专利名称：传感器外置式晶体提升装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种直拉式晶体生长炉的晶体驱动装置，特别涉及一种传感器外置式晶体提升装置。
背景技术：
直拉式晶体生长炉是最主要的高质量硅晶体生产设备。根据硅单晶的结晶规律，将原材料加热熔化，控制温度比硅单晶的结晶温度略高，确保熔化后的硅材料在熔液表面可以结晶。通过晶体提升装置将单晶缓慢平稳地提出液面，使之结晶、生长、冷却、成形，最后形成一个主体为圆柱体、尾部为圆椎体的晶体。
晶体提升装置是晶体生长炉最关键的系统之一。它需要通过一根软轴(钢丝绳)，精确、稳定地控制直径6～8”的圆柱状单晶硅，以稳定可控的速度提升和低速旋转，让硅单晶按要求进行有规律地生长，渗杂剂、氧含量在轴向和径向分布均匀，以确保最终晶体产品的完整性与均匀性。在这方面，国内生产厂家作了大量的技术改进和提高，但都无法适应目前晶体炉的全自动控制系统，晶体产品的完整性和均匀性远达不到高质量IC片硅单晶棒的要求，多数只能用于太阳能电池的生产。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种传感器外置式晶体提升装置。
为了实现本发明目的，本发明提供的技术方案是本发明提供了一种传感器外置式晶体提升装置，包括晶升部件和晶转部件，所述晶升部件包括慢速电机组件、快速电机、同步带组件、柔性连轴器、光电编码器、前级蜗轮蜗杆减速器、后级蜗轮蜗杆减速器、刚性连轴器、限位块、配重块、平衡臂、支架、称重腔、提升腔、晶升底板和电气盒；其中，慢速电机组件、前级蜗轮蜗杆减速器、后级蜗轮蜗杆减速器和提升腔用螺钉固定在晶升底板上，并分别通过两只柔性连轴器和一只刚性连轴器联接，构成慢速传动回路；快速电机用螺钉固定在慢速电机组件侧面，通过同步带组件连接慢速电机组件的输出轴，并与两只蜗轮蜗杆减速器和提升腔构成快速传动回路；光电编码器与前级蜗轮蜗杆减速器输出轴的一端通过紧定螺钉联接；限位块用螺钉固定在晶升底板上，与提升腔的输入轴通过同步带组件联接；配重块用长螺栓固定在平衡臂上，可沿平衡臂的一字型槽移动；平衡臂用螺钉固定在支架上，可沿支架的弧形槽转动；支架与晶升底板用螺钉固定；称重腔用螺钉固定在提升腔上面，O形圈密封；电气盒用螺钉固定在晶升底板侧面。
所述晶转部件包括多砍带组件、导电滑环、晶转磁流体、电机支架和晶转电机；其中，晶转磁流体在最底部，有一根向上的空心轴；导电滑环套在晶转磁流体的空心轴上，内圈转子与空心轴用紧定螺钉联接，外圈定子用螺钉固定在晶转磁流体一侧；电机支架用螺钉固定在晶转磁流体法兰上；晶转电机与电机支架用螺钉联接；多碶带组件一端套在晶转磁流体的空心轴上，用螺钉分别与空心轴和晶升底板联接，另一端套在晶转电机输出轴上，紧定螺钉固定；晶转磁流体的空心轴穿过导电滑环，多砍带组件和晶升底板，进入真空腔体的底孔，O形圈密封；钢丝绳从真空腔体内穿过晶转磁流体的空心轴，从晶转磁流体下端孔穿出。
作为本发明的一种改进，所述慢速电机组件包括伺服电机、谐波减速器、过渡接套、减速器座、减速器轴、离合器座、电磁离合器、输出轴和同步带轮；其中，伺服电机、过渡接套和减速器座用螺钉联接；减速器座另一端伸入离合器座，其法兰与离合器座用螺钉联接；谐波减速器装在减速器座里，与伺服电机的轴通过轴端螺钉固定；电磁离合器在离合器座中，与谐波减速器通过减速器轴联接；输出轴与离合器座间装有轴承，可相对转动，电磁离合器的动片和同步带轮分别套在输出轴的两侧；同步带轮是同步带组件的一部分。
作为本发明的一种改进，所述提升腔包括左端盖、真空腔体、螺纹导套、缆索管、钢丝绳、压轮组、滚动花键副、右端盖、晶升磁流体和同步带轮；其中，左端盖和右端盖分别用螺钉固定在真空腔体两端，O形圈密封；左端盖一端伸入真空腔体，与螺纹导套用螺钉联接；滚动花键副的两端分别通过轴承固定在左端盖和右端盖中心孔内，可以自由转动；滚动花键副的滑块可在其上左右滑动；缆索管与滚动花键副的滑块用螺钉联接，其左端螺纹拧入螺纹导套；钢丝绳盘绕在缆索管右端半圆形螺旋线上，一端嵌入缆索管槽内，另一端垂直于真空腔体的底孔中心；压轮组用螺钉固定在真空腔体侧面，O形圈密封，其滚轮压住绕在缆索管上的钢丝绳；晶升磁流体用螺钉固定在右端盖上，O形圈密封，其空心轴套在滚动花键副一端轴上；同步带轮套在滚动花键副的轴外端，是同步带组件的一部分。
作为本发明的一种改进，所述称重腔包括腔体、接板、称重传感器、滑轮支架、滑轮罩、滑轮、铰链、侧盖、密封航空插头、螺母和顶盖；其中，接板和称重传感器用螺钉联接；称重传感器和滑轮支架通过螺纹联接；滑轮和滑轮支架通过轴联接；滑轮罩在滑轮上方，用销固定在滑轮支架上；接板从腔体内穿出顶部中心孔，用螺母并紧；顶盖用螺钉固定在腔体顶端，O形圈密封；侧盖用螺钉固定在腔体外一侧，O形圈密封；密封航空插头通过螺纹固定在侧盖中心；铰链一端固定在腔体下端一侧，另一端固定在真空腔体侧面；称重腔可通过铰链相对提升腔转动。
作为本发明的一种改进，所述限位块包括同步带轮、开关座、传动螺杆、传动螺母和限位开关；其中，传动螺杆的两端分别通过轴承固定在开关座的两端孔内，可以自由转动；传动螺母通过螺纹与传动螺杆联接，其一侧的伸出杆穿过开关座侧面的一字型槽；两只限位开关分别用螺钉固定在开关座侧面两端；同步带轮套在传动螺杆的轴外端，是同步带组件的一部分。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于本发明通过合理的结构布局，并将晶体提升行程检测传感器和限位开关都放到真空腔体以外，大幅度提高了晶体提升装置的可靠性，改善了晶体提升装置的负载性能，以及晶体提升与回转速度控制的精度与平稳性，并适应了晶体提升过程的全自动控制。装备该晶体提升装置的晶体生长炉，可以实现全自动控制，其晶体产品完整性与均匀性都非常好，能够完全达到IC电路对单晶材料的要求。
图1是本发明实施例中系统结构俯视图；图2是本发明实施例中系统结构主视图；图3是本发明实施例中慢速电机组件结构图；图4是本发明实施例中提升腔结构图；图5是本发明实施例中称重腔结构图；
图6是本发明实施例中限位块结构图。
图中1.慢速电机组件，2.快速电机，3.同步带组件，4.柔性连轴器，5.光电编码器，6.前级蜗轮蜗杆减速器，7.后级蜗轮蜗杆减速器，8.刚性连轴器，9.限位块，10.配重块，11.平衡臂，12.支架，13.称重腔，14.提升腔，15.晶升底板，16.电气盒，17.多碶带组件，18.导电滑环，19.晶转磁流体，20.电机支架，21.晶转电机，22.伺服电机，23.谐波减速器，24.过渡接套，25.减速器座，26.减速器轴，27.离合器座，28.电磁离合器，29.输出轴，30.同步带轮，31.左端盖，32.真空腔体，33.螺纹导套，34.缆索管，35.钢丝绳，36.压轮组，37.滚动花键副，38.右端盖，39.晶升磁流体，40.腔体，41.接板，42.称重传感器，43.滑轮支架，44.滑轮罩，45.滑轮，46.铰链，47.侧盖，48.密封航空插头，49.螺母，50.顶盖，51.开关座，52.传动螺杆，53.传动螺母，54.限位开关。
具体实施例方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明具体实施例1中直线导轨式坩埚提升装置的结构如图1至6所示。它它包括如下两个部件晶升部件包括慢速电机组件1，快速电机2，同步带组件3，柔性连轴器4，光电编码器5，前级蜗轮蜗杆减速器6，后级蜗轮蜗杆减速器7，刚性连轴器8，限位块9，配重块10，平衡臂11，支架12，称重腔13，提升腔14，晶升底板15，电气盒16；慢速电机组件1，前级蜗轮蜗杆减速器6，后级蜗轮蜗杆减速器7和提升腔14用螺钉固定在晶升底板15上，并分别通过两只柔性连轴器4和一只刚性连轴器8联接，构成慢速传动回路；快速电机2用螺钉固定在慢速电机组件1侧面，它的旋转通过同步带组件3传递给慢速电机组件1的输出轴29，再通过两只蜗轮蜗杆减速器6、7传递给提升腔14，构成快速传动回路；光电编码器5与前级蜗轮蜗杆减速器6输出轴的一端通过紧定螺钉联接，测量转过的角度，从而进一步计算出钢丝绳35提升或下降的行程；限位块9用螺钉固定在晶升底板15上，它与提升腔14的输入轴通过同步带组件3联接，传递同步转速；配重块10用长螺栓固定在平衡臂11上，可沿平衡臂11的一字型槽移动；平衡臂11用螺钉固定在支架12上，可沿支架12的弧形槽转动；支架12与晶升底板15用螺钉固定，调整配重块10和平衡臂11的位置，可以将晶升组件的重心调整到其旋转中心，实现动平衡；称重腔13用螺钉固定在提升腔14上面，O形圈密封，它们共同组成真空密封腔体的一部分；电气盒16用螺钉固定在晶升底板15侧面，实现晶升部件的电气控制。
晶转部件包括多碶带组件17，导电滑环18，晶转磁流体19，电机支架20，晶转电机21。晶转磁流体19在最底部，它有一根向上的空心轴，空心轴与壳体间的相对转动通过铁磁流体密封，摩擦系数小且真空密封效果好；导电滑环18套在晶转磁流体19的空心轴上，内圈转子与空心轴用紧定螺钉联接，可随空心轴转动，外圈定子用螺钉固定在晶转磁流体19一侧；导电滑环18的作用是旋转的晶升部件的电气信号传递给下端固定部分；电机支架20用螺钉固定在晶转磁流体19法兰上；晶转电机21与电机支架20用螺钉联接；多砍带组件17一端套在晶转磁流体19的空心轴上，用螺钉分别与空心轴和晶升底板15联接，另一端套在晶转电机21输出轴上，紧定螺钉固定；晶转电机21的旋转通过多碶带组件17，带动晶转磁流体19的空心轴和晶升底板15一起转动；晶转磁流体19的空心轴穿过导电滑环18，多碶带组件17和晶升底板15，进入真空腔体32的底孔，O形圈密封；钢丝绳35从真空腔体32内穿过晶转磁流体19的空心轴，从晶转磁流体19下端孔穿出。
晶体提升装置的几项关键技术1、慢速电机组件机构(如图3所示)包括伺服电机22，谐波减速器23，过渡接套24，减速器座25，减速器轴26，离合器座27，电磁离合器28，输出轴29，同步带轮30；伺服电机22，过渡接套24和减速器座25用螺钉联接；减速器座25另一端伸入离合器座27，其法兰与离合器座27用螺钉联接；谐波减速器23装在减速器座25里，与伺服电机22的轴通过轴端螺钉固定；电磁离合器28在离合器座27中，与谐波减速器23通过减速器轴26联接；输出轴29与离合器座27间装有轴承，可相对转动，电磁离合器28的动片和同步带轮30分别套在输出轴29的两侧；电磁离合器28通电时吸合动片，伺服电机22的旋转通过谐波减速器23大比例减速后，传递给输出轴29，慢速传动回路工作；电磁离合器28失电时脱开动片，输出轴29处于自由状态，快速电机2的旋转通过同步带组件3传递给输出轴29，快速传动回路工作。该机构实现了双电机传动的快速切换，保证两只电机都工作在最优性能区间，改善了晶体提升装置的负载性能和运行的平稳性。
2、提升腔机构(如图4所示)包括左端盖31，真空腔体32，螺纹导套33，缆索管34，钢丝绳35，压轮组36，滚动花键副37，右端盖38，晶升磁流体39，同步带轮30；左端盖31和右端盖38分别用螺钉固定在真空腔体32两端，O形圈密封；左端盖31一端伸入真空腔体32，与螺纹导套33用螺钉联接；滚动花键副37的两端分别通过轴承固定在左端盖31和右端盖38中心孔内，可以自由转动；滚动花键副37的滑块可在其上左右滑动；缆索管34与滚动花键副37的滑块用螺钉联接，其左端螺纹拧入螺纹导套33；钢丝绳35盘绕在缆索管34右端半圆形螺旋线上，一端嵌入缆索管34槽内，另一端绕过称重腔13的滑轮45后垂直于真空腔体32的底孔中心，进入晶转磁流体19的空心轴；缆索管34左端螺纹和右端半圆形螺旋线的螺距相等，随着滚动花键副37的转动，带动缆索管34旋转，每转动一圈钢丝绳35在缆索管34盘绕或释放一圈，同时缆索管34相对螺纹导套33向右或向左平移一个螺距，这样保证了钢丝绳35始终垂直于真空腔体32的底孔中心提升或下降；压轮组36用螺钉固定在真空腔体32侧面，O形圈密封，其滚轮压住绕在缆索管34上的钢丝绳35，防止其跳槽；晶升磁流体39用螺钉固定在右端盖38上，O形圈密封，其空心轴套在滚动花键副37一端轴上随其一起转动，空心轴与晶升磁流体39壳体间的相对转动通过铁磁流体密封，摩擦系数小且真空密封效果好；同步带轮30套在滚动花键副37的轴外端，是同步带组件3的一部分，它将滚动花键副37的同步转速传递给限位块9的传动螺杆52。该机构保证了钢丝绳35牵引晶体在生长过程中的平稳性和提升精度。
3、称重腔机构(如图5所示)包括腔体40，接板41，称重传感器42，滑轮支架43，滑轮罩44，滑轮45，铰链46，侧盖47，密封航空插头48，螺母49，顶盖50；接板41和称重传感器42用螺钉联接；称重传感器42和滑轮支架43通过螺纹联接；滑轮45和滑轮支架43通过轴联接，钢丝绳35绕过滑轮45，垂直于真空腔体32的底孔中心穿出，钢丝绳35所受拉力由称重传感器42测量；滑轮罩44在滑轮45上方，用销固定在滑轮支架43上，保护钢丝绳不会跳出滑轮；接板41从腔体40内穿出顶部中心孔，用螺母49并紧；顶盖50用螺钉固定在腔体40顶端，O形圈密封；侧盖47用螺钉固定在腔体40外一侧，O形圈密封；密封航空插头48通过螺纹固定在侧盖47中心，将称重传感器42的信号线穿出真空密封腔体；铰链46一端固定在腔体40下端一侧，另一端固定在真空腔体32侧面；称重腔13可通过铰链46相对提升腔14转动。该机构的作用是通过实时测量钢丝绳35所受拉力的变化，分析晶体结晶生长速度，这是晶体生长过程的全自动控制所必需的。
4、限位块机构(如图6所示)包括同步带轮30，开关座51，传动螺杆52，传动螺母53，限位开关54；传动螺杆52的两端分别通过轴承固定在开关座51的两端孔内，可以自由转动；传动螺母53通过螺纹与传动螺杆52联接，螺距和螺纹导套33相同，其一侧的伸出杆穿过开关座51侧面的一字型槽；两只限位开关54分别用螺钉固定在开关座51侧面两端；同步带轮30套在传动螺杆52的轴外端，是同步带组件3的一部分，它将滚动花键副37的同步转速传递给传动螺杆52；传动螺杆52转动，带动传动螺母53平移，使其一侧的伸出杆向右或向左触发限位开关54，从而限制钢丝绳35上升或下降的极限位置。该机构将晶体提升的限位开关54移到真空密封腔体以外，方便了上下限位的调整，也增加了真空密封的可靠性。
显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
权利要求
1.一种传感器外置式晶体提升装置，包括晶升部件和晶转部件，其特征在于所述晶升部件包括慢速电机组件、快速电机、同步带组件、柔性连轴器、光电编码器、前级蜗轮蜗杆减速器、后级蜗轮蜗杆减速器、刚性连轴器、限位块、配重块、平衡臂、支架、称重腔、提升腔、晶升底板和电气盒；其中，慢速电机组件、前级蜗轮蜗杆减速器、后级蜗轮蜗杆减速器和提升腔用螺钉固定在晶升底板上，并分别通过两只柔性连轴器和一只刚性连轴器联接，构成慢速传动回路；快速电机用螺钉固定在慢速电机组件侧面，通过同步带组件连接慢速电机组件的输出轴，并与两只蜗轮蜗杆减速器和提升腔构成快速传动回路；光电编码器与前级蜗轮蜗杆减速器输出轴的一端通过紧定螺钉联接；限位块用螺钉固定在晶升底板上，与提升腔的输入轴通过同步带组件联接；配重块用长螺栓固定在平衡臂上，可沿平衡臂的一字型槽移动；平衡臂用螺钉固定在支架上，可沿支架的弧形槽转动；支架与晶升底板用螺钉固定；称重腔用螺钉固定在提升腔上面，O形圈密封；电气盒用螺钉固定在晶升底板侧面；所述晶转部件包括多碶带组件、导电滑环、晶转磁流体、电机支架和晶转电机；其中，晶转磁流体在最底部，有一根向上的空心轴；导电滑环套在晶转磁流体的空心轴上，内圈转子与空心轴用紧定螺钉联接，外圈定子用螺钉固定在晶转磁流体一侧；电机支架用螺钉固定在晶转磁流体法兰上；晶转电机与电机支架用螺钉联接；多碶带组件一端套在晶转磁流体的空心轴上，用螺钉分别与空心轴和晶升底板联接，另一端套在晶转电机输出轴上，紧定螺钉固定；晶转磁流体的空心轴穿过导电滑环，多碶带组件和晶升底板，进入真空腔体的底孔，O形圈密封；钢丝绳从真空腔体内穿过晶转磁流体的空心轴，从晶转磁流体下端孔穿出。
2.根据权利要求1所述的传感器外置式晶体提升装置，其特征在于，所述慢速电机组件包括伺服电机、谐波减速器、过渡接套、减速器座、减速器轴、离合器座、电磁离合器、输出轴和同步带轮；其中，伺服电机、过渡接套和减速器座用螺钉联接；减速器座另一端伸入离合器座，其法兰与离合器座用螺钉联接；谐波减速器装在减速器座里，与伺服电机的轴通过轴端螺钉固定；电磁离合器在离合器座中，与谐波减速器通过减速器轴联接；输出轴与离合器座间装有轴承，可相对转动，电磁离合器的动片和同步带轮分别套在输出轴的两侧；同步带轮是同步带组件的一部分。
3.根据权利要求1所述的传感器外置式晶体提升装置，其特征在于，所述提升腔包括左端盖、真空腔体、螺纹导套、缆索管、钢丝绳、压轮组、滚动花键副、右端盖、晶升磁流体和同步带轮；其中，左端盖和右端盖分别用螺钉固定在真空腔体两端，O形圈密封；左端盖一端伸入真空腔体，与螺纹导套用螺钉联接；滚动花键副的两端分别通过轴承固定在左端盖和右端盖中心孔内，可以自由转动；滚动花键副的滑块可在其上左右滑动；缆索管与滚动花键副的滑块用螺钉联接，其左端螺纹拧入螺纹导套；钢丝绳盘绕在缆索管右端半圆形螺旋线上，一端嵌入缆索管槽内，另一端垂直于真空腔体的底孔中心；压轮组用螺钉固定在真空腔体侧面，O形圈密封，其滚轮压住绕在缆索管上的钢丝绳；晶升磁流体用螺钉固定在右端盖上，O形圈密封，其空心轴套在滚动花键副一端轴上；同步带轮套在滚动花键副的轴外端，是同步带组件的一部分。
4.根据权利要求1所述的传感器外置式晶体提升装置，其特征在于，所述称重腔包括腔体、接板、称重传感器、滑轮支架、滑轮罩、滑轮、铰链、侧盖、密封航空插头、螺母和顶盖；其中，接板和称重传感器用螺钉联接；称重传感器和滑轮支架通过螺纹联接；滑轮和滑轮支架通过轴联接；滑轮罩在滑轮上方，用销固定在滑轮支架上；接板从腔体内穿出顶部中心孔，用螺母并紧；顶盖用螺钉固定在腔体顶端，O形圈密封；侧盖用螺钉固定在腔体外一侧，O形圈密封；密封航空插头通过螺纹固定在侧盖中心；铰链一端固定在腔体下端一侧，另一端固定在真空腔体侧面；称重腔可通过铰链相对提升腔转动。
5.根据权利要求1所述的传感器外置式晶体提升装置，其特征在于，所述限位块包括同步带轮、开关座、传动螺杆、传动螺母和限位开关；其中，传动螺杆的两端分别通过轴承固定在开关座的两端孔内，可以自由转动；传动螺母通过螺纹与传动螺杆联接，其一侧的伸出杆穿过开关座侧面的一字型槽；两只限位开关分别用螺钉固定在开关座侧面两端；同步带轮套在传动螺杆的轴外端，是同步带组件的一部分。
全文摘要
本发明涉及直拉式晶体生长炉的晶体驱动装置，旨在提供一种传感器外置式晶体提升装置。其晶升部件包括慢速电机组件、快速电机、同步带组件、柔性连轴器、光电编码器、前级蜗轮蜗杆减速器、后级蜗轮蜗杆减速器、刚性连轴器、限位块、配重块、平衡臂、支架、称重腔、提升腔、晶升底板和电气盒；晶转部件包括多碶带组件、导电滑环、晶转磁流体、电机支架和晶转电机。本发明大幅度提高了晶体提升装置的可靠性，改善了晶体提升装置的负载性能，以及晶体提升与回转速度控制精度与平稳性，并适应晶体提升过程的全自动控制。装备该晶体提升装置的晶体生长炉可以实现全自动控制，其晶体产品完整性与均匀性都非常好，能够完全达到IC电路对单晶材料的要求。
文档编号C30B15/30GK1995484SQ200610166878
公开日2007年7月11日 申请日期2006年12月16日 优先权日2006年12月16日
发明者曹建伟, 朱亮, 邱敏秀, 黄家海 申请人:杭州慧翔电液技术开发有限公司, 上虞晶盛机电工程有限公司