KR19990039243A

KR19990039243A - 리니어 스텝 모터를 이용한 xy-스테이지

Info

Publication number: KR19990039243A
Application number: KR1019970059271A
Authority: KR
Inventors: 조정호
Original assignee: 유무성; 삼성항공산업 주식회사
Priority date: 1997-11-11
Filing date: 1997-11-11
Publication date: 1999-06-05

Abstract

본 발명에 따른 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지는, 인덕터 및 스테이터를 포함한다. 상기 인덕터는 영구 자석 및 전자석을 구비하여, 그 전자석에 흐르는 제어 전류의 방향에 따라 자력을 발생시키며, 상기 스테이터는 인덕터의 대향면에 자성체의 돌기들이 규칙적으로 배열되어, 인덕터로부터의 자력에 의하여 인덕터가 이동되도록 한다. 이와 같은 본 발명에 따르면, 리니어 스텝 모터를 사용하여 XY-스테이지를 구현함으로써, 기구적 마찰에 의한 오차가 최소화되고 미소 회전이 가능해졌으며, 또한 인덕터가 한 쪽 방향으로 처지는 현상을 최소화함으로써 구동시 진동을 방지할 수 있다는 이점이 있다.

Description

리니어 스텝 모터를 이용한 ＸＹ-스테이지

본 발명은 서보 제어 시스템의 기술 분야인 XY-스테이지에 관한 것으로서, 상세하게는 리니어 스텝 모터를 사용하여 구현된 XY-스테이지에 관한 것이다.

일반적으로, 산업 현장에서 각종 정밀 기기 등의 제작 공정 등에 사용되는 스테이지는 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동이 가능한 XY-스테이지를 구비하고 있으며, 각 스테이지는 각각의 구동 모터에 의해 직선 왕복 운동이 가능하게 되어 있다.

도 1에는 이와 같은 종래의 XY-스테이지의 개략적인 장치 구성이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 종래의 XY-스테이지(10)는, 장치를 지지하는 스테이지 베이스(11)가 마련되어 있고, 이 스테이지 베이스(11) 위로 Y 스테이지(12)가 안착되어 있고, Y 스테이지(12) 위에는 X 스테이지(13)가 안착되어 있다. 그리고, 상기 각 스테이지(12, 13)의 왕복 직선 이동의 구동력을 발생시키는 X 스테이지 구동 모터(13m)와 Y 스테이지 구동 모터(12m)가 각 스테이지(12)(13)의 일측에 각각 설치되어 있다.

도 2는 이와 같은 구조의 종래 XY-스테이지(10)가 분리된 상태를 나타내 보인 분리 사시도이다. 이에 도시된 바와 같이, X-스테이지(13)와 Y-스테이지(12)를 이동시키는 각 구동부의 중심축 일단에는 구동 모터(12m, 13m)가 각각 설치되어 있고, 이 구동 모터(12m, 13m)의 축에는 볼 스크류(ball screw)(12s, 13s)가 각각 설치되어 있다. 그리고, 볼 스크류(12s, 13s)의 양측으로는 리니어 베어링(linear bearing)(12b1, 12b2, 13b1, 13b1)이 각각 설치되어 있다.

그런데, 이와 같은 구조를 갖는 종래의 XY-스테이지(10)는 볼 스크류(12s) (13s)와 리니어 베어링(12b1, 12b2, 13b1, 13b1)에 의한 기구적 마찰로 오차가 발생하며, XY-스테이지의 미소한 회전 변위에 대한 위치 제어가 용이하지 않음으로 인하여 정밀한 위치 제어를 수행할 수 없다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 리니어 스텝 모터를 이용함으로써 기구적 마찰에 의한 오차가 최소화되고, 미소 회전이 가능하도록 된 XY-스테이지를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 XY-스테이지의 개략적인 장치 구성도이다.

도 2는 도 1의 분리 사시도이다.

도 3은 본 발명에 따른 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지의 개략적인 구조를 나타내 보인 도면이다.

도 4는 도 3의 인덕터의 자극 형성을 개략적으로 나타내 보인 도면이다.

도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지의 구동 과정을 설명하기 위하여 그 일부분을 나타내 보인 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

310...인덕터 320...스테이터

321...이(teeth) 322...베이스

311, 312...X축-인덕터 313, 314...Y축-인덕터

351, 352, 353...레이저 인터페로미터

354, 355...미러 311a...제1 전자석

311b...제2 전자석 311c...제3 전자석

311d...제4 전자석

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지는, 인덕터 및 스테이터를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 인덕터는 영구 자석 및 전자석을 구비하여, 상기 전자석에 흐르는 제어 전류의 방향에 따라 자력을 발생시킨다. 상기 스테이터는 상기 인덕터의 대향면에 자성체의 돌기들이 규칙적으로 배열되어, 상기 인덕터로부터의 자력에 의하여 상기 인덕터가 이동되도록 한다.

여기서 바람직하게는, 상기 인덕터는, 상기 제어 전류의 방향에 따라 X축 방향으로의 이동력을 발생시키는 X축-인덕터, 및 상기 제어 전류의 방향에 따라 Y축 방향으로의 이동력을 발생시키는 Y축-인덕터를 구비한다. 특히, 이와 같은 경우에 상기 X축-인덕터 및 Y축-인덕터는, 상기 영구 자석 및 상기 전자석을 각각 구비하며, 상기 스테이터에 형성된 돌기들과 함께 자력선 통로를 형성하기 위하여, 상기 스테이터의 대향면에 자성체의 돌기들이 규칙적으로 배열되어 있다. 한편, 상기 X축-인덕터는 2 개가 서로 이격되어 나란하게 위치해 있으며, 상기 Y축-인덕터는 2 개가 상기 X축-인덕터들과 직교 방향으로 서로 이격되어 나란하게 위치해 있다. 그리고, 상기 X축 및 Y축에는 상기 인덕터의 위치를 검출하는 위치 검출 센서가 더 구비된다.

이하, 본 발명에 따른 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.

도 3에는 본 발명에 따른 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지의 개략적인 구성이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지(30)는, 이동 영구 자석 및 전자석을 구비하여, 상기 전자석에 흐르는 제어 전류의 방향에 따라 자력을 발생시키는 인덕터(310), 및 이 인덕터(310)의 대향면에 자성체의 돌기로서의 이(teeth)들이 규칙적으로 배열되어, 인덕터(310)로부터의 자력에 의하여 인덕터가 이동되도록 하는 스테이터(320)를 포함한다.

상기 인덕터(310)는, X축 및 Y축으로의 직선 운동을 위하여, 제어 전류의 방향에 따라 X축 방향으로의 이동력을 발생시키는 X축-인덕터(311, 312) 및 제어 전류의 방향에 따라 Y축 방향으로의 이동력을 발생시키는 Y축-인덕터(313, 314)를 구비한다. 그리고, 이 X축-인덕터(311, 312) 및 Y축-인덕터(313, 314)에는 영구 자석 및 전자석이 각각 구비되어 있으며, 스테이터(320)의 대향면에 자성체의 이들(미도시)이 규칙적으로 배열되어 있다.

상기 스테이터(320)는 복수개인 이(321)가 규칙적으로 돌출되어 있으며, 그 베이스(322)는 비자성체로 제작된 강자성(ferromagnetic) 베이스이다.

한편, 직선 운동과 함께, 회전 운동을 하기 위하여, X축-인덕터(311, 312)는 2개가 서로 이격되어 나란하게 위치해 있으며, Y축-인덕터(313, 314)는 2개가 X-인덕터(311, 312)들과 직교 방향으로 서로 이격되어 나란하게 위치해 있다.

이와 같은 구조에 따르면, 인가되는 전류를 제어하여 인덕터(310)를 소정 각도만큼 회전시킬 수 있다. 이를 위하여, X, Y 두 축중 적어도 어느 한 축에 인덕터(310)의 위치를 검출하기 위한 2개의 위치 검출 센서(Y₁, Y₂)(351, 352)가 소정 간격으로 이격되어 배치되어 있으며, 다른 한 축에도 인덕터(310)의 위치를 검출하기 위한 1개의 위치 검출 센서(X₁)(353)가 배치되어 있다. 상기 위치 검출 센서(351, 352, 353)로는 레이저 인터페로미터(laser interferrometer)를 사용한다. 한편, 인덕터(310)의 X축 및 Y축 방향의 측면중 레이저 인터페로미터(351, 352, 353)가 있는 면에는 상기 레이저 인터페로미터(351, 352, 353)로부터의 레이저 광을 반사시키기 위한 미러(mirror)(354, 355)가 각각 부착되어 있다. 따라서, X축 및 Y축에 위치한 각 레이저 인터페로미터(351, 352, 353)로부터 측정한 값을 평균한 값을 인덕터(310)의 회전 각도로 정의하고, 이 값을 X축 인덕터(311, 312) 및 Y축 인덕터(313, 314)에 각각 가감함으로써 인덕터(310)의 회전 동작을 제어할 수 있다.

한편, 도 4에는 본 발명에 따른 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지의 인덕터(310)의 X축-인덕터(311, 312) 및 Y축-인덕터(313, 314)에 형성된 자극이 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 X축-인덕터(311)는 4개의 전자석(311a)(311b)(311c)(311d)으로 이루어져 있으며, 제2 X축-인덕터(312)도 4개의 전자석(312a)(312b)(312c)(312d)으로 이루어져 있다. 또한, 제1 Y축-인덕터(313) 및 제2 Y축-인덕터(314)도 각각 4개의 전자석(313a)(313b)(313c)(313d)(314a)(314b) (314c)(314d)으로 이루어져 있다. 상기 제1 X축-인덕터(311)의 첫 번째 전자석(311a)은 X방향(도면의 우측 방향)으로 S극이 형성되어 있으며, X반대 방향으로 N극이 형성되어 있다. 그리고, 두 번째 전자석(311b)은 X방향으로 N극이 형성되어 있으며, X반대 방향으로 S극이 형성되어 있다. 세 번째 전자석(311c)의 자극 형성 방향은 첫 번째 전자석(311a)과 동일하게 형성되어 있으며, 네 번째 전자석(311d)의 자극 형성 방향은 두 번째 전자석(311b)과 동일하게 형성되어 있다. 제2 X축-인덕터(312)의 각 전자석(312a)(312b)(312c)(312d)의 자극 형성 방향도 제1 X축-인덕터(311)의 각 전자석(311a)(311b)(311c)(311d)과 동일하게 형성되어 있다.

한편, 상기 제1 Y축-인덕터(313)의 첫 번째 전자석(313a)은 Y방향(도면의 상측 방향)으로 N극이 형성되어 있으며, Y반대 방향으로 S극이 형성되어 있다. 그리고, 두 번째 전자석(313b)은 Y방향으로 S극이 형성되어 있으며, Y반대 방향으로 N극이 형성되어 있다. 세 번째 전자석(313c)의 자극 형성 방향은 첫 번째 전자석(313a)과 동일하게 형성되어 있으며, 네 번째 전자석(313d)의 자극 형성 방향은 두 번째 전자석(313b)과 동일하게 형성되어 있다. 제2 Y축-인덕터(314)의 각 전자석(314a)(314b)(314c)(314d)의 자극 형성 방향도 제1 Y축-인덕터(313)의 각 전자석(313a)(313b)(313c)(313d)과 동일하게 형성되어 있다.

이와 같은 구조의 각 전자석에는 도 4에 표시된 바와 같은 사인 또는 코사인 형태의 입력 신호가 인가된다.

도 5a 내지 도 5d에는 이와 같은 입력 신호에 의한 구동 과정을 설명하기 위한 XY-스테이지의 일부가 도시되어 있다. 도 5a 내지 도 5d에 도시된 제1 X축-인덕터(311)을 예를 들어 본 발명에 따른 XY-스테이지의 구동 과정을 설명한다.

전류를 제1 전자석(311a) 및 제4 전자석(311d)에 각각 권선된 코일에 도 5a에 도시된 바와 같은 방향으로 공급하면, 제1 및 제4 전자석(311a, 311d)의 돌출극 A, 돌출극 C, 돌출극 F 및 돌출극 H에 형성되는 자력은 제1 및 제4전자석(311a, 311d)에 결합된 영구 자석들에 의해 형성되는 자장과 동일 방향이 되어 증가된다. 그리고, 제1 및 제2 전자석(311a, 311d)의 돌출극 B, 돌출극 D, 돌출극 E 및 돌출극 G에 형성되는 자력은 제1 및 제4 전자석(311a, 311d)에 결합된 영구 자석들에 의해 형성되는 자장과 반대 방향이 되어 상쇄된다. 따라서, 돌출극 A, 돌출극 C, 돌출극 F 및 돌출극 H의 첫 번째 이가 스테이터(320)의 이(321)와 정렬(alignment)하게 되어 인덕터(310)가 X방향의 반대 방향(도면의 화살표 방향)으로 1/4 피치만큼 이동한다. 이와 같은 이동 후, 각 돌출극의 첫 번째 이의 위치는 도시된 바와 같다. 즉, 돌출극 A, C, F 및 H의 첫 번째 이의 위치는 0 즉, 정렬 상태이며, 돌출극 B, D, E 및 G의 첫 번째 이의 위치는 2/4피치이다. 그리고, 돌출극 I, K, N 및 P의 첫 번째 이의 위치는 1/4피치이며, 돌출극 J, L, M 및 O의 첫 번째 이의 위치는 3/4피치이다.

다음에, 전류를 제2 전자석(311b) 및 제3 전자석(311c)에 각각 권선된 코일에 도 5b에 도시된 바와 같이 공급하면, 돌출극 J, 돌출극 L, 돌출극 M 및 돌출극 O에 형성되는 자력은 제2 및 제3 전자석(311b, 311c)에 결합된 영구 자석에 의해 형성되는 자장과 각각 동일 방향이 되어 증가된다. 그리고, 돌출극 I, 돌출극 K, 돌출극 N 및 돌출극 P에 형성되는 자력은 제2 및 제3 전자석(311b, 311c)에 결합된 영구 자석에 의해 형성되는 자장과 각각 반대 방향이 되어 상쇄된다. 따라서, 돌출극 J, 돌출극 L, 돌출극 M 및 돌출극 O의 첫 번째 이가 스테이터(320)의 이(321)와 정렬하게 되어 인덕터(310)가 화살표 방향(-X방향)으로 1/4 피치만큼 더 이동한다. 이와 같이 이동한 후에, 각 돌출극의 첫 번째 이의 위치는 도시된 바와 같다.

한편, 전류를 제1 전자석(311a) 및 제4 전자석(311d)에 각각 권선된 코일에 도 5c에 도시된 바와 같은 방향으로 공급하면, 돌출극 B, 돌출극 D, 돌출극 E 및 돌출극 G에 형성되는 자력은 제1 및 제4 전자석(311a, 311d)에 결합된 영구 자석에 의해 형성되는 자장과 각각 동일 방향이 되어 증가된다. 그리고, 돌출극 A, 돌출극 C, 돌출극 F 및 돌출극 H에 형성되는 자력은 제1 및 제4 전자석(311a, 311d)에 결합된 영구 자석에 의해 형성되는 자장과 각각 반대 방향이 되어 상쇄된다. 따라서, 돌출극 B, D, E 및 G의 첫 번째 이가 스테이터(320)의 이(321)와 정렬하게 되어 인덕터(310)가 화살표 방향(-X방향)으로 1/4 피치만큼 더 이동한다. 이와 같이 이동한 후에, 각 돌출극의 첫 번째 이의 위치는 도시된 바와 같다.

그리고, 전류를 제2 전자석(311b) 및 제3 전자석(321c)에 각각 권선된 코일에 도 5d에 도시된 바와 같이 공급하면, 돌출극 I, 돌출극 K, 돌출극 N 및 돌출극 P에 형성되는 자력은 제2 및 제3 전자석(311b, 311c)에 결합된 영구 자석에 의해 형성되는 자장과 각각 동일 방향이 되어 증가된다. 그리고, 돌출극 J, 돌출극 L, 돌출극 M 및 돌출극 O에 형성되는 자력은 제2 및 제3 전자석(311b, 311c)에 결합된 영구 자석에 의해 형성되는 자장과 각각 반대 방향이 되어 상쇄된다. 따라서, 돌출극 I, K, N 및 P의 첫 번째 이가 스테이터(320)의 이(321)와 정렬하게 되어 인덕터(310)가 화살표 방향(-X방향)으로 1/4 피치만큼 더 이동한다. 이와 같이 이동한 후에, 각 돌출극의 첫 번째 이의 위치는 도시된 바와 같다.

이와 같은 원리로 전기한 바와 같은 전류 공급 방향과 반대 방향으로 전류를 공급하면, 반대 방향인 X방향으로 인덕터(310)를 이동시킬 수 있다. Y방향, 또는 Y방향과 반대 방향으로 인덕터(310)를 이동시키기 위해서는 이미 설명한 원리와 동일한 원리를 사용하여 전류를 공급하여 주면 된다. 또한, X축-인덕터(311, 312) 및 Y축-인덕터(313, 314)에 전류를 동시에 공급하여 줌으로써 인덕터(310)를 회전시킬 수 있다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 XY-스테이지에 따르면, 리니어 스텝 모터를 사용하여 XY-스테이지를 구현함으로써, 기구적 마찰에 의한 오차가 최소화되고 미소 회전이 가능해졌으며, 또한 인덕터가 한 쪽 방향으로 처지는 현상을 최소화함으로써 구동시 진동을 방지할 수 있다는 이점이 있다.

Claims

영구 자석 및 전자석을 구비하여, 상기 전자석에 흐르는 제어 전류의 방향에 따라 자력을 발생시키는 인덕터; 및

상기 인덕터의 대향면에 자성체의 돌기들이 규칙적으로 배열되어, 상기 인덕터로부터의 자력에 의하여 상기 인덕터가 단계적으로 이동되게 하는 스테이터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지.
제1항에 있어서, 상기 인덕터는,

상기 제어 전류의 방향에 따라 X축 방향으로의 이동력을 발생시키는 X축-인덕터; 및

상기 제어 전류의 방향에 따라 Y축 방향으로의 이동력을 발생시키는 Y축-인덕터;를 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지.
제2항에 있어서, 상기 X축-인덕터 및 Y축-인덕터는,

상기 영구 자석 및 상기 전자석을 각각 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지.
제2항에 있어서, 상기 X축-인덕터 및 Y축-인덕터는,

상기 스테이터에 형성된 돌기들과 함께 자력선 통로를 형성하기 위하여, 상기 스테이터의 대향면에 자성체의 돌기들이 규칙적으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지.
제2항에 있어서,

상기 X축-인덕터는 2 개가 서로 이격되어 나란하게 위치해 있으며, 상기 Y축-인덕터는 2 개가 상기 X축-인덕터들과 직교 방향으로 서로 이격되어 나란하게 위치해 있는 것을 특징으로 하는 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지.
제1항에 있어서,

상기 X축 및 Y축에 상기 인덕터의 위치를 검출하기 위한 위치 검출 센서가 더 구비된 것을 특징으로 하는 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지.
제6항에 있어서,

상기 위치 검출 센서는 레이저 인터페로미터이며, 상기 인덕터의 각 측면 중, 상기 레이저 인터페로미터와 대향하는 면에는 상기 레이저 인터페로미터로부터의 레이저 광을 반사시키기 위한 미러가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지.
제6항에 있어서,

상기 X축 및 Y축의 각 위치 검출 센서의 측정값의 평균값을 상기 인덕터의 회전 각도로 정의하고, 상기 평균값을 상기 X축 및 Y축 인덕터에 각각 가감하여 상기 인덕터의 회전을 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지.