KR101900955B1 - 중력을 보상하는 수직 액츄에이터 구동장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중력을 보상하는 액츄에이터 구동장치와 관련이 있으며, 본 발명에 따른 액츄에이터 구동장치는 제 1 구성유닛(1) 및 제 2 구성유닛(2)을 구비하며, 이 경우 상기 두 개의 구성유닛(1, 2) 중에 하나의 구성유닛은 정지되어 있고, 두 개의 구성유닛(1, 2) 중에 다른 하나의 구성유닛은 수직 방향(Z)으로 움직일 수 있다. 제 1 구성유닛(1)은 코일(4)을 갖춘 제 1 마그네트 요크(3)(magnet yoke)를 구비하고, 제 2 구성유닛(2)은 코일(4) 쪽을 향하여 정렬된 적어도 하나의 마그네트(6)를 갖춘 제 2 마그네트 요크(5)를 구비한다. 상기 적어도 하나의 마그네트(6) 영역에서 제 1 마그네트 요크(3)와 제 2 마그네트 요크(5)의 수평 간격이 수직 방향(Z)으로 변동될 수 있음으로써, 결과적으로 액츄에이터의 작업 영역에서 제 1 구성유닛(1)과 제 2 구성유닛(2) 사이에서는 자기 저항력(R)(reluctance force)이 작용하게 되고, 이 자기 저항력은 상기 두 개 구성유닛(1, 2) 중에 이동 구성유닛의 중력(G)을 저지한다.

Description

중력을 보상하는 수직 액츄에이터 구동장치{VERTICAL ACTUATOR DRIVE HAVING GRAVITY COMPENSATION}
본 발명은 중력을 보상하는 액츄에이터 구동장치에 관한 것이다. 이와 같은 액츄에이터는 예를 들어 작업 테이블 또는 플랫폼을 수직 방향으로 가급적 정확하게 위치 설정하기 위해서 이용된다.
반도체 제조와 같은 다수의 적용 예에서는 수직으로 이동할 수 있는 기계 요소들이 중력에 대항하여 고정되고 그와 동시에 정확하게 위치 설정되어야만 한다. 이때 수 밀리미터의 필요한 작업 영역의 크기는 종종 상대적으로 작지만, 그 대신에 위치 설정의 정확성에 대한 요구 수준은 그만큼 더 높아졌다. 마이크로미터 및 그 이하 범위에서의 위치 설정 정확성이 요구될 수 있다.
EP 2034593 A2호에는, 액츄에이터의 작업 영역에서 이동 구성유닛(movable component)의 중력을 보상하기 위해 상기 이동 구성유닛과 정지 구성유닛(stationary component) 사이에서 자기 저항력이 이용됨으로써, 결과적으로 수직 동작을 제어하는 선형 모터의 스위치-오프 시에 또는 고장의 경우에도 상기 이동 구성유닛이 작업 영역 위에서 안정적인 위치를 취하게 되는 액츄에이터 구동장치가 공지되어 있다.
WO 2009/093907 A1호에는 자기 스프링과 기계 스프링의 조합 형태를 이용하는 액츄에이터가 공지되어 있다. 상기 간행물에서 이동 구성유닛의 중력은 탄성력에 의해서 보상될 수 있으며, 이 경우 상기 두 가지 스프링의 탄력 계수(spring constant)는 상쇄되고, 그로 인해 액츄에이터의 작업 영역에서 이동 구성유닛은 힘의 작용 없이도 이동할 수 있게 된다. 그럼으로써, 정지 구성유닛과 이동 구성유닛 사이에서 진동의 전달도 피해지며, 이와 같은 상황은 정확한 위치 설정을 위해서 장점이 된다. WO 2009/093907 A1호는 이동 구성유닛을 위해 수직 방향의 가이드가 형성되도록 기계적인 스프링을 판 스프링으로 구현하는 것을 제안하고 있다.
본 발명의 과제는, 상기와 같은 액츄에이터 구동장치를 더욱 개선하는 것이다. 또한, 개선된 액츄에이터에서는 특히 간단한 구조가 성취되어야만 한다.
상기 과제는 청구항 1에 따른 액츄에이터 구동장치에 의해서 해결된다. 본 발명의 세부 사항은 종속 청구항에서 드러난다.
본 발명에 따른 중력이 보상되는 액츄에이터 구동장치는 제 1 구성유닛 및 제 2 구성유닛을 구비하며, 이 경우 상기 두 개의 구성유닛 중에 하나의 구성유닛은 정지되어 있고, 두 개의 구성유닛 중에 다른 하나의 구성유닛은 수직 방향으로 이동할 수 있다. 제 1 구성유닛은 코일을 갖춘 제 1 마그네트 요크(magnet yoke)를 구비하고, 제 2 구성유닛은 코일 쪽을 향하여 정렬된 적어도 하나의 마그네트를 갖춘 제 2 마그네트 요크를 구비한다. 상기 적어도 하나의 마그네트 영역에서 제 1 마그네트 요크와 제 2 마그네트 요크의 수평 간격이 수직 방향을 따라 변동될 수 있음으로써, 결과적으로 액츄에이터의 작업 영역에서 제 1 구성유닛과 제 2 구성유닛 사이에서는 자기 저항력(reluctance force)이 작용하게 되고, 이 자기 저항력은 상기 두 개 구성유닛 중에 이동 구성유닛의 중력을 저지한다.
본 발명의 추가의 장점들 그리고 세부 사항은 도면을 참조하여 이루어지는 바람직한 실시예에 대한 아래의 설명에서 드러난다.
도 1은 제 1 구성유닛이 이동 가능한 제 1 실시예이고,
도 2는 제 1 구성유닛이 정지된 제 2 실시예이며,
도 3은 제 1 실시예의 변형인 제 3 실시예이다.
도 1에는 중력이 보상되는 액츄에이터 구동장치의 제 1 실시예가 도시되어 있다. 본 실시예에서 제 1 구성유닛(1)은 이동 가능하고, 액츄에이터에 의해서 정지 구성유닛(2)에 대하여 수직 방향(Z)으로 원하는 위치로 이동된다.
상기와 같은 목적을 위하여 제 1 구성유닛(1)은 제 1 마그네트 요크(3)를 구비하고, Z-방향으로 가면서 점차 좁아지는 원추형의 영역을 갖는다. 제 1 마그네트 요크(3)는 지지부(10)를 통해 실제 작업 하중(actual payload)에 연결되어 있다. 상기 작업 하중으로서는, 예를 들어 테이블이 사용될 수 있으며, 상기 테이블 상에는 가공 또는 검사를 위한 웨이퍼가 배치되어 있다. 이 경우에는 종종 웨이퍼의 표면을 검사 현미경의 영역으로 이동시키고 상기 영역에서 웨이퍼를 선명하게 투영하기 위하여, Z-방향으로 웨이퍼의 위치를 정확하게 조절할 필요가 있다. 이와 같은 테이블은 상황에 따라 다수의, 예를 들어 세 개의 액츄에이터에 의해서 고정되며, 그로 인해 웨이퍼를 기울이기 위한 추가의 자유도가 얻어진다.
제 1 마그네트 요크(3)의 원추형 영역에는 코일(4)이 배치되어 있으며, 상기 코일은 Z-방향으로 정렬된 수직 코일 축을 갖고, 말하자면 제 1 마그네트 요크(3) 둘레를 휘감는다.
제 2 구성유닛은 정지되어 있는데, 더 상세하게 말하자면 예를 들어 기계의 베이스에 단단히 연결되어 있다. 상기 제 2 구성유닛은 본 경우에는 컵 모양의 제 2 마그네트 요크(5)를 구비하며, 상기 제 2 마그네트 요크의 내부 둘레에 그리고 코일(4) 혹은 원추형 제 1 마그네트 요크(3)의 영역에는 마그네트(6)가 설치되어 있다. 모든 마그네트(6)의 자화 방향은 수평인데, 본 경우에는 제 2 마그네트 요크(5)의 수직 대칭 축 쪽을 향하거나 또는 상기 수직 대칭 축으로부터 멀어지는 쪽을 향한다. 마그네트(6)가 제 1 마그네트 요크(3)에 대하여 상대적으로 대칭으로 배열됨으로써, 상기 마그네트(6)에 의해서 야기되는 수평 인력이 상기 제 1 구성유닛(1)과 제 2 구성유닛(2) 사이에서는 상쇄된다.
제 1 마그네트 요크(3)와 제 2 마그네트 요크(5)의 수평 간격은 상기 제 1 마그네트 요크(3)가 수직 방향(Z)으로 원추형으로 형성됨으로써 수직 방향을 따라 변경된다. 다시 말하자면, 제 1 마그네트 요크(3)와 제 2 마그네트 요크(5) 사이에서는 Z-방향으로 변형 가능한 자성의 공기 갭이 형성된다. 상기 자성의 공기 갭은 실제로 단지 상기 두 개 마그네트 요크(3, 5)의 간격에 의해서만 결정된다고 말할 수 있다. 마그네트(6) 및 코일(4)은 자성의 공기 갭에서 아무것도 변경시키지 않는데, 그 이유는 상기 마그네트(6)와 코일(4)의 상대적인 자기 투과성이 약 1이기 때문이다.
마그네트 영역(6)에서 변형될 수 있는 자성의 공기 갭은 자기 저항력(R)을 야기하고, 상기 자기 저항력은 자성 공기 갭의 크기를 가급적 작게 하기 위하여 이동 구성유닛(1)을 이동시키려고 한다. 더 상세하게 말하자면, 자기 저항력(R)은 이동 구성유닛(1)의 중력(G) 그리고 그와 더불어 유효 하중도 저지한다. Z-방향으로 가면서 변형되는 자성 공기 갭의 특수한 형상에 의해서는, 자기 저항력(R)도 상기 이동 구성유닛(1)의 Z-위치에 의존하게 된다. 아래에서 더 설명되는 적합한 조치에 의해서, 이동 구성유닛(1)의 Z-위치에 의존하는 자기 저항력(R)의 선형 관계가 얻어질 수 있다. 이때에는 장치가 자기 스프링으로서 간주 될 수 있다.
기계적 스프링(7)이 이동 구성유닛(1)과 고정된 영역 사이에 추가로 배치되어 있다. 상기 기계적 스프링(7)의 계수가 자기 스프링 계수에 반대 작용을 함으로써, 결과적으로 상기 두 개 스프링의 탄력 계수는 완전히 또는 적어도 부분적으로 상쇄된다. 이때 상기 이동 구성유닛은 힘의 작용 없이 이동될 수 있거나 또는 정지 위치로부터의 곡률에 비례하는 작은 복원력에 대항하여 이동될 수 있다. 후자의 이동 방식에서의 장점은, 액츄에이터 구동장치가 작동되지 않는 경우에는 상기 이동 구성유닛이 자동으로 정지 위치로 되돌아간다는 것이다. 또한, 액츄에이터 구동장치를 작업 영역에서 임의의 위치에 정지하기 위해서는 작은 전류만이 필요하다. 따라서, 전기적인 손실 및 열 도입도 작아지며, 이와 같은 사실은 특히 매우 정확한 위치 설정이 중요한 시스템에서 장점으로 작용한다.
바람직하게 상기 정지 위치에서는 스프링(7)이 이완되고, 중력(G) 및 자기 저항력(R)은 곧바로 상쇄된다. 이때 스프링(7)은 단지 이동 구성유닛(1)을 이동시키기 위한 에너지 소비를 줄이기 위해서만 이용된다. 기계적인 스프링(7) 및 자기 스프링의 계수가 반대로 동일하면, 정지 위치로부터 변위되는 경우에는 이동 구성유닛(1)에 대하여 어떠한 탄성력도 작용하지 않게 된다. 하지만, 상기 스프링 계수들 간에 작은 양적인 차가 존재하면, 상기 변위 동작에 비례하는 복원력이 나타나고, 이 복원력은 개별 탄성력(F, R)보다는 작은 값을 가진다. 후자의 경우에는, 이동 구성유닛이 외부로부터의 에너지 공급 없이도 항상 정지 위치로 되돌아가게 된다는 장점이 얻어진다. 그와 달리 완전한 파워 자유도는 두 개 구성유닛(1, 2) 사이에서 진동 절연을 최적화한다.
본 경우에 스프링(7)은 단순한 나선형 스프링으로 도시되었다. 나선형 스프링 대신에 판 스프링 장치를 사용하면, 이와 같은 판 스프링 장치는 이동 구성유닛(1)을 위한 가이드 기능도 추가로 실행할 수 있게 된다. 수직 방향(Z)으로 이루어지는 스프링 강도의 광범위한 보상 덕분에 특히 강성의 두꺼운 판 스프링을 사용하는 것도 가능해지며, 그 결과 수직 방향(Z)을 제외한 모든 자유도가 차단된다.
코일(4) 내부에 전류를 흘려보냄으로써, 마그네트(6)의 수평 자계에서는 수직의 로렌츠 힘(lorentz force)이 생성되고, 상기 로렌츠 힘의 방향은 코일 내부를 흐르는 전류의 방향에 의존한다. 더 상세하게 말하자면, 상기 로렌츠 힘을 이용해서 이동 구성유닛(1)이 자체 정지 위치로부터 변위되어 원하는 위치로 이동되고 그곳에 고정될 수 있다. 이와 같은 목적을 위하여 통상적인 위치 센서 장치를 이용해서 원하는 위치를 매우 정확하게 조절하는 제어 회로가 구성될 수 있다.
도 1은 제 2 마그네트 요크(5)에서 제 1 마그네트 요크(3) 위의 중앙에 배치된 또 하나의 추가 마그네트(8)를 보여준다. 상기 추가 마그네트는 이동 구성유닛(1)의 중력(G)과 반대로 향하는 추가의 자기 저항력을 야기한다. 전체적으로 작용하는 자기 저항력(R)이 이동 구성유닛(1)의 Z-위치에 대하여 가급적 선형으로 의존하도록 하기 위하여, 제 1 마그네트 요크(3)는 상기 추가 마그네트(8) 쪽을 향하는 자체 상부 면에 원추형의 리세스(9)를 갖는다.
약 25 N(inclusive useful load)의 중력(G)을 갖는 이동 구성유닛(1)을 오로지 자기 저항력(R)에 의해서만 정지 위치에 고정하기 위해서는, 대략 다음과 같은 치수를 갖는 액츄에이터 구동장치가 적합하다고 입증되었다: 원추형 영역의 최대 직경이 26 mm이고, 최소 직경이 21 mm인 액츄에이터 구동장치. 상기 영역의 수직 높이가 약 14 mm인 경우에는 수직선에 대하여 약 10°의 원뿔면 기울기가 나타나게 된다. 제 2 마그네트 요크(5)의 내부 직경은 41 mm이고, 외부 직경은 45 mm이다. 마그네트(6)로서는 약 1.3 T의 유속 밀도를 갖는 Nd-Fe-B 마그네트가 사용되며, 상기 마그네트의 Z-방향으로의 높이는 약 12 mm이다. 상기 Nd-Fe-B 마그네트는 전체 내부 둘레에서 코일(4)의 높이로 배치되어 있다.
자기 저항력(R)이 중력(G)을 보상하게 되는 정지 위치는 액츄에이터의 작업 영역의 대략 중앙에 위치한다. 작업 영역은 약 +/-2 mm이다. 약 10 N/mm의 자기 탄력 계수가 얻어짐으로써, 기계적인 스프링(7)을 선택하기 위한 근거도 마련된다.
도 2는 제 2 실시예를 보여준다. 동일한 구성 부품은 제 1 실시예에 상응하는 도면 부호로 명명되었다. 제 2 실시예에서 제 1 구성유닛(1)은 정지되고, 제 2 구성유닛(2)은 이동 가능하다. 그렇기 때문에 유효 하중을 위한 지지부(10)는 제 2 마그네트 요크(5)에 연결되어 있다. 제 1 마그네트 요크(3)의 원추형 영역은 제 1 실시예에 비해 최소 직경 위에서 최대 직경을 갖는다. 따라서, 본 실시예에서도 제 1 구성유닛(1)과 제 2 구성유닛(2) 간의 자기 저항력(R)은 이동 구성유닛(2)의 동작을 저지한다. 이와 같은 내용 이외에 제 2 실시예의 기능 방식은 제 1 실시예의 기능 방식과 완전히 일치한다.
도 3에 도시된 제 3 실시예는 도 1의 제 1 실시예에 비해 추가 마그네트(8) 영역에서 작은 차이를 보인다. 본 실시예에서 상기 추가 마그네트는 제 2 마그네트 요크(5)에 정지되어 있지 않고, 오히려 제 1 마그네트 요크(3)에 정지되어 있다. 본 실시예에서도 전체적으로 작용하는 자기 저항력(R)의 선형 변형을 야기하기 위하여, 제 1 마그네트 요크(3)에는 원추형 융기부(9')가 장착되어 있다. 이와 같이 추가 마그네트(8) 및 원추형 융기부(9')로 구성된 장치는 또한 제 1 마그네트 요크(3)를 제 2 마그네트 요크(5) 내부에서 중앙에 위치 설정(centering)하고, 그로 인해 이중의 기능을 충족시킨다.
모든 실시예에서 제 1 및 제 2 마그네트 요크(3, 5) 그리고 마그네트(6) 및 코일(4)로 구성된 장치는 수직의 중심 축을 기준으로 회전 대칭이었다. 이로 인해서 모든 수평 인력이 상쇄되고, 그에 따라 이동 구성유닛(1)의 지지 동작은 큰 수평 파워를 수용할 필요가 없어진다. 상기 마그네트 요크들은 예를 들어 철, 페라이트 재료 또는 SMC(Soft Magnetic Composites; 연자성 복합체)와 같은 연자성 재료로 이루어진다. 필요한 마그네트 요크들은 바람직하게 회전 부품으로 제조될 수 있다.
그러나 다른 실시예들도 가능하다. 따라서, 한 가지 장치에서도 모든 수평 인력이 수직 평면에 대하여 대칭으로 상쇄될 수 있다. 공간적인 이유에서 상기와 같은 대칭 상태를 포기하게 되면, 수평의 인력을 흡수할 수 있기 위하여 베어링은 상응하게 치수 설계되어야만 한다.

Claims (10)

  1. 중력을 보상하는 액츄에이터 구동장치로서,
    제 1 구성유닛(1) 및 제 2 구성유닛(2)을 구비하며, 상기 두 개의 구성유닛(1, 2) 중에 하나의 구성유닛은 정지되어 있고, 두 개의 구성유닛(1, 2) 중에 다른 하나의 구성유닛은 수직 방향(Z)으로 움직일 수 있는, 중력을 보상하는 액츄에이터 구동장치에 있어서,
    상기 제 1 구성유닛(1)은 코일(4)을 갖춘 제 1 마그네트 요크(3)(magnet yoke)를 구비하고, 상기 제 2 구성유닛(2)은 코일(4) 쪽을 향하여 정렬된 적어도 하나의 마그네트(6)를 갖춘 제 2 마그네트 요크(5)를 구비하며,
    상기 적어도 하나의 마그네트(6) 영역에서 제 1 마그네트 요크(3)와 제 2 마그네트 요크(5)의 수평 간격이 수직 방향(Z)을 따라 변동하도록 되어 있고, 액츄에이터의 작업 영역에서 제 1 구성유닛(1)과 제 2 구성유닛(2) 사이에서는 자기 저항력(R)(reluctance force)이 작용하도록 되어 있고, 상기 자기 저항력은 상기 두 개 구성유닛(1, 2) 중에 이동 구성유닛의 중력(G)을 저지하고,
    상기 코일(4)은 상기 제1 마그네트 요크(3)의 둘레를 감고 있고,
    상기 제1 마그네트 요크(3)는, 제 2 마그네트 요크(5)를 향하여 상부면에, (i) 원추형 리세스(9)와 (ii) 원추형 융기부(9') 중의 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는, 중력을 보상하는 액츄에이터 구동장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 두 개의 구성유닛(1, 2) 중에 이동 구성유닛은 기계적인 스프링(7)을 통해 고정 영역에 연결되고, 상기 기계적인 스프링은 상기 두 개의 구성유닛(1, 2) 중에 이동 구성유닛에 대하여 탄성력(F)을 행사하는 것을 특징으로 하는, 중력을 보상하는 액츄에이터 구동장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 두 개의 구성유닛(1, 2) 중에 이동 구성유닛에서 작용하는 파워인 자기 저항력(R), 탄성력(F) 및 중력(G)이 상기 액츄에이터 구동장치의 정지 위치에서 상쇄되는 것을 특징으로 하는, 중력을 보상하는 액츄에이터 구동장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 스프링(7)은 정지 위치에서 이완되는 것을 특징으로 하는, 중력을 보상하는 액츄에이터 구동장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    액츄에이터의 작업 영역에서 작용을 하는 탄성력(F) 및 자기 저항력(R)은 상기 두 개의 구성유닛(1, 2) 중에 이동 구성유닛이 힘 작용 없이도 이동될 수 있도록 선택되거나, 또는 작업 영역에서 정지 위치 쪽을 향하는 복원력이 정지 위치로부터의 변위에 비례하여 작용하도록 선택되며, 이때 상기 복원력의 크기는 개별적으로 작용을 하는 탄성력(F) 및 자기 저항력(R)보다 더 작은 것을 특징으로 하는, 중력을 보상하는 액츄에이터 구동장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 자기 저항력(R)은 작업 영역에서 상기 두 개의 구성유닛(1, 2) 중에 이동 구성유닛의 변위에 비례하는 복원력을 갖는 그리고 기계적인 스프링의 탄성력과 반대로 향하는 복원력을 갖는 자기 스프링과 동일하게 작용을 하는 것을 특징으로 하는, 중력을 보상하는 액츄에이터 구동장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 두 개의 구성유닛(1, 2) 중에 이동 구성유닛은 코일(4) 내부를 흐르는 전류에 의해서 수직 방향(Z)으로 위치 설정될 수 있는 것을 특징으로 하는, 중력을 보상하는 액츄에이터 구동장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 코일(4) 내부를 흐르는 전류는 상기 두 개의 구성유닛(1, 2) 중에 이동 구성유닛에 대하여 작업 영역에서 일정한 수직의 파워를 야기하고, 상기 파워의 방향은 전류 방향에 의존하는 것을 특징으로 하는, 중력을 보상하는 액츄에이터 구동장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 코일(4)의 축이 수직으로 정렬되어 있고, 그로 인해 적어도 하나의 마그네트(6)의 수평 자화 방향에 대하여 수직으로 서있음으로써, 결과적으로 수직의 로렌츠 파워가 상기 두 개의 구성유닛(1, 2) 중에 이동 구성유닛에 대하여 작용을 하는 것을 특징으로 하는, 중력을 보상하는 액츄에이터 구동장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    두 개 이상의 마그네트(6)가 제 1 마그네트 요크(3)에 대하여 대칭으로 배치됨으로써, 상기 제 1 마그네트 요크(3)에 작용을 하는 상기 마그네트(6)의 수평 인력이 상쇄되는 것을 특징으로 하는, 중력을 보상하는 액츄에이터 구동장치.
KR1020120009525A 2011-03-15 2012-01-31 중력을 보상하는 수직 액츄에이터 구동장치 KR101900955B1 (ko)

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