具有速度探測器的線性執行機構的製作方法
2024-01-28 22:52:15 2
專利名稱：具有速度探測器的線性執行機構的製作方法
技術領域：
本發明涉及運動系統的線性執行機構，其用以驅動傳動杆(actuation arm)，尤其是提供一種安裝有速度探測器的線性執行機構，該探測器用於監測被驅動的傳動杆的速度。
背景技術：
推頂器系統(ejector systems)應用在半導體工業裡多種用途。其應用領域之一為在工作夾盤(work-holder)上自動傳送半導體襯底(semiconductor substrate)。例如，使用推頂器系統自動的將襯底從其所在的容器內傳送到導線焊接機(wire bonding machines)，以便在附於襯底上的電子元件(electronic components)與襯底上的電氣連接焊墊(electrical connection pads)之間形成導線連接。
特別地，在一種典型的導線焊接機裡，推頂器系統用於推頂襯底(通常是以引線框的形式)從襯底盒(magazine)到工作夾盤通道上。該襯底每隔一段時間被推到工作夾盤上，並通過夾緊裝置(clampingdevices)夾緊固定。其後，焊接工具將導線焊接在工作夾盤上面的襯底上，同時由夾緊裝置夾緊該襯底。定位系統(indexing system)和夾緊裝置一起，用於精確的標定襯底並將該襯底送至焊接工具。由焊接工具將襯底的連接焊盤(例如引線)與固定在襯底上面的半導體器件上的連接焊盤之間形成互連。
通常，推頂器系統包含推頂杆，其受直流電動機牽引驅動。現有技術推頂器系統100如圖1所示。該推頂器系統100具有推頂杆102用以推動引線框104進入工作夾盤通道裡(圖未示)。該推頂杆102受到其上橡皮輥106(rubber rollers)按壓而產生的摩擦力朝引線框104驅動。該橡皮棍106直接設置在齒輪直流發動機(圖未示)的發動機軸杆108(motor shaft)上。有深槽的滾動軸承(deep-grooved ball bearings)110沿著推頂杆102的運動路線設置，以供推頂杆光滑且精確的線性運動。該滾動軸承110中至少一個設置在預載杆114上。彈性裝置112安裝在該預載杆114上以供預載杆114承載某一預加負載，以及至少一個滾動軸承110用以保持該推頂杆102的穩定性及穩定移動。系統的初始化和運動控制是通過位於滾動軸承110鄰近區域的內部傳感器116(home sensor)和極限傳感器118(limit sensor)實現的。
引線框104和襯底盒之間的摩擦力變化或引線框104和工作夾盤通道之間的未對準，都可能導致襯底盒或工作夾盤通道裡引線框的堵塞。因此，在引線框104上方恰好設置一堵塞檢測感應器120，用以感應在引線框104發生堵塞期間的任何橫向變形。堵塞檢測是重要的，這是由於半導體襯底通常下是易碎且易受損壞的，因此過度的外部壓力作用在電子元件上時，堵塞就可能導致損害。
這種傳統設計存在某些缺點。由於該傳統設計採用地輪驅動機械(traction drive mechanism)，其可靠性和壽命受不成熟磨損的限制。並且，用於不同類型引線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，厚度及寬度組成的引線框上的相似推力可能導致不同的影響。即使存在在製造公差和裝配上的緊縮控制，也很難解決上述問題中推力的一致性問題。進而，堵塞檢測和保護性能在很大程度上依賴於堵塞檢測感應器120的敏感度。尤其對於厚的引線框而言，引線框裡的變形或許很小，如果被堵塞，要感應引線框裡的變形就會相當困難。因此，這種堵塞感應模塊必然會增加額外的成本，甚至會比推頂器系統本身的費用還要高。
發明內容
因此，本發明的目的在於提供一種改進型線性執行機構，以避免現有技術中線性執行機構中的某些不足，並且提供一種允許堵塞檢測的更加有效及成本低廉的機械。
為此，本發明提供一種線性執行機構用於驅動傳動杆，其包含有磁場；第一線圈，在磁場內通過調整流經該第一線圈的電流控制線圈的運動藉此驅動傳動杆；第二線圈，其隨著第一線圈運動，且配置成在第二線圈裡產生與其速度相匹配的電壓；以及控制器設備，其與第二線圈相連，用於接收在第二線圈裡產生的反饋以藉此確定該傳動杆的速度，其中該控制器設備更進一步連接於第一線圈，且可以根據所述的反饋來有效調整流經第一線圈的電流，以可控制的驅動該傳動杆。
參閱後附的描述本發明實施例的附圖，隨後來詳細描述本發明是很方便的。附圖和相關的描述不能理解成是對本發明的限制，本發明的特點限定在權利要求書中。
根據本發明在線性執行機構裡併入推頂器系統的較佳實施例現將參考附圖加以描述，其中圖1是現有技術推頂器系統的剖面示意圖；圖2是根據本發明所述實施例具有線性執行機構的推頂器系統的立體示意圖；圖3是圖2推頂器系統沿A-A方向的局部剖面示意圖；圖4是圖2推頂器系統沿B-B方向的局部剖面平面示意圖；圖5顯示了用於控制線性執行機構的控制系統的示意圖；圖6是根據圖2推頂器系統的堵塞檢測和引線框保護過程繪製的示意圖。
具體實施例方式
根據本發明所述的推頂器系統的具體實施例現結合附圖2和3描述如下，然而，本發明不限於附圖所述的這種實施例。圖2是根據本發明具體實施例所述推頂器系統10的立體示意圖，其包含有線性執行機構。圖3是圖2推頂器系統沿A-A的局部剖面示意圖。
推頂器系統10包括以推頂杆12形式存在的傳動杆，用於推動物體，例如引線框14。推頂杆12安裝在機架16上且配置為易於朝向機架處滑動。機架16容置有用於驅動推頂杆12及感應推頂杆12被驅動的速度的組件。
用於驅動推頂杆12的主要組件包括音圈馬達VCM(voice coilmotor)，其包含第一線圈，例如活動馬達線圈30，以及磁體36，其布置在中心磁頭18的周圍並平行於馬達線圈30運動的方向定位。磁體36和中心磁頭18產生磁場以便在磁場內通過調整流經該馬達線圈30的電流以控制該馬達線圈30的運動。推頂杆12通過託架26(bracket)牢牢地附在可移動的馬達線圈30上以便通過馬達線圈28的移動驅動推頂杆12相對於機架16移動。
在馬達線圈30和託架26上也可以安裝速度探測器。該速度探測器最好至少包含有第二線圈，例如感應線圈28，以及第三線圈，例如補償線圈32，該速度探測器布置以便與磁體36之間產生電磁相互作用。該感應線圈28可以隨著馬達線圈30運動，且配置成在感應線圈28裡產生與其速度相匹配的電壓。感應線圈28可以設置在與馬達線圈相同的磁場裡用於電磁相互作用，然而其也可以設置在單獨的磁場裡而遠離馬達線圈30。作為本實施例的上述結構，感應線圈28最好設置在馬達線圈30的頂部。
馬達線圈30，感應線圈28以及託架26作為一個單元相對於中心磁頭18是可以活動的。為了促進這些組件相對於中心磁頭18運動，託架26包含設置在兩個軸杆20、22上的線性軸承，該軸杆20、22與中心磁頭方向，也就是馬達線圈30的運動方向平行布置。線性軸承24允許託架26相對於軸杆20、22滑動，有助於向託架提供平滑且精確的移動。
推頂杆12最初擱置在內部或縮進位置。當被激活時，推頂杆從機架16以朝向引線框14的方向延伸用以推動引線框14直到其達到預定的延伸限度。內部傳感器34和限位傳感器35於推頂杆12臨近設置以檢測形成在推頂杆上的標記參數，以便測定推頂杆12的位置，尤其是用於分別測定完全到達的內縮位置和延伸位置。內部傳感器34和限位傳感器35對於系統初始化和運動辨別是有用的。
當音圈馬達VCM(包含馬達線圈30和磁體36)驅動推頂杆以推動引線框14時，速度探測器(包含感應線圈28，補償線圈32及磁體36)感應運動的速度和方向。持續的監測該推頂杆12運動的速度和方向的電信號以確定基於閉合迴路控制的速率，從而確保推頂器系統10沿著預定的速度分布運行。該速度分布可以現場編程以適應不同的引線框14。對於移動的引線框14的任何不期望的幹擾都會導致電動機電流的變化，在下述內容中會進一步闡述。一旦電流超過預定極限，則推頂器系統10就可以測定推頂杆12的移動已經受阻，以及引線框發生堵塞。在加速和減速過程中任何超過預定極限的電流被編程為儘可能的短，以便當檢測到引線框堵塞時則電流可以簡單地排除。
圖4是圖2推頂器系統10沿B-B方向的局部剖面平面示意圖。為了簡便起見，推頂器系統10的機架16在圖中未標識。附圖顯示了音圈馬達VCM配置的示意圖，其標明了本應用中應注意的最大行進的必要條件。其也顯示了音圈馬達VCM隨不同行進條件而變化的配置。
圖4顯示了一對設置在後磁頭組38上的矩形磁體盒36，其按照標明的極性布置。後磁頭組38對稱地附在中心磁頭18相對的兩端用以固定磁體。後磁頭組38和中心磁頭18的布置介於由每個磁體36和中心磁頭18之間產生的同等強度的相同磁場之內，以便馬達線圈30和感應線圈28分別在磁場內的運動期間經受一樣的磁場強度。
當音圈馬達VCM的馬達線圈30通過電流加壓時，與電流的大小成正比的洛倫茲力(Lorentz force)以與中心磁頭18的縱向軸線19平行和共線(co-linear)的方向產生。馬達線圈30裡倒轉電流的方向也會調轉洛倫茲力的方向。
速度探測器最好採用與音圈馬達VCM相同的磁性材料和機械配置。感應線圈28直接安裝在馬達線圈30的頂部，連同馬達線圈30一起運動。這樣，當馬達線圈30的運動受音圈馬達VCM的驅動時，在感應線圈28裡產生的反電動勢(back-EMF)就會與運動的速度成正比。這決定了推頂杆12運動的速度。
同時，在感應線圈28裡也會產生不需要的感應電壓，尤其是在馬達線圈30由交換電流加壓時，由與馬達線圈30相耦合的感應線圈28周圍的磁力所致。因此，在本發明最佳實施例中併入補償線圈32以將來自馬達線圈30的電磁幹擾達到最小化。如圖3和圖4所示，補償線圈32是固定的且最好是安裝在中心磁頭18上。在本實施例中，補償線圈32布置在與感應線圈28和馬達線圈30同一磁場裡。其與感應線圈28以反向串聯的方式(anti-series)電性連接，以便在感應線圈28和補償線圈32裡產生的感應電壓能夠相互抵消。由於存在馬達線圈30產生磁場的變化及中心磁頭18沿著馬達線圈32的軌跡飽和度(saturation level)，故產生的電壓要完全抵消是困難的。因此希望增加一種低通過濾器用於抑制峰值而僅僅提取檢測到的有用的速度信息。
圖5顯示了用於控制線性執行機構的控制系統的示意圖。該控制系統通常包含控制器設備，其可以包括微控制器(microcontroller)40和比例積分控制器(PI，proportional-integral)42，音圈馬達模塊44以及速度探測器模塊46。微控制器40接收輸入，其包括觸發脈衝輸入(trigger input)48，內部傳感器輸入(home sensor input)50，限位傳感器輸入(limit sensor input)52，速度設定輸入(velocity setting input)54以及堵塞極限輸入(jam threshold input)56。在微控制器40和其他設備之間還可以增加通信埠(communications port)58以建立通信。
以速度探測器模塊46為代表，控制器設備與感應線圈28相連，用於接收表明在感應線圈28裡所產生電壓的反饋電壓Vfeedback，藉此確定推頂杆12的速度。以音圈馬達模塊44為代表，該控制設備還進一步與馬達線圈30相連，其通過基於前述反饋值的電流信號Icmd(t)有效調整流經馬達線圈30內的電流，用以根據事先調整的預定參考速度分布控制驅動推頂杆12。
根據事先調整的參考速度分布圖，微控制器40發出速度請求Vcmd(t)到比例積分控制器42，由該比例積分控制器回送電流信號Icmd(t)以啟動音圈馬達模塊44驅動音圈馬達VCM。當驅動推頂杆12時，速度探測器模塊46感應推頂杆12運動的速度。通過速度探測器模塊46發送感應線圈28內產生的以電壓形式存在的速度反饋Vfeedback到微控制器40而實現速度的閉環控制(velocity loop)，以跟蹤速度請求參數Vcmd(t)和得到指定的速度分布。Ifeedback，是檢測到的馬達電流，也反饋給微控制器用於堵塞檢測，速度波動會導致馬達電流信號Icmd(t)的快速變化以糾正速度錯誤。一旦檢測到馬達電流Ifeedback超過某一值，就認為是引線框堵塞。然而，由於電流反饋信號在推頂杆12的加速和減速過程中很有可能超過預定極限，因此在包括有相對短時期電流增加的加速和減速過程，控制系統自動的先佔取並排除堵塞觸發。該預定參考速度和堵塞極限最好是可編程的，以適應不同的情形。
圖6是根據圖2推頂器系統10的堵塞檢測和引線框保護過程繪製的示意圖。圖中包括參考速度曲線60，速度感應器輸出曲線62和被檢測的馬達電流曲線64。由於音圈馬達VCM啟動的相對驅動方向所致，圖中顯示的數值是負值，而初始參數是絕對值，故數值也可以為正值。本發明具體實施例不受相對驅動方向的影響。
推頂器系統10最好以由流經馬達線圈30的電流的控制器設備控制的可控速度閉環系統運行，該閉環具有梯形參考速度分布，並且儘可能在運行中保持這種分布。如圖6a所示當不發生堵塞時，由於在恆定速度運動中運動組件僅需要克服摩擦力，故巡航馬達電流很小(約240mA)。速度曲線60，62的波谷顯示了推頂杆12以恆定速度沿引線框14方向的行徑。馬達電流曲線64中的波峰和波谷代表了電流增加以加速和減速推頂杆12。
圖6b包含在t1和t2區間內堵塞分布示意圖。一旦推頂杆12的運動存在障礙且遭遇堵塞，馬達電流曲線64的電流絕對值將迅速增加(到達約1.6A)，其超過了根據所使用引線框14的性質而預定的保護極限。馬達電流在t2-t1持續期間超過預定的保護極限。這個持續期間比推頂杆12的加速和減速的預想期間要長。因此，系統測定其存在引線框堵塞。從而，推頂器系統10被迫暫停重新觸發。
作為選擇的，當推頂杆12的運動受到障礙時，感應線圈28感應的速度明顯減小，推頂器系統10可以編程以便控制器設備被設置以檢測如在t1和t2區間速度曲線60所示的推頂杆12的速度低於預定極限的某一時間區間。假如這樣的話，也標明對於推頂杆12的運動存在障礙，最好能重新觸發。
使用內置有如上述本發明具體實施例所述的速度探測器的線性執行機構的引線框推頂器系統10，能與音圈馬達VCM和速度探測器共享相似磁性和機械組件。補償配置也能實施以提高速度探測器的感應質量，其對於自動化堵塞檢測和引線框保護是非常重要的。在該設計中，自動化引線框堵塞檢測不需要採用額外的反饋設備就可以實現，不需要增加額外的成本。此外，電流極限是可以軟體編程的，故系統適用於不同的引線框。
採用上述具體實施例的測試表明了速度探測器的卓越特徵和堵塞檢測足夠的敏感度和可靠性以及用於不同種類引線框的保護性能。
此處描述的本發明在所具體描述的內容基礎上很容易產生變化、修正和/或補充，可以理解的是所有這些變化、修正和/或補充都包括在本發明的上述描述的精神和範圍內。
權利要求
1.一種線性執行機構，用於驅動傳動杆，其包含有磁場；第一線圈，在磁場內通過調整流經該第一線圈的電流控制線圈的運動藉此驅動傳動杆；第二線圈，其隨著第一線圈運動，且配置成在第二線圈裡產生與其速度相匹配的電壓；以及控制器設備，其與第二線圈相連，用於接收在第二線圈裡產生的反饋以藉此確定該傳動杆的速度，其中該控制器設備更進一步連接於第一線圈，且可以根據所述的反饋來有效調整流經第一線圈的電流，以可控制的驅動該傳動杆。
2.如權利要求1所述的線性執行機構，更進一步包含中心磁頭，其平行定位於該第一線圈運動的方向；以及磁體，其布置在該中心磁頭的周圍用於產生磁場。
3.如權利要求2所述的線性執行機構，包括後磁頭組，其對稱布置在該中心磁頭的相對兩端用於安裝磁體。
4.如權利要求1所述的線性執行機構，其中該第一和第二線圈設置在同一磁場裡用於進行電磁相互作用。
5.如權利要求3所述的線性執行機構，其中該第二線圈設置在第一線圈的頂部。
6.如權利要求1所述的線性執行機構，包括託架，其具有線性軸承，用於安置至少第一線圈和傳動杆，其中該線性軸承設置在軸杆上，該軸杆平行布置於第一線圈的運動方向。
7.如權利要求1所述的線性執行機構，更進一步包含有第三線圈，其設置為產生感應電壓，其與當第一線圈承載電流時在第二線圈裡產生的感應電壓相反。
8.如權利要求7所述的線性執行機構，其中該第三線圈以反向串聯的方式電性連接於第二線圈。
9.如權利要求7所述的線性執行機構，其中該第一和第三線圈設置在同一磁場裡。
10.如權利要求9所述的線性執行機構，其中該第三線圈設置在線性執行機構的中心磁頭上。
11.如權利要求1所述的線性執行機構，其中該控制器設備設置以檢測當第一線圈內的電流超過預定極限時，由此表明該傳動杆的運動存在障礙。
12.如權利要求1所述的線性執行機構，其中該控制器設備設置以檢測當傳動杆的速度低於預定極限時，由此表明該傳動杆的運動存在障礙。
13.如權利要求1所述的線性執行機構，其中該控制器設備設置以控制流經第一線圈的電流，以便第一線圈的運動沿預定速度分布的軌跡行進。
14.如權利要求1所述的線性執行機構，其中該控制器設備包含微控制器和比例積分控制器。
15.如權利要求1所述的線性執行機構，其中該傳動杆包含推頂杆，其被設置並布置以推動沿著該推頂杆被驅動的路徑安置的半導體器件。
全文摘要
本發明公開了一種用於運動系統的線性執行機構，其上安裝有速度探測器用於監測被驅動的傳動杆的速度。該線性執行機構包含有磁場；第一線圈，在磁場內通過調整流經該第一線圈的電流控制線圈的運動藉此驅動傳動杆；第二線圈，其隨著第一線圈運動，且配置成在第二線圈裡產生與其速度相匹配的電壓；以及控制器設備，其與第二線圈相連，用於接收在第二線圈裡產生的反饋以藉此確定該傳動杆的速度，其中該控制器設備更進一步連接於第一線圈，且可以根據所述的反饋來有效調整流經第一線圈的電流，以可控制的驅動該傳動杆。
文檔編號H01L21/677GK1848627SQ20061006562
公開日2006年10月18日 申請日期2006年3月21日 優先權日2005年3月25日
發明者吳漢瑜, 廖有用, 湋多森·蓋瑞·彼得, 高內加·阿吉特 申請人:先進科技新加坡有限公司