KR100280754B1 - 예비 베어링을 갖는 자기 베어링 모듈 - Google Patents

Abstract

개시된 초정밀 장비는 예비 베어링을 갖는 자기 베어링 모듈에 관한 것이다. 본 발명은 가이드를 따라 이송되는 직선운동 테이블용 자기 베어링 모듈에 있어서, 상기 테이블에 고정되는 몸체와, 상기 몸체에 내장되어 상기 가이드와 접촉됨이 없이 상기 테이블을 지지하도록 자기력을 발생하는 전자석과, 상기 몸체의 상기 전자석 근방에 내장되어 상기 가이드와의 변위를 측정하는 센서 및 상기 몸체로부터 소정 높이로 돌출되어 상기 전자석 및 센서를 보호하는 예비 베어링으로 구성된다. 상기 몸체는 상기 예비 베어링이 고정되도록 그 일측에 예비 베어링 지지부가 마련되고, 상기 예비 베어링 지지부에 체결되어 상기 예비 베어링을 고정시키는 보조 지지부가 구비되며, 상기 예비 베어링은 상기 몸체의 3면에 형성된 상기 전자석과 센서를 보호하도록 각각의 면에 대응하여 형성된다. 따라서, 상기 예비 베어링에 의하여 상기 자기 베어링 모듈에 마련된 전자석 및 센서를 가이드면의 마찰로부터 보호하게 된다.

Description

예비 베어링을 갖는 자기 베어링 모듈

본 발명은 초정밀 장비에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 예비 베어링을 갖는 자기 베어링 모듈에 관한 것이다.

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.

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.

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.

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 요구된다.

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 곤란하고, 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 곤란하게 되는 다양한 문제점들이 있었다.

따라서, 최근에는 상기와 같은 제반 결점을 해결하기 위하여 전자석 및 센서가 내장된 자기 베어링 모듈을 장착한 직선운동 테이블이 널리 사용되고 있는 실정이다. 이러한 자기 베어링 모듈이 장착된 테이블은 자기력에 의하여 부상된 상태에서 가이드 면을 따라 이송됨으로써 완전한 무마찰로 인해 적은 구동력으로도 정밀한 직선 운동을 얻을 수 있다.

그러나, 이와 같은 종래의 자기 베어링 모듈은 테이블이 자기 부상된 상태에서는 마찰이 발생되지 않으나 자기 부상되지 않은 초기 상태나 또는 외부의 진동에 의하여 상기 자기 베어링 모듈이 가이드면에 마찰될 경우에 상기 자기 베어링 모듈에 마련된 전자석 및 센서가 파손될 우려가 있는 문제점이 있었다.

따라서, 상술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 테이블이 자기 부상된 상태에서 완전한 무마찰로 인해 적은 구동력으로도 정밀한 직선 운동을 얻을 수 있는 직선운동 테이블용 자기 베어링 모듈을 적용함에 있어서, 상기 자기 베어링 모듈에 마련된 전자석 및 센서를 가이드면의 마찰로부터 보호하도록 한 예비 베어링을 갖는 자기 베어링 모듈을 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 따른 예비 베어링을 갖는 자기 베어링 모듈의 바람직한 실시예를 나타낸 분해 사시도,

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 예비 베어링을 갖는 자기 베어링 모듈의 요부 상세도,

도 3은 본 발명에 따른 예비 베어링을 갖는 자기 베어링 모듈이 장착된 직선 운동 테이블의 사용 상태를 나타낸 전체 사시도,

도 4는 본 발명에 따른 직선 운동 테이블의 요부 절결 사시도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

25 : 가이드 30 : 테이블

40 : 자기 베어링 모듈 40a : 몸체

40b : 예비 베어링 지지부 41 : 전자석

42 : 변위 센서 43 : 예비 베어링

44 : 보조 지지부

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 직선운동하는 테이블에 설치되어, 이 테이블의 운동방향과 동일한 방향으로 설치된 가이드를 따라 직선운동하는 자기 베어링 모듈에 있어서, 상기 가이드에 대해 부상되도록 자기력을 발생시키는 전자석과, 상기 가이드에 대한 변위를 감지하는 변위센서를 내장한 몸체와; 상기 몸체로부터 소정 높이로 돌출되어 상기 전자석 및 센서를 보호하는 예비 베어링;을 구비하는 것을 특징으로 하는 예비 베어링을 갖는 자기 베어링 모듈을 제공한다.

상기 예비 베어링은 상기 가이드에 대해 자기력을 발생시키지 않는 상기 몸체의 일측면에 고정된다. 상기 몸체의 일측면에는 상기 예비 베어링을 고정하기 위한 예비 베어링 지지부가 결합된다.

따라서, 상기 예비 베어링에 의해 상기 자기 베어링 모듈에 마련된 전자석 및 센서를 가이드와의 마찰에 의한 손상으로보터 보호하게 된다.

이하, 본 발명에 따른 예비 베어링을 갖는 자기 베어링 모듈의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 예비 베어링을 갖는 자기 베어링 모듈의 바람직한 실이예를 나타낸 분해 사시도이고, 도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 예비 베어링을 갖는 자기 베어링 모듈의 요부 상세도이다.

도 1에 의하면, 본 발명에 의한 자기 베어링 모듈(40)은 몸체(40a)와, 상기 몸체(40a)에 내장되어 자기력을 발생하는 전자석(41)과, 그 변위를 측정하는 변위센서(42)로 구성된다. 또한, 상기 전자석(41)과 변위 센서(42)는 상기 몸체(40a)의 3면 즉, 상면와 하면 및 측면에 한 쌍씩 장착된다. 이와 대응하는 각각의 예비 베어링(43)이 상기 몸체(40a) 일측에 마련된 예비 베어링 지지부(40b)를 개재하여 그 3면인 상면, 하면, 및 측면에 각각 고정된다. 여기서, 상기 예비 베어링 지지부(40b)의 측면에는 보조 지지부(44)가 볼트로 체결되고, 여기에 예비 베어링(43)이 고정된다. 이때, 보조 지지부에 고정되는 예비 베어링은 상면 및 하면에 고정되는 예비 베어링보다 더 작다.

상기한 각각의 예비 베어링(43)은 평면 베어링의 일종으로서 불소 성분이 함유된 재질로 형성되어 윤활성질이 좋고, 하중에 견디는 능력이 우수하다. 아울러 이 예비 베어링(43)을 상기 예비 베어링 지지부(40b) 및 보조 지지부(44)에 고정시킬 때에는 전용의 에폭시를 사용하여 접착/고정시킴이 바람직하다.

도 2a 및 도 2b에 의하면, 상기한 예비 베어링 지지부(40b)에 고정된 예비 베어링(43)은 몸체(40a)로부터 소정 높이(t)로 돌출되어 상기 전자석(41) 및 센서(42)를 보호하도록 형성된다. 통상 상기 자기 베어링 모듈(40)은 후술할 가이드로부터 0.3mm 내지 1mm의 간격을 유지하여 자기 부상되는데, 이때 상기 예비 베어링(43)의 몸체(40a)로부터의 돌출 높이는 상기한 간격(0.3mm 내지 1mm)의 1/5 내지 1/10 로 설정됨이 바람직하다.

도 3은 본 발명에 따른 예비 베어링을 갖는 자기 베어링 모듈이 장착된 직선 운동 테이블의 사용 상태를 나타낸 전체 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 직선 운동 테이블의 요부 절결 사시도이다.

도 3에 의하면, 베드(10)는 그 상단의 양측으로 리니어 가이드(11)가 설치된다. Y축 테이블(20)은 상기 리니어 가이드(11)의 상면에 지지되고, 그 하측에 마련된 리니어 모터(12)와 리니어 스케일(13)에 의해 구동되며, 그에 따라 Y축 방향으로 이송된다. X축 테이블(30)은 상기 Y축 테이블(20) 상에 지지되고, 그 양측에 복수개의 자기 베어링 모듈(40)에 의해 지지되며, 리니어 모터(21)와 리니어 스케일(22)에 의해 구동되며, 그에 따라 X축 방향으로 이송된다. 상기 리니어모터(12)(21)는 BLDC 모터(Brushless DC motor)를 적용함이 바람직하다.

주 제어부(50)는 상기 리니어 모터(12)(21)의 구동 및 상기 자기 베어링 모듈(40)의 구동을 제어하되, 리니어 모터 구동용 서보 앨프(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.

도 4에 의하면, 상기 Y축 테이블(20)의 양측에는 각각 상향으로 소정높이로 연장해서 마주보는 방향으로 조성폭으로 연장하는("ㄱ"자 형상), 즉 상부와 측부를 가진 가이드 플레이트(23)가 볼트(24)로 고정된다. 상기 가이드 플레이트(23)의 상부 및 측부의 내면에는 각각 라미네이티드 가이드(25)가 마련된다. 또한, 사각형 형태의 X축 테이블(30)의 아래에는 도시되지 않은 리니어 스케일 헤드와 리니어 모터 헤드가 마련된다. 상기 X축 테이블(30)은 그 모서리 각각에 도 1에 도시된 자기 베어링 모듈(40)이 고정되고, 상기 각각의 자기 베어링 모듈(40)에는 각각의 예비 베어링(43)이 마련된다. 따라서, 상기 X축 테이블(30)은 상기 자기 베어링 모듈(40)에 의하여 Y축 테이블(20) 위의 수직 및 수평 방향 가이드 플레이트(23) 내면의 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.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1에 의하면, 본 발명의 자기 베어링 모듈(40)은 상면와 하면 및 측면으로 각각 1개씩의 전자석(41) 및 변위 센서(42)가 장착되어 하나의 자기 베어링 모듈(40)을 이루며, 이들이 상하좌우로 테이블(30)을 지지하는 시스템으로써 총 12개의 전자석(41) 및 변위 센서(42)가 사용된다. 또한, 자기 베어링 모듈(40)의 전자석(41) 자극과 가이드(25) 사이의 간극은 자기력의 변위 민감도를 고려하여 0.3mm 내지 1mm로 설정하였다. 아울러 상기 전자석(41) 및 변위 센서(42)를 보호하는 예비 베어링(43)도 각각의 면에 대응되도록 3개가 사용된다.

따라서, 본 발명에 따른 직선 운동 테이블은 리니어 가이드(11)로 지지되는 Y축과 자기 베어링 모듈(40)로 지지되는 X축으로 구성되며, 2축 모두 리니어 모터(12)(21)로 구분된다. 상기 리니어 모터(12)(21)는 리니어 스케일(13)(22)에 의해서 위치신호를 궤환받고 이를 컴퓨터(미도시)의 DSP보드(Digital Signal Process Board)를 이용하여 제어하게 된다. 도 3에 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, BLDC서보 앰프(51)는 상기 리니어 모터(12)를 구동하기 위하여 검퓨터(미도시)의 제어에 따라 상기 리니어 모터(12)를 제어하되, 상기 리니어 모터(12)의 홀 센서에서 나오는 신호를 받아 영구자석의 위치를 알아내고 리니어 모터 헤드(미도시)에 삼상의 전류를 흘려줌으로써 상기 Y축 테이블(20)을 이송시킨다.

도 4에 의하면, 상기 X축 테이블(30)은 그 모서리 각각에 고정된 자기 베어링 모듈(40)에 의하여 상기 Y축 테이블(20) 위의 수직 및 수평 방향의 가이드 플레이트(23) 내면에 형성된 라미네이티드 가이드(25)에 대해 일정한 공극을 두고 자기 부상한 상태에서 이를 안내면으로 하여 이송되는데, 그 구동은 중앙에 위치하는 리니어 모터(21)에 의해 이루어지며 이송 위치는 리니어 스케일(22)에 의해 측정된다.

즉, 상기 자기 베어링 모듈(40)은 자체에 내장된 전자석(41)의 코일에 흐르는 전류에 의하여 발생하는 자기력을 이용하여 물리적인 접촉없이 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 전류랑을 제어함으로써 항상 일정한 거리를 유지하도록 하는 것이다. 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(42)로부터 출력되는 신호에 따라 제어된다.

한편, 상기 테이블(30)이 자기 부상되지 않는 초기 상태, 즉 가이드(25) 면에 안착된 상태나 또는 외부의 진동에 의하여 상기 자기 베어링 모듈(40)이 상기 가이드(25) 면에 마찰될 경우에 몸체(40a)로부터 소정 높이 (t) 만큼 노출된 본 발명의 예비 베어링(43)이 상기 가이드(25)의 표면과 접촉된다. 따라서, 상기 자기 베어링 모듈(40)에 마련된 전자석(41) 및 센서(42)가 파손되는 것을 방지하게 되는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 예비 베어링을 갖는 자기 베어링 모듈에 의하면, 테이블이 자기 부상된 상태에서 완전한 무마찰로 인해 적은 구동력으로도 정밀한 직선 운동을 얻을 수 있는 직선운동 테이블용 자기 베어링 모듈을 적용함에 있어서, 상기 자기 베어링 모듈에 마련된 예비 베어링에 의하여 전자석 및 센서를 가이드면의 마찰로부터 보호하게 되는 효과가 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 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.

Claims (3)

1. 직선운동하는 테이블에 설치되어, 이 테이블의 운동방향과 동일한 방향으로 설치된 가이드를 따라 직선운동하는 자기 베어링 모듈에 있어서, 상기 가이드에 대해 부상되도록 자기력을 발생시키는 전자석과, 상기 가이드에 대한 변위를 감지하는 변위센서를 내장한 몸체와; 상기 몸체로부터 소정 높이로 돌출되어 상기 전자석 및 센서를 보호하는 예비 베어링; 을 구비하는 것을 특징으로 하는 예비 베어링을 갖는 자기 베어링 모듈.
2. 제1항 있어서, 상기 예비 베어링은 상기 가이드에 대해 자기력을 발생시키지 않는 상기 몸체의 일측면에 고정되는 것을 특징으로 하는 예비 베어링을 갖는 자기 베어링 모듈.
3. 제2항 있어서, 상기 몸체의 일측면에는 상기 예비 베어링을 고정하기 위한 예비 베어링 지지부가 결합되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 예비 베어링을 갖는 자기 베어링 모듈.

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