KR100274263B1 - Displacement sensor built in magnetic bearing module - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A displacement sensor built in a magnetic bearing module is provided to prevent mixing of various disturbing elements of a table with displacement signal upon measuring a displacement and to accurately measure a location displacement of a geometric center of the table by adapting a contactless capacitance sensor. CONSTITUTION: A magnetic bearing module comprises a body fixed to a table and an electromagnet(41) built in the body to support the table without contact with a guide to generate magnetic force. A displacement sensor(420) built in the magnetic bearing module includes a contactless capacitance sensor(421) and a guard(422). The capacitance sensor is formed with a circular plate to measure a displacement from the guide. The guard is built in the body to cover the contactless capacitance sensor with its upper portion opened. The capacitance sensor has an engaging portion on a circumferential face, and a distributing hole and through-holes on the bottom face to be seated in the guard.

Description

자기 베어링 모듈에 내장되는 변위 센서Displacement sensor embedded in the magnetic bearing module

본 발명은 초정밀 장비에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자기 베어링 모듈에 내장되는 변위 센서에 관한 것이다.The present invention relates to ultra-precision equipment, and more particularly to a displacement sensor embedded in a magnetic bearing module.

최근 들어 반도체 산업, 광학 산업 등의 급속한 발전으로 인한 각종 초정밀 기계의 수요가 늘어나고 있다. 특히 반도체 장비, 초정밀 가공기기 및 측정장비 등의 정밀도를 좌우하는 요소인 직선 운동 유닛의 개발이 시급하여 이에 대한 연구개발 및 기초 기술 확보가 중요한 시점에 이르게 되었다.Recently, the demand for various ultra-precision machines is increasing due to the rapid development of the semiconductor industry and the optical industry. In particular, the development of linear motion units, which determine the precision of semiconductor equipment, ultra-precision processing equipment, and measuring equipment, is urgently needed, leading to an important time for research and development and securing of basic technology.

현재 사용 중인 센서소자 검사 장비의 경우 수동 방식으로서 소자를 검사하기 위해 이송 테이블 및 현미경 등을 일일이 수작업에 의해 조정하여야 한다. 이는 작업능률의 저하뿐 아니라 검사의 정확도를 저하시키는 결과를 초래한다. 또한, 반도체 장비 및 광학 측정 장비 등의 초정밀 장비에는 그 핵심적인 요소로서 직선운동 테이블이 있으며 이는 전체 시스템의 정밀도를 좌우하게 된다. 최근 초정밀 기술의 눈부신 발전으로 인해 높은 정밀도를 내는 직선 운동 장치의 연구가 많이 진행되고 있으며 그 수요 또한 많아지고 있는 추세이다.In the case of the sensor device inspection equipment currently in use, the transfer table and the microscope must be manually adjusted to inspect the device by the manual method. This results in a decrease in the work efficiency as well as in the accuracy of the inspection. In addition, the high precision equipment such as semiconductor equipment and optical measuring equipment has a linear motion table as a key element, which determines the accuracy of the entire system. Recently, due to the remarkable development of ultra-precision technology, many researches on linear motion devices with high precision have been conducted, and the demand is also increasing.

종래의 일반적인 직선 운동 시스템의 지지 베어링으로는 볼이나 롤러 베어링이 많이 사용되고 있으나 상기한 볼과 롤러의 탄성 변형과 불균일 등에 기인한 상하방향의 흔들림과 마찰력에 의하여 위치 정밀도를 초정밀급으로 하는 데에는 한계가 있다. 따라서, 좌우상하운동이 1㎛ 이하의 높은 정밀도를 나타내기 위해서는 테이블과 안내면이 비접촉 되도록 오일이나 공기 등의 윤활 유체를 사용하여 테이블을 지지하는 유체 베어링이 많이 적용되고 있다. 특히 공기 베어링으로 지지되는 테이블의 경우 강성은 다소 작으나 공기 자체의 낮은 점성으로 인해 매우 작은 마찰손실 특성을 보이며 다른 방법에 비해 높은 정밀도를 얻는데 많이 적용되고 있다.Ball bearings and roller bearings are commonly used as support bearings of conventional linear motion systems. However, there are limitations in making the position accuracy extremely accurate due to the up and down swing and frictional forces caused by the elastic deformation and non-uniformity of the ball and roller. have. Therefore, in order to exhibit a high precision of 1 m or less, the fluid bearing that supports the table using lubricating fluid such as oil or air is applied so that the table and the guide surface are in contact with each other. In particular, in the case of tables supported by air bearings, the rigidity is somewhat small, but due to the low viscosity of the air itself, it shows very small frictional loss characteristics and is widely used to obtain higher precision than other methods.

그러나, 이와 같이 공기나 오일을 베어링의 윤활 유체로 사용하기 위해서는 유체를 일정한 압력으로 높이기 위한 압축기와 유체의 불순물을 제거하기 위한 필터가 필수적이며 이는 고가일 뿐만 아니라 이송 시스템의 구성이 전반적으로 커지게 되어 유지 및 관리가 힘들며 압축기의 회전에 의한 노이즈가 시스템에 영향을 미치게 되어 이송 정밀도를 높이기 위한 각별한 노력이 요구되었다.However, in order to use air or oil as a lubricating fluid of a bearing, a compressor for raising the fluid to a constant pressure and a filter for removing impurities from the fluid are essential, which is expensive and increases the overall configuration of the transport system. It is difficult to maintain and manage, and the noise caused by the rotation of the compressor affects the system, which requires special efforts to increase the feeding accuracy.

또한, 유체 베어링은 그의 특성을 결정하는 공급 압력, 오리피스의 직경, 윤활 틈새 등이 한번 결정되면 작동시 그 특성을 바꾸기 힘든, 이른바 수동 방식의 시스템으로서 사용자의 의도대로 능동적으로 제어하기가 곤란하며, 일부 반도체 제조 장비나 이온 빔 가공과 같은 특수 가공 장비 등에서는 진공의 환경이 필요하며 직선 운동 시스템의 안내면 윤활제로 유체가 사용될 경우 이와 같은 특수 환경에서는 시스템의 적용이 곤란한 문제점들이 있었다.In addition, the fluid bearing is a so-called manual system, which is difficult to change its characteristics upon operation once the supply pressure, orifice diameter, lubrication gap, etc., which determines its characteristics, is difficult to actively control as the user intends. Some semiconductor manufacturing equipment or special processing equipment such as ion beam processing requires a vacuum environment, and when a fluid is used as the guide surface lubricant of a linear motion system, application of the system has been difficult in such a special environment.

도 1 및 도 2에는 이러한 문제점들은 해결하기 위한 자기 베어링 모듈을 갖는 직선 운동 테이블이 도시되어 있다. 도 1에 의하면, 베드(10)는 그 상단의 양측으로 리니어 가이드(11)가 형성된다. Y축 테이블(20)은 상기 베드(10) 상단에 안착되어서 상기 리니어 가이드(11)로 지지되고 그 하측에 마련된 리니어 모터(12)와 리니어 스케일(13)로 구동되어서 Y축 방향으로 이송된다. X축 테이블(30)은 상기 Y축 테이블(20)을 베드로 사용하고 복수개의 자기 베어링 모듈(40)로 지지되며 리니어 모터(21)와 리니어 스케일(22)로 구동되어 X축 방향으로 이송된다. 상기 리니어 모터(12)(21)는 BLDC(brushless DC)모터를 적용함이 바람직하다.1 and 2 show a linear motion table with a magnetic bearing module to solve these problems. According to FIG. 1, the linear guide 11 is formed at both sides of the upper end of the bed 10. The Y-axis table 20 is mounted on the bed 10 and supported by the linear guide 11 and driven by the linear motor 12 and the linear scale 13 provided under the bed 10 to be transferred in the Y-axis direction. The X-axis table 30 uses the Y-axis table 20 as a bed, is supported by a plurality of magnetic bearing modules 40, and is driven by the linear motor 21 and the linear scale 22 to be transferred in the X-axis direction. Preferably, the linear motors 12 and 21 apply a brushless DC (BLDC) motor.

주 제어부(50)는 상기 리니어 모터(12)(21)의 구동 및 상기 자기 베어링 모듈(40)의 구동을 제어하되, 리니어 모터 구동용 서보 앰프(51) 및 컴퓨터(미도시) 등으로 구성된다. 상기 리니어 모터(12)(21)를 구동하기 위한 서보 앰프(51)는 BLDC 서보 앰프와 서보 앰프의 전원장치로 구성된다. 이 서보 앰프(51)는 리니어 모터(12)(21)의 홀 센서에서 나오는 신호를 받아 영구자석의 위치를 알아내어 리니어 모터(12)(21)의 헤드에 삼상의 전류를 흘려주는 역할을 한다.The main controller 50 controls the driving of the linear motors 12 and 21 and the driving of the magnetic bearing module 40, and includes a linear motor driving servo amplifier 51 and a computer (not shown). . The servo amplifier 51 for driving the linear motors 12 and 21 is composed of a BLDC servo amplifier and a power supply device for the servo amplifier. The servo amplifier 51 receives signals from the Hall sensors of the linear motors 12 and 21 to locate the permanent magnets and serves to flow three-phase currents through the heads of the linear motors 12 and 21. .

도 2에 의하면, 상기 Y축 테이블(20)은 그 양측의 상부와 측면에 가이드 플레이트(23)를 고정하여 구성되며, 상기 가이드 플레이트(23) 내측의 상하 및 측벽에는 각각 라미네이티드 가이드(25)가 마련된다. 또한, 사각형 형태의 X축 테이블(30)의 아래에는 도시되지 않은 리니어 스케일 헤드와 리니어 모터 헤드가 마련된다. 따라서, 상기 X축 테이블(30)은 상기 Y축 테이블(20) 위의 수직 및 수평 방향 가이드 플레이트(23) 내측의 라미네이티드 가이드(25)를 안내면으로 하여 이송되고, 그 구동은 중앙에 위치하는 리니어 모터(21)에 의해 이루어지며 이송 위치는 리니어 스케일(22)에 의해 측정된다.2, the Y-axis table 20 is configured by fixing the guide plate 23 on the upper and side surfaces of both sides, respectively, the laminated guide 25 on the upper and lower sides and the side walls of the inside of the guide plate 23, respectively. ) Is provided. In addition, a linear scale head and a linear motor head (not shown) are provided below the rectangular X-axis table 30. Therefore, the X-axis table 30 is conveyed with the laminated guide 25 inside the vertical and horizontal guide plates 23 on the Y-axis table 20 as the guide surface, and the driving thereof is located at the center. Is made by a linear motor 21 and the conveying position is measured by a linear scale 22.

상기 X축 테이블(30)은 그 4방 모서리에 각각의 자기 베어링 모듈(40)이 고정된다. 상기 복수개의 자기 베어링 모듈(40)은 상기 Y축 테이블(20)의 라미네이티드 가이드(25)에 대향하여 자기력을 발생하는 전자석(41) 및 그 변위를 측정하는 센서(42)로 구성된다. 이를 위하여 상기 자기 베어링 모듈(40)의 3면, 즉 상부와 하부 및 측면에는 각각의 전자석(41)과 센서(42)가 한 쌍씩 장착된다.The magnetic bearing module 40 is fixed to the four corners of the X-axis table 30. The plurality of magnetic bearing modules 40 are composed of an electromagnet 41 for generating a magnetic force against the laminated guide 25 of the Y-axis table 20 and a sensor 42 for measuring the displacement thereof. To this end, three pairs of electromagnets 41 and sensors 42 are mounted on three surfaces of the magnetic bearing module 40, namely, upper, lower, and side surfaces thereof.

이와 같이 구성된 직선 운동 테이블의 작용은, 리니어 가이드(11)로 지지되는 Y축과 자기 베어링 모듈(40)로 지지되는 X축으로 구성되며, 2축 모두 리니어 모터(12)(21)로 구동된다. 상기 리니어 모터(12)(21)는 리니어 스케일(13)(22)에 의해서 위치신호를 궤환받고 이를 컴퓨터(미도시)의 DSP보드를 이용하여 제어하게 된다. 도 1에 의하면, Y축 테이블(20)은 베드(10) 상단 양측의 리니어 가이드(11)로 지지된 상태에서 그 하측에 마련된 리니어 모터(12)와 리니어 스케일(13)로 구동되어 Y축 방향으로 이송된다. 여기서, BLDC 서보 앰프(51)는 상기 리니어 모터(12)를 구동하기 위하여 컴퓨터(미도시)의 제어에 따라 상기 리니어 모터(12)를 제어하되, 상기 리니어 모터(12)의 홀 센서에서 나오는 신호를 받아 영구자석의 위치를 알아내고 상기 리니어 모터(12)의 헤드에 삼상의 전류를 흘려줌으로써 상기 Y축 테이블(20)을 이송시킨다.The action of the linear motion table configured as described above is composed of the Y axis supported by the linear guide 11 and the X axis supported by the magnetic bearing module 40, and both axes are driven by the linear motors 12 and 21. . The linear motors 12 and 21 receive the position signals by the linear scales 13 and 22 and control them using a DSP board of a computer (not shown). According to FIG. 1, the Y-axis table 20 is driven by the linear motor 12 and the linear scale 13 provided below the Y-axis direction while being supported by the linear guides 11 on both sides of the bed 10. Is transferred to. Here, the BLDC servo amplifier 51 controls the linear motor 12 under the control of a computer (not shown) in order to drive the linear motor 12, but the signal from the Hall sensor of the linear motor 12 It receives the position of the permanent magnet and transfers the three-phase current to the head of the linear motor 12 to transfer the Y-axis table 20.

또한, 도 2에 의하면, 상기 X축 테이블(30)은 상기 Y축 테이블(20) 위의 수직 및 수평 방향의 가이드 플레이트(23) 내측의 라미네이티드 가이드(25)를 안내면으로 하여 이송되는데, 그 구동은 중앙에 위치하는 리니어 모터(21)에 의해 이루어지며 이송 위치는 리니어 스케일(22)에 의해 측정된다. 이때, 상기 X축 테이블(30)은 그 4방 모서리에 고정된 각각의 자기 베어링 모듈(40)에 의하여 상기 가이드 플레이트(23)의 라미네이티드 가이드(25) 사이에 일정한 거리로 자기 부상한 상태에서 X축 방향으로 이송된다.In addition, according to FIG. 2, the X-axis table 30 is conveyed with the laminated guide 25 inside the guide plate 23 in the vertical and horizontal directions on the Y-axis table 20 as a guide surface. The drive is made by the linear motor 21 located at the center and the feed position is measured by the linear scale 22. At this time, the X-axis table 30 is a state of magnetic levitation at a predetermined distance between the laminated guide 25 of the guide plate 23 by each of the magnetic bearing module 40 fixed to the four corners In the X-axis direction.

즉, 상기 자기 베어링 모듈(40)은 자체에 내장된 전자석(41)의 코일에 흐르는 전류에 의하여 발생하는 자기력을 이용하여 물리적인 접촉 없이 X축 테이블(30)을 지지하게 되고, 상기 전자석(41)과 함께 내장된 센서(42)의 출력 신호를 통하여 그 변위를 측정하여 상기 전자석(41)의 코일에 흐르는 전류를 제어함으로써 항상 일정한 거리를 유지하도록 하는 것이다. 여기서, 상기 자기 베어링 모듈(40)은 주 제어부(50)의 컴퓨터(미도시)에 의하여 그 전자석의 자기력의 크기가 제어되는데, 특히 상기 자기 베어링 모듈(40)의 센서(42)로부터 출력되는 신호에 따라 제어된다.That is, the magnetic bearing module 40 supports the X-axis table 30 without physical contact by using the magnetic force generated by the current flowing through the coil of the electromagnet 41 embedded therein, and the electromagnet 41 By measuring the displacement through the output signal of the built-in sensor 42 to control the current flowing through the coil of the electromagnet 41 to maintain a constant distance at all times. Here, the magnetic bearing module 40 is the magnitude of the magnetic force of the electromagnet is controlled by a computer (not shown) of the main control unit 50, in particular a signal output from the sensor 42 of the magnetic bearing module 40 Is controlled according to.

한편, 상술한 바와 같이 일반적으로 변위를 측정하기 위하여 사용되는 센서는, 위치 측정에 이용되는 매체에 따라 반사되는 빛의 간섭 효과를 이용하는 광학(optical)센서, 레이저 빔의 반사파를 이용하는 레이저(laser)센서, 도전성 금속 대상물의 표면에서 발생하는 와전류(eddy current)에 의한 센서 코일 내의 임피던스 변화를 변위로 환산하는 와전류형 센서, 그리고 도전성 대상물과 센서판 사이에 형성되는 정전용량으로부터 거리를 측정하는 정전용량 센서 등으로 구분된다. 이와 같은 여러 종류의 비접촉 변위 센서들 중 자기 베어링용으로 사용이 가능한 센서는 매우 한정되어 있으며, 자기 베어링의 형상적 특성, 설치 공간, 자장의 영향 및 응답 속도 등이 우선적으로 고려되어야 한다.On the other hand, as described above, the sensor generally used to measure the displacement is an optical sensor that uses the interference effect of the light reflected by the medium used for the position measurement, a laser using the reflected wave of the laser beam Sensor, eddy current type sensor that converts impedance change in sensor coil due to eddy current generated on the surface of conductive metal object into displacement, and capacitance measuring distance from capacitance formed between conductive object and sensor plate Sensor, etc. Among these various types of non-contact displacement sensors, sensors that can be used for magnetic bearings are very limited, and the shape characteristics, installation space, magnetic field influence and response speed of magnetic bearings should be considered first.

그러나, 이와 같은 종래의 자기 베어링 모듈에 적용되는 일반적인 변위 센서들은 측정 대상물 표면의 한 점만을 측정하므로 테이블의 가공 오차 및 표면 조도 등이 측정된 변위 신호에 혼합되어 테이블 기하학적 중심의 정확한 위치 변화를 측정할 수 없는 문제점이 있었다.However, since the conventional displacement sensors applied to such conventional magnetic bearing modules measure only one point of the surface of the object to be measured, the machining error and surface roughness of the table are mixed with the measured displacement signal to measure the exact position change of the table geometric center. There was a problem that could not be done.

또한, 이와 같은 종래의 자기 베어링 모듈용 변위 센서의 위치 측정 오차는 주 제어부의 제어 연산에 그대로 유입되어 교란 요소로 작용하므로 자기 베어링의 정확한 위치 제어를 어렵게 하는 다른 문제점도 있었다.In addition, the position measurement error of the conventional displacement sensor for a magnetic bearing module is introduced into the control operation of the main control unit as it acts as a disturbing element, there is another problem that makes it difficult to accurately control the magnetic bearing.

따라서, 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 원형판의 비접촉 정전용량 변위 센서를 통하여 변위 측정시 테이블의 각종 교란 요소들이 변위 신호에 혼입되는 것을 방지하고, 테이블 기하학적 중심의 위치 변화를 정확히 측정하기 위해서 대상물의 평균 변위를 감지할 수 있도록 한 자기 베어링 모듈에 내장되는 비접촉 변위 센서를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention devised to solve the above problems is to prevent various disturbance elements of the table from being incorporated into the displacement signal during displacement measurement through the non-contact capacitive displacement sensor of the circular plate, The present invention provides a non-contact displacement sensor embedded in a magnetic bearing module that can detect an average displacement of an object in order to accurately measure a change in position.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 원형판의 비접촉 정전용량 변위센서를 적용함으로써 센서부에 뾰족한 첨점이 없어 비선형적인 전자장 분포가 없고, 축대칭 형상으로 인하여 기울어짐의 영향을 배제할 수 있는 자기 베어링 모듈에 내장되는 비접촉 변위 센서를 제공함에 있다.In addition, another object of the present invention, by applying a non-contact capacitive displacement sensor of the circular plate, there is no pointed peak in the sensor portion, there is no non-linear electromagnetic field distribution, the magnetic bearing module that can exclude the influence of the tilt due to the axisymmetric shape It is to provide a non-contact displacement sensor built in.

도 1은 자기 베어링 모듈을 갖는 직선 운동 테이블을 나타낸 전체 사시도,1 is an overall perspective view showing a linear motion table having a magnetic bearing module,

도 2는 도 1의 요부 절결 사시도,FIG. 2 is a perspective view of the main portion of FIG. 1;

도 3은 본 발명에 따른 자기 베어링 모듈에 내장되는 변위 센서의 바람직한 실시예를 나타낸 분해 사시도,3 is an exploded perspective view showing a preferred embodiment of a displacement sensor embedded in a magnetic bearing module according to the present invention;

도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 자기 베어링 모듈에 내장되는 변위 센서의 구조를 나타낸 도면,4a to 4c is a view showing the structure of a displacement sensor embedded in the magnetic bearing module according to the present invention,

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 자기 베어링 모듈에 내장되는 변위 센서의 조립공정 및 최종 가공된 형상을 나타낸 도면이다.5a and 5b is a view showing the assembly process and the final processed shape of the displacement sensor embedded in the magnetic bearing module according to the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

25 : 가이드 30 : 테이블25: Guide 30: Table

40 : 자기 베어링 모듈 40a : 몸체40: magnetic bearing module 40a: body

40b : 함몰부 41 : 전자석40b: depression 41: electromagnet

420 : 변위 센서 421 : 센서부420: displacement sensor 421: sensor

421a, 422a : 걸림턱 421b : 십자홈421a, 422a: hanging jaw 421b: cross recess

422 : 가드 422b : 배출홈422: guard 422b: discharge groove

422c : 배선공 422d : 관통공422c: wiring hole 422d: through hole

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자기 베어링 모듈에 내장되는 비접촉 변위 센서의 특징은, 가이드를 따라 이송하는 테이블에 고정되는 몸체와, 상기 몸체에 내장되어 상기 가이드와 접촉됨이 없이 상기 테이블을 지지하도록 자기력을 발생하는 전자석으로 구성되는 자기베어링 모듈에 있어서, 상기 가이드와의 변위를 측정하는 센서부 및 상기 몸체에 내장되어 상기 센서부의 상측이 개방되도록 감싸는 가드를 포함하여 구성된다.A feature of the non-contact displacement sensor embedded in the magnetic bearing module according to the present invention for achieving the above object, the body is fixed to the table for transporting along the guide, the table is built in the body without being in contact with the guide In the magnetic bearing module consisting of an electromagnet for generating a magnetic force to support the, the magnetic bearing module is configured to include a sensor for measuring the displacement with the guide and a guard that is embedded in the body to surround the upper side of the sensor.

상기 센서부는 원형판의 비접촉 정전용량 센서로 형성되며, 상기 센서부는 상기 가드에 안착되도록 그 상측의 외주면에 걸림턱이 형성되고, 그 저면에 십자홈이 형성된다.The sensor part is formed of a non-contact capacitive sensor of a circular plate, the sensor part is formed on the outer peripheral surface of the upper side so as to be seated on the guard, a cross groove is formed on the bottom surface.

상기 가드는 상기 몸체에 마련된 함몰부에 안착되도록 그 상측의 외주면에 복수개의 배출홈을 갖는 걸림턱이 형성되고, 그 저면에 배선공 및 복수개의 관통공이 형성된다.The guard is provided with a locking jaw having a plurality of discharge grooves on the outer peripheral surface of the upper side to be seated in the depression provided in the body, the wiring hole and a plurality of through holes are formed on the bottom surface.

상기 몸체의 함몰부에 가드 및 센서부를 내장하고 에폭시로 진공 함침한 후 그 표면을 소정 깊이로 가공하여 형성한다.A guard and a sensor part are embedded in the depression of the body and vacuum-impregnated with epoxy, and then the surface is processed to a predetermined depth.

따라서, 본 발명의 변위 센서로 적용되는 원형판의 비접촉 정전용량 센서는 변위 측정시 테이블의 각종 교란 요소들이 변위 신호에 혼입되는 것을 방지하고, 테이블 기하학적 중심의 위치 변화를 정확히 측정하기 위해서는 대상물의 평균 변위를 감지할 수 있으며, 아울러 센서판에 뾰족한 첨점이 없어 비선형적인 전자장 분포가 없고 축대칭 형상으로 인하여 기울어짐의 영향을 배제할 수 있다.Accordingly, the non-contact capacitive sensor of the circular plate applied as the displacement sensor of the present invention prevents various disturbance elements of the table from being mixed in the displacement signal during the displacement measurement, and in order to accurately measure the change in the position of the table geometric center, the average displacement of the object. In addition, there is no pointed point on the sensor plate, and there is no non-linear field distribution and the influence of tilt due to the axisymmetric shape can be excluded.

이하, 본 발명에 따른 자기 베어링 모듈에 내장되는 변위 센서의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명하되, 종래와 동일한 구성요소는 동일부호로서 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment of a displacement sensor embedded in a magnetic bearing module according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, the same components as in the prior art will be described with the same reference numerals.

도 3은 본 발명에 따른 자기 베어링 모듈에 내장되는 변위 센서의 바람직한 실시예를 나타낸 분해 사시도로서, 이에 의하면 자기 베어링 모듈(40)은 테이블(30)에 고정되는 몸체(40a)와, 상기 몸체(40a)에 내장되어 가이드(25)로부터 물리적인 접촉이 없이 상기 테이블(30)을 지지하도록 자기력을 발생하는 전자석(41)이 마련된다. 또한, 상기 가이드(25)와의 변위를 측정하는 변위 센서(420)는, 센서부(421) 및 상기 몸체(40a)에 내장되어 상기 센서부(421)의 상측이 개방되도록 감싸는 가드(422)로 구성되고, 상기 몸체(40a)는 상기 전자석(41)과 센서부(421) 및 가드(422)가 각각 한 쌍씩 장착되도록 3면에 각각의 함몰부(40b)가 형성된다. 여기서, 상기 센서부(421)가 대상물 이외의 다른 물체 사이의 기생정전용량을 없애기 위하여 상술한 바와 같이 상기 가드(422)가 센서부(421)를 완전히 감싸는 형상으로 구성한다.3 is an exploded perspective view showing a preferred embodiment of the displacement sensor embedded in the magnetic bearing module according to the present invention, whereby the magnetic bearing module 40 is fixed to the table 30 and the body (40a), An electromagnet 41, which is built in 40a and generates magnetic force to support the table 30 without physical contact from the guide 25, is provided. In addition, the displacement sensor 420 for measuring the displacement with the guide 25 is a guard 422 embedded in the sensor unit 421 and the body 40a and wrapped to open the upper side of the sensor unit 421. The body 40a is provided with respective recesses 40b on three surfaces such that the electromagnet 41, the sensor unit 421, and the guard 422 are mounted in pairs, respectively. Here, in order to eliminate the parasitic capacitance between objects other than the object, the sensor unit 421 is configured in such a manner that the guard 422 completely surrounds the sensor unit 421.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 자기 베어링 모듈에 내장되는 변위 센서의 구조를 나타낸 도면이다. 도 4a에 의하면, 상기 센서부(421)는 상기 가드(422)에 안착되도록 그 상측의 외주면에 걸림턱(421a)이 형성되고, 아울러 이 센서부(421)를 몸체(40a)에 에폭시로 함침한 후 그 표면을 가공할 때 가공력을 잘 견디기 위하여 그 저면에 십자홈(421b)이 형성된다.4A to 4C are views showing the structure of a displacement sensor embedded in the magnetic bearing module according to the present invention. According to FIG. 4A, a locking jaw 421a is formed on an outer circumferential surface of the upper side of the sensor 421 to be seated on the guard 422, and the sensor 421 is impregnated with the body 40a by epoxy. After that, when processing the surface, a cross groove 421b is formed on the bottom thereof to withstand the processing force well.

또한, 센서부(421)는 변위 측정시 테이블(30)의 각종 교란 요소들이 변위 신호에 혼입되는 것을 방지하며 가이드(25)의 기하학적 중심의 위치 변화를 정확히 측정하기 위해서는 대상물의 평균 변위를 감지할 수 있는 판(plate)형의 비접촉 정전용량 센서로 구성하는 것이 바람직하다. 아울러 센서부(421)에 뾰족한 첨점이 없어 비선형적인 전자장 분포가 없고 축대칭 형상으로 인하여 기울어짐의 영향을 배제할 수 있는 원형으로 형성하는 것이 더욱 바람직하다. 따라서, 상기 센서부(421)는 원형판의 비접촉 정전용량 센서로 형성된다.In addition, the sensor unit 421 may prevent the various disturbance elements of the table 30 from being mixed in the displacement signal during the displacement measurement, and may detect the average displacement of the object in order to accurately measure the position change of the geometric center of the guide 25. It is preferable to construct a plate-type non-contact capacitive sensor that can be used. In addition, it is more preferable that the sensor unit 421 has no pointed point and has a non-linear electromagnetic field distribution, and is formed in a circular shape that can exclude the influence of tilt due to the axisymmetric shape. Therefore, the sensor unit 421 is formed as a non-contact capacitive sensor of a circular plate.

도 4b에 의하면, 상기 가드(422)는 상기 몸체(40a)에 마련된 함몰부(40b)에 안착되도록 그 상측의 외주면에 복수개의 배출홈(422b)을 갖는 걸림턱(422a)이 형성되고, 그 저면에 배선공(422c) 및 복수개의 관통공(422d)이 형성된다. 또한, 도 4c에 의하면, 상기 가드(422)는 상기 센서부(421)의 상측이 개방되도록 감싼 상태에서 상기 몸체(40a)에 내장되도록 구성되고 그 저면으로 배선이 마련된다.According to FIG. 4B, the guard 422 is provided with a locking step 422a having a plurality of discharge grooves 422b on the outer circumferential surface of the upper side thereof to be seated on the recess 40b provided in the body 40a. A wiring hole 422c and a plurality of through holes 422d are formed in the bottom surface. In addition, according to FIG. 4C, the guard 422 is configured to be embedded in the body 40a in a state in which the upper side of the sensor part 421 is opened, and wiring is provided at the bottom thereof.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 자기 베어링 모듈에 내장되는 비접촉 변위 센서의 조립공정 및 최종 가공된 형상을 나타낸 도면으로서 이에 의하면, 상기 몸체(40a)의 함몰부(40b)에 가드(422) 및 센서부(421)를 내장하고 에폭시로 진공 함침한 후 그 표면을 소정 깊이로 가공하여 형성한다.5A and 5B illustrate a process of assembling and final processing of a non-contact displacement sensor embedded in a magnetic bearing module according to the present invention, whereby the guard 422 is provided in the recess 40b of the body 40a. And a sensor part 421 embedded therein and vacuum-impregnated with epoxy to form the surface by processing the surface to a predetermined depth.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the present invention configured in this way in more detail as follows.

본 발명에 적용되는 변위 센서(420)는 원형판의 비접촉 정전용량 센서로 형성됨으로써 센서부(421)에 뾰족한 첨점이 없어 비선형적인 전자장 분포가 없고 축대칭 형상으로 인하여 기울어짐의 영향을 배제할 수 있다. 또한, 그 가공시 센서부(421)와 가드(422)를 함께 가공하지 않고 분리하여 가공함으로써 상기한 센서부(421)와 가드(422)의 틈새 그리고 가드(422)와 몸체(40a)의 틈새를 각각 0.5mm 이하로 줄여 실제로 센서부(421)가 차지하는 면적을 넓혔다.Displacement sensor 420 applied to the present invention is formed as a non-contact capacitive sensor of the circular plate, there is no sharp point on the sensor unit 421, there is no non-linear electromagnetic field distribution and can be excluded from the influence of the tilt due to the axisymmetric shape. . In addition, the sensor part 421 and the guard 422 are processed separately without processing together, and the gap between the sensor part 421 and the guard 422 and the gap between the guard 422 and the body 40a are processed. Are reduced to 0.5 mm or less, respectively, to increase the area occupied by the sensor unit 421.

여기서, 가드(422)는 센서부(421)를 보호하는 역할을 수행하므로 민감도에 영항을 주지 않아 상기 가드(422)에 대한 센서부(421)의 면적비가 커질수록 민감도가 커진다. 즉, 센서부(421)의 면적이 증가할수록 민감도가 선형적으로 증가한다. 따라서 가드(422)는 센서부(421)를 보호할 수 있는 범위에서 최대한 작게 설계하여 센서부(421)의 면적을 넓힘으로써 변위민감도를 높이도록 하는 것이다.Here, since the guard 422 serves to protect the sensor unit 421, the sensitivity does not affect the sensitivity, and the sensitivity increases as the area ratio of the sensor unit 421 to the guard 422 increases. That is, as the area of the sensor unit 421 increases, the sensitivity linearly increases. Therefore, the guard 422 is designed to be as small as possible to protect the sensor unit 421 to increase the displacement sensitivity by increasing the area of the sensor unit 421.

또한, 본 발명의 변위 센서(420) 제작시, 센서부(421)에 형성된 걸림턱(421a)이 가드(422)에 안치되어 정확한 위치를 잡고, 상기 가드(422)와 소정 거리로 절연되도록 한다. 아울러 가드(422)는 몸체(40a)에 접촉되는 걸림턱(422a)의 복수개의 배출홈(422b)과 그 저면의 배선공(422c) 및 관통공(422d)을 통하여 함침시 진공펌프로 탈포를 하는 과정에서 기포가 잘 빠지게 되어 있다.In addition, when manufacturing the displacement sensor 420 of the present invention, the locking jaw (421a) formed in the sensor unit 421 is placed in the guard 422 to hold the correct position, and to be insulated from the guard 422 by a predetermined distance. . In addition, the guard 422 defoaming with a vacuum pump during impregnation through the plurality of discharge grooves 422b of the locking projection 422a and the wiring holes 422c and the through holes 422d of the bottom surface which are in contact with the body 40a. In the process of bubbles are to fall well.

즉, 도 5a에 도시된 바와 같이 센서부(421)와 가드(422)를 몸체(40a)에 안착시키고 에폭시로 함침한 후, 도 5b에 도시된 바와 같이 그 표면을 소정의 깊이로 가공하면 센서부(421)와 가드(422)가 상호 분리되고 몸체(40a)와 절연되어 본 발명의 자기 베어링 모듈(40)에 내장되는 비접촉 변위 센서(420)가 완성된다.That is, as shown in FIG. 5A, the sensor unit 421 and the guard 422 are seated on the body 40a and impregnated with epoxy, and then the surface is processed to a predetermined depth as shown in FIG. 5B. The part 421 and the guard 422 are separated from each other and insulated from the body 40a to complete the non-contact displacement sensor 420 embedded in the magnetic bearing module 40 of the present invention.

따라서, 도 2에 의하면, 상기 X축 테이블(30)은 상기 Y축 테이블(20) 위의 수직 및 수평 방향의 가이드 플레이트(23) 내측의 라미네이티드 가이드(25)를 안내면으로 하여 이송되는데, 상기 X축 테이블(30)은 그 4방 모서리에 고정된 각각의 자기 베어링 모듈(40)에 의하여 상기 가이드 플레이트(23)의 라미네이티드 가이드(25) 사이에 일정한 거리로 자기 부상한 상태에서 X축 방향으로 이송된다. 즉, 상기 자기 베어링 모듈(40)은 자체에 내장된 전자석(41)의 코일에 흐르는 전류에 의하여 발생하는 자기력을 이용하여 물리적인 접촉 없이 X축 테이블(30)을 지지하게 되고, 상기 전자석(41)과 함께 내장된 변위 센서(42)의 출력 신호를 통하여 그 변위를 측정하여 상기 전자석(41)의 코일에 흐르는 전류를 제어함으로써 항상 일정한 거리를 유지하도록 하는 것이다.Therefore, according to FIG. 2, the X-axis table 30 is transported with the laminated guide 25 inside the guide plate 23 in the vertical and horizontal directions on the Y-axis table 20 as a guide surface. The X-axis table 30 is X in a state of magnetic levitation at a constant distance between the laminated guide 25 of the guide plate 23 by the respective magnetic bearing module 40 fixed to the four corners It is fed in the axial direction. That is, the magnetic bearing module 40 supports the X-axis table 30 without physical contact by using the magnetic force generated by the current flowing through the coil of the electromagnet 41 embedded therein, and the electromagnet 41 By measuring the displacement through the output signal of the built-in displacement sensor 42 to control the current flowing through the coil of the electromagnet 41 to maintain a constant distance at all times.

여기서, 상기 자기 베어링 모듈(40)은 주 제어부(50)의 컴퓨터(미도시)에 의하여 그 전자석(41)의 자기력의 크기가 제어되는데, 특히 상기 자기 베어링 모듈(40)의 변위 센서(420)로부터 출력되는 신호에 따라 제어된다. 따라서, 본 발명의 원형판의 비접촉 정전용량 센서는 변위 측정시 테이블(30)의 각종 교란 요소들이 변위 신호에 혼입되는 것을 방지하며 테이블(30) 기하학적 중심의 위치 변화를 정확히 측정하기 위한 대상물의 평균 변위를 감지할 수 있게 된다.Here, the magnetic bearing module 40 is the magnitude of the magnetic force of the electromagnet 41 is controlled by a computer (not shown) of the main control unit 50, in particular, the displacement sensor 420 of the magnetic bearing module 40 Controlled according to the signal output from the. Therefore, the non-contact capacitive sensor of the circular plate of the present invention prevents the various disturbing elements of the table 30 from being mixed in the displacement signal during the displacement measurement, and the average displacement of the object for accurately measuring the positional change of the geometric center of the table 30. Can be detected.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 자기 베어링 모듈에 내장되는 변위 센서에 의하면, 원형판의 비접촉 정전용량 센서를 통하여 변위 측정시 테이블의 각종 교란 요소들이 변위 신호에 혼입되는 것을 방지하고, 테이블 기하학적 중심의 위치 변화를 정확히 측정하기 위해서 대상물의 평균 변위를 감지할 수 있도록 하는 효과가 있다.As described above, according to the displacement sensor embedded in the magnetic bearing module according to the present invention, the non-contact capacitive sensor of the circular plate prevents various disturbance elements of the table from being mixed in the displacement signal during displacement measurement, and positions the position of the table geometric center. In order to accurately measure the change, it is effective to detect the average displacement of the object.

또한, 변위 센서로서 원형판의 비접촉 정전용량 센서를 적용함으로써 센서판에 뾰족한 첨점이 없어 비선형적인 전자장 분포가 없고, 축대칭 형상으로 인하여 기울어짐의 영향을 배제할 수 있는 다른 효과도 있다.In addition, by applying the non-contact capacitive sensor of the circular plate as the displacement sensor, there is no non-linear electromagnetic field distribution because there is no sharp point on the sensor plate, there is another effect that can exclude the influence of the tilt due to the axisymmetric shape.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by those skilled in the art without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.

Claims (4)

테이블에 고정되는 몸체와, 상기 몸체에 내장되어 가이드와 접촉됨이 없이 상기 테이블을 지지하도록 자기력을 발생하는 전자석으로 구성되는 자기베어링 모듈에 있어서,In the magnetic bearing module consisting of a body fixed to the table, and an electromagnet for generating a magnetic force to support the table without being in contact with the guide embedded in the body, 상기 가이드와의 변위를 측정하도록 원형판으로 형성된 비접촉 정전용량 센서와.A non-contact capacitive sensor formed of a circular plate to measure displacement with the guide. 상기 몸체에 내장되어 상기 원형판 비접촉 정전용량 센서의 상측이 개방되도록 감싸는 가드를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 자기베어링 모듀에 내장되는 변위센서.And a guard that is embedded in the body and surrounds the upper side of the circular plate non-contact capacitive sensor so as to be opened. 제 1항에 있어서, 상기 원형판의 비접촉 정전용량 센서는 가드에 안착되도록 그 상측의 외주면에 걸림턱이 형성되고, 그 저면에 십자홈이 형성시킨 것을 특징으로 하는 자기 베어링 모듈에 내장되는 변위 센서.The displacement sensor of claim 1, wherein the non-contact capacitive sensor of the circular plate has a locking jaw formed on an outer circumferential surface of an upper side thereof so as to be seated on a guard, and a cross groove is formed on a bottom thereof. 제 1항에 있어서, 상기 가드는 상기 몸체에 마련된 함몰부에 안착되도록 그 상측의 외주면에 복수개의 배출홈을 갖는 걸림턱이 형성되고, 그 저면에 배선공 및 복수개의 관통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 모듈에 내장되는 변위 센서.The method of claim 1, wherein the guard is provided with a locking jaw having a plurality of discharge grooves on the outer peripheral surface of the upper side to be seated in the depression provided in the body, the wiring hole and a plurality of through holes are formed on the bottom surface Displacement sensor embedded in the magnetic bearing module. 제 1항에 있어서, 상기 몸체의 함몰부에 가드 및 원형판의 비접촉 정전용량 센서를 내장하고 에폭시로 진공 함침한 후 그 표면을 소정깊이로 가공하여 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 모듈에 내장되는 변위 센서.The displacement embedded in the magnetic bearing module according to claim 1, wherein a non-contact capacitive sensor of a guard and a circular plate is embedded in the depression of the body, vacuum-impregnated with epoxy, and the surface is processed to a predetermined depth. sensor.
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