KR100785424B1 - 에어베어링을 이용한 가이드장치 - Google Patents

에어베어링을 이용한 가이드장치 Download PDF

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박헌국
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Abstract

본 발명은 하중체를 플레이트 상에 올려놓고 일정 구간 이송시키기 위한 가이드장치에 관한 것이다. 본 발명의 가이드장치는, 하중을 올려놓기 위한 플레이트와; 상기 플레이트를 지지할 수 있도록 설치되는 다수개의 지지용 에어베어링; 상기 지지용 에어베어링이 접하는 수평면과, 이동방향을 따른 수직면과 경사면을 포함하는 레일부를 구비하는 석정반; 상기 석정반의 수직면에 밀착될 수 있도록 플레이트의 하부에 설치되는 가이드용 에어베어링; 그리고 상기 석정반의 경사면에 밀착될 수 있도록 플레이트의 하부에 설치되는 지지 및 가이드용 에어베어링을 포함하여 구성된다. 상기 플레이트는 리니어모터에 의하여 상기 석정반 상에서 이동한다. 상기 지지 및 가이드용 에어베어링은, 경사면에 의하여 지지되기 때문에, 플레이트 상의 하중체의 일부 하중을 지지함과 동시에, 플레이트의 이동을 가이드하기 때문에 보다 무거운 하중체를 지지하여 이송시킬 수 있다.
스테이지, 에어베어링, 피에조일렉트릭 액츄에이터

Description

에어베어링을 이용한 가이드장치{Device for transferring heavy load using air bearing}
도 1은 종래의 가이드장치의 사시도.
도 2는 종래의 가이드장치의 정면 예시도.
도 3은 본 발명의 가이드장치의 사시도.
도 4는 본 발명의 가이드장치의 정면 예시도.
도 5는 본 발명의 가이드장치의 요부 확대도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 ..... 석정반 110 ..... 레일부
112 ..... 수직면 114 ..... 경사면
120 ..... 플레이트 160 ..... 가이드용 에어베어링
170 ..... 지지 및 가이드용 에어베어링 180 ..... 지지용 에어베어링
본 발명은 일정한 대상물을 이송시키는 이송장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에어베어링을 이용하여 중하중의 대상물을 이송시킬 수 있도록 구성되는 가 이드장치에 관한 것이다.
대상물을 올린 상태에서 일정 거리 이송시키기 위한 스테이지의 정밀한 움직임을 가이드하기 위하여 에어베어링(Air bearing)이 널리 사용되고 있다. 이러한 에어베어링은 엘엠가이드 등과 같은 기계적 마찰식 가이드를 이용하는 것 보다, 마찰력이 작기 때문에 반복 정도(Repeatability) 및 정속성(Velocity ripple)이 좋다는 장점이 있다.
도 1 및 도 2에는 종래의 에어베어링을 이용한 이송장치의 개략적인 구성이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 종래의 이송장치는, 석정반(10) 상에서 x축 및 y축 방향으로 이동 가능하게 설치되는 플레이트(12) 상에 올려진 대상물을 이송시키도록 구성되어 있다.
상기 플레이트(12)의 x축방향의 이송은 x축 방향 리니어모터(22)에 의하여 이루어지고, y축방향으로의 이송은 y축 방향 리니어모터(24)에 의하여 이루어진다. 상기 석정반(10)은 외부에서의 진동을 흡수할 수 있도록 설계된 아이솔레이트(14) 상에 설치되어 있다. 그리고 상기 석정반(10)은, 상기 플레이트(12)가 이동하는 길이방향을 따른 돌출부분(10a)이 형성되어 있고, 상기 돌출부분(10a)의 직립한 측면은 후술하는 바와 같이 에어베어링(16)의 안내면으로 이용된다.
상기 플레이트(12)가 이송될 때, 복수개의 에어가이드(14,16)가 상기 플레이트를 가이드하게 된다. 상기 에어가이드(14,16)는 실질적으로 상기 석정반(10)의 대응면에 대하여 미세한 간격(예를 들면 10㎛)을 유지하면서 상기 플레이트(12)를 가이드하기 때문에 상술한 바와 같이 반복 정도 및 정속성이 우수한 특성을 가지고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 플레이트(12)의 이송을 가이드하는 에어베어링은, 석정반(12)의 상면에 접촉하여 실질적으로 플레이트(12) 상에 올려진 하중을 지지하는 지지베어링(14)과, 상기 석정반(12)의 돌출부분(10a)의 측면에 밀착되어 이송되는 플에이트(12)를 정확하게 가이드하는 가이드베어링(16)으로 구성된다. 상기 지지베어링(14)은 플레이트(12)의 상면과 스크류 등으로 체결되는 샤프트(14a)와 연결되어 있다. 그리고 상기 가이드베어링(16)은 상기 플레이트(12)의 저면과 연결된 브라켓(16a)와 연결되어 있다.
그러나 에어베어링은 하중을 지지하기 위한 지지력(support force)가 작다는 치명적인 단점이 있다. 이와 같은 단점을 해결하기 위해서는 복수개의 에어베어링을 사용하지 않으면 안된다. 즉 일반적으로 상기 지지베어링(14)은 4개가 설치되는 것이 보통이나, 무거운 하중(중하중)의 대상물이 플레이트(12)에 올려지면 지지력이 약하기 때문에, 그 이상의(예를 들면 6개의) 지지베어링(14)를 설치할 수 밖에 없다. 즉 상기 플레이트(12)의 양측 저면에서 두개의 열로 설치되되, 각각의 열에는 3개의 지지베어링이 설치된다. 도 1에는 이와 같이 상기 지지베어링(14)이 6개 설치되어 있음을 확인할 수 있다.
이론적으로 특정면을 지지하는 경우에는 3점 지지가 가장 이상적으로 하고 있다. 그러나 상술한 바와 같은 스테이지의 제조시에는 양측에 대칭이 되어야 하는 등의 이유로 통상 4개의 에어베어링을 사용하고 있고, 더욱이 중하중에 대한 지지력을 확보하기 위해서는 6개의 베어링을 설치할 수 밖에 없다.
이와 같이 중하중을 지지하기 위하여 6개의 에어베어링을 사용하게 되면, 복수개의 에어베어링의 각각의 레벨이 정확하게 일치하지 않는 경우가 발생할 수 밖에 없다. 따라서 복수개의 에어베어링 중에서 집중적으로 하중을 받는 부분과, 상대적으로 적은 하중을 받는 부분이 발생하기 마련이다. 이러한 점은 궁극적으로 에어베어링의 플로팅갭(floating gap)의 차이로 인하여 발생하는 것이라고 할 수 있으며, 부분적인 에어베어링이 요동하는 결과를 초래하게 된다. 따라서 상술한 바와 같은 정속성 및 반복정도라는 에어베어링의 특성을 저해하는 단점이 발생하는 것이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 단점을 해결하기 위한 것으로, 중하중에 대한 충분한 지지력을 구비하는 에어베어링을 이용한 이송장치를 제공하는 것을 주된 목적으로 한다.
상술한 바와 같이, 종래의 에어베어링은, 플레이트의 하중을 지지하기 위한 지지베어링과, 플레이트의 이동을 가이드하기 위한 가이드베어링으로 구분되어 사용하고 있었다. 따라서 가이드베어링은 단순히 가이드만을 위한 것이기 때문에, 플레이트의 하중을 지지하는 기능은 전혀 없다.
본 발명은 이러한 점에 착안한 것으로, 가이드를 위한 가이드용 에어베어링의 일부를 플레이트의 하중을 지지할 수 있는 기능을 부여함으로써, 작은 수의 에어베어링으로도 중하중을 지지할 수 있도록 하는 것을 주제로 하고 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 에어베어링을 이용한 가이드장치는, 하중을 올려놓기 위한 플레이트와; 상기 플레이트를 지지할 수 있도록 설치되는 다수개의 지지용 에어베어링; 상기 지지용 에어베어링이 접하는 수평면과, 이동방향을 따른 수직면과 경사면을 포함하는 레일부를 구비하는 석정반; 상기 석정반의 수직면에 밀착될 수 있도록 플레이트의 하부에 설치되는 가이드용 에어베어링; 그리고 상기 석정반의 경사면에 밀착될 수 있도록 플레이트의 하부에 설치되는 지지 및 가이드용 에어베어링을 포함하여 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.
그리고 실시예에 의하면, 상기 플레이트를 이동시키는 이송수단을 더 포함하고 있으며, 이러한 이송수단에 대한 실시예에 의하면, 리니어모터로 구성될 수 있다.
그리고 상기 지지 및 가이드용 에어베어링은 샤프트를 통하여 브라켓에 설치되고, 상기 브라켓을 좌우방향으로 조절함으로써 상기 지지 및 가이드용 에어베어링과 경사면의 간격을 조절하는 조절수단을 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
이러한 조절수단은, 상기 지지 및 가이드용 에어베어링이 경사면에서 이격되는 수평방향으로 브라켓을 잡아당기는 탄성부재와, 상기 에어베어링이 경사면에 밀착되는 수평방향으로 브라켓을 밀어주는 피에조일렉트릭 엑츄에이터를 포함하여 구성되고 있다.
여기서 조절수단은, 상기 플레이트의 저면에 설치되는 엘엠레일과, 상기 브라켓에 설치되어 상기 엘엠레일에 결합되는 엘엠블럭으로 구성되는 엘엠가이드를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 상기 지지용 에어베어링은 샤프트에 의하여 상기 플레이트에 고정되고, 상기 가이드용 에어베어링은 브라켓을 통하여 플레이트의 저면에 고정되는 것이 바람직하다.
다음에는 도면에 도시한 실시예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 살펴보기로 한다.
도 3은 본 발명에 의한 장치의 전체 구성을 예시한 사시도이고, 도 4는 본 발명에 의한 장치의 정면도이다. 그리고 도 5는 본 발명에 의한 장치의 요부를 확대한 부분 정면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 이송장치는, 요구되는 표면 정도를 가지는 석정반(100)과, 상기 석정반(100) 상에서 이동하는 플레이트(120)를 포함하고 있다. 상기 석정반(100)의 하부에는, 외부의 진동을 흡수함으로써 본 발명에 의한 이송장치의 동작중 외력에 의한 충격을 방지하여 정밀한 운동을 가능하게 하는 아이솔레이트(130)가 연결되어 있다. 상기 아이솔레이트(130)의 구성은, 실질적으로 본 발명과는 무관한 것이어서 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
그리고 상기 석정반(100)의 상부에는 이동방향을 따라 형성된 레일부(110)가 형성되어 있다. 그리고 상기 레일부(110)의 일측면은 수직상태의 수직면(112)으로 형성되고, 타측면은 소정의 경사각을 가지는 경사면(114)으로 형성된다. 상기 수직면(112)은, 후술하는 바와 같이, 가이드용 에어베어링(160)이 그 면을 따라 가이드될 수 있도록 형성되는 것이다. 그리고 상기 경사면(114)은, 후술하는 지지 및 가이드용 에어베어링(170)이 그 경사면을 따라 가이드함과 동시에 하중의 일부를 지지할 수 있도록 형성되는 것이다. 본 발명의 석정반(100)은, 플레이트(120)의 이동방향을 따라 수직으로 형성된 수직면(112)과, 플레이트(120)의 이동방향을 따라 경사진 형태로 형성되는 경사면(114)을 구비하고 있음을 알 수 있다. 그리고 상기 레일부(110)를 제외하고, 후술하는 지지용 에어베어링(180)이 접하는 상기 석정반(100)의 상면은 수평면으로 형성된다.
상기 플레이트(120)은 상기 석정반(100) 상에서 x축 및 y축 방향으로 이송될 수 있다. 단 본 발명의 설명에 있어서는, 구성의 명료화 및 도시의 편의를 위하여 어느 일방향으로 이동하는 예를 들어서 설명될 것이나, 실제로 본 발명은, 상기 플레이트(120)가 어느 방향으로 이동하더라도 후술하는 본 발명의 구조를 동일하게 적용하는 것이 가능하다.
도시한 실시예에 있어서, 이송장치는 x축방향으로 이송될 수 있으며, 이러한 방향은 상기 석정반(100)의 레일부(110)의 형성방향을 의미하고, 도 4에서는 지면속으로 들어가거나 지면에서 나오는 방향을 의미한다. 도시한 실시예에 있어서, 상기 플레이트(120)를 상술한 레일부(110)을 방향을 따라 이송시킬 수 있는 구동원은 리니어모터(140)이다. 상기 플레이트(120)의 이송방향를 따른 양측에는 소정의 간격을 가지고 리니어모터(140)가 설치되어 있다. 상기 플레이트(120)의 양측 단부에는 모터브라켓(122)이 설치되어 있다. 그리고 상기 모터브라켓(122)이 리니어모터(140)에 의하여 구동되는 것에 의하여 상기 플레이트(120)이 일방향에 대하여 왕복 운동이 가능하게 된다.
상기 플레이트(120)는, 그 저면 양측의 전후에 설치된 복수개의 지지용 에어베어링(180)에 의하여 지지된다. 즉 도시된 실시예에 있어서, 상기 플레이트(120)는 4개의 에어베어링(180)에 의하여 지지된다. 그리고 상기 각각의 지지용 에어베어링(180)은, 상기 플레이트(120)의 상면과 체결되는 샤프트(182)와 연결되어 있다. 즉 상기 플레이트(120)의 저면에서 4개소에 설치되는 상기 지지용 에어베어링(180)은 샤프트(182)를 개재하여 상기 플레이트(120)를 지지하고 있다.
그리고 상기 석정반(100)의 수직면(112)에는 가이드용 에어베어링(160)이 설치되어 있다. 상기 가이드용 에어베어링(160)은 석정반(100)의 수직면(112)을 따라 이동하는 것에 의하여, 플레이트(120)의 이동을 가이드하는 것이다. 도시한 실시예에 있어서, 상기 가이드용 에어베어링(160)은 하나로 구성되고 있고, 브라켓(162)를 통하여 상기 플레이트(120)의 저면에 장착되어 있다.
또한 상기 석정반(100)의 경사면(114)에는 지지 및 가이드용 에어베어링(170)이 설치된다. 도 5에 더욱 상세하게 도시된 바와 같이, 상기 지지 및 가이드용 에어베어링(170)은, 상기 레일부(110)의 경사면(114)에 근접한 상태로 설치되는 것에 의하여, 상기 플레이트(120)의 하중의 일부를 지지함과 동시에, 상기 경사면을 따라 이동함으로써 상기 플레이트(120)의 이동을 가이드하는 두 가지의 기능을 동시에 수행하게 된다. 즉 상기 경사면(114)에 접하는 것에 의하여, 상기 플레이트(120) 및 그 상면에 올려지는 이송 대상물의 하중의 일부를 지지할 수 있게 된다. 이 때 도 4에 예시적으로 도시한 바와 같이, 상기 지지 에어베어링(180) 및 상기 지지 및 가이드용 에어베어링(170)에 각각 W의 하중이 걸린다고 하고 상기 경 사면(114)의 기울기를 30도로 가정하면, 상기 수평방향의 분력은 0.58W이 되고, 경사면과 수직인 방향으로 작용하는 분력은 1.16W이 된다는 것을 피타고라스의 정의에 기초하여 계산할 수 있다.
다시 도 5를 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 상기 지지 및 가이드용 에어베어링(170)은 샤프트(172)를 통하여 브라켓(174)과 연결되어 있다. 그리고 상기 브라켓(174)는 엘엠가이드(L)를 통하여 상기 플레이트(120)의 하부에서 운동방향이 결정되어 있다. 즉 상기 엘엠가이드(L)은, 상기 브라켓(174)에 연결되는 엘엠블럭(178)과, 상기 플레이트(120)의 저면에 고정된 엘엠레일(176)으로 구성되어 있다. 그리고 상기 엘엠블럭(178)은 엘엠레일(176)에 대하여 일방향으로만 이동할 수 있도록 가이드되어 있기 때문에, 실질적으로 도 5에서 화살표(A)로 도시한 좌우방향으로만 이동이 가능한 상태이다. 그리고 상기 엘엠가이드(L)에 의하여 상기 브라켓(174)이 이동하는 방향은, 실질적으로 상기 지지 및 가이드용 에어베얼이(170)이 상기 경사면(114)에 대하여 접근하거나 멀어지는 방향이다.
상기 브라켓(174)은 스프링(S)에 의하여 도면상 우측으로 당겨지고 탄성적으로 지지되어 있다. 즉, 상기 스프링(S)의 좌측단부는 상기 브라켓(174)과 연결된 연결부(175)와 연결되고, 상기 스프링(S)의 우측단부는 플레이트(120)에 고정된 연결부(125)에 연결되어 있기 때문에, 상기 브라켓(174)는 도면상 우측으로 당겨지는 상태로 지지되고 있다.
그리고 상기 브라켓(174)는 피에조일렉트릭 액츄에이터(Piezoelectric actuator)(177)에 의하여 도면상 좌측방향으로 이동될 수 있다. 상기 피에조일렉 트릭 액츄에이터(177)은, 상기 플레이트(120)에 연결되어 있는 연결부재(127)에 고정되어 있고, 도면상 그 좌측단부는 상기 브라켓(174)에 근접할 수 있도록 설치되어 있다. 상기 피에조일렉트릭 액츄에이터(177)은 전류의 변화에 반응하여, 상기 엘엠가이드(L)에 의한 안내방향으로 미세하게 변위를 일으키는 것으로, 그 자체는 공지된 것이다.
정리하면, 상기 지지 및 가이드용 에어베어링(170)을 지지하고 있는 브라켓(174)은 상기 엘엠가이드(L)에 의하여 도면상 좌우방향으로 이동 가능하게 지지되어 있음과 동시에, 상술한 스프링(S)에 의하여 도면상 우측으로 당겨지고 있고 상기 피에조일렉트릭 액츄에이터(177)에 의하여 도면상 우측으로 이동할 수 있도록 구성되고 있음을 알 수 있다. 따라서 상기 피에조일렉트릭 액츄에이터(177)가 구동하게 되면, 상기 브라켓(174)은 우측으로 미세하게 이동할 수 있게 되고, 피에조일렉트릭 액츄에이터(177)가 원래의 상태로 복원되면 상기 스프링(S)의 탄성복원력에 의하여 도면상 좌측으로 이동하게 된다.
그리고 상기 브라켓(174)의 이동은 실질적으로 상기 지지 및 가이드용 에어베어링(170)의 이동을 의미하는 것임은 당연하다. 따라서 상기 지지 및 가이드용 에어베어링(170)은 상기 스프링(S) 및 피에조일렉트릭 액츄에이터(177)에 의하여 도면상 좌우방향으로 이동할 수 있는데, 이는 실질적으로 상기 지지 및 가이드용 에어베어링(170)과 경사면(114) 사이의 미세한 간격을 조절할 수 있다는 것을 의미한다. 즉 본 발명에서의 지지 및 가이드용 에어베어링(170)은, 예를 들면 스프링(S)과 피에조일렉트릭 액츄에이터(177)로 구성되는 이동장치에 의하여 상기 경사 면(114)에 접근하거나 이격될 수 있도록 구성되고 있음을 알 수 있다. 그리고 상기 지지 및 가이드용 에어베어링(170)이 상기 경사면(114)에 대하여 접근하거나 이격되는 것은, 상술한 엘엠가이드(L)에 의하여 가이드된다.
이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 지지 및 가이드용 에어베어링(170)을, 석정반(100)의 경사면(114)에 설치하는 것에 의하여, 플레이트(120)의 가이드 및 플레이트(120)의 일부 하중의 지지를 동시에 수행하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.
이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 여러 가지 다른 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구의 범위에 기초하여 해석되어야 할 것임은 당연하다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 의하면 에어베어링을 이용하여 플레이트를 가이드하기 때문에, 반복정도 및 정속성이 우수한 이송장치를 제공할 수 있음은 물론이고, 에어베어링을 이용하더라도 플레이트 상의 로드가 중 하중인 경우에도 정확한 이송이 가능한 장점이 기대된다. 즉 본 발명에 의한 이송장치의 최대 커패시티 로드(capacity load)가 증가되는 효과를 기대할 수 있다.
그리고 플레이트의 하방 중심부분에, 지지 및 가이드용 에어베어링(170)을 설치하는 것에 의하여, 플레이트의 하중의 일부를 지지하고 있기 때문에, 플레이트의 중심부분이 미세하게 하방으로 처지는 것을 방지할 수 있다.
에어베어링의 커패시터 로드의 불충분으로 인하여, 에어베어링을 추가로 장 착하는 경우 발생할 수 있는 에어베어링의 요동현상을 확실하게 방지하는 것이 가능하게 된다. 또한 지지 및 가이드용 에어베어링의 장착과, 그것의 플로팅갭을 정확하게 조절할 수 있도록 구성되는 것에 의하여, 요(yaw)현상을 방지할 수 있게 되는 장점도 기대된다.
더욱이 상기 지지 및 가이드용 에어베어링과 경사면의 미세간격을 위한 기구가 조립 및 분해가 용이하여, 신속한 세팅 및 유지 보수가 편리한 장점이 기대된다.

Claims (10)

  1. 하중을 올려놓기 위한 플레이트와;
    상기 플레이트를 지지할 수 있도록 설치되는 다수개의 지지용 에어베어링;
    상기 지지용 에어베어링이 접하는 수평면과, 이동방향을 따른 수직면과 경사면을 포함하는 레일부를 구비하는 석정반;
    상기 석정반의 수직면에 밀착될 수 있도록 플레이트의 하부에 설치되는 가이드용 에어베어링; 그리고
    상기 석정반의 경사면에 밀착될 수 있도록 플레이트의 하부에 설치되는 지지 및 가이드용 에어베어링을 포함하여 구성되는 에어베어링을 이용한 가이드장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 플레이트를 이동시키는 이송수단을 더 포함하여 구성되는 에어베어링을 이용한 가이드장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 지지 및 가이드용 에어베어링은 샤프트를 통하여 브라켓에 설치되고, 상기 브라켓을 좌우방향으로 조절함으로써 상기 지지 및 가이드용 에어베어링과 경사면의 간격을 조절하는 조절수단을 더 포함하여 구성되는 에어베어링을 이용한 가이드장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 조절수단은, 상기 지지 및 가이드용 에어베어링이 경사면에서 이격되는 수평방향으로 브라켓을 잡아당기는 탄성부재와, 상기 에어베어링이 경사면에 밀착되는 수평방향으로 브라켓을 밀어주는 피에조일렉트릭 엑츄에이터를 포함하여 구성되는 에어베어링을 이용한 가이드장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 조절수단은, 상기 플레이트의 저면에 설치되는 엘엠레일과, 상기 브라켓에 설치되어 상기 엘엠레일에 결합되는 엘엠블럭으로 구성되는 엘엠가이드를 더 포함하는 에어베어링을 이용한 가이드장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 상기 지지용 에어베어링은 샤프트에 의하여 상기 플레이트에 고정되는 에어베어링을 이용한 가이드장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 가이드용 에어베어링은 브라켓을 통하여 플레이트의 저면에 고정되는 에어베어링을 이용한 가이드장치.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 이송수단은, 리니어모터로 구성되는 에어베어링 을 이용한 가이드장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 지지용 에어베어링은 사각형태의 플레이트의 저면에서 4개 설치되는 에어베어링을 이용한 가이드장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 지지 및 가이드용 에어베어링은 한 쌍으로 구성되는 에어베어링을 이용한 가이드장치.
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