CN102640399A - 线性旋转电磁致动器 - Google Patents

Abstract

一种线性旋转电磁致动器，其包括旋转模块，包括输出轴件和感测输出轴件的旋转移动的旋转编码器；以及平移模块，包括感测中间组件的平移移动的线性编码器；以及耦接于旋转模块与平移模块之间的中间平移器。

Description

线性旋转电磁致动器

技术领域

本发明一般地涉及线性-旋转电磁致动器，并且特别涉及适用于回馈控制的线性-旋转电磁致动器。

背景技术

现有的提供能够进行线性及旋转移动的致动器的众多方式现已遭遇到多项挑战。例如，在例如拣置（pick-and-place）处理、晶粒黏着（die-bonding）处理等的高速度、高精度应用项目里，致动机的定位控制的精确度具有关键性。基于此项理由，比起气压或液压系统而言，较佳地具备一些回馈控制的电磁驱动模式是有利的。为此，一种电磁方式提供单一转子，该单一转子具有在棋盘结构中以不同指向装置的磁铁，借以产生用于进行线性移动的第一磁场和用于进行旋转移动的第二磁场。然而不幸的是该所获得的转子难以制造且成本昂贵。此外，在线性和/或旋转移动的范围相对大的应用项目里，当致动器线性移动时，就有可能会移出旋转回馈传感器的范围外，或反之亦然。一种可能的解决方案是利用多个线性回馈传感器或多个旋转回馈传感器，然此方案的成本亦为昂贵。

故而需要提供一种能够解决前述问题的线性旋转电磁致动器。

发明内容

根据第一特点，提供一种线性旋转电磁致动器，包括：旋转模块，具有输出轴件和感测输出轴件的旋转移动的旋转编码器；以及平移模块，具有耦接于旋转模块的中间平移器和感测中间平移器的平移移动的线性编码器。

旋转编码器可相对于中间平移器而固定。

旋转编码器可邻近于输出轴件。

旋转模块可还包括：Halbach永久磁铁阵列，被排列以在Halbach阵列的线圈操作区域里按单一方向产生磁通量。

平移模块还可包括：位于一对永久磁铁之间的线圈接收间隙，该对永久磁铁设置在跨越该间隙的吸引位置处。

平移模块还可包括：第一线圈装置，设置在该对永久磁铁之间的线圈接收间隙里；且旋转模块还包括：第二线圈装置，设置在Halbach永久磁铁阵列的线圈操作区域内；中间平移器耦接于第二线圈装置，使得中间平移器能够配置以将平移移动平移至第二线圈装置。

中间平移器可经进一步耦接于第线圈装置，使得中间平移器能够配置以将第线圈装置的平移移动平移至第二线圈装置。

线性旋转电磁致动器还可包括：控制模式，其配置以将第一电流提供给第一线圈配置，并将第二电流提供给第二线圈配置，其中第一电流与第二电流无关。

第二线圈装置可被配置用于针对于单相、非可换控制模式。

第二线圈装置可被配置用于为针对于多相、可换控制模式。

平移模块及旋转模块可被设置以使旋转模块的旋转轴线与平移模块的线性平移轴线平行。

旋转模块的旋转轴线与平移模块的线性平移轴线重合。

线性编码器可相对于中间平移器而固定。

附图说明

图1是根据示范性具体实施例的、运用于旋转致动的圆形Halbach永久磁铁(PM)阵列；

图2是对于在图1的圆形Halbach永久磁铁阵列内的磁通量流的数值分析结果；

图3a和图3b是根据示范性具体实施例的、线性旋转电磁致动器的旋转模块；

图4是说明根据示范性具体实施例的、Halbach旋转模块的双相线圈结构的示意图；

图5是根据示范性具体实施例的高磁场双磁铁(DM)结构；

图6是图5所示双磁铁结构以及传统结构内的磁通量密度的分析结果；

图7是对于图6所示双磁铁结构内的磁通量流的数值分析结果；

图8a和图8b是根据示范性具体实施例的、线性旋转电磁致动器的平移模块；

图9是根据示范性具体实施例的、2自由度(degree of freedom,DOF)线性旋转电磁致动器；

图10是根据另一示范性具体实施例的、2自由度线性旋转电磁致动器；

图11是根据另一示范性具体实施例的、2自由度线性旋转电磁致动器；以及

图12是根据另一示范性具体实施例的、2自由度线性旋转电磁致动器。

具体实施方式

在具体实施例中，提供一种旋转电磁致动器，其可通过直接单相控制模式以达到约±60°的旋转移动。一组额外的线圈线可设置在该线圈的相外90°处以将该旋转范围增大至360°。在另一具体实施例中，提供一种2自由度(degree of freedom,DOF)线性旋转电磁致动器。此具体实施例运用劳伦兹力(Lorentz-force)技术，并且可提供直接且非可换向（non-commutation）驱动，而同时采用动圈结构以达到低移动质量和高致动速度。为传递线性和旋转移动，此致动器主要包括有平移模块及旋转模块。

图1为示意图，示出此具体实施例里旋转模块的定子内所运用的Halbach永久磁铁(Permanent Magnet,PM)阵列100，借以对动圈（moving-coil）转子提供高磁场操作范围。为进行旋转移动，Halbach永久磁铁阵列100是通过按圆形装置方式连接一系列永久磁铁(Permanent Magnet,PM)节段（如102）所构成。此外，各个永久磁铁节段（如102）按特定指向被预磁化，这样较佳地确保封闭回路的磁性返回通量会形成于Halbach永久磁铁阵列100的内部。故而这种装置不仅能够将所有的磁通量密度汇聚在该线圈操作区域内，同时还能防止磁通量泄漏至外部环境。在此具体实施例中，利用八个弧形(arc-shaped)的永久磁铁节段（如102）来构成可在线圈操作区域内提供单一方向的磁通量流圆形Halbach永久磁铁阵列100。除了该封闭回路磁性返回通量是由其余的六个按特定指向被磁化的弧形永久磁铁节段所构成以外，该装置状类似双磁铁(Dual-Magnet,DM)结构(相对于永久磁铁节段104、106)。图2中的数值仿真显示能通过此圆形Halbach永久磁铁阵列202以在线圈操作区域200内获得高磁场。该向量方向显示磁通量场是按单一方向流动，这有助于劳伦兹力(Lorentz-force)技术的实施，以实现直接且非可换向的驱动角旋转移动。

动圈转子300位于线圈操作区域302的中心处，如图3a和图3b中所示。传导线圈线304垂直于磁通量流而缠绕，如图3a所示。当传导线圈线304被激励并使动圈转子300绕其中心轴旋转时，将会产生两个形成力偶对的相反输出力。而相较于传统的旋转电磁驱动模式，本示范性具体实施例中的工作原理将能有利地具备独特的特性。对于±60°的旋转移动而言，直接单相控制模式将足够，然而传统的旋转电磁驱动模式会需要至少两个相态的控制模式以产生相同的移动范围。在本具体实施例中，圆柱形Halbach永久磁铁阵列305运用于旋转模块306内，且传导线圈线304为朝向Halbach永久磁铁阵列305的内部所缠绕，如图3b所示。

本领域技术人员应理解，对于在参照附图标记310所标注的磁通量方向±60°内旋转动圈转子300而言，在用于单线圈的单相态中，即非可换控制模式已足够。换言之，在本示范性具体实施例中，馈送直流电流至传导线圈线304，并改变直流电流的极性以更改旋转方向。由于在±60°的位置处，该所获得的劳伦兹力(Lorentz-force)将会被显著地朝外放射或朝内导引，故将可进一步得知，受控制的旋转移动实际上可被限制在±(60-Δ)°的范围。在示范性具体实施例中，Δ≤45°，并且在具体实施例中具体可实施Δ=30°。而为了将该转子保持在特定角度的位置处，可通过角(旋转)编码器经由回馈控制来持续地调控该线圈的极性。

在另一示范性具体实施例中，360°的旋转移动可通过运用第二线圈并通过双相可换控制模式而达成。例如，图4所示为根据示范性具体实施例说明一种用于Halbach旋转模块400的双线圈结构的示意图。此外，在此设置圆柱形Halbach永久磁铁阵列402，借以在该线圈操作区域内按单一方向产生磁通量流。其中，动圈转子404含有第一线圈绕线406，以及第二线圈绕线408，第二线圈绕线408按90°偏移于第一线圈绕线406。

在本具体实施例中是运用双相控制模式。可使用一个或两个电源，其中对线圈的直流电流供应相对于另一线圈而延迟。对于单一直流电电源模式而言，在示范性具体实施例中可应用指定为A&B相态I/O的放大器。此为一种硬件方式，其中该放大器具备能够将馈送至两线圈的直流电流同时同步化的内部电路。而对于双电源方式，在另一具体实施例中可使用两个各自具备单相I/O的放大器，并连同由软件程序化设定的外部控制器来进行同步化作业。连至第二线圈绕线内的直流电流馈线总会延迟第一线圈绕线的直流电流一个固定时段。称为相外(out-of-phase)模式的该操作可确保能够达到连续的360°旋转移动。而为了将该转子保持在特定的角度位置处，可通过角(旋转)编码器经由回馈控制来持续地调控两者线圈的极性。

本领域技术人员应理解，这样即能控制两个向量化力度组（force pairs）施加于动圈转子404的总力矩。

在一个具体实施例中，旋转模块可与平移模块集成一体以构成线性旋转电磁致动器。图5所示为说明平移模块的双磁铁(Dual-Magnet,DM)结构500的示意图。双磁铁(Dual-Magnet,DM)结构500提供一种传递大型输出力的紧凑型设计。在本具体实施例中，双磁铁结构500是通过在吸引位置处设置两个彼此相对的永久磁铁502、504(由共同磁性路径所支撑)所构成。因此，从两个永久磁铁502、504所发散的磁通量会在空气间隙506的中段处并合，同时在有效空气间隙506内形成高规模且均匀分布的磁通量密度。这种结构还可将位于永久磁铁502、504两者端部处的共同通量泄漏最小化。由高磁导率材料508所构成的共同磁性路径可对于磁通量提供封闭回路返回路线，如此可进一步强化整个有效空气间隙506上的磁通量密度。

双磁铁结构有利地让有效空气间隙506内的磁通量密度能够等于或大于永久磁铁(PM)的残余磁密度。此外，磁通量密度在整个有效空气间隙506上均匀分布是有利的。图6示出在双磁铁结构与传统磁性结构间对有效空气间隙高度内的磁通量密度进行比较的图式，传统结构是使用具有双磁铁结构内所使用的永久磁铁两倍厚度的单一永久磁铁。在本图中，分析结果显示双磁铁结构可提供较大并且更为固定的磁通量流密度通过10mm有效空气间隙，然而对于传统磁性结构而言，磁通量密度则是线性地下降。

双磁铁结构的二维(2D)磁通量流通过有限元模拟进行，如图7所示。该数值结果显示在整个有效空气间隙700上均匀分布的磁通量流。此外，这些结果还显示检测到位于永久磁铁706、708的端部702、704处最小的通量泄漏，并且在铁磁通量路径710外部则几乎没有发现磁通量泄漏。在本具体实施例里，整个平移模块800含有两个部分，即线性定子802和线性平移器804，如图8a和图8b所示。线性定子802是由管状铁壳805以及两对放射方式磁化的半圆形管状永久磁铁808a、808b和810a、810b所组成，其中管状铁壳805中心处连接于实心杆806。半圆形管状永久磁铁组对810a、810b具有较小的维度并接附于中心杆806上，而另一组对半圆形管状永久磁铁808a、808b则为附接于管状铁壳805的内壁。这种装置可在管状铁壳805内构成双磁铁结构，而中心杆806同时提供返回磁性路径，以对磁通量形成封闭回路路径而在本结构内流动，如图8b所示。另一方面，线性平移器804是非铁的管状线轴812，仅承载移动空芯线圈814，并且当线圈814被激励时提供机械性平移移动。线性平移器804设置在两个半圆形管状永久磁铁组对808a、808b和810a、810b之间，且该装置让缠绕线圈814能够在双磁铁结构的有效空气间隙816内运作，如图8b所示。

根据该示范性具体实施例的线性旋转电磁致动器是通过将平移模块800与旋转模块306集成一体所构成的，如图9所示。平移模块800的动圈线性平移器900经由中间轴件或中间平移器904连接于旋转模块306的动圈转子902，而动圈转子902的前部906则连接输出轴件908。该输出及中间组件或轴件908、904分别由轴承910、912支撑，从而让该轴件能够按线性和旋转移动方式运行。从而动圈平移器900可提供独立的线性移动，且动圈转子902可提供独立的旋转移动。

因此，平移模块800的动圈线性平移器的平移移动会被传递到(输出)组件或轴件908，而同时轴件908可独立地在旋转模块306的控制下旋转。在本具体实施例中，可在输出轴件908处设置旋转编码器(图中未示出)，其中旋转编码器有利地能够针对旋转移动的全范围来感测输出轴件908的旋转移动。由于不再因成本和其它的实体限制而受限于较小的旋转移动范围，因此旋转移动的全范围根据所需求的应用项目而有利地可为360°。线性旋转编码器(图中未示出)可设置在中间平移器904处或在旋转模块306与平移模块800之间，使得能够有利地针对平移移动的全范围来感测仅被平移模块800所驱动的中间平移器904的平移位置。有利地，针对平移移动的全范围仅需要一个线性编码器。本领域技术人员应当理解，旋转编码器及线性编码器实际上分别感测输出轴件908的旋转和平移位置以回馈予控制电路(图中未示出)。

在不同的具体实施例中，可通过类似地将平移模块800与旋转模块306集成为一体以构成线性旋转电磁致动器1000，然而并未具备内部的支撑轴承，如图10中所示。可利用与特定应用环境/结构相关联的外部轴承结构(图中未示出)来运用此种线性旋转电磁致动器1000。同样地，此线性旋转电磁致动器的具体实施例可将旋转编码器有利地设置在旋转模块308的输出端部处，及将线性编码器设置于平移模块800与旋转模块308之间。

由于转子及平移器的低移动质量，因此在本示范性具体实施例中的动圈结构可提供高速致动。动圈平移器及转子经接合成为一体以简化整体移动组件，且动圈平移器及转子为无铁的，以消除磁滞与磁碍效应。劳伦兹力(Lorentz-force)致动技术可使致动器能对于±60°及线性电流-力度关系提供直接的单相非可换向控制。而Halbach永久磁铁阵列及双磁铁结构可分别强化致动器的输出力矩和输出推进力度。

图11显示根据另一示范性具体实施例的替代性线性旋转电磁致动器1100。此外，线性旋转电子电磁致动器是通过将平移模块800与旋转模块306集成所构成的，然而在此是按照平行/双轴结构进行。尤其，平移模块800及旋转模块306是利用概略标示为1102的连接框架结构而彼此耦接。连接框架结构1102包括两个可移动连接平板1104、1106，这些可移动连接平板1104、1106具有一对连接于可移动连接平板1104、1106之间的连接横梁1107(图11中另一横梁为隐藏的)。连接横梁1107是由基底托架1108、1110所支撑且导引。基底托架1108、1110承载平移模块800及旋转模块306的非移动部分，并且相对于平移模块800及旋转模块306的非移动部分而固定。可移动连接平板1106固定地连接于一个或多个连接至平移模块800的动圈线性平移器的轴件1112。而另一方面，可移动连接平板1104、1106连接于连接至旋转模块306的动圈转子的轴件1114，其方式为使轴件1114能够相对于可移动连接平板1104、1106自由地旋转，而同时轴件1114相对于可移动连接平板1104和1106的平移位置为固定的。在示范性具体实施例中，各可移动连接平板1104、1106与轴件1114之间的连接是通过提供单一(旋转)自由度(degree of freedom,DOF)的轴承（例如旋转球型轴承等）所达成的。

从而平移模块800的动圈的平移移动通过在此共集地称为中间平移器的组件传递到(输出)轴件1114，同时输出轴件1114可独立地在旋转模块306的控制下旋转。在本具体实施例中，旋转编码器1118在输出组件或轴件1114处相对于中间平移器（在本具体实施例中为架置于其上(尤其是在可移动连接平板1204上)）被固定，在此，旋转编码器1118能够对于完整的旋转移动范围有利地感测输出轴件1114的旋转移动。由于不再因成本和其它的实体限制而受限于较小的旋转移动范围，完全旋转移动范围可为根据期望应用的项目而有利地广达360°。线性编码器1120相对于中间平移器（在本具体实施例中为架置于其上(尤其是在连接横梁1107上)）被固定，使得有利地能够对于完整的平移移动范围来感测仅由平移模块800所驱动之中间平移器(并因此输出轴件1114)的平移位置。有利地，针对平移移动的全范围仅需要一个线性编码器。本领域技术人员应当理解，旋转编码器1118及线性编码器1120实际上分别感测输出轴件1114的旋转和平移位置以回馈予控制电路(图中未示出)。有利地，控制电路可通过将电流（与提供给平移模块的动圈的电流无关）提供给旋转模块的动圈以驱动旋转模块306及平移模块800。

线性旋转电磁致动器1200的另一示范性具体实施例可如图12所示。在此结构中，平移模块800大致与旋转模块306同轴。多个连接轴件（如1202）用以将平移模块800的动圈连接至平移框架1204，此框架延伸至且耦接于旋转模块306的动圈。连接轴件（如1202）及平移框架1204整体被称为中间平移器1205，其可在当平移模块800运作时进行平移或线性移动。因此，平移移动可提供给旋转模块306的动圈，并且与旋转模块306所提供的旋转移动无关。所以输出轴件1206的所获得的移动为由平移模块800所传动的平移移动和由旋转模块306所传动的旋转移动的组合。用以感测旋转移动的旋转编码器1208可有利地相对于邻近输出轴件1206的中间平移器1205被固定，并且在本具体实施例中为架置于其上。按此方式，输出轴件1206的任何平移移动都不会带动输出轴件1206离开旋转编码器1208的检测或操作范围。对于线性旋转电磁致动器1200所能及的整体移动范围，在靠近输出轴件处设置单旋转编码器1208可将有关输出轴件1206的角位移的正确回馈提供至控制电路(图中未示出)。用以感测平移移动或线性移动的线性编码器1210可有利地相对于中间平移器1205被固定，并且在本具体实施例中为架置于其上，同时位于其最靠近输出轴件1206的部分。此装置可有利地将有关中间平移器1205的平移或线性位移(其可等同于输出轴件1206的线性位移)的正确回馈提供至控制电路。按此方式，一个线性编码器1210即可伺服完整的移动范围，无论线性旋转电磁致动器1200的旋转移动如何。除此之外，中间平移器1205可有利地具备架置于其上的线性轴承导件1212，借以滑动交接或轴承交接于耦接至旋转模块306的非旋转部分的外部表面的相对应导引组件(图中未示出)。此装置可增加在线性旋转电磁致动器的非致动方向上的刚性。

本发明的旋转模块的示范性具体实施例利用直接双相可换控制模式，并连同额外线圈，可提供360°旋转移动的强固结构，而线圈按相外于转子的第一线圈90°所设置。同时，还可运用直接三相可换控制模式的三个相外60°线圈强化旋转移动的力矩和准确性。

在平移模块内的双磁铁结构可供实施劳伦兹力(Lorentz-force)技术，借以达成线性且直接的平移移动。平移模块及旋转模块两者内皆运用动圈结构，借以在根据本发明具体实施例的线性旋转电磁致动器中提供低移动质量、非磁滞且无磁碍的移动。然而，还可通过将线圈缠绕平移器及转子加以固定，而同时使永久磁铁定子成为自由移动，通过这种移动磁铁的方式来实现类似移动。

在示范性具体实施例中的多线圈装置可在各个模块上实施独立的控制模式。因此，旋转模块(旋转移动)及平移模块(平移移动)可被彼此独立地加以控制。

线性旋转电磁致动器的具体实施例的应用项目包括高速度及高精度零件处置(拣置处理)与组装，如：用于电路板(PCB)组装(例如表面黏着技术)的拣置工具头；3D集成电路芯片组装；晶圆分类；晶粒接附；电子封装；光电组装等。

本领域技术人员能对按特定具体实施例所描述的本发明进行无数变化和/或修改，而不致悖离如广义描述的本发明精神或范围。因此，本发明具体实施例在各方面皆应被视以仅为示范性的，而非限制性的。例如，可并同上述公开的线性旋转电磁致动器而运用本领域技术人员所公知的各种控制电路。

Claims (13)

1.一种线性旋转电磁致动器，包括：

旋转模块，具有：

输出轴件；及

旋转编码器，感测所述输出轴件的旋转移动；以及

平移模块，具有：

中间平移器，耦接于所述旋转模块；以及

线性编码器，感测所述中间平移器的平移移动。

2.如权利要求1所述的线性旋转电磁致动器，其中，所述旋转编码器相对于所述中间平移器是固定的。

3.如权利要求2所述的线性旋转电磁致动器，其中，所述旋转编码器邻近于所述输出轴件。

4.如权利要求1所述的线性旋转电磁致动器，其中，所述旋转模块还包括：

Halbach永久磁铁阵列，被排列以在所述Halbach阵列的线圈操作区域内按单一方向产生磁通量。

5.如权利要求4所述的线性旋转电磁致动器，其中，所述平移模块还包括：

线圈接收间隙，位于一对永久磁铁之间，所述一对永久磁铁设置在跨越所述间隙的吸引位置处。

6.如权利要求5所述的线性旋转电磁致动器，其中，所述平移模块还包括：

第一线圈装置，设置在所述线圈接收间隙处；以及

所述旋转模块还包括：

第二线圈装置，设置在所述Halbach永久磁铁阵列的所述线圈操作区域，所述中间平移器耦接于所述第二线圈装置，使得所述中间平移器将平移移动平移至所述第二线圈装置。

7.如权利要求6所述的线性旋转电磁致动器，其中，所述中间平移器还耦接于所述第一线圈装置，使得所述中间平移器被配置以使所述第一线圈装置的平移移动平移至所述第二线圈装置。

8.如权利要求6所述的线性旋转电磁致动器，还包括：

控制模式，被配置以将第一电流提供给所述第一线圈装置并将第二电流提供给所述第二线圈装置，其中所述第一电流与所述第二电流无关。

9.如权利要求6所述的线性旋转电磁致动器，其中，所述第二线圈装置被配置用于单相、非可换控制模式。

10.如权利要求6所述的线性旋转电磁致动器，其中，所述第二线圈装置被配置用于多相、可换控制模式。

11.如权利要求1所述的线性旋转电磁致动器，其中，所述平移模块及所述旋转模块使所述旋转模块的旋转轴线与所述平移模块的线性平移轴线平行。

12.如权利要求11所述的线性旋转电磁致动器，其中，所述旋转模块的所述旋转轴线与所述平移模块的所述线性平移轴线重合。

13.如权利要求1所述的线性旋转电磁致动器，其中，所述线性编码器相对于所述中间平移器是固定的。

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