KR19990025693U - 센서 증폭기 내장형 자기 부상 직선 운동 테이블 - Google Patents

Abstract

개시된 초정밀 장비는 센서 증폭기 내장형 자기 부상 직선 운동 테이블에 관한 것이다. 본 고안은 리니어 가이드를 갖는 베드와, 상기 리니어 가이드로 지지되고 리니어 모터와 리니어 스케일로 이송되는 Y축 테이블과, 상기 Y축 테이블을 베드로 사용하고 복수개의 자기 베어링으로 지지되며 리니어 모터와 리니어 스케일로 이송되는 X축 테이블과, 상기 X축 테이블 상단에 장착되어 상기 자기 베어링의 신호의 레벨을 안정화시키는 센서 증폭기 및 상기 리니어 모터의 구동 및 상기 자기 베어링의 구동을 제어하기 위한 주 제어부로 구성된다. 따라서, 자기 베어링에 의하여 테이블이 자기 부상된 상태에서 완전한 무마찰로 인해 적은 구동력으로도 정밀한 직선 운동을 얻을 수 있으며, 자기 베어링에 내장된 센서 및 센서 증폭기에 의하여 테이블의 정확한 변위를 측정하고 그 신호를 궤환시켜 제어함으로써 외부 하중이나 외란 등에 대하여 능동적으로 작용하게 된다.

Description

센서 증폭기 내장형 자기 부상 직선 운동 테이블

본 고안은 초정밀 장비에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 센서 증폭기 내장형 자기 부상 직선 운동 테이블에 관한 것이다.

최근 들어 반도체 산업, 광학 산업 등의 급속한 발전으로 인한 각종 초정밀 기계의 수요가 늘어나고 있다. 특히 반도체 장비, 초정밀 가공기기 및 측정장비 등의 정밀도를 좌우하는 요소인 직선 운동 유닛의 개발이 시급하여 이에 대한 연구개발 및 기초 기술 확보가 중요한 시점에 이르게 되었다.

현재 사용 중인 센서소자 검사 장비의 경우 수동 방식으로서 소자를 검사하기 위해 이송 테이블 및 현미경 등을 일일이 수작업에 의해 조정하여야 한다. 이는 작업능률의 저하뿐 아니라 검사의 정확도를 저하시키는 결과를 초래한다.

또한, 반도체 장비 및 광학 측정 장비 등의 초정밀 장비에는 그 핵심적인 요소로서 직선 운동 테이블이 있으며 이는 전체 시스템의 정밀도를 좌우하게 된다. 최근 초정밀 기술의 눈부신 발전으로 인해 높은 정밀도를 내는 직선 운동 장치의 연구가 많이 진행되고 있으며 그 수요 또한 많아지고 있는 추세이다.

종래의 일반적인 직선 운동 시스템의 지지 베어링으로는 볼이나 롤러 베어링이 많이 사용되고 있으나 상기한 볼과 롤러의 탄성 변형과 불균일 등에 기인한 상하방향의 흔들림과 마찰력에 의하여 위치 정밀도를 초정밀급으로 하는 데에는 한계가 있다. 따라서, 좌우상하운동이 1㎛ 이하의 높은 정밀도를 나타내기 위해서는 테이블과 안내면이 비접촉 되도록 오일이나 공기 등의 윤활 유체를 사용하여 테이블을 지지하는 유체 베어링이 많이 적용되고 있다. 특히 공기 베어링으로 지지되는 테이블의 경우 강성은 다소 작으나 공기 자체의 낮은 점성으로 인해 매우 작은 마찰손실 특성을 보이며 다른 방법에 비해 높은 정밀도를 얻는데 많이 적용되고 있다.

그러나, 종래와 같이 공기나 오일을 베어링의 윤활 유체로 사용하기 위해서는 유체를 일정한 압력으로 높이기 위한 압축기와 유체의 불순물을 제거하기 위한 필터가 필수적이며 이는 고가일 뿐만 아니라 이송 시스템의 구성이 전반적으로 커지게 되어 유지 및 관리가 힘들며 압축기의 회전에 의한 노이즈가 시스템에 영향을 미치게 되어 이송 정밀도를 높이기 위한 각별한 노력이 요구되는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 유체 베어링은 그의 특성을 결정하는 공급 압력, 오리피스의 직경, 윤활 틈새 등이 한번 결정되면 작동시 그 특성을 바꾸기 힘든, 이른바 수동 방식의 시스템으로서 사용자의 의도대로 능동적으로 제어하기 힘든 다른 문제점도 있었다.

그리고, 종래의 일부 반도체 제조 장비나 이온 빔 가공과 같은 특수 가공 장비 등에서는 진공의 환경이 필요하며 직선 운동 시스템의 안내면 윤활제로 유체가 사용될 경우 이와 같은 특수 환경에서는 시스템의 적용이 곤란한 또 다른 문제점도 있었다.

따라서, 상술한 바와 같은 종래의 유체 베어링 직선 운동 시스템의 단점들과 적용상의 한계를 극복하기 위하여 안출된 본 고안의 목적은, 자기 베어링에 의하여 테이블이 자기 부상된 상태에서 완전한 무마찰로 인해 적은 구동력으로도 정밀한 직선 운동을 얻을 수 있도록 한 센서 증폭기 내장형 자기 부상 직선 운동 테이블을 제공함에 있다.

본 고안의 다른 목적은, 자기 베어링에 내장된 센서 및 센서 증폭기에 의하여 정확한 테이블의 변위를 측정하고 그 신호를 궤환시켜 제어함으로써 외부 하중이나 외란 등에 대해 테이블이 능동적으로 작용하는 센서 증폭기 내장형 자기 부상 직선 운동 테이블을 제공함에 있다.

본 고안의 또 다른 목적은, 자기 베어링의 전자석에 공급되는 전류의 전류선과 센서의 센서선의 교차로 인한 간섭 현상과 센서선이 길어짐으로 인하여 발생하는 여러 가지 노이즈 현상 등을 줄이도록 한 센서 증폭기 내장형 자기 부상 직선 운동 테이블을 제공함에 있다.

도 1은 본 고안에 따른 센서 증폭기 내장형 자기 부상 직선 운동 테이블의 바람직한 실시예를 나타낸 사시도,

도 2는 도 1의 요부 정면도,

도 3은 본 고안에 따른 센서 증폭기 내장형 자기 부상 직선 운동 테이블의 요부 절결 사시도,

도 4는 본 고안에 따른 X축 테이블의 발췌 사시도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 베드 11 : 리니어 가이드

12, 21 : 리니어 모터 13, 22 : 리니어 스케일

20 : Y축 테이블 23 : 가이드 플레이트

24 : 볼트 25 : 라미네이티드 가이드

30 : X축 테이블 31 : 웨이퍼 지지대

32 : 센서 증폭기 40 : 자기 베어링

41 : 전자석 42 : 센서

50 : 주 제어부 51 : 서보 앰프

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 센서 증폭기 내장형 자기 부상 직선 운동 테이블의 특징은, 리니어 가이드를 갖는 베드와, 상기 리니어 가이드로 지지되고 리니어 모터와 리니어 스케일로 이송되는 Y축 테이블과, 상기 Y축 테이블을 베드로 사용하고 복수개의 자기 베어링으로 지지되며 리니어 모터와 리니어 스케일로 이송되는 X축 테이블과, 상기 X축 테이블에 내장되어 상기 자기 베어링의 신호의 레벨을 안정화시키는 센서 증폭기 및 상기 리니어 모터의 구동 및 상기 자기 베어링의 구동을 제어하기 위한 주 제어부로 구성된다.

상기 센서 증폭기는 전하전달법 센서 증폭기가 적용됨이 바람직하다.

상기 Y축 테이블은 그 양측의 상부와 측면에 가이드 플레이트를 고정하여 구성하되, 상기 가이드 플레이트가 변형이 가지 않으면서 고정되도록 볼트를 엇갈리게 고정하고, 그 내측의 상하 및 측벽에는 각각 라미네이티드 가이드가 마련된다.

상기 복수개의 자기 베어링은 상기 Y축 테이블의 라미네이티드 가이드에 대향하여 자기력을 발생하는 전자석 및 그 변위를 측정하는 센서로 구성된다.

상기 주 제어부는 상기 리니어 모터의 구동을 제어하는 서보 앰프를 포함하여 구성된다.

따라서, 테이블이 자기 부상된 상태에서 완전한 무마찰로 인해 적은 구동력으로도 정밀한 직선 운동을 얻을 수 있으며, 자기 베어링에 내장된 센서 및 테이블에 내장된 센서 증폭기에 의하여 테이블의 정확한 변위를 측정하고 그 신호를 궤환시켜 제어함으로써 외부 하중이나 외란 등에 대하여 능동적으로 작용하게 된다.

이하, 본 고안에 따른 자기 베어링으로 지지되는 직선 운동 테이블의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 고안에 따른 센서 증폭기 내장형 자기 부상 직선 운동 테이블의 바람직한 실시예를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 정단면도이다.

도 1 및 도 2에 의하면, 베드(10)는 그 상단의 양측으로 리니어 가이드(11)가 형성된다. Y축 테이블(20)은 상기 리니어 가이드(11)에 안착되어 지지되고, 그 하측에 마련된 리니어 모터(12)와 리니어 스케일(13)로 구동되어서 Y축 방향으로 이송된다.

X축 테이블(30)은 상기 Y축 테이블(20)을 베드로 사용하고 복수개의 자기 베어링(40)으로 지지되며 리니어 모터(21)와 리니어 스케일(22)로 구동되어 X축 방향으로 이송된다. 상기 리니어 모터(12)(21)는 BLDC(brushless DC)모터를 적용함이 바람직하다.

주 제어부(50)는 상기 리니어 모터(12)(21)의 구동 및 상기 자기 베어링(40)의 구동을 제어하되, 리니어 모터 구동용 서보 앰프(51) 및 컴퓨터(미도시) 등으로 구성된다. 상기 리니어 모터(12)(21)를 구동하기 위한 서보 앰프(51)는 BLDC 서보 앰프와 서보 앰프의 전원장치로 구성된다. 이 서보 앰프(51)는 리니어 모터(12)(21)의 홀 센서에서 나오는 신호를 받아 영구자석의 위치를 알아내어 리니어 모터(12)(21)의 헤드에 삼상의 전류를 흘려주는 역할을 한다.

도 3은 본 고안에 따른 센서 증폭기 내장형 자기 부상 직선 운동 테이블의 요부 절결 사시도이고, 도 4는 본 고안에 따른 X축 테이블을 나타낸 발췌 사시도이다.

도 3에 의하면, 상기 Y축 테이블(20)은 그 양측의 상부와 측면에 가이드 플레이트(23)를 고정하여 구성되며, 상기 가이드 플레이트(23)가 변형이 가지 않으면서 고정되도록 볼트(24)를 엇갈리게 고정한다. 상기 가이드 플레이트(23) 내측의 상하 및 측벽에는 각각 라미네이티드 가이드(25)가 마련된다. 또한, 사각형 형태의 X축 테이블(30)의 아래에 도시되지 않은 리니어 스케일 헤드와 리니어 모터 헤드가 마련된다.

따라서, 상기 X축 테이블(30)은 상기 Y축 테이블(20) 위의 수직 및 수평 방향 가이드 플레이트(23) 내측의 라미네이티드 가이드(25)를 안내면으로 하여 이송되고, 그 구동은 중앙에 위치하는 리니어 모터(21)에 의해 이루어지며 이송 위치는 리니어 스케일(22)에 의해 측정된다.

또한, 상기 X축 테이블(30) 상단에 내장되어 상기 자기 베어링(40)의 신호의 레벨을 안정화시키는 센서 증폭기(32)가 마련되며, 이 센서 증폭기(32)는 전하전달법 센서 증폭기가 적용됨이 바람직하다.

상술한 전하전달법 센서 증폭기는 CMOS 스위치를 이용하여 미지의 정전용량을 일정한 전압으로 충전시킨 후 이를 방전시켜 이때 충전되어 있던 전하가 순간 전류로 흐르게 되고 이 전류를 OP-Amp로 적분하여 정전용량에 비례하는 직류전압을 얻는 방법이다. 이 방법은 회로의 특성상 아주 넓은 주파수 대역을 가지며, 전류를 적분하여 출력을 얻기 때문에 잡음의 영향이 적고, 따로 정전용량에 비례하는 출력을 얻기 위한 부대 장치, 예로서 최고치 검출장치, 위상 검출장치 등이 필요하지 않아 회로가 간단해 진다. 또한, 특별한 스위칭 방법을 통하여 기생정전용량을 배제할 수 있으며 기본 전압 변동량도 줄일 수 있는 것이다.

또한, 상기 센서 증폭기(32)가 상기 X축 테이블(30) 상단에 마련되는 이유는 자기 베어링(40)의 전자석(41)에 공급되는 전류의 전류선과 센서(42)의 센서선의 교차로 인한 간섭 현상과 센서선이 길어짐으로 인하여 발생하는 여러 가지 노이즈 현상 등을 줄이기 위한 것이다.

도 4에 의하면, 상기 X축 테이블(30)은 그 4방 모서리에 각각의 자기 베어링(40)이 고정된다. 상기 복수개의 자기 베어링(40)은 상기 Y축 테이블(20)의 라미네이티드 가이드(25)에 대향하여 자기력을 발생하는 전자석(41) 및 그 변위를 측정하는 센서(42)로 구성한다. 이를 위하여 상기 자기 베어링(40)의 3면에는 각각의 전자석(41)과 센서(42)가 한 쌍씩 장착된다.

이와 같이 구성된 본 고안의 작용을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 고안에 따른 자기 부상 직선 운동 테이블은 리니어 가이드(11)로 지지되는 Y축과 자기 베어링(40)으로 지지되는 X축으로 구성되며, 2축 모두 리니어 모터(12)(21)로 구동된다. 상기 리니어 모터(12)(21)는 리니어 스케일(13)(22)에 의해서 위치신호를 궤환받고 이를 컴퓨터(미도시)의 DSP보드를 이용하여 제어하게 된다.

즉, Y축 테이블(20)은 베드(10) 상단 양측의 리니어 가이드(11)로 지지된 상태에서 그 하측에 마련된 리니어 모터(12)와 리니어 스케일(13)로 구동되어 Y축 방향으로 이송된다. 여기서, BLDC 서보 앰프(51)는 상기 리니어 모터(12)를 구동하기 위하여 컴퓨터(미도시)의 제어에 따라 상기 리니어 모터(12)를 제어하되, 상기 리니어 모터(12)의 홀 센서에서 나오는 신호를 받아 영구자석의 위치를 알아내고 상기 리니어 모터의 헤드에 삼상의 전류를 흘려줌으로써 상기 Y축 테이블(20)을 이송시킨다.

또한, X축 테이블(30)은 상기 Y축 테이블(20) 위의 수직 및 수평 방향의 가이드 플레이트(23) 내측의 라미네이티드 가이드(25)를 안내면으로 하여 이송되는데, 그 구동은 중앙에 위치하는 리니어 모터(21)에 의해 이루어지며 이송 위치는 리니어 스케일(22)에 의해 측정된다. 이때, 상기 X축 테이블(30)은 그 4방 모서리에 고정된 각각의 자기 베어링(40)에 의하여 상기 가이드 플레이트(23)의 라미네이티드 가이드(25) 사이에 일정한 거리로 자기 부상한 상태에서 X축 방향으로 이송된다.

즉, 상기 자기 베어링(40)은 자체에 내장된 전자석(41)의 코일에 흐르는 전류에 의하여 발생하는 자기력을 이용하여 물리적인 접촉 없이 X축 테이블(30)을 지지하게 되고, 상기 전자석(41)과 함께 내장된 센서(42)의 출력 신호를 통하여 그 변위를 측정하며 이 신호를 다시 궤환시켜 상기 전자석(41)의 코일에 흐르는 전류를 제어함으로써 항상 일정한 거리를 유지하도록 하는 것이다.

여기서, 상기 자기 베어링(40)은 주 제어부(50)의 컴퓨터(미도시)에 의하여 제어되는데, 특히 상기 자기 베어링(40)으로부터 출력되는 신호는 상기 X축 테이블(30) 상단에 내장된 센서 증폭기(32)로 직접 입력된다. 따라서, 자기 베어링(40)의 전자석(41)에 공급되는 전류의 전류선과 센서(42)의 센서선의 교차로 인한 간섭 현상과 센서선이 길어짐으로 인하여 발생하는 여러 가지 노이즈 현상 등이 줄어 들어 매우 안정된 레벨로 제어할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이 본 고안에 따른 센서 증폭기 내장형 자기 부상 직선 운동 테이블에 의하면, 자기 베어링을 통하여 상기 테이블이 자기 부상된 상태에서 완전한 무마찰로 인해 적은 구동력으로도 정밀한 직선 운동을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 자기 베어링에 내장된 센서 및 센서 증폭기에 의하여 정확한 테이블의 변위를 측정하고 그 신호를 궤환시켜 제어함으로써 외부 하중이나 외란 등에 대해 테이블이 능동적으로 작용함과 아울러, 상기 센서 증폭기가 테이블에 내장됨으로 자기 베어링의 전자석에 공급되는 전류의 전류선과 센서의 센서선의 교차로 인한 간섭 현상과 센서선이 길어짐으로 인하여 발생하는 여러 가지 노이즈 현상 등이 줄어들게 되는 다른 효과도 있다.

또한, 반도체 제조 장비나 이온 빔 가공과 같은 특수 가공 장비 등이 적용되는 진공의 환경에서도 적용이 가능함으로 그 적용상의 한계를 극복하게 되는 또 다른 효과도 있다.

본 고안은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 고안의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (5)

1. 리니어 가이드를 갖는 베드;

   상기 리니어 가이드로 지지되고 리니어 모터와 리니어 스케일로 이송되는 Y축 테이블;

   상기 Y축 테이블을 베드로 사용하고 복수개의 자기 베어링으로 지지되며 리니어 모터와 리니어 스케일로 이송되는 X축 테이블;

   상기 X축 테이블에 내장되어 상기 자기 베어링의 신호의 레벨을 안정화시키는 센서 증폭기; 및

   상기 리니어 모터의 구동 및 상기 자기 베어링의 구동을 제어하기 위한 주 제어부로 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 증폭기 내장형 자기 부상 직선 운동 테이블.
2. 제 1항에 있어서, 상기 센서 증폭기는 전하전달법 센서 증폭기가 적용되는 것을 특징으로 하는 센서 증폭기 내장형 자기 부상 직선 운동 테이블.
3. 제 1항에 있어서, 상기 Y축 테이블은 그 양측의 상부와 측면에 가이드 플레이트를 고정하여 구성하되, 상기 가이드 플레이트가 변형이 가지 않으면서 고정되도록 볼트를 엇갈리게 고정하고, 그 내측의 상하 및 측벽에는 각각 라미네이티드 가이드가 마련되는 것을 특징으로 하는 센서 증폭기 내장형 자기 부상 직선 운동 테이블.
4. 제 1항에 있어서, 상기 복수개의 자기 베어링은 상기 Y축 테이블의 라미네이티드 가이드에 대향하여 자기력을 발생하는 전자석 및 그 변위를 측정하는 센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 증폭기 내장형 자기 부상 직선 운동 테이블.
5. 제 1항에 있어서, 상기 주 제어부는 상기 리니어 모터의 구동을 제어하는 서보 앰프를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 증폭기 내장형 자기 부상 직선 운동 테이블.