KR102233438B1 - 자기부상형 스테이지 - Google Patents

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KR102233438B1 KR1020190129047A KR20190129047A KR102233438B1 KR 102233438 B1 KR102233438 B1 KR 102233438B1 KR 1020190129047 A KR1020190129047 A KR 1020190129047A KR 20190129047 A KR20190129047 A KR 20190129047A KR 102233438 B1 KR102233438 B1 KR 102233438B1
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안다훈
이재원
현규영
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공주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은, 제1 프레임; 상기 제1 프레임의 상측에 배치되는 제2 프레임; 상기 제1 프레임에 대해 상기 제2 프레임이 자기 부상되어 상대 이동하게 하도록 구성되는 구동 유닛; 및 상기 구동 유닛을 제어하여, 상기 제1 프레임에 대한 상기 제2 프레임의 자기 부상 및 상대 이동을 조절하도록 구성되는 제어 유닛을 포함하고, 상기 구동 유닛은, 상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임 중 하나에 설치되고, 원을 이루도록 배치되는 복수의 제1 단위 자석을 구비하고, 상기 복수의 제1 단위 자석은 상기 원의 원주 방향을 따라 N극과 S극이 교대되는 형태로 배열되는, 제1 자석 모듈; 및 상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임 중 다른 하나에 설치되고, 상기 제1 자석 모듈에 대응하여 배치되며, 상기 제어 유닛에 의해 조절된 복수 상의 전류가 흐르도록 구성되는 제1 코일 모듈을 포함하는, 자기부상형 스테이지를 제공한다.

Description

자기부상형 스테이지{STAGE OF MAGNETIC LEVITATION TYPE}
본 발명은 자기부상형 스테이지에 관한 것이다.
일반적으로, 스테이지(stage)는 수백 밀리미터(mm)의 영역에서 나노미터(nm) 급의 정밀도로 대상물을 이송할 수 있는 장치이다. 이는 반도체의 웨이퍼 및 액정표시패널(LCD) 등의 대상물에 대한 정밀검사를 위한 스캐닝 장치와, 반도체 가공기 및 정밀 가공기 등에 사용될 수 있다.
스테이지 분야에서 초정밀 위치결정을 위해서는, 수직력을 생성하는 복수의 보이스 코일 모터(Voice coil motor)과 수평력을 생성하는 복수의 보이스 코일 모터를 이용하여 6 자유도 구동력을 구현하기도 한다.
보이스 코일 모터는 비교적 작은 구동범위(수 mm 이내)를 가지고, 코일과 자석 간의 공극이 좁아 회전 허용이 가능한 범위가 작다(수백~수천 arcsec). 공극을 넓게 설계한다 하더라도, 높은 추력(자기선속 밀도 감소)을 갖는 것이 불가하고, 회전 시 구동특성(인가전류와 구동력의 관계 또는 기생방향의 힘 증가)이 크게 변하여 정밀 모션 구현에 부적합하다.
더불어, 다상 코일과 2차원 자석 배열을 이용한 대면적 평면구동 자기부상 기술도 사용되고 있다. 그러나 이 기술 또한 회전 모션의 가능 범위가 매우 작은 것으로 알려져 있다.
따라서 종래 기술에서는, 대상물의 회전을 위해서 1) 별도의 회전기구를 추가 설치하거나, 2) 외부의 로봇 아암 등에 의해 회전을 구현하였다. 1)의 경우 별도 기구로 인해 전체 시스템의 높이가 증가하고 그 구조가 복잡해지게 된다. 2)의 경우는 외부에서 별도로 로봇 아암을 구현해야 하므로 전체 시스템이 복잡해진다.
본 발명의 일 목적은, 별도의 외부 장치의 추가 없이도 코일과 자석 간에 발생하는 로렌츠의 힘에 의해 대상물을 종래보다 큰 범위로 회전시킬 수 있게 하는, 자기부상형 스테이지를 제공하는 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 자기부상형 스테이지는, 제1 프레임; 상기 제1 프레임의 상측에 배치되는 제2 프레임; 상기 제1 프레임에 대해 상기 제2 프레임이 자기 부상되어 상대 이동하게 하도록 구성되는 구동 유닛; 및 상기 구동 유닛을 제어하여, 상기 제1 프레임에 대한 상기 제2 프레임의 자기 부상 및 상대 이동을 조절하도록 구성되는 제어 유닛을 포함하고, 상기 구동 유닛은, 상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임 중 하나에 설치되고, 원을 이루도록 배치되는 복수의 제1 단위 자석을 구비하고, 상기 복수의 제1 단위 자석은 상기 원의 원주 방향을 따라 N극과 S극이 교대되는 형태로 배열되는, 제1 자석 모듈; 및 상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임 중 다른 하나에 설치되고, 상기 제1 자석 모듈에 대응하여 배치되며, 상기 제어 유닛에 의해 조절된 복수 상의 전류가 흐르도록 구성되는 제1 코일 모듈을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 단위 자석은, 상기 제1 자석 모듈의 외주 경계선 또는 내주 경계선의 일부를 이루는 원호형의 외주변 및 내주변; 및 상기 외주변과 상기 내주변의 인접한 단부들을 연결하는 제1 연결선 및 제2 연결선을 포함하고, 상기 제1 연결선 및 상기 제2 연결선은, 상기 원의 중심을 지향하도록 배치된 것일 수 있다.
여기서, 상기 제1 코일 모듈은, 상기 복수 상의 전류인 3상 전류에 대응하여 3개의 제1 단위 코일로 구성되는 코일 세트를 포함하고, 상기 제1 단위 코일은, 상기 제1 자석 모듈의 중심을 향한 방향을 따라 배열되는 장축을 구비할 수 있다.
여기서, 상기 코일 세트는, 상기 원의 원주 방향을 따라 배치되고, 적어도 3개가 구비될 수 있다.
여기서, 상기 구동 유닛은, 상기 제1 자석 모듈의 중심과 일치하는 중심을 갖는 제2 단위 자석을 구비하고, 상기 제2 단위 자석은 상부가 N극인 제2-1 원형 자석과 상부가 S극인 제2-2 원형 자석을 구비하는, 제2 자석 모듈; 및 상기 제2 자석 모듈에 대응하여 배치되며, 상기 제어 유닛에 의해 조절된 단상의 전류가 흐르도록 구성되는 제2 코일 모듈을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제2 자석 모듈은, 상기 제1 자석 모듈이 한정하는 영역 내에 배치될 수 있다.
여기서, 상기 제2 코일 모듈은, 상기 단상의 전류에 대응하는 제2 단위 코일을 포함하고, 상기 제2 단위 코일은, 상기 제2 자석 모듈의 원주 방향을 따라 배치되고, 적어도 2개가 구비될 수 있다.
여기서, 상기 제어 유닛은, 상기 제1 코일 모듈에 흐르는 상기 복수 상의 전류에 대해 크기 및 위상 중 적어도 하나를 제어함으로써, 상기 제2 프레임이 상기 제1 자석 모듈이 이루는 평면 내에서 직교하는 제1 축 및 제2 축과 상기 평면에 수직하여 상기 제1 축 및 상기 제2 축에 대해 직교하는 제3의 축 중 각각을 중심으로 회전하게 하고, 상기 제3 축의 방향을 따라 상기 제2 프레임이 부상되게 하여, 상기 제1 자석 모듈이 상기 제2 프레임에 설치된 경우에, 상기 제2 프레임은 상기 제3 축을 중심으로 360° 회전 가능하게 될 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 자기 부상형 스테이지는, 제1 프레임; 상기 제1 프레임의 상측에 배치되는 제2 프레임; 상기 제1 프레임에 대해 상기 제2 프레임이 자기 부상되어 상대 이동하게 하도록 구성되는 구동 유닛; 및 상기 구동 유닛을 제어하여, 상기 제1 프레임에 대한 상기 제2 프레임의 자기 부상 및 상대 이동을 조절하도록 구성되는 제어 유닛을 포함하고, 상기 구동 유닛은, 상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임 중 하나에 설치되고, 가상의 원의 원주 중 적어도 일부 구간에 배치되는 복수의 제1 단위 자석을 구비하며, 상기 복수의 제1 단위 자석은 상기 가상의 원의 원주 방향을 따라 N극과 S극이 교대하도록 배열되는, 제1 자석 모듈; 및 상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임 중 다른 하나에 설치되고, 상기 제1 자석 모듈에 대응하여 배치되며, 상기 제어 유닛에 의해 조절된 복수 상의 전류가 흐르도록 구성되는 제1 코일 모듈을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 자석 모듈은, 상기 복수의 제1 단위 자석이 연속적으로 이어서 배열되는 자석 세트를 포함하고, 상기 자석 세트는, 상기 가상의 원의 중점을 중심으로 동일한 각도 간격을 갖도록 배치되는 복수 개로 구비될 수 있다.
여기서, 상기 제1 코일 모듈은, 상기 복수 상의 전류에 대응하여 복수 개의 제1 단위 코일이 이루는 코일 세트를 포함하고, 상기 코일 세트는, 복수 개로 구비되고, 각각은 상기 복수의 자석 세트 각각에 대응하게 배치될 수 있다.
여기서, 상기 구동 유닛은, 상기 제1 자석 모듈의 중심과 일치하는 중심을 갖는 제2 단위 자석을 구비하고, 상기 제2 단위 자석은 상부가 N극인 제2-1 원호형 자석과 상부가 S극인 제2-2 원호형 자석을 구비하는, 제2 자석 모듈; 및 상기 제2 자석 모듈에 대응하여 배치되며, 상기 제어 유닛에 의해 조절된 단상의 전류가 흐르도록 구성되는 제2 코일 모듈을 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 자기부상형 스테이지에 의하면, 제1 프레임의 상측에 배치되는 제2 프레임에는 대상물이 얹혀지고, 제1 프레임에 대해 제2 프레임이 이동되게 하는 구동 유닛은 제어 유닛에 의해 제어되는데, 이 구동 유닛은 제1 자석 모듈과 제1 코일 모듈 간에 발생하는 로렌츠의 힘에 의해 제2 프레임이 이동되게 한다. 여기서, 제1 자석 모듈에서 제1 단위 자석은 복수 개로서 원을 이루도록 배열되고 원주 방향을 따라 N극과 S극이 교대되는 형태로 배열되고, 제1 코일 모듈은 제어 유닛에 의해 조절된 복수 상의 전류가 흐르게 되며 제1 자석 모듈에 대응하여 배치됨으로써, 제1 자석 모듈과 제1 코일 모듈 간에 작용하는 로렌츠의 힘에 의해 그들 간의 상대 회전이 넓은 범위로, 최대 360°를 넘어서 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기부상형 스테이지(100)에 대한 개념도이다.
도 2는 도 1의 구동 유닛(150)의 일 예를 보인 구동 유닛(200)에 대한 사시도이다.
도 3은 도 2의 구동 유닛(200)에 대한 평면도이다.
도 4는 도 2의 구동 유닛(200)의 일 변형예에 따른 구동 유닛(200A)을 보인 사시도이다.
도 5는 도 2의 구동 유닛(200)의 다른 일 변형예에 따른 구동 유닛(200B)을 보인 평면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구동 유닛(300)을 보인 사시도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자기부상형 스테이지에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기부상형 스테이지(100)에 대한 개념도이다.
본 도면을 참조하면, 스테이지(100)는, 제1 프레임(110), 제2 프레임(130), 구동 유닛(150), 그리고 제어 유닛(170)을 포함할 수 있다.
제1 프레임(110)은 스테이지(100)의 베이스를 이루는 구성이 될 수 있다. 제1 프레임(110)은, 예를 들어 지면에 지지된 채로 놓여질 수 있다. 이와 달리, 제1 프레임(110)은 다른 프레임 상에 이동 가능하게 설치된 것일 수도 있다.
제2 프레임(130)은 제1 프레임(110)의 상측에 배치되고, 대상물을 지지하는 구성이다. 제2 프레임(130)은 대상물과 함께 제1 프레임(110)에 대해 상대 이동하게 된다.
구동 유닛(150)은 제2 프레임(130)을 제1 프레임(110)에 대해 자기 부상시켜 상대 이동시키는 구동력을 발생시키는 구성이다. 이를 위해, 구동 유닛(150)은 자석 모듈(151)과 코일 모듈(155)을 포함할 수 있다. 자석 모듈(151)이 제2 프레임(130)에 설치되는 것이라면, 코일 모듈(155)은 그에 대응하여 제1 프레임(110)에 설치된다. 이와 반대로, 자석 모듈(151)이 제1 프레임(110)에 설치되고, 그에 대응하여 코일 모듈(155)이 제2 프레임(130)에 설치되는 것도 가능하다. 코일 모듈(155)에 흐르는 전류에 의해 자석 모듈(151)과 코일 모듈(155) 간에 로렌츠의 힘이 발생함에 의해, 위의 자기 부상과 상대 이동이 이루어지게 된다.
자기 부상은 제3 축(Z) 방향으로 제2 프레임(130)이 부상하는 상태를 말한다. 상대 이동은 제1 축(X) 및/또는 제2 축(Y) 방향으로 병진 운동하는 것과 아울러, 제1 축(X) 내지 제3 축(Z)을 중심으로 한 회전(θx, θy, θz)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 축(X)과 제2 축(X)은 자석 모듈(151)이 이루는 평면 내에서 서로 직교하는 축들이고, 제3 축(Z)은 상기 평면에 수직하여 제1 축(X)과 제2 축(X) 각각에 직교하게 된다.
제어 유닛(170)은 구동 유닛(150), 구체적으로 코일 모듈(155)에 인가되는 전류를 제어하여, 제1 프레임(110)에 대한 제2 프레임(130)의 자기 부상 및 상대 이동을 조절하도록 구성된다. 이를 위해, 제어 유닛(170)은 코일 모듈(155)에 흐르는 전류에 대한 크기 및 위상 중 적어도 하나를 제어하게 된다. 자석 모듈(151)이 제2 프레임(130)에 설치되고 코일 모듈(155)이 제1 프레임(110)에 설치된 경우라면, 제2 프레임(130)은 제3 축(Z)을 중심으로 360° 회전 가능하게 된다. 자석 모듈(151)에는 제어 유닛(170)과 전류 인가를 위한 전선이 연결되지 않기 때문이다. 또한, 전선 연결이 없기에 제2 프레임(130)에 대해서는 외란이 감소하고, 열 발생도 없어 대상물도 열에 의한 영향에서 자유롭게 된다. 나아가, 코일 모듈(155)에서 발생하는 열에 대처하기 위하여, 그의 하측에는 냉각 시스템(미도시)이 구비될 수 있다.
이상의 구동 유닛(150)에 대해서는, 도 2 내지 도 6을 참조하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 도 2는 도 1의 구동 유닛(150)의 일 예를 보인 구동 유닛(200)에 대한 사시도이고, 도 3은 도 2의 구동 유닛(200)에 대한 평면도이다. 본 도면들에서는, 설명의 편의상 구동 유닛(150)에 대한 참조 번호를 200으로 부여하여 설명한다.
본 도면들을 참조하면, 구동 유닛(200)은, 제1 자석 모듈(210), 제1 코일 모듈(230), 제2 자석 모듈(250), 그리고 제2 코일 모듈(270)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 자석 모듈(210) 및 제2 자석 모듈(250)은 앞서의 자석 모듈(151)에 대응하고, 제1 코일 모듈(230) 및 제2 코일 모듈(270)은 앞서의 코일 모듈(155)에 대응하는 것이다.
제1 자석 모듈(210)은 복수의 제1 단위 자석(211)을 구비한다. 복수의 제1 단위 자석(211)은 원을 이루도록 배치된다. 구체적으로, 복수의 제1 단위 자석(211)은 상기 원의 원주 방향을 따라 N극과 S극이 교대되는 형태로 연속적으로 배열될 수 있다.
이러한 원형의 배치를 위해서, 제1 단위 자석(211)은 그에 적합한 형상을 갖게 된다. 구체적으로, 제1 단위 자석(211)의 윤곽선은 자석 내주변(211a), 자석 외주변(211b), 제1 자석 연결선(211c), 그리고 제2 자석 연결선(211d)으로 구성될 수 있다. 자석 내주변(211a)과 자석 외주변(211b) 각각은 제1 자석 모듈(210)의 외주 경계선 또는 내주 경계선의 일부를 이루는 원호 형상을 가질 수 있다. 제1 자석 연결선(211c)과 제2 자석 연결선(211d)은 자석 내주변(211a)과 자석 외주변(211b)의 인접한 단부들을 연결하는 직선들로서, 각각 상기 원의 중심(C)을 지향하며 상기 원의 중심(C)으로 갈수록 간격이 점차 좁아지게 배치될 수 있다.
제1 코일 모듈(230)은 제1 자석 모듈(210)에 대응하게 배치되고, 제어 유닛(170, 도 1 참조)에 의해 조절된 복수 상의 전류가 흐르도록 구성된다. 본 실시예에서는, 복수 상의 전류로서 3상 전류가 인가되는 경우에 대응하여, 제1 코일 모듈(230)이 3개의 제1 단위 코일(231)로 구성된 코일 세트(235)를 갖는 경우를 예시하고 있다. 2상인 경우 2개의 제1 단위 코일(231)이 코일 세트(235)를 구성하고, 4상인 경 4개의 제1 단위 코일(231)이 코일 세트(235)를 구성하면 된다. 제1 단위 코일(231)은 상전도 코일 또는 초전도 코일일 수 있다.
코일 세트(235)는 역시 복수 개로 구비될 수 있다. 본 실시예에서 코일 세트(235)는 4개로서, 원주 방향을 따라 90° 간격으로 이격 배치될 수 있다. 그러나, 코일 세트(235)는 4개로 제한되지 않고, 3개 이상이면 가능하다. 3개의 코일 세트(235)가 사용되는 경우에, 그들은 정삼각형을 이루도록 배열될 수 있다. 코일 세트(235)에서 제1 단위 코일(231)은 제1 단위 자석(211)과 대체로 유사하게, 코일 내주변(231a), 코일 외주변(231b), 제1 코일 연결선(231c), 그리고 제2 코일 연결선(231d)으로 구성될 수 있다. 코일 내주변(231a)은 제1 단위 자석(211) 보다 상기 원의 중심에 가까이 위치한다. 코일 외주변(231b)은 제1 단위 자석(211) 보다 상기 원의 중심에서 멀리 위치하고, 코일 내주변(231a) 보다 큰 길이를 가진다. 제1 코일 연결선(231c)과 제2 코일 연결선(231d)은 코일 내주변(231a)과 코일 외주변(231b)의 인접한 단부들을 연결하는 선들로서, 각각 원의 중심(C)을 지향하도록 배치된다. 제1 코일 연결선(231c)과 제2 코일 연결선(231d)은 코일 외주변(231b)에서 코일 내주변(231a)으로 갈수록 간격이 점차로 좁아지게 배치된다.
제2 자석 모듈(250)은 제1 자석 모듈(210)이 배치된 평면에 배치되는 것일 수 있다. 구체적으로, 제2 자석 모듈(250)은 제1 자석 모듈(210)의 중심(C)과 일치하는 중심을 갖는 제2 단위 자석(251,255)을 가질 수 있다. 제2 단위 자석(251,255)은, 구체적으로 제2-1 원형 자석(251)과 제2-2 원형 자석(255)을 가질 수 있다. 제2-1 원형 자석(251)은 제2-2 원형 자석(255)보다 작은 직경을 가져서, 제2-2 원형 자석(255)의 내부에 배치될 수 있다. 제2-1 원형 자석(251)은 상부가 N극인 자석이라면, 제2-2 원형 자석(255)은 상부가 S극인 원형 자석이다. 이러한 제2 자석 모듈(250)은 제1 자석 모듈(210)이 한정하는 영역 내에 배치될 수 있다.
제2 코일 모듈(270)은 제2 자석 모듈(250)에 대응하여 배치되고, 제어 유닛(170, 도 1 참조)에 의해 조절된 단상의 전류가 흐르도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 단상의 전류는 제2 단위 코일(271)에 흐르게 된다. 제2 단위 코일(271)은 제2 자석 모듈(250)의 원주 방향을 따라 배치되고, 적어도 2개로 구비될 수 있다. 본 실시예에서는, 제2 단위 코일(271)은 제1 코일 세트(235)에 대응하여 원주 방향을 따라 90° 간격으로 4개가 배치되어 있다. 제2 단위 코일(271) 역시 그의 장축은 중심(C)을 향하는 방향으로 배열될 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 제1 자석 모듈(210)과 제1 코일 모듈(230) 간에는, 제어 유닛(190, 도 1 참조)에서의 전류의 제어에 따라, 추진력과 부상력이 발생할 수 있다. 구체적으로, 제1 단위 코일(231)의 장축(231a)에 수직한 방향으로 Fx1, Fx2, Fy1, 및 Fy2와 같은 추진력이 발생할 수 있다. 또한, 제1 단위 코일(231)이 이루는 평면에 수직한 제3 축(Z) 방향으로, 부상력인 Fz1, Fz2, Fz3, 및 Fz4가 발생하게 된다.
이러한 추진력과 부상력에 의해, 4 자유도 구동력이 발생하게 된다. 구체적으로, 부상력으로서 제3 축(Z) 방향으로의 힘인 Fz가 발생하고, 회전력으로서 θx, θy, θz 방향으로 회전되게 하는 힘이 발생하게 된다.
Fz는 각 코일 세트(235) 측에서 발생하는 부상력인 Fz1, Fz2, Fz3, 및 Fz4의 합으로 구성된다. θx 방향으로 회전력은 Fz2 및 Fz4의 조합에 의해 결정된다. θy 방향 회전력은 Fz1 및 Fz3의 조합에 의해 결정된다. θz 방향 회전력은 Fx1, Fx2, Fy1, 및 Fy2의 조합에 의해 결정된다. 제2 프레임(130, 도 1 참조) 및 대상물의 기울어짐을 해소하기 위해 일정 예각 범위에서 제2 프레임(130)의 기울기를 바로 잡는 θx 및 θy의 작은 회전 범위에 비하여, θz는 360° 범위의 큰 회전으로 이어질 수 있다. 이는 제1 코일 모듈(230)이 회전한다고 하여도, 제1 코일 모듈(230)과 제1 자석 모듈(210) 간의 관계는 그대로 유지되어, θz 방향으로의 회전력이 지속 작용하기 때문이다.
제2 자석 모듈(250)과 제2 코일 모듈(270) 간에는, 제어 유닛(190, 도 1 참조)에서의 전류의 제어에 따라, 추진력만이 발생할 수 있다. 제2 코일 모듈(270)에서 상 변화가 없으므로, 부상력은 발생하지 않게 된다. 구체적으로, 제2 단위 코일(271)의 장축(271a)에 수직한 방향으로 Fx1, Fx2, Fy1, 및 Fy2와 같은 추진력이 발생할 수 있다.
그래서, 이상의 4 자유도에 더하여, 제2 자석 모듈(250) 및 제2 코일 모듈(270)은 추가적인 2 자유도 구동력을 발생시킬 수 있다. 2 자유도 구동력은, 제1 축(X) 방향으로의 힘인 Fx, 그리고 제2 축(Y) 방향으로의 힘인 Fy가 될 수 있다. Fx는 Fx1 및 Fx2에 의해 결정되고, Fy는 Fy1 및 Fy2에 의해 결정될 수 있다. 이러한 2 자유도 구동력은 제1 자석 모듈(210)과 제1 코일 모듈(230) 간에 발생하는 Fx1, Fx2, Fy1, 및 Fy2에 의해서도 달성될 수 있으나, 그러한 경우에 제1 코일 모듈(230)에 부담이 과도해지고 제어가 어려워지는 문제 등이 있다.
도 4는 도 2의 구동 유닛(200)의 일 변형예에 따른 구동 유닛(200A)을 보인 사시도이다.
본 도면을 참조하면, 구동 유닛(200A)은 앞선 실시예의 구동 유닛(200)과 달리, 제1 자석 모듈(210) 및 제1 코일 모듈(230)이 내측에 위치하고, 제2 자석 모듈(250) 및 제2 코일 모듈(270)이 외측에 위치하게 된다.
이 경우는 앞선 실시예에 비하여 제2 프레임(130, 도 2 참조)에 대한 회전력과 부상력이 상대적으로 작다. 그러므로, 이러한 배치는 대상물의 회전 관성이 작고 질량이 큰 경우에 적합하다.
도 5는 도 2의 구동 유닛(200)의 다른 일 변형예에 따른 구동 유닛(200B)을 보인 평면도이다.
본 도면을 참조하면, 구동 유닛(200B)은 앞선 구동 유닛(200)에 비해 많은 수의 코일 세트(235)를 갖는다. 구체적으로, 코일 세트(235)는 8개 세트로 연속 배열될 수 있다.
이 경우는, 코일 세트(235)를 최대한 많은 수로 배치하여, 제2 프레임(130, 도 1 참조)에 대한 부상력과 회전력을 극대화할 수 있게 된다. 이는 대상물의 회전 관성이 크고 질량이 작은 경우에 적합하다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구동 유닛(300)을 보인 사시도이다.
본 도면을 참조하면, 구동 유닛(300)의 제1 코일 모듈(330) 및 제2 코일 모듈(370)은 앞선 실시예의 제1 코일 모듈(230) 및 제2 코일 모듈(270) 각각과 대체로 동일하다. 다만, 제1 자석 모듈(310) 및 제2 자석 모듈(350)은 앞선 실시예와 차이가 나는바, 그를 중심으로 설명한다.
먼저, 제1 자석 모듈(310)의 제1 단위 자석(311)은 가상의 원(O)의 원주 중 일부 구간에 대해서만 배치된다. 본 실시예에서 3개의 제1 단위 자석(311)이 연속적으로 배열되어 이루어진 자석 세트(315)를 이루는 경우를 예시하고 있다. 이러한 자석 세트(315)는 가상의 원(O)의 중점(C)을 중심으로 동일한 각도 간격을 갖도록 복수 개수 개로 구비될 수 있다. 본 실시예에서는, 자석 세트(315)가 90° 간격으로 4개가 배치된 것을 예시하고 있다. 하나의 자석 세트(315)에는 하나의 코일 세트(335)가 대응하여 배치된다.
제2 자석 모듈(250)에 있어서, 제2-1 자석(351)과 제2-2 자석(355)은 각기 원호형으로 형성된다. 제2-1 자석(351)과 제2-2 자석(355)은 역시 원형의 배열을 이루게 된다. 또한, 그들에 대응해서는 하나의 제2 단위 코일(371)이 배열된다.
이러한 구성에 있어서, θz 방향으로의 회전 시에, 제2 프레임(130, 도 1 참조)은 자석 세트(315)의 각도 범위인 일정 각도 범위(α)에서만 회전하게 된다. 이는 제2 프레임(130)의 θz 방향으로의 회전 범위가 한정적인 경우에 유용하다. 그 경우, 일정 각도 범위(α)를 넘어서서는 자석을 굳이 배치하지 않아도 되는 의미가 있다.
상기와 같은 자기부상형 스테이지는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
100: 자기부상형 스테이지 110: 제1 프레임
130: 제2 프레임 150,200,200A,200B,300: 구동 유닛
170: 제어 유닛 210,310: 제1 자석 모듈
230,330: 제1 코일 모듈 250,350: 제2 자석 모듈
270,370: 제2 코일 모듈

Claims (12)

  1. 제1 프레임;
    상기 제1 프레임의 상측에 배치되는 제2 프레임;
    상기 제1 프레임에 대해 상기 제2 프레임이 자기 부상되어 상대 이동하게 하도록 구성되는 구동 유닛; 및
    상기 구동 유닛을 제어하여, 상기 제1 프레임에 대한 상기 제2 프레임의 자기 부상 및 상대 이동을 조절하도록 구성되는 제어 유닛을 포함하고,
    상기 구동 유닛은,
    상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임 중 하나에 설치되고, 원을 이루도록 배치되는 복수의 제1 단위 자석을 구비하고, 상기 복수의 제1 단위 자석은 상기 원의 원주 방향을 따라 N극과 S극이 교대되는 형태로 배열되는, 제1 자석 모듈; 및
    상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임 중 다른 하나에 설치되고, 상기 제1 자석 모듈에 대응하여 배치되며, 상기 제어 유닛에 의해 조절된 복수 상의 전류가 흐르도록 구성되는 제1 코일 모듈을 포함하고,
    상기 제1 코일 모듈은, 상기 복수 상의 전류인 3상 전류에 대응하여 3개의 제1 단위 코일로 구성되는 코일 세트를 포함하고,
    상기 제1 단위 코일은,
    상기 제1 단위 자석보다 상기 원의 중심에 가까이 위치하는 코일 내주변;
    상기 제1 단위 자석보다 상기 원의 중심에서 멀리 위치하고, 상기 코일 내주변 보다 큰 길이를 갖는 코일 외주변; 및
    상기 코일 내주변과 상기 코일 외주변의 인접한 단부들을 연결하고, 상기 원의 중심을 지향하도록 각각 배치되며, 상기 코일 외주변에서 상기 코일 내주변으로 갈수록 간격이 점차로 좁아지는 제1 코일 연결선 및 제2 코일 연결선을 포함하고,
    상기 코일 세트는, 상기 원의 원주 방향을 따라 배치되고, 적어도 3개가 구비되는, 자기부상형 스테이지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단위 자석은,
    상기 제1 자석 모듈의 외주 경계선 또는 내주 경계선의 일부를 이루는 원호형의 자석 외주변 및 자석 내주변; 및
    상기 자석 외주변과 상기 자석 내주변의 인접한 단부들을 연결하는 제1 자석 연결선 및 제2 자석 연결선을 포함하고,
    상기 제1 자석 연결선 및 상기 제2 자석 연결선은,
    상기 원의 중심을 지향하도록 배치된 것인, 자기부상형 스테이지.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 구동 유닛은,
    상기 제1 자석 모듈의 중심과 일치하는 중심을 갖는 제2 단위 자석을 구비하고, 상기 제2 단위 자석은 상부가 N극인 제2-1 원형 자석과 상부가 S극인 제2-2 원형 자석을 구비하는, 제2 자석 모듈; 및
    상기 제2 자석 모듈에 대응하여 배치되며, 상기 제어 유닛에 의해 조절된 단상의 전류가 흐르도록 구성되는 제2 코일 모듈을 포함하는, 자기부상형 스테이지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 자석 모듈은,
    상기 제1 자석 모듈이 한정하는 영역 내에 배치되는, 자기부상형 스테이지.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 코일 모듈은,
    상기 단상의 전류에 대응하는 제2 단위 코일을 포함하고,
    상기 제2 단위 코일은,
    상기 제2 자석 모듈의 원주 방향을 따라 배치되고, 적어도 2개가 구비되는, 자기부상형 스테이지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은,
    상기 제1 코일 모듈에 흐르는 상기 복수 상의 전류에 대해 크기 및 위상 중 적어도 하나를 제어함으로써, 상기 제2 프레임이 상기 제1 자석 모듈이 이루는 평면 내에서 직교하는 제1 축 및 제2 축과 상기 평면에 수직하여 상기 제1 축 및 상기 제2 축에 대해 직교하는 제3의 축 중 각각을 중심으로 회전하게 하고, 상기 제3의 축의 방향을 따라 상기 제2 프레임이 부상되게 하여,
    상기 제1 자석 모듈이 상기 제2 프레임에 설치된 경우에, 상기 제2 프레임은 상기 제3의 축을 중심으로 360° 회전 가능하게 되는, 자기부상형 스테이지.
  9. 제1 프레임;
    상기 제1 프레임의 상측에 배치되는 제2 프레임;
    상기 제1 프레임에 대해 상기 제2 프레임이 자기 부상되어 상대 이동하게 하도록 구성되는 구동 유닛; 및
    상기 구동 유닛을 제어하여, 상기 제1 프레임에 대한 상기 제2 프레임의 자기 부상 및 상대 이동을 조절하도록 구성되는 제어 유닛을 포함하고,
    상기 구동 유닛은,
    상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임 중 하나에 설치되고, 가상의 원의 원주 중 적어도 일부 구간에 배치되는 복수의 제1 단위 자석을 구비하며, 상기 복수의 제1 단위 자석은 상기 가상의 원의 원주 방향을 따라 N극과 S극이 교대하도록 배열되는, 제1 자석 모듈; 및
    상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임 중 다른 하나에 설치되고, 상기 제1 자석 모듈에 대응하여 배치되며, 상기 제어 유닛에 의해 조절된 복수 상의 전류가 흐르도록 구성되는 제1 코일 모듈을 포함하고,
    상기 제1 코일 모듈은, 상기 복수 상의 전류인 3상 전류에 대응하여 3개의 제1 단위 코일로 구성되는 코일 세트를 포함하고,
    상기 제1 단위 코일은,
    상기 제1 단위 자석보다 상기 원의 중심에 가까이 위치하는 코일 내주변;
    상기 제1 단위 자석보다 상기 원의 중심에서 멀리 위치하고, 상기 코일 내주변 보다 큰 길이를 갖는 코일 외주변; 및
    상기 코일 내주변과 상기 코일 외주변의 인접한 단부들을 연결하고, 상기 원의 중심을 지향하도록 각각 배치되며, 상기 코일 외주변에서 상기 코일 내주변으로 갈수록 간격이 점차로 좁아지는 제1 코일 연결선 및 제2 코일 연결선을 포함하는, 자기부상형 스테이지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 자석 모듈은,
    상기 복수의 제1 단위 자석이 연속적으로 이어서 배열되는 자석 세트를 포함하고,
    상기 자석 세트는,
    상기 가상의 원의 중점을 중심으로 동일한 각도 간격을 갖도록 배치되는 복수 개로 구비되는, 자기부상형 스테이지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 코일 모듈은,
    상기 복수 상의 전류에 대응하여 복수 개의 제1 단위 코일이 이루는 코일 세트를 포함하고,
    상기 코일 세트는,
    복수 개로 구비되고, 각각은 상기 복수의 자석 세트 각각에 대응하게 배치되는, 자기부상형 스테이지.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 구동 유닛은,
    상기 제1 자석 모듈의 중심과 일치하는 중심을 갖는 제2 단위 자석을 구비하고, 상기 제2 단위 자석은 상부가 N극인 제2-1 원호형 자석과 상부가 S극인 제2-2 원호형 자석을 구비하는, 제2 자석 모듈; 및
    상기 제2 자석 모듈에 대응하여 배치되며, 상기 제어 유닛에 의해 조절된 단상의 전류가 흐르도록 구성되는 제2 코일 모듈을 포함하는, 자기부상형 스테이지.
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