KR101084731B1 - 요크빔이 하중을 지지하는 리니어 스테이지. - Google Patents

요크빔이 하중을 지지하는 리니어 스테이지. Download PDF

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Abstract

본 발명은 요크빔이 하중을 지지하는 리니어 스테이지에 관한 것으로서, 길이 방향으로 연장된 홈부를 구비한 기다란 형상의 요크빔; 상기 요크빔에 구비된 홈부의 내주면에 부착된 복수 개의 영구자석; 상기 요크빔의 길이 방향을 따라 그 요크빔에 마련된 가이드; 상기 요크빔의 길이 방향을 따라 왕복 이동 가능하도록 상기 가이드에 결합된 이동자;를 구비하며, 상기 요크빔이, 상기 영구자석들을 자기적으로 접속시키는 동시에 상기 이동자의 하중 및 요크빔의 하중을 지지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 영구자석 및 가이드가 장착된 요크빔과 상기 요크빔의 길이 방향을 따라 왕복 이동 가능하도록 상기 가이드에 결합된 이동자를 구비함으로써, 상기 요크빔이 상기 영구자석들을 자기적으로 접속시킴으로써 고른 자기장을 형성시키는 동시에 상기 이동자의 하중 및 요크빔의 하중을 지지할 수 있는 바, 전체적인 제조 비용이 감소될 수 있는 효과가 있다.

Description

요크빔이 하중을 지지하는 리니어 스테이지.{linear stage with yoke beam supporting loads.}
본 발명은 리니어 스테이지에 관한 것으로서, 특히 요크빔이 영구자석들을 자기적으로 접속시키는 동시에 이동자의 하중 및 요크빔의 하중을 지지할 수 있는 리니어 스테이지에 관한 것이다.
리니어 모터(LM; Linear Motor)를 구비하는 리니어 스테이지(linear stage)의 일례가, 도 1에 도시되어 있다. 이러한, 리니어 스테이지는 반도체 제작 공정 등 정밀 기계 가공에 널리 사용되는 장치로서, 공구 등의 정밀한 공간상 위치 이동을 목적으로 하는 장치이다.
상기 리니어 스테이지(1)는, X 방향의 이동을 위한 한 쌍의 리니어 모터(X1, X2)와, 양단이 상기 리니어 모터(X1, X2)에 결합되며 Y 방향의 이동을 위한 리니어 모터(Y1)를 구비하고 있는데, 상기 리니어 모터(Y1)는, 양단이 상기 리니어 모터(X1, X2)에 결합되며 알루미늄 프로파일로 이루어진 빔(beam)인 압출빔(2)과, 상기 압출빔(2) 위에 결합되며 'ㄷ'자형 단면을 가지는 빔(beam)인 요크빔(3)과, 상기 요크빔(3)의 마주보는 2개의 내주면에 장착된 복수 개의 영구자석(4)과, 상기 압출빔(2)에 상기 Y 방향으로 연장된 상태로 장착된 한 쌍의 가이드(5)와, 상기 가이드(5) 상에 장착되어 왕복 이동 가능한 이동자(6)와, 일단은 상기 이동자(6)에 결합되며 타단은 상기 영구자석(4)들 사이에 배치된 코일부(7)를 구비하고 있다.
따라서, 상기 리니어 모터(Y1)는 상기 리니어 모터(X1, X2)에 의하여 X 방향으로 왕복 이동하며, 상기 리니어 모터(Y1)의 이동자(6)는 상기 코일부(7)와 영구자석(4)과의 전자기적 상호작용을 통하여 상기 가이드(5) 상에서 Y 방향으로 왕복 이동하게 된다.
그러나, 종래의 리니어 스테이지(1)는, 상기 이동자(6) 및 요크빔(3)의 하중을 상기 압출빔(2)이 지지하는 구조인 바, 상기 압출빔(2)이 없는 경우와 비교하여, 상기 압출빔(2)의 추가적인 무게로 인하여 고출력의 리니어 모터(X1, X2)가 필요하며 전체적인 제조 비용도 상승한다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 리니어 스테이지(1)는, 고가속의 정밀 위치제어를 필요로 할 경우에는, 상기 압출빔(2)의 구조 변형과 자체 무게로 인하여 1 개의 X 방향 리니어 모터(X1 또는 X2)를 사용하게 되면 원하는 성능을 발휘할 수 없으므로, 도 1에 도시된 바와 같이, 2 개의 리니어 모터(X1, X2)에 의하여 상기 압출빔(2)의 양단이 구동력을 받는 구조를 가지게 되는데, 이렇게 두 개의 리니어 모터(X1, X2)를 사용함으로써, 추가적인 제조 비용의 상승이 불가피하다는 문제점이 있으며, 상기 압출빔(2)이 상기 리니어 모터(X1, X2)에 결합되는 결합 구조가 복잡해지고 충분한 결합 강도를 유지하는 것이 어렵다는 문제점도 있다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 요크빔이 영구자석들을 자기적으로 접속시키는 동시에 이동자의 하중 및 요크빔의 하중을 지지할 수 있도록 구조가 개선된 리니어 스테이지를 제공하기 위함이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 리니어 스테이지는, 길이 방향으로 연장된 홈부를 구비한 기다란 형상의 요크빔; 상기 요크빔에 구비된 홈부의 내주면에 부착된 복수 개의 영구자석; 상기 요크빔의 길이 방향을 따라 그 요크빔에 마련된 가이드; 상기 요크빔의 길이 방향을 따라 왕복 이동 가능하도록 상기 가이드에 결합된 이동자;를 구비하며, 상기 요크빔이, 상기 영구자석들을 자기적으로 접속시키는 동시에 상기 이동자의 하중 및 요크빔의 하중을 지지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 영구자석 및 가이드가 장착된 요크빔과 상기 요크빔의 길이 방향을 따라 왕복 이동 가능하도록 상기 가이드에 결합된 이동자를 구비함으로써, 상기 요크빔이 상기 영구자석들을 자기적으로 접속시킴으로써 고른 자기장을 형성시키는 동시에 상기 이동자의 하중 및 요크빔의 하중을 지지할 수 있는 바, 전체적인 제조 비용이 감소될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 리니어 스테이지를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 리니어 스테이지의 II-II선 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예인 리니어 스테이지를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 리니어 스테이지의 IV-IV선 단면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 요크빔의 평면도이다.
도 6은 도 3에 도시된 요크빔의 저면도이다.
이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예인 리니어 스테이지를 나타내는 사시도이며, 도 4는 도 3에 도시된 리니어 스테이지의 IV-IV선 단면도이다.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리니어 스테이지(100)는, 공구 등의 정밀한 위치 이동을 목적으로 하는 이송 장치로서, 리니어 모터(X1)와, X 방향 가이드(G1, G2)와, 리니어 모터(Y2)를 포함하여 구성된다.
상기 리니어 모터(X1)는, 상기 리니어 모터(Y2)를 X 방향으로 이동시키기 위한 구동력을 발생시키는 리니어 모터로서, 일반적인 리니어 모터의 구성을 포함하고 있는 바, 자세한 설명을 생략하기로 한다.
상기 X 방향 가이드(G1, G2)는, 상기 리니어 모터(Y2)의 X 방향 이동을 가이드하기 위한 장치로서, 일반적인 레일(rail) 형상을 가지는 바, 자세한 설명을 생략하기로 한다.
상기 리니어 모터(Y2)는, 일단은 상기 X 방향 가이드(G1)에 왕복 이동 가능하게 결합되고 타단은 상기 X 방향 가이드(G2)에 왕복 이동 가능하게 결합된 리니어 모터로서, Y 방향의 이동을 위한 구동력을 발생시키는 리니어 모터이다. 이 리니어 모터(Y2)는 요크빔(10)과, 이동자(20)를 포함하여 구성된다.
상기 요크빔(10)은, 길이 방향으로 연장된 홈부(16)를 구비한 기다란 형상의 철제 빔(beam)으로서, 일단은 상기 X 방향 가이드(G1)에 왕복 이동 가능하게 결합된 상태에서 상기 리니어 모터(X1)의 이동자와 결합되어 있고, 타단은 상기 X 방향 가이드(G2)에 왕복 이동 가능하게 결합되어 있다. 이 요크빔(10)은 일반적으로 요크(yoke)라고도 지칭되는데, 후술할 영구자석(14)들의 자극과 자극을 자기적으로 접속함으로써 자기장을 형성하는 기본적인 역할을 한다. 이 요크빔(10)은, 상판(11)과, 하판(12)과, 중간부재(13)를 포함하여 구성된다.
상기 상판(11)은, Y 방향으로 길게 연장된 띠 형상의 철제 판형 부재이다. 본 실시예에서, 상기 상판(11)의 두께는 7mm이다.
상기 하판(12)은, 상기 상판(11)과 마찬가지로 Y 방향으로 길게 연장된 띠 형상의 철제 판형 부재로서, 상기 상판(11)으로부터 이격된 상태로 마주 보도록 배치되어 있다. 본 실시예에서, 상기 하판(12)의 두께는 17mm로서, 상기 상판(11)의 두께보다 더 두껍다.
상기 하판(12)에는, 상기 요크빔(10)의 길이 방향 즉 Y 방향을 따라 배열된 복수 개의 함몰부(15)가 형성되어 있으며, 상기 함몰부(15)들의 함몰 깊이는 10mm이며, 상기 함몰부(15)들의 면적은 배열된 위치가 Y 방향으로 변함에 따라 점점 증가한다.
상기 중간부재(13)는, 상기 상판(11)의 일측부 하면과 상기 하판(12)의 일측부 상면을 연결하는 부재로서, 'ㄷ' 자 형상의 단면이 Y 방향으로 길게 연장된 형상의 부재이다. 상기 상판(11), 하판(12) 및 중간부재(13)의 결합에 의하여 상기 홈부(16)가 형성된다.
상기 요크빔(10)에 구비된 홈부(16)의 내주면에는 복수 쌍의 영구자석(14)이 Y 방향으로 배열된 상태로 부착되어 있는데, 상기 각 쌍의 영구자석(14)은 서로 마주보며 이격된 상태로 상기 상판(11)의 하면과 상기 하판(12)의 상면에 각각 부착되어 있다.
상기 요크빔(10)의 하판(12)의 일측면 및 상면에는, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 요크빔(10)의 길이 방향 즉 Y 방향을 따라 연장된 형상의 가이드(17)가 각각 부착되어 있는데, 이 가이드(17)는 일반적인 레일(rail) 형상을 가진다.
상기 요크빔(10)의 하판(12)의 타측면에는, 상기 요크빔(10)의 평면상 요동을 방지하기 위한 리브(18)가 결합되어 있다. 이 리브(18)는, 폭(W)이 상기 요크빔(10)의 길이 방향 즉 Y 방향을 따라 비선형적으로 점점 감소하는 형상을 가지며, 복수 개의 구멍(19)이 상기 요크빔(10)의 길이 방향 즉 Y 방향을 따라 배열되어 있다. 여기서, 상기 리브(18)의 폭(W)이 감소하는 방향은, 상기 요크빔(10)의 일단이 상기 리니어 모터(X1)의 이동자와 결합되어 직접적으로 구동력을 받고 있다는 점을 고려하여 결정된 형상이다.
상기 이동자(20)는, 상기 요크빔(10)의 길이 방향 즉 Y 방향을 따라 왕복 이동 가능하도록 상기 한 쌍의 가이드(17)에 결합된 'ㄱ'자형 부재로서, 측면부재(21)와, 상면부재(22)와, 가이드장착부(23)와, 코일부(24)를 구비한다.
상기 측면부재(21)는, 상기 요크빔(10)의 측면으로부터 일정한 거리만큼 이격된 상태로 수직하게 배치된 철제 판형 부재이다.
상기 측면부재(21)의 내면에는 상기 가이드장착부(23)가 결합되어 있는데, 상기 가이드장착부(23)는, 상기 요크빔(10)의 하판(12)의 일측면에 부착된 가이드(17)를 따라 왕복 이동 가능하도록 상기 가이드(17)에 결합되어 있으며, 마찰력을 감소시키기 위한 베어링(미도시)이 내장되어 있다.
상기 상면부재(22)는, 상기 요크빔(10)의 상면으로부터 일정한 거리만큼 이격된 상태로 수평하게 배치된 철제 판형 부재로서, 일단이 상기 측면부재(21)의 상단과 결합되어 있다.
상기 상면부재(22)의 하면에는 상기 가이드장착부(23)가 결합되어 있는데, 상기 가이드장착부(23)는, 상기 요크빔(10)의 하판(12)의 상면에 부착된 가이드(17)를 따라 왕복 이동 가능하도록 상기 가이드(17)에 결합되어 있으며, 마찰력을 감소시키기 위한 베어링(미도시)이 내장되어 있다.
상기 코일부(24)는, 전류가 흐르는 코일이 내장된 부분으로서, 일단부는 상기 영구자석(14) 사이의 공간에 배치되며, 타단부는 상기 이동자(20)의 상면부재(22)에 결합되어 있다.
상술한 구성의 리니어 스테이지(100)에서는, 상기 리니어 모터(X1)의 구동력에 의하여 상기 리니어 모터(Y2)가 상기 X 방향 가이드(G1, G2)에 결합된 상태로 X 방향으로 왕복 이동하고, 상기 리니어 모터(Y2)의 구동력에 의하여 상기 이동자(20)가 상기 가이드(17)에 결합된 상태로 Y 방향으로 왕복 이동하게 됨으로써, 상기 이동자(20)의 X-Y 평면상 위치 조절이 가능해진다.
상기 리니어 스테이지(100)는, 상기 영구자석(14) 및 가이드(17)가 장착된 요크빔(10)과 상기 요크빔(10)의 길이 방향을 따라 왕복 이동 가능하도록 상기 가이드(17)에 결합된 이동자(20)를 구비함으로써, 이동자(6) 및 요크빔(3)의 하중을 지지하는 별도의 압출빔(2)을 구비하는 종래의 리니어 스테이지(1)와는 달리, 상기 요크빔(10)이 상기 영구자석(14)들을 자기적으로 접속시킴으로써 고른 자기장을 형성시키는 동시에 상기 이동자(20)의 하중 및 요크빔(10)의 자체 하중을 지지할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 상기 리니어 스테이지(100)는, 상기 압출빔(2)을 구비한 종래의 리니어 스테이지(1)와 비교하여, 전체적인 제조 비용이 감소한다는 장점이 있다.
그리고, 상기 리니어 스테이지(100)는, 상기 압출빔(2)에 의하지 아니하고 상기 요크빔(10)에 의하여 직접 상기 이동자(20)의 하중 및 요크빔(10)의 자체 하중을 지지하고 있으므로, 상기 압출빔(2)을 구비한 종래의 리니어 스테이지(1)와 비교하여, 상기 리니어 모터(Y2)의 두께와 질량을 감소시킬 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 상기 리니어 스테이지(100)는, 상기 이동자(20) 크기가 감소될 수 있으며 상기 이동자(20)의 무게 중심도 더 낮아질 수 있는 바, 진동역학(vibration dynamics)의 관점에서 더욱 안정적인 이동자(20)의 위치 이동이 가능하다는 장점이 있다. 아울러, 상기 리니어 스테이지(100)는, 상기 리니어 모터(Y2)의 경량화가 용이하므로, 2개의 리니어 모터(X1, X2)를 사용하는 종래의 리니어 스테이지(1)와는 달리, 1개의 리니어 모터(X1)만으로도 상기 리니어 모터(Y2)를 X 방향으로 이동시키기에 충분한 구동력을 발생시킬 수 있다는 장점이 있으며, 2개의 리니어 모터(X1, X2)를 사용하는 경우에도 종래의 리니어 스테이지(1)와 비교할 때 저출력의 리니어 모터(X1, X2)만으로도 충분한 구동력을 발생시킬 수 있다는 장점이 있다.
한편, 상기 리니어 스테이지(100)는, 두꺼운 압출빔(2)을 구비하는 종래의 리니어 스테이지(1)에 비하여 두께가 얇은 요크빔(10)을 사용하여 이동자(20)의 하중 및 요크빔(10)의 자체 하중을 지지하고 있으므로, 상기 요크빔(10)을 상기 X 방향 가이드들(G1, G2)에 결합시키는 결합 구조를 더욱 간단하고 견고하게 구현할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 상기 리니어 스테이지(100)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 배열된 위치에 따라 면적이 점점 증가하는 복수 개의 함몰부(15)가 형성되어 있는 하판(12)을 구비하고 있으므로, 상판(11)보다 두꺼운 하판(12)이 상기 상판(11)과 비슷한 부피를 가질 수 있도록 하여 상기 영구자석(14)들이 자기적으로 더욱 균형적으로 접속됨으로써 고른 자기장이 형성될 수 있다는 장점이 있으며, 상기 함몰부(15)가 형성되지 않은 경우와 비교하여, 상기 요크빔(10)의 질량 감소되어 X-Y 평면상의 진동 특성이 우수해진다는 장점도 있다.
그리고, 상기 리니어 스테이지(100)는, 상기 요크빔(10)의 상판(11)보다 상기 요크빔(10)의 하판(12)이 더 두꺼운 두께를 가지고 있으므로, 상기 가이드(17)가 상기 하판(12)의 측면에 용이하게 장착될 수 있으며, 상기 요크빔(10)의 무게중심이 낮아지는 바, 상기 요크빔(10)의 진동 특성이 우수해진다는 장점도 있다.
아울러, 상기 리니어 스테이지(100)는, 상기 요크빔(10)의 하판(12)의 타측면에 결합된 리브(18) 구비되어 있으므로, 상기 X 방향 가이드(G2)와 결합된 상기 요크빔(10) 끝단의 X-Y 평면상 진동이 감소될 수 있다는 장점이 있으며, 상기 리브(18)의 폭(W)이 Y 방향을 따라 비선형적으로 점점 감소하는 형상을 가지고 있으므로, 상기 요크빔(10)의 X-Y 평면상 굽힘 관성 모멘트의 값(Izz)이 상기 Y 방향의 길이에 따라 효율적으로 변화될 수 있다는 장점도 있다.
또한, 상기 리니어 스테이지(100)는, 상기 리브(18)에 형성된 복수 개의 구멍(19)을 구비하고 있으므로, 상기 구멍(19)이 형성되지 않은 경우와 비교하여, 상기 리브(18)의 질량이 감소되어 X-Y 평면상의 진동 특성이 우수해진다는 장점도 있다.
본 실시예에서는, 상기 요크빔(10)의 일단에 리니어 모터(X1)이 결합되어 구동력을 발휘하고 있으나, 상기 리니어 모터(X1)가 상기 요크빔(10)의 일단에 결합되지 않고 상기 요크빔(10)의 타단에 결합되는 구성도 가능함은 물론이다. 이때, 상기 리브(18)의 폭(W)은 상기 요크빔(10)의 길이 방향 즉 Y 방향을 따라 비선형적으로 점점 증가하는 형상을 가지게 되는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는, 상기 리니어 모터(Y2)를 X 방향으로 이동시키기 위한 리니어 모터로서 1개의 리니어 모터(X1)을 사용하고 있으나, 종래와 마찬가지로 상기 리니어 모터(Y2)의 양단에 2개의 리니어 모터(X1, X2)를 결합할 수 있음은 물론이다. 다만, 이 경우에는 상기 리브(18)의 폭(W)이, X축을 중심으로 좌우 대칭적으로 변화하는 것이 바람직한데, 예를들면, 상기 리브(18)의 폭(W)이 Y 방향을 따라 비선형적으로 점점 감소하다가 다시 점점 증가하는 형상을 들 수 있다.
이상으로 본 발명을 설명하였는데, 본 발명의 기술적 범위는 상술한 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것은 아니며, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 수정 또는 변경된 등가의 구성은 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 것임은 명백하다.
＊ 도면의 주요부위에 대한 부호의 설명 ＊
100 : 리니어 스테이지 10 : 요크빔
11 : 상판 12 : 하판
13 : 중간부재 14 : 영구자석
15 : 함몰부 16 : 홈부
17 : 가이드 18 : 리브
19 : 구멍 20 : 이동자
21 : 측면부재 22 : 상면부재
23 : 가이드장착부 24 : 코일부
X1, X2, Y1, Y2 : 리니어 모터

Claims (6)

  1. 리니어 스테이지에 있어서,
    길이 방향으로 연장된 홈부를 구비한 기다란 형상의 요크빔;
    상기 요크빔에 구비된 홈부의 내주면에 부착된 복수 개의 영구자석;
    상기 요크빔의 길이 방향을 따라 그 요크빔에 마련된 가이드;
    상기 요크빔의 길이 방향을 따라 왕복 이동 가능하도록 상기 가이드에 결합된 이동자;를 구비하며,
    상기 요크빔이, 상기 영구자석들을 자기적으로 접속시키는 동시에 상기 이동자의 하중 및 요크빔의 하중을 지지하며,
    상기 요크빔의 측면에는, 상기 요크빔의 평면상 요동을 방지하기 위한 리브가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 리니어 스테이지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 요크빔은, 상판; 상기 상판으로부터 이격된 상태로 마주 보도록 배치된 하판; 상기 상판 및 하판을 연결하는 중간부재로 구성되는 것을 특징으로 하는 리니어 스테이지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 요크빔의 하판에는, 상기 요크빔의 길이 방향을 따라 배열된 복수 개의 함몰부가 형성되어 있으며, 상기 함몰부들의 면적은 배열된 위치가 변함에 따라 점점 증가하는 것을 특징으로 하는 리니어 스테이지.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 요크빔의 하판은 상기 요크빔의 상판보다 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 리니어 스테이지.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 리브의 폭은, 상기 요크빔의 길이 방향을 따라 점점 감소하는 것을 특징으로 하는 리니어 스테이지.
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JPH1012539A (ja) 1996-06-18 1998-01-16 Canon Inc 移動ステージ装置およびこれを用いた露光装置
JP2001309634A (ja) * 2000-04-26 2001-11-02 Juki Corp 直動装置、ｘｙ移動装置及び電子部品装着装置

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