无接触地抓取并夹持一个物品的装置的制作方法

专利名称：无接触地抓取并夹持一个物品的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于从一个指向重力方向的方向无接触地抓取并夹持一个物品的装置。
背景技术：
例如在半导体制造和微系统技术中，大量结构元件在其表面上具有接触灵敏的结构。相应的结构元件还具有其它可动的、透孔织品的腐蚀结构，例如薄膜、舌片或者电桥，可能作为用于压力或者加速作用的传感器的部件。为了避免损伤，这要求无接触地抓取和夹持构件。
此外，由于抓取装置与构件表面的机械接触可能会磨损或者产生颗粒，并且有可能被拖移到构件表面上，这将对生产率引起不利的影响。
另外，具有灵敏表面或表面涂层的构件，例如新上油漆的构件或者类似的在所有相近似的技术领域中的构件，也应该被无接触地抓取或夹持。
在某些应用情况中，构件仅仅可以从上面，也就是从指向重力方向的方向被抓取或者被夹持，例如在抓取一个放在支撑面上或者放在一个运输设备上的构件时，或者构件在一个规定的物品上或存储处上被涂覆或被拼接时。相应的应用情况例如在粘贴半导体盘片时或者在所谓的晶片结合时给出，其中，相应的构件可以被精确地并且以一定的表面压力装到一个结构元件上，而不会损坏相应的结构或者表面。对于这些应用情况，可以不使用从两个相对侧面夹持或抓取待夹持的构件的抓取装置或者夹持装置。
例如由文献DE 198 06 306已知一种相应的单面的、无接触的抓取装置或者夹持装置。这个文献公开了一种装置，其中，这个相应的物品借助于气动的拉力和压力沿重力方向无接触地被安装在一个夹持元件的下方。
然而在这里有以下的缺点用于产生气动的拉力和压力的气体从相应的排气口被排出或者被吸入到进气口中，这将导致颗粒拖移并因此导致生产率的损失。

发明内容
本发明的任务是，与此相对应地建议一种用于从一个方向、最好从一个指向重力方向的方向无接触地抓取并且夹持一个物品的装置，它最大程度地避免可能存在的颗粒的拖移或者迁移。
这个任务由前述类型的装置通过权利要求1的特征部分的特征而解决。
通过在从属权利中所述措施，得以实现本发明的优选的实施形式和其它结构。
相应与此，一个根据本发明的装置的特征在于，这个夹持元件设计为用于产生浮升波的振动的夹持元件。
在实践中以令人惊奇的方式显示，一个在物品的上方逆着重力的方向、也就是逆着声音传播的方向所安装的夹持元件单独地产生特殊的可以在优选距离上抓取或者夹持一个物品的声学浮升波。在这里无需在物品的与振动的夹持元件相对的侧面上安装一个第二夹持元件，例如一个反射器或者一个用于在两个夹持元件之间产生稳定波的第二振动夹持元件。
此外对此还显示，待夹持或者待抓取的物品可以具有一个任意的、尤其是三维的形状或者几何形体。利用一个根据本发明的装置，还可以将其它松弛弯曲的件——例如箔片、薄膜、纸张、织物或者类似物脆性构件——例如玻璃元件、比较薄的半导体构件等，以及表面涂层的物品或者表面具有接触灵敏结构的结构元件无接触地抓取、夹持并定位。
迄今为止，已知借助于所谓的近场浮升的物理学原理无接触地夹持或者运输物品的装置(参看例如文献US 5,810,155或者DE 19916922)。然而这些装置与同类装置一样，待夹持的或者待运输的物品被安装在振动的夹持元件的上方，也就是振动的夹持元件在重力方向上被安装在物品的下方。
迄今为止，专业人士认为物品由于浮升波的声压可以仅仅被振动的支座元件挤压脱离。相应地已知应用声学的近场浮升的原理的装置，它们仅仅用于可以实现在下方抓取物品。
借助于一个根据本发明的装置，不必在下方抓取待抓取或者待夹持的物品。据此，根据本发明可以在一个接收位置上仅仅从一个侧面或者从上面无接触地抓取并举升一个物品，必要时被运输而通过一定距离，并且接下来可以在一个任意设计的存放位置上定位。根据本发明的公开，专业人士可以补充对此必需的详细说明。
用于输出超声波的振动夹持元件的频率最好设计为在16kHz和1GHz之间，尤其在20kHz和40kHz之间。借助于这些措施，可以实现用于抓取和夹持物品的优选的夹持功率或者夹持力。最好根据待抓取或者待夹持的物品设置频率匹配。在此一个具有优点的匹配于对每一种应用情况——例如对于一个所谓“拾取和放置”的任务——所必要的操作动力可以首先实施。
在本发明的另一种具体改进方案中，夹持元件的一个面对着物品安装的夹持平面匹配于物品的一个表面部分。在这里，物品的表面部分可以具有一个任意的、尤其是三维的形状，夹持元件的夹持平面可以匹配于这种形状。
必要时，物品在一个指向近似垂直于重力的平面上的投影最大程度地相应于夹持元件的夹持平面在相应平面上的投影。由此最好借助于具有优点的棱边效应得以实现物品的确保旋转或者对中心。此外的另一种可能性是，夹持元件的夹持平面的投影可以设计得小于物品与夹持平面相对的表面部分的投影。
本发明的这种变型首先也使得从一个间隙和/或到一个间隙中很好地抓取和/或定位一个物品成为可能，而这个间隙的平面最大限度地相应于物品相应的投影。例如电的或者微型机械的构件在一个基底上定位到其它构件之间的间隙之中，在这里这个间隙近似相当于构件的尺寸。以此，必要时可以在相应的基底上实现较高的构件密度，这可以致使相应产品很好的微型化。
例如通过这种方式得以实现夹持平面与这个外表面部分的三维匹配，即夹持平面加上到物品的相应的距离几乎设计成为这个表面部分的负片形状。这样例如在待夹持的物品是一个球体的情况下，这个夹持元件的这个夹持平面必要时被设计为其直径少许大于这个球体直径的球状半壳体。
此外，比较复杂地、三维设计的物品，例如汽车工业中新涂漆的车身件或者类似的物品，根据本发明借助于具有相应匹配的、复杂的三维夹持平面的夹持元件，也可以无接触地被抓取或者被夹持，并且必要时可以由一个接收位置被运输到一个存放位置，并且可以被定位或者被压紧到一个支座上。
这个表面部分的部位最好与在这个部位中的夹持元件的振动方向垂直地安装。由此可以保证浮升波的方向垂直地指向物品的这个部位，这将导致良好的接收夹持功率，并且因此可以夹持或者抓取较重的物品。
在本发明的一个优选的变型中，夹持元件的夹持平面至少具有这个夹持元件的至少一个空隙的开口。在这里，这个开口和/或这个空隙具有一个任意的截面或者具有一个任意的形状。
在实施这个措施时已示出，可以实现用于无接触地抓取或者夹持物品的较大的夹持力。这种观测以这样的假定作为基础，即在这里位于这个空隙中的气体体积被吸入到物品和夹持元件之间的缝隙中，这样可以在前述空隙中形成一个低压，这个低压将这个物品拉向夹持元件或者与重力相反的方向。由此，特别地也可实现连同被夹持的物品的装置的被改善的操作动力。在操作时例如这个夹持元件可以实现较大的加速作用或者操作速度。
原则上，这个空隙的深度设计得大于这个开口的宽度，这样这个空隙可以具有一个比较大的体积，并且可以同时实现一个比较大的夹持平面。这个空隙必要时可以在与夹持平面的开口相对的端部上设计为开放的。
这个空隙最好设计为孔，尤其是设计为盲孔。一个相应的孔可以最好在没有很高费用的情况下设置到夹持元件中，这样可以减少用于具有一个或者多个空隙的夹持元件的制造的费用。
在本发明的一种具体改进方案中，至少布置一个附加的力产生单元，它用于产生一个逆向重力所指的附加的力。对此，借助于相应的力产生单元可以生成例如磁的、静电的、电动的、气动的或者类似的力。在这里这个力产生单元最好也逆着重力的方向被安装在物品的上方。
这个力产生单元最好被设计为压力产生单元，首先为低压产生单元，尤其是具有至少一个用于吸取物品的吸取元件。借助于这种措施，在逆向重力所指的拉力的帮助下可以实现对于物品无接触的抓取和夹持，根据本发明，这将导致在被夹持的物品上更进一步地改善这个装置的操作动力。对于某些应用情况，最好可以应用多个用于增加拉力的吸取元件。
用于吸取物品的吸取元件可以被设计为围绕夹持元件安装的环形喷嘴、简单地安装在夹持元件上的吸取喷嘴和/或与夹持元件有一定距离的吸取喷嘴。如果物品的表面部分明显大于夹持元件的夹持平面，在最后提到的情况中这是特别有利的。
此外，吸取元件可以被集成在夹持元件中。最好在空隙的与夹持平面的开口相对的开放端部上布置这个压力产生单元。由此可以相对简单地实现在夹持元件中集成这个吸取元件，因为这个空隙同时被用作吸取元件。
这个压力产生单元最好借助于证明可靠的隔震的连接装置连接到振动的夹持元件上，例如连接到空隙的开放端部上或者连接到专门设置的、与夹持元件一起振动的吸取元件上。
在一个本发明的优选的变型中，垂直于重力的方向地布置一个用于固定物品的固定单元。由此，不但侧面对中心而且浮动物品的旋转确保可以得以实现，这样可以有效地阻止例如因为倾斜或者惯性力而引起的一个物品的侧面下滑。侧面的对中心和/或旋转保障可以借助于多种已知的可能性而得以实现。例如可以应用固定或者可动的挡块或类似物。
最好应用一个被设计为用于无接触地固定物品的固定单元。在本发明这种变型的情况下例如应用一个或者多个设计为吸取喷嘴和/或压力喷嘴或者类似于此的固定元件。
最好布置一个用于产生浮升波的固定单元的振动的固定元件。在这里，这个固定元件可以被设计为相应于用于必要时根据近场浮升的原理产生浮升波的夹持元件的固定元件。此外，借助于振动的固定元件可以实现能够在固定元件之间形成稳定的波的固定。
振动的夹持元件最好可以被同时设计为固定元件，在这里例如一个或者多个振动的固定元件被集成在这个夹持元件中，和/或这个夹持元件借助于集成的固定元件用于形成不同的、向着夹持元件棱边处逐渐减少的振幅。
原则上可以借助于夹持元件的夹持平面匹配于物品的表面部分，也可以同时实现物品垂直于重力方向的固定。试验表明，在几何形状的尽可能匹配情况下，尤其是夹持元件的棱边部位、夹持平面各部分的几何形状与物品的尤其是棱边部位、表面部分各部分的几何形状相匹配的情况下，使得物品的无接触地自行对中心得以实现。由此必要时可以取消附加的固定单元，这特别地减少了根据本发明的结构的费用。
在本发明的一个优选的变型中布置更多的夹持元件和/或固定元件。借助于这种措施，例如分别具有较小的夹持平面的多个夹持元件，尤其是可以均布在朝向夹持元件的物品的表面部分上。总之，在一个和/或多个夹持单元上也可以布置多个振动源。
这些变型可以使得尤其是抓取或夹持相对大的物品成为可能，而这些物品可能具有比较复杂的三维几何形体，此外，必要时物品的侧面定中心也成为可能。为了物品的侧面定中心，在物品角的部位或者棱边的部位最好布置更多的夹持元件。在这里最好使夹持元件与物品的棱边部位的截面较大程度地匹配地布置。
在这些变型中这样布置这些夹持元件或者振动源，即夹持元件的振动方向设计为在表面部分的与物品相对的部位上垂直地指向这个部位。由此，夹持平面匹配于物品复杂的表面部分首先可以通过特别简单的方式而得以实现。
此外最好在多个振动的夹持元件之间至少布置一个吸取元件。在应用一个或者更多的夹持元件时如有必要也可以布置更多的吸取元件。
原则上也可以考虑，必要时可以沿着一个预先给定的输送段布置多个夹持元件和/或固定元件，其中根据本发明这个物品沿重力的方向在夹持元件的下方自由浮动地布置。在这里这个物品最好借助于已证明有效的公知方法促使沿着输送段运动。物品的运动最好借助于与输送方向成一定角度地安装的吸取元件而得以实现。
为此另一种可选择的方案是，这个夹持元件借助于至少一个举升臂和/或摇臂可以尤其是垂直地和/或水平地运动，这样可以导致这个物品以优选的方式实施从一个接收位置到一个放置位置的限定的位置改变。
通常，物品或者夹持元件反作用到振动产生装置上，例如反作用到功率接收装置上，可以借助于一个相应的处理单元获得并处理，这样由此最好可以确定，这个物品是否被这个装置夹持，或者怎样的力无接触地施加到这个物品上。这个措施使得对于物体的抓取或者夹持以及定位、并且在挤压时例如对于力的优选的控制得以实现。最好借助于对于一个压电的振动产生单元的电压或者电流的测量而获得物品的功率消耗。
实施例本发明的一个实施例在附图中示出，并且根据图示在下面作进一步地说明。


图1示出了一个根据本发明的装置的示意性的视图，图2示出了一个通过一个根据本发明的、具有集成的吸取孔的夹持元件的示意性的截面图，图3示出了一个通过另一个根据本发明的、具有盲孔的夹持元件的示意性的截面图，图4示出了另一个根据本发明的夹持元件的不同透视地示出的变型，图5示出了不同的示意性示出的根据本发明的装置，它具有无接触的超声波侧面对中心装置。
图6示出了不同的示意性示出的根据本发明的装置，它具有无接触的气体静力的侧面对中心装置。
图7示出了不同的示意性示出的根据本发明的装置，它具有可机械接触的侧面对中心装置。
图8示出了示意性示出的、借助于一个根据本发明的装置进行接收或者拆卸过程的不同的工作步骤。
在图1中示出了根据本发明的用于无接触地抓取和夹持一个物体1——例如一个芯片1——的装置的示意性的结构。对于物品1可以也是其它易碎的、松弛弯曲的和/或表面灵敏的构件——例如纸张、织物、薄膜、箔片，微系统技术构件、半导体元件，有毒的或者被污染的或者别的对于人有害的物品——主要是化学和/或药剂工业的，比较热或者比较冷的元件，新涂漆的物品一一尤其是汽车工业或者其它技术应用中的物品，在制造平面显示器中的玻璃基底或者类似的物品。
一个用于产生超声波振动的单元2为此包括一个超声焊极(Sonotrode)3、压电元件4、连接件5、一个节点平面6以及一个指示电子件7。
这样，以已知的方式激励超声焊极3振动，以致可以产生或者输出用于无接触地抓取和夹持芯片1的超声浮升波。
根据本发明，这个芯片1沿重力F的方向z被安装在超声焊极3的下方。
在根据本发明的变型中，超声焊极3具有多个孔8，它们通到一个主渠道9中，并且借助于一个隔振的连接管道10与一个没有详细示出的真空泵相连接。借助于一个没有详细示出的压力产生单元特别地产生一个用于产生与重力F反向相指的气动拉力的低压p。这个气动拉力进一步改善了借助于根据本发明的装置对芯片1的抓取或者夹持。
此外在图1中清晰地示出，这个根据本发明的装置设计成用于抓取或者夹持一个芯片1，其中这个芯片1可以例如在一个支座11上被抓取或者再被放下，而在这里在支座11与这个装置相对的面上不需布置夹持元件。
此外，在图1中示出了两个用于在侧面固定芯片1的机械式挡块12。在某些应用情况中，必要时待抓取或者待夹持的物品1的底面的一部分和/或整个面或者棱边部位主要在举升和放下之间允许机械接触。
在图2中示意性地示出了一个仅仅带有一个吸取孔8的超声焊极3a。这个吸取孔8以没有详细示出的方式借助于一个防震连接装置5与一个真空泵相连接。这个超声焊极3a例如以20至40kHz的超声波频率振动，这样，一个构件14可以无接触地与重力F的方向z相反地在头部振动器3a的下方被抓取或者被夹持。
在图3中示出了一个具有一个盲孔15的超声焊极13。根据本发明，这个超声焊极13首先被调整在一个以频率在20至40kHz之间的振动的抓取或夹持状态，这样，这个构件14沿重力F的方向看被夹持在超声焊极13的下方。
根据图4，超声焊极17a、b、c的各种不同形状或结构形式是优选的。在这里例如夹持平面18匹配于一个没有详细示出的构件。这个夹持平面18几乎相应于一个构件——例如一个传感器芯片——的背对着这个夹持面18的外表面部分。这个没有详细示出的传感器芯片如同这个夹持平面18也具有一个矩形的截面。借助于这个措施，可以实现没有详细示出的构件在超声焊极17a、b、c的下方的无接触的自行定中心以及旋转保证。
原则上，超声焊级17c的侧面对中心要好于超声焊极17b的，超声焊极17b的又好于超声焊极17a的。在这里，对于优选的棱边效应或者在夹持平面18的棱边上的流体异形可能具有意义。
另外，图4示出了由没有详细示出的空隙的选择性设置的开口16，它们例如可以被设计为孔8或者盲孔15。
在图5中示出了具有无接触的超声波侧面对中心装置的根据本发明的装置或者各种不同的方法。在这里，尤其是应用一个装置，它具有一个借鉴了根据图1的装置的超声焊极3。
与根据图1的装置相反，在根据图5的变型中，构件14的一个侧面对中心装置借助于振动的固定元件19而得以实现。在图5a中以及在图5b中根据声学的近场对中心的原理得以实现对中心，其中固定元件19可以在必要时被集成在超声焊极3之中。
根据图5c，通过对于构件14在振动波的第一个波节中的夹持而得以实现这种对中心。在图5d中，构件14的固定借助于一个没有详细示出的稳定波而得以实现，其中特别地可以应用两个相对放置的固定元件19，其中可以布置两个振动的，或者一个振动、一个反射的固定元件19。
根据图5e，借助于固定元件19通过一个外部稳定波的伯努力(Bernoulli)效应而得以实现侧面对中心，其中这些固定元件必要时可以集成在超声焊极3之中。
根据图5f，可以借助于超声焊极3的不同的振幅而得以实现构件14的对中心，其中，振幅径向向外逐渐减少。固定元件19在这里特别地集成在超声焊极3的前端部。
根据图6，示出了用于对于构件14无接触地对中心的其它变型，其中这借助于根据图6a的吹气、或者借助于基于一个环形喷嘴的自行对中心或者伯努力(Bernoulli)效应而得以实现。
在图7中示出了用于固定构件14的可机械接触的固定元件19。
图8以示意性的方式示出了借助于一个根据本发明的装置接收或者拆卸构件14的过程。根据图8a，这个装置被定位在根据图1的位于一个所谓的芯片托盘之中的构件14的上方，其中这个芯片托盘同时形成构件14的支座11。
接下来根据图8b，构件14借助于头部振动器3被无接触地抓取，并且根据图8c被支座11举升。几乎同时或者紧接着在此之后，根据图8d，通过挡块12在z方向并且在x方向的运动得以实现构件14的对中心，这样保证构件14不侧面滑动。
以没有详细示出的方式得以实现单元2与构件14沿x方向和/或y方向离开支座11朝向一个基底20的运输。在所规定的位置上单元2被定位在这个基底20的上方，并且随后构件14在基底20上得以实现受力控制的、无接触的接合。在这里，最好应用上浮力依赖没有详细示出的、构件14与超声焊极3之间的距离而逆着z方向的逐渐增加，产生指向基底20上的压力，其大小从几个毫牛顿到几千千牛顿。接下来根据图8f得以实现被断路的单元2沿z方向的举升。
权利要求
1.用于从至少部分地沿着指向重力(F)的方向(z)的方向(z)无接触地抓取并夹持一个物品(1，14)的装置，具有一个逆向重力(F)的方向(z)、至少部分地在物品(1，14)的上方并与这个物品有一定距离布置的夹持元件(3，13，17)，其特征在于，这个夹持元件(3，13，17)被设计成用于产生浮升波的振动的夹持元件(3，13，17)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，这个振动的夹持元件(3，13，17)被设计用于产生频率在16kHz与1GHz之间的超声波。
3.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，一个与物品(1，14)相对布置的夹持元件的夹持平面(18)匹配于物品(1，14)的一个表面部分。
4.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，这个表面部分的部位垂直于在这个部位的夹持元件(3，13，17)的一个振动方向地布置。
5.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，夹持元件(3，13，17)的夹持平面至少具有一个夹持元件(3，13，17)的至少一个空隙(8，15)的开口(16)。
6.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，这个空隙(8，15)被设计成孔(8，15)。
7.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，至少布置一个附加的力产生单元，它用于产生一个反向重力方向(F)所指的附加的力。
8.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，这个力产生单元被设计成压力产生单元。
9.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，这个压力产生单元至少具有一个吸取物品(1，14)的吸取元件(8)。
10.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，这个压力产生单元布置在空隙(8，15)的与这个开口(16)相对布置的端部。
11.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，用于固定物品(1，14)的固定元件(12，19)沿(x，y)方向垂直于重力(F)的方向(z)地布置。
12.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，这个固定元件(12，19)用于无接触地固定物品(1，14)。
13.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，固定单元(12，19)的一个振动的固定元件(19)设置为用于产生浮升波。
14.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，布置多个夹持元件(3，13，17)和/或固定元件(12，19)。
15.用于从一个至少部分地沿重力(F)所指方向(z)的方向(z)无接触地抓取和夹持一个物品(1，14)的方法，借助于至少一个逆向重力(F)的方向(z)、至少部分地在物品(1，14)的上方并与这个物品有一定距离布置的夹持元件(3，13，17)，其特征在于，应用根据任一项前述权利要求所述的带有一个振动的夹持元件(3，13，17)装置产生浮升波。
全文摘要
建议一种用于由一个至少部分地沿指向重力(F)方向(z)的方向(z)、无接触地抓取并夹持一个物品(1)的装置，这个装置具有一个逆向重力(F)的方向(z)、至少部分地在物品(1)的上方并且与这个物品(1)有间隔地布置的夹持元件(3)，这种装置在最大程度上避免可能出现的颗粒的拖移或者迁移。这根据本发明如此来实现，即夹持元件(3)被设计成用于产生浮升波的振动的夹持元件(3)。
文档编号B65G54/00GK1462253SQ02801510
公开日2003年12月17日 申请日期2002年4月5日 优先权日2001年5月4日
发明者M·赫恩, J·赫普纳 申请人:罗伯特-博希股份公司