치의 단면도이다.
도 3은 도 1의 상세도이다.
도 4는 도 1의 미터링 장치의 미터링 밸브의 상세 도면이다.
도 5는 카운터웨이트(counterweight)의 추가 실시예이다.
도 1 내지 4는 툴(tool)을 포지셔닝 하기 위한 장치를 보여준다. 여기서는 솔더 페이스트인 미터링 될 미디움(medium)의 방울들을 기판 상에 위치시키기 위한 미터링 장치(10)가 도면들에서 툴의 예로 도시되어 있다. 그러나 예를 들어 광학적 또는 전기적 테스트 장치와 같은 다른 툴들이 또한 고려될 수 있다.
포지셔닝 장치는 도시되지 않은 로봇에의 고정을 위해 구비되는 베이스 요소(base element)(12), 및 베이스 요소(12)에 고정되는 베이스(14)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 베이스(14)는 미터링 장치(10)로서 형성된다.
베이스(14)는 이동 가능하고 특히 베이스 요소(12)에 대해서 제1 축(X), 제2 축(Y) 및 제3 축(Z)에서 피봇 가능하다. 이를 위해, 베이스(14)는 베이스(14)가 축(A1) 및 축(A2)(도 3)를 중심으로 피봇될 수 있도록 관절 포인트(articulation point)(15)에서 짐발(gimballed)된다.
피에조 액추에이터(piezoactuator)(16)가 X 방향에서의 베이스(14)의 이동을 위해 구비되고 암 연장부(arm extension)(17)를 경유하여 커넥팅 로드(connecting rod)(40)에 의해 베이스(14)에 연결된다. 붐(boom)(17)의 하부 단이 피에조 액추에이터(16)를 구동하는 것에 의해 X 방향에서 전후로 이동되어 베이스(14)의 전방 단이 축(A2)에 대해 맞물린다. 여기서 피에조 액추에이터(16)의 스트로크(stroke)는 대략 200 μm 크기 수준이라는 것, 즉 휨(deflection)이 매우 작다는 것이 인지되어야 한다. 관절 포인트(15)와 베이스(14)의 전방 단 사이의 큰 레버 암(lever arm)으로 인해, 베이스(14)의 전방 단은 실제 휨 범위에서 거의 선형 방식으로 이동한다.
피에조 액추에이터(16)에 의한 베이스(14)의 이동을 보상하기 위해, 추가 피에조 액추에이터(18)가 베이스 요소(12)에 고정되며 마찬가지로 그 하부 단에 카운터웨이트(counterweight)(20)가 고정되는 암 연장부(19)를 가진다. 두 개의 피에조 액추에이터(16, 18)가 서로 반대 극성으로 연결되고 도시되지 않은 제어기의 동일한 제어 출력에 연결되어 커넥팅 로드(40)의 X 방향으로의 이동 시에 카운터웨이트(20)가 -X 방향으로의 동일한 이동을 수행한다. 이에 의해 미터링 장치를 가지는 베이스(14)가 자주 교대로 전후로 이동되더라도 어떠한 하중(load) 변화도 로봇에 생성되지 않는다.
도 4가 도시하는 바와 같이, 피에조 액추에이터(22) 및 커넥팅 로드(42)가 Y 방향에서의 베이스(14)의 이동을 위해 구비되며, 이때 카운터웨이트(24)가 그에 연결되는 피에조 액추에이터(26)가 이 이동을 보상하기 위해 구비된다. 디자인은 위에서 설명된 것과 동일하다.
베이스(14)를 Z 방향으로 이동시킬 수 있도록 하기 위해, 베이스(14)가 도 3에 도시된 양 방향 화살표(61)의 방향으로 두 개의 피에조 액추에이터(28, 30)에 의해 이동될 수 있는 암 연장부(60)에 두 개의 커넥팅 로드(44, 46)를 통해 연결되며, 이에 의해 베이스(14)는 축(A2)을 중심으로 피봇 가능하다. 이 이동을 보상하기 위해, 제3 카운터웨이트(36)가 베이스 요소(12)에 구비되고 피에조 액추에이터(28, 30)의 이동의 반대로 두 개의 피에조 액추에이터(32, 34)를 통해 피봇 가능하다. 베이스(14)의 이동을 위한 각 피에조 액추에이터 및 카운터웨이트의 카운터-이동을 위한 피에조 액추에이터가 동일한 구조를 가지고 거울 대칭으로 제어되기 때문에, 이동의 최선의 가능한 보상이 이루어진다.
도 2가 도시하는 바와 같이, 베이스(14)는 미터링 장치로 형성되고 플런저(plunger)(52)에 의해 개방되고 폐쇄될 수 있는 미터링 밸브(50)가 베이스(14)에 위치된다. 호스(hose)(65)가 미터링 될 미디움을 공급하기 위해 구비된다.
도 5는 플런저(52)의 구동기(drive)를 위한 다른 실시예를 보여주며, 이 실시예에서는 하나의 카운터웨이트가 구비되는 것이 아니라 플런저(52)의 양측 사이드에 대해 대칭적으로 이동될 수 있는 두 개의 카운터웨이트(70, 72)가 구비된다.
베이스(44)는 네 개의 커넥팅 로드(40, 42, 44, 46)에 의해 이동되고, 두 개의 커넥팅 로드(44, 46)는 Z 방향으로 팽행 이동을 수행하고 X, Y 방향의 구동기(16, 22)는 이 방향으로 밸브의 노즐의 위치를 각각 민다.
이 디자인은 X, Y 및 Z 방향에서 베이스(14)의 전방 단의 이동이 이격된 고정 점(15)을 중심으로 하는 미세한 회전에 의해 각각 생성된다. 베이스의 질량의 단지 일부가 이 디자인에 의해 X, Y 및 Z 방향에서의 밸브의 이동을 위해 이동되어야 한다. 추가적으로 고정 점(15)은 밸브(50)를 위한 공급 호스(65)가 이동에 의한 매우 작은 변형으로 카트리지에 연결될 수 있는 것을 가능하게 한다.
구동기와 툴을 분리하고 이동을 커넥팅 로드를 통해 전달하는 것이 유리하다. 또한 작은 회전 이동에 의해 X, Y 및 Z 방향의 이동을 생성하는 것이 유리하다. 툴 또는 베이스(14)가 연장 구조로 디자인되어 질량 중심이 포지셔닝(미터링 노즐)의 위치로부터 떨어지면, 이동을 위해 단지 작은 작업이 수행되어야 한다. 개별 축의 구동기 및 카운터웨이트의 구동기는 각각 정확히 동일하다. 두 구동기가 반대 극성의 동일한 제어 출력에 연결될 수 있다는 점에서 제어가 매우 간단한 방식으로 이루어질 수 있다.

Claims (10)

  1. 미터링 장치를 포지셔닝 하기 위한 장치로서,
    로봇에의 고정을 위해 구비되는 베이스 요소(12);
    상기 베이스 요소(12)에 이동 가능하게 지지되는 베이스(14);
    상기 베이스(14)가 상기 베이스 요소(12)에 대해 제1 방향(X)으로 이동 가능하게 하는 적어도 하나의 제1 피에조 액추에이터(16);
    제1 카운터웨이트가 상기 제1 방향에 반대로 위치되는 방향(-X)으로 동시에 이동 가능하게 하는 적어도 하나의 제2 피에조 액추에이터(18);
    상기 베이스(14)가 상기 베이스 요소(12)에 대해 제2 방향(Y)으로 이동 가능하게 하는 적어도 하나의 제3 피에조 액추에이터(22);
    제2 카운터웨이트(26)가 상기 제2 방향과 반대 방향으로 동시에 이동 가능하게 하는 적어도 하나의 제4 피에조 액추에이터(24);
    상기 베이스(14)가 상기 베이스 요소(12)에 대해 제3 방향(Z)으로 이동 가능하게 하는 적어도 하나의 제5 피에조 액추에이터(28, 30); 그리고
    제3 카운터웨이트(36)가 상기 제3 방향(Z)과 반대 방향으로 동시에 이동 가능하게 하는 적어도 하나의 제6 피에조 액추에이터(32, 34)를 포함하고,
    상기 세 방향(X, Y, Z) 모두 서로에 대해 수직으로 연장되는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 베이스(14)는 상기 베이스 요소(12)에 피봇 가능하게 배열되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 베이스(14)는 서로 수직인 두 축(A1, A2)을 중심으로 피봇 가능한 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,
    상기 모든 피에조 액추에이터는 상기 베이스 요소(12)에 고정되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,
    적어도 하나의 피에조 액추에이터의 이동은 커넥팅 로드(40, 42, 44, 46)를 통해서 상기 베이스(14)로 전달되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,
    적어도 두 개의 피에조 액추에이터는 서로 반대 극성으로 연결되고 동일한 제어 출력에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제1항에서,
    적어도 두 개의 카운터웨이트(20, 24, 36)는 서로 다른 크기의 질량을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,
    상기 베이스(14)는 미터링 드라이브(metering drive)(54)에 의해 이동 가능한 플런저(plunger)(52)에 의해 구동되는 미터링 밸브(50)를 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
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