KR100761690B1

KR100761690B1 - The stage apparatus which uses the permanent magnet movement linear motor and air bearing

Info

Publication number: KR100761690B1
Application number: KR1020050110241A
Authority: KR
Inventors: 노승국; 박종권
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2005-11-17
Filing date: 2005-11-17
Publication date: 2007-09-28
Also published as: KR20070052524A

Abstract

본 발명은 이동자와 고정자 사이의 자기력을 이용하여 공기베어링의 예압을 발생시키면서 한편 공극에서의 자기력을 형성하여, 코일의 전류에 따라 이송력을 발생시키고, 장치의 소형화를 이룰 수 있는 스테이지 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a stage apparatus capable of generating a preload of an air bearing by using a magnetic force between the mover and the stator while forming a magnetic force in the air gap, generating a feed force according to the current of the coil, and miniaturizing the apparatus. will be.

본 발명은 하방으로 대향되게 돌출되어 구비된 가이드면과 내측 중앙에 장홈이 구비된 스테이지와, 상기 스테이지 하부에 설치되고 상방으로 대향되게 돌출되어 구비된 가이드면과 내측 중앙에 장홈이 형성된 베이스와, 상기 스테이지의 장홈에 고정되는 이동자철심과, 상기 베이스의 장홈에 구비되는 고정자철심과, 상기 고정자철심의 상면에 고정되는 코일과, 상기 이동자철심 하면에 고정되는 영구자석로 구성되는 선형모터와, 상기 스테이지의 외측면 일정거리에 고정되는 위치센서와, 서로 양측으로 대향되게 설치되고 상기 스테이지 내측 하면에서 고정되는 수직방향공기베어링와, 상기 스테이지 가이드면 내측면에 대향되게 설치되는 수평방향공기베이링로 구성되는 공기베어링를 포함하여 구성한다.The present invention is a guide surface provided to protrude downwardly and the stage provided with a long groove in the inner center, and a guide surface and protruding upwardly provided in the lower stage and the base provided with a long groove in the inner center; A linear motor composed of a moving magnet core fixed to the long groove of the stage, a stator core provided in the long groove of the base, a coil fixed to an upper surface of the stator core, and a permanent magnet fixed to the bottom of the moving magnetic core; It consists of a position sensor fixed to a certain distance on the outer side of the stage, a vertical air bearing installed opposite to each other and fixed on the inner bottom surface of the stage, and a horizontal air bearing installed opposite to the inner surface of the stage guide surface It is configured to include an air bearing.

본 발명은 높은 정밀도와 이송속도를 얻고, 작은 크기에 구동장치가 일체화되며, 이송중의 코깅이 없어 운동 오차가 발생하지 않는 효과가 있다.The present invention has the effect of obtaining high precision and a feeding speed, integrating a driving device in a small size, and having no cogging during transportation, so that a movement error does not occur.

이송장치, 공기베어링, 자기예압, 리니어모터 Conveyor, Air Bearing, Self Preload, Linear Motor

Description

The stage apparatus which uses the permanent magnet movement linear motor and air bearing}

도 1은 종래의 공기베어링을 이용한 선형 모터 스테이지 장치의 단면도1 is a cross-sectional view of a linear motor stage device using a conventional air bearing

도 2는 본 고안에 의한 영구자석 이동형 선형모터 공기베어링 스테이지 장치의 사시도이고,Figure 2 is a perspective view of a permanent magnet movable linear motor air bearing stage device according to the present invention,

도 3은 본 발명에 따른 영구자석 이동형 선형모터 공기베어링 스테이지 장치의 단면도이고,3 is a cross-sectional view of a permanent magnet movable linear motor air bearing stage device according to the present invention,

도 4는 본 발명에 따른 영구자석 이동형 선형모터 공기베어링 스테이지 장치의 측단면도이고,Figure 4 is a side cross-sectional view of a permanent magnet movable linear motor air bearing stage device according to the present invention,

도 5는 본 발명에 따른 영구자석 이동형 선형모터의 3상 구성을 통한 이동거리 증가시 측단면도이다.Figure 5 is a side cross-sectional view when increasing the moving distance through the three-phase configuration of the permanent magnet movable linear motor according to the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10 : 스테이지 20 : 베이스 10: stage 20: base

30 : 선형모터 31 : 이동자철심30: linear motor 31: moving magnet core

32 : 고정자철심 33 : 영구자석32: stator core 33: permanent magnet

34 : 코일 40 : 위치센서 34: coil 40: position sensor

50 : 공기베어링 51 : 수평방향공기베어링50: air bearing 51: horizontal air bearing

52 : 수직방향 공기베어링 210 : 공기베어링 가이드 52: vertical air bearing 210: air bearing guide

230 : 무철심형 선형 모터230: ironless linear motor

241, 242, 243 : 수평 및 수직방향 공기베어링 패드241, 242, 243: horizontal and vertical air bearing pads

본 발명은 초정밀 이송정밀도를 얻기 위하여 공기베어링을 이용한 스테이지에 철심을 사용하면서 슬롯이 없고 이동자에 고정되어 있는 선형모터를 장착하여, 이동자와 고정자 사이의 자기력을 이용하여 공기베어링의 예압을 발생시키면서 한편 공극에서의 자기력을 형성하여, 고정자에 고정된 코일의 전류에 따라 이송력을 발생시키는 구조를 갖도록 하여, 공기베어링을 사용하면서도 장치의 소형화를 이룰 수 있는 스테이지 장치에 관한 것이다.The present invention is equipped with a linear motor fixed to the mover without a slot while using an iron core in the stage using the air bearing to obtain ultra-precise feed accuracy, while generating a preload of the air bearing by using a magnetic force between the mover and the stator The present invention relates to a stage apparatus that can form a magnetic force in the void and have a structure that generates a conveying force in accordance with the current of the coil fixed to the stator, thereby achieving miniaturization of the apparatus while using an air bearing.

종래의 공기베어링을 이용한 스테이지 장치의 경우 도1에 나타낸 바와 같이 상시 스테이지 장치의 하부에 구비되는 베이스(20)와 상기 베이스(20) 상부면에 양측면이 대향되게 설치되고 내측에 가이드홈이 구비된 테이블(10)과, 상기 테이블(200) 내측면에 구비된 가이드홈에 설치되는 가이드(210)와, 상기 가이드(210)와 테이블(10) 사이에 착설되어 수직방향으로 상하로 구비되는 수직방향공기베어링(243,242)와 상기 가이드(210)와 테이블(10)사이에 양측면에 고정 설치되는 수평방향공기베어링(241)으로 구성된다. In the case of a stage device using a conventional air bearing, as shown in FIG. 1, both sides of the base 20 and the upper surface of the base 20 which are provided at the bottom of the stage device are always provided oppositely, and guide grooves are provided on the inside thereof. Table 10, the guide 210 is installed in the guide groove provided on the inner surface of the table 200, the vertical direction is installed between the guide 210 and the table 10 provided in the vertical direction up and down The air bearings 243 and 242 and the horizontal air bearings 241 are fixedly installed at both sides between the guide 210 and the table 10.

상기의 구성과 같이 공기베어링을 사용하되 양쪽에 공기베어링 패드를 적용하는 복열패드 방식을 사용한 공기베어링과 무철심형 리니어모터를 사용하여야 하기 때문에 전체적인 스테이지의 크기를 작게 하는데 한계가 있었다. As described above, air bearings were used, but air bearings using a double-row pad method using air bearing pads and ironless linear motors had limitations in reducing the overall stage size.

이에 본 발명은 상술한 바와 같이 종래의 스테이지 장치의 제반 문제점을 해소하고자 발명된 것으로, 한쪽 방향에만 공기베어링 패드를 사용하여 이동자의 구성을 단순화하면서 선형 모터의 이동자와 고정자 사이의 인력을 공기베어링의 예압으로 사용하고, 코일의 전류로 이송력을 발생시킴으로써 구성을 단순화하고 소형화가 가능한 초소형 스테이지 장치를 제공하는데 목적이 있다.Therefore, the present invention was invented to solve all the problems of the conventional stage apparatus as described above, while simplifying the configuration of the mover by using the air bearing pad only in one direction, the attraction force between the mover and the stator of the linear motor is reduced. It is an object of the present invention to provide an ultra-stage stage device that can be used as a preload and generate a transfer force by the current of a coil, thereby simplifying the configuration and miniaturizing it.

목적을 달성하기 위한 본 발명에서는, 하방으로 대향되게 돌출되어 구비된 가이드면과 내측 중앙에 장홈이 구비된 스테이지와, 상기 스테이지 하부에 설치되고 상방으로 대향되게 돌출되어 구비된 가이드면과 내측 중앙에 장홈이 형성된 베이스와, 상기 스테이지의 장홈에 고정되는 이동자철심과, 상기 베이스의 장홈에 구비되는 고정자철심과, 상기 고정자철심의 상면에 고정되는 코일과, 상기 이동자철심 하면에 고정되는 영구자석로 구성되는 선형모터와, 상기 스테이지의 외측면 일정거리에 고정되는 위치센서와, 서로 양측으로 대향되게 설치되고 상기 스테이지 내측 하면에서 고정되는 수직방향공기베어링와, 상기 스테이지 가이드면 내측면에 대향되게 설치되는 수평방향공기베이링로 구성되는 공기베어링를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.In the present invention for achieving the object, the guide surface provided to face downward and the stage provided with a long groove in the inner center, and the guide surface and the inner center provided in the lower portion of the stage protruded upward A base having a long groove, a moving magnetic core fixed to the long groove of the stage, a stator core provided in the long groove of the base, a coil fixed to an upper surface of the stator magnetic core, and a permanent magnet fixed to a lower surface of the moving magnetic core A linear motor, a position sensor fixed to a certain distance on an outer surface of the stage, vertical air bearings installed opposite to each other and fixed at an inner bottom surface of the stage, and horizontally installed to face an inner surface of the stage guide surface. Characterized in that it comprises an air bearing consisting of a direction air bearing do.

목적을 달성하기 위한 다른 특징은, 상기 스테이지는 상기 공기베어링으로 지지되는 것을 특징으로 한다.Another feature for achieving the object is characterized in that the stage is supported by the air bearing.

목적을 달성하기 위한 또 다른 특징은, 상기 이동자철심과 영구자석은 상기 고정자철심과 상기 코일의 상방에 설치되고 서로 마주보는 구성인 것을 특징으로 한다.Another feature for achieving the object is characterized in that the movable magnetic core and the permanent magnet is installed above the stator core and the coil and facing each other.

목적을 달성하기 위한 또 다른 특징은, 상기 영구자석은 상기 이동자철심에 길이방향으로 양측에 구비되고 극성은 서로 반대 극성을 이루는 것을 특징으로 한다.Still another feature for achieving the object is characterized in that the permanent magnet is provided on both sides in the longitudinal direction to the moving magnet core and the polarity is the opposite polarity.

목적을 달성하기 위한 또 다른 특징은, 상기 위치센서는 상기 스테이지의 위치제어를 이루기 위하여 스테이지의 위치를 감지하므로 스테이지의 정밀제어가 이루어지는 것을 특징으로 한다.Still another feature for achieving the object is that the position sensor detects the position of the stage to achieve the position control of the stage, characterized in that the precise control of the stage is made.

이하, 첨부된 도면 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 고안에 의한 영구자석 이동형 선형모터 공기베어링 스테이지 장치의 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 영구자석 이동형 선형모터 공기베어링 스테이지 장치의 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 영구자석 이동형 선형모터 공기베어링 스테이지 장치의 측단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 영구자석 이동형 선형모터의 3상 구성을 통한 이동거리 증가시 측단면도이다. Figure 2 is a perspective view of a permanent magnet movable linear motor air bearing stage device according to the present invention, Figure 3 is a cross-sectional view of a permanent magnet movable linear motor air bearing stage device according to the present invention, Figure 4 is a permanent magnet movable type according to the present invention Side cross-sectional view of a linear motor air bearing stage device, Figure 5 is a side cross-sectional view when increasing the moving distance through the three-phase configuration of the permanent magnet movable linear motor according to the present invention.

도 2와 3을 참조하여 구성을 설명하면, 스테이지(10)(알루미늄 합금 혹은 스테인레스강)에 철심코어와 영구자석(33)을 가진 이동자철심(31)가 장홈(12)에 삽입고정되어 위치되며, 베이스(20)에는 상방으로 대향되게 돌출되게 구비된 가이드면(21) 내측 중앙에 형성된 장홈(22)에 고정자철심(32)과 상기 영구자석(33)의 자속방향에 수직으로 전류가 흐르도록 되어있는 코일(34)이 삽입고정되어 위치한다. 이때, 스테이지(10)의 지지는 공기베어링(50)에 의하여 이루어지며, 상기 공기베어링(50)은 상하방향에 한면, 수평방향에 양면으로 위치된다. 상하방향의 경우 선형모터(30)의 이동자철심(31)에 구비된 영구자석(33)에 의해 발생된 수직방향 자기장에 의하여 자기력이 발생되며, 이 자기력이 공기베어링(50)의 예압력으로 작동하게 되고, 위치센서(40)을 구비하여 상기 스테이지(10)의 위치를 감지하여 스테이지(10)의 위치제어를 이루는 것이다.2 and 3, the moving magnet core 31 having the iron core and the permanent magnet 33 on the stage 10 (aluminum alloy or stainless steel) is inserted into and fixed to the long groove 12. , So that the current flows perpendicularly to the magnetic flux direction of the stator core 32 and the permanent magnet 33 in the long groove 22 formed in the inner center of the guide surface 21 provided to protrude upwardly in the base 20. The coil 34 is inserted and fixed. At this time, the support of the stage 10 is made by the air bearing 50, the air bearing 50 is located on one side in the vertical direction, both sides in the horizontal direction. In the vertical direction, the magnetic force is generated by the vertical magnetic field generated by the permanent magnet 33 provided in the moving magnet core 31 of the linear motor 30, and the magnetic force is operated by the preload force of the air bearing 50. The position sensor 40 is provided to sense the position of the stage 10 to achieve position control of the stage 10.

또한, 영구자석(33)을 이용하여 공기베어링(50)의 예압력을 작용시키고, 동시에 고정자철심(32)에 위치한 코일(34)에 전기를 가하여 이송력을 발생시키는 스테이지를 이송시키는 구조로 되어 있다.In addition, the permanent magnet 33 is applied to the pre-pressure of the air bearing 50, and at the same time by applying electricity to the coil 34 located on the stator core 32 to transfer the stage to generate a transfer force have.

특히, 이동자 철심 및 고정자 철심에는 종래의 일반적인 모터의 구조에서와는 달리 코일이 감기기 위한 슬롯이 형성되지 않게 됨으로서, 이동 중 자력변화에 따른 코깅힘(cogging force)이 발생되지 않게 된다.In particular, the mover iron core and the stator iron core do not form a slot for winding the coil, unlike the conventional structure of a motor, so that no cogging force due to a change in magnetic force during movement is generated.

정밀도를 위하여 사용하는 공기 정압베어링 시스템에 복열패드 공기베어링을 적용함에 있어서 발생하는 구조의 복잡성을 단열 공기베어링(50)을 적용함으로써 단순화하고, 단열 공기베어링(50) 적용시 필수적인 예압을 영구자석(33)을 이용하여 발생된 자기력을 사용하면서 한편으로 이러한 영구자석(33)의 자기장에 수직한 방향의 전류를 고정자에 고정된 코일(34)에 흘려줌으로써 이송력을 발생시킬 수 있도록 하여, 상용의 무철심형 선형모터(30)를 사용함에 있어서 구조의 복잡성도 해결하기 위함이며, 특히 선형모터(30)의 철심에 슬롯이 존재하지 않음으로 이송시의 자기력의 변화가 없어 운동정밀도도 높게 유지할 수 있도록 하였다. 이렇게 구조를 단순화 함으로써 공기베어링(50)을 이용하면서 소형화가 가능하도록 구성된 것이 다.Simplify the complexity of the structure generated by applying double row pad air bearing to the air static pressure bearing system used for precision by applying the adiabatic air bearing 50, and the preload necessary for the adiabatic air bearing 50 is permanent magnet ( 33) by using a magnetic force generated by using the current in the direction perpendicular to the magnetic field of the permanent magnet 33 to the coil 34 fixed to the stator to generate a transfer force, In order to solve the complexity of the structure in the use of the ironless linear motor 30, in particular, since there is no slot in the iron core of the linear motor 30, there is no change in the magnetic force during transport so that the movement precision can be maintained high. It was. By simplifying the structure, it is configured to be miniaturized while using the air bearing 50.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.Referring to the effects of the present invention configured as described above are as follows.

비자성체로 이루어진 가이드면(11)에 대응되는 역시 비자성체인 스테이지(10)에는 수평 및 수직공기베어링 패드(51, 52)들이 위치하고 있으며, 특히 수평방향으로는 대응되는 공기베어링(51)으로 지지되고, 수직방향으로는 한쪽에만 공기베어링 패드(52)가 있는 단열패드 방식을 적용한다. 이때, 자성체 이동자철심(31)은 스테이지(10)의 장홈(12)에 부착되어 있으며, 상기 이동자철심(31) 아랫면에는 영구자석(33)이 부착되어 있다. 또한 가이드면 내측의 장홈(22)에 고정자철심(32)이 부착되어 있고, 여기에 이송력 발생을 위한 코일(34)이 고정자철심(32)에 고정되어 있다. 이때, 영구자석(33)에서 발생된 자기장이 이동자철심(31)와 고정자철심(32)으로 흐르게 되는데 이때 발생된 자기력은 고정자철심(32)과 이동자철심(31) 사이에 인력을 발생시켜 결국 수직방향 공기베어링(82)에 예압력으로 작용하게 된다. 또한 이때 발생되는 자기장(A)은 도 4에 나타난 바와 같은 방향으로 흐르게 되며, 이때에 코일(34)에 전류를 흐르게 되면 이송방향의 이송력이 발생하게 된다. 이때의 이송력은 코일(34)에 흐르는 전류의 밀도와 자기장의 자속밀도에 비례하며, 기존의 철심형 선형 모터에서 볼 수 있는 슬롯이 존재하지 않음으로 인하여 이동함에 따라 자기장의 변화가 없어 수직방향의 운동정밀도도 높게 유지할 수 있게 된다. 또한, 상기 스테이지(10)의 정밀한 위치제어를 위한 위치센서(40)는 스테이지(10)의 위치를 감지하고 이를 미도시된 제어부에 전송하여 코일(34)에 인가되는 전류의 흐름이 조정되도록 함으로서 위치제어가 이루어지도록 하는 방식의 선형 엔코더가 사용될 수 있는 것으로, 스테이지(10)가 정밀하게 위치되므로 높은 이송정밀도의 공기베어링(50)을 이용한 스테이지 장치(100)의 구현이 가능하다.Horizontal and vertical air bearing pads 51 and 52 are located on the stage 10, which is also nonmagnetic, corresponding to the guide surface 11 made of a nonmagnetic material, and in particular, is supported by a corresponding air bearing 51 in the horizontal direction. In the vertical direction, an insulating pad method having an air bearing pad 52 on only one side is applied. At this time, the magnetic moving magnetic core 31 is attached to the long groove 12 of the stage 10, the permanent magnet 33 is attached to the lower surface of the moving magnetic core 31. In addition, a stator core 32 is attached to the long groove 22 inside the guide surface, and a coil 34 for generating a feed force is fixed to the stator core 32. At this time, the magnetic field generated in the permanent magnet 33 flows to the moving magnetic core 31 and the stator magnetic core 32. The magnetic force generated at this time generates an attraction force between the stator magnetic core 32 and the moving magnetic core 31 and eventually becomes vertical. The directional air bearing 82 acts as a preload. In addition, the magnetic field A generated at this time flows in the direction as shown in FIG. 4, and when a current flows in the coil 34, a transfer force in the feeding direction is generated. At this time, the transfer force is proportional to the density of the current flowing in the coil 34 and the magnetic flux density of the magnetic field, and there is no change in the magnetic field due to the absence of a slot that can be seen in the conventional iron core linear motor. It is possible to maintain the high precision of movement. In addition, the position sensor 40 for precise position control of the stage 10 senses the position of the stage 10 and transmits it to a controller (not shown) to adjust the flow of current applied to the coil 34. A linear encoder in a manner that allows position control may be used, and since the stage 10 is precisely positioned, it is possible to implement the stage apparatus 100 using the air bearing 50 having a high feed accuracy.

도 4의 단면도에 나타난 것과 같이 한 개의 연결된 코일(34)을 사용하는 단상 방식을 사용하는 경우 크지 않은 이동범위를 갖는 소형 스테이지에 적용이 가능하며, 이동거리가 크게 요구되는 경우에는 도 5와 같이 3상 코일(341, 342, 343)을 사용하면 된다.As shown in the cross-sectional view of FIG. 4, when the single-phase method using one connected coil 34 is used, the present invention can be applied to a small stage having a small moving range, and when a large moving distance is required, as shown in FIG. 5. Three-phase coils 341, 342, and 343 may be used.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 스테이지 장치는 공기베어링을 사용하여 적은 마찰력으로 인하여 높은 정밀도와 이송속도를 얻을 수 있으며, 영구자석의 예압을 이용한 공기베어링 구조로 인하여, 전체 스테이지의 크기를 작게하면서, 또한 영구자석의 자기력을 이용한 리니어모터를 포함하여 구동장치가 일체화된 시스템을 갖게 된다. 특히, 철심에 슬롯이 없음으로 기존의 철심형 리니어모터 등에서 나타나는 코깅 현상이 나타나지 않아 이송중의 코깅이 없어 운동 오차가 발생하지 않으며, 코일이 고정되어 있어 발열과 연결에 유리한 효과가 있다.As described in detail above, the stage device of the present invention can obtain a high precision and a feeding speed due to the low friction force using the air bearing, and due to the air bearing structure using the preload of the permanent magnet, the size of the entire stage is reduced At the same time, it also has a system in which the drive unit is integrated, including a linear motor using the magnetic force of the permanent magnet. In particular, there is no slot in the iron core, so there is no cogging phenomenon appearing in the existing iron core linear motor, etc., there is no cogging during transfer, and there is no movement error, and the coil is fixed, which is advantageous for heat generation and connection.

Claims

In the stage apparatus 100;

A stage 10 composed of a guide face 11 protruding downwardly and a long groove 12 provided at an inner center thereof, and a guide face 21 installed below the stage 10 and protruding upwardly. And a base 20 composed of a long groove 22 provided in the inner center, a moving magnetic core 31 fixed to the long groove 12 of the stage 10, and a long groove 22 of the base 20. The linear motor 30 includes a stator core 32 provided, a coil 34 fixed to the upper surface of the stator core 32, and a permanent magnet 33 fixed to the lower surface of the moving magnet core 31. And a position sensor 40 fixed at a predetermined distance from the outer surface of the stage 10, vertical air bearings 51 installed opposite to each other and fixed at the inner bottom surface of the stage 10, and the stage ( 10) the air consisting of a horizontal air bearing 52 is installed opposite the inner surface of the guide surface (11) Miniature stage device using a permanent magnet movable linear motor and air bearing, characterized in that comprising a bearing (50).

The method of claim 1,

The stage (10) is a micro stage device using a permanent magnet movable linear motor and air bearing, characterized in that supported by the air bearing (50).

The method of claim 1,

The movable magnet core 31 and the permanent magnet 33 are installed above the stator core 32 and the coil 34 and face each other, and a permanent magnet movable linear motor and an ultra-small type using air bearings. Stage device.

The method of claim 1

The permanent magnet 33 is provided on both sides in the longitudinal direction of the moving magnetic core 31, the polarity is a miniature stage device using a permanent magnet movable linear motor and an air bearing, characterized in that the polarity is opposite to each other.

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