KR19990050904A - 직선 운동 테이블용 자기 베어링 모듈 - Google Patents

Abstract

개시된 초정밀 장비는 직선 운동 테이블용 자기 베어링 모듈에 관한 것이다. 본 발명은 가이드를 따라 이송되는 직선운동 테이블에 있어서, 상기 테이블에 고정되는 몸체와, 상기 몸체에 내장되어 상기 가이드와 접촉됨이 없이 상기 테이블을 지지하도록 자기력을 발생하는 전자석 및 상기 몸체에 내장되어 상기 가이드와의 변위를 측정하는 센서로 구성되며, 상기 몸체는 두랄루민을 가공하여 상기 전자석과 센서가 각각 한 쌍씩 장착된 모듈구조로 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 자기 베어링 모듈의 전자석에 의하여 테이블이 자기 부상된 상태에서 완전한 무마찰로 인해 적은 구동력으로도 정밀한 직선 운동을 얻을 수 있으며, 자기 베어링 모듈에 내장된 센서에 의하여 테이블의 변위를 측정함으로써 외부 하중이나 외란 등에 대하여 능동적으로 작용하게 된다.

Description

직선 운동 테이블용 자기 베어링 모듈

본 발명은 초정밀 장비에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직선 운동 테이블용 자기 베어링 모듈에 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 직선운동 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, 이와 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, 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, 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 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 테이블이 자기 부상된 상태에서 완전한 무마찰로 인해 적은 구동력으로도 정밀한 직선 운동을 얻을 수 있는 직선운동 테이블용 자기 베어링 모듈을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 센서를 자기 베어링 모듈에 내장함으로써 테이블의 변위를 정확히 측정함으로써 외부 하중이나 외란 등에 대해 테이블이 능동적으로 작용하는 직선운동 테이블용 자기 베어링 모듈을 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 따른 직선 운동 테이블을 나타낸 전체 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 직선 운동 테이블의 요부 절결 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 X축 테이블에 장착되는 자기 베어링 모듈을 나타낸 분해 사시도,

도 4는 본 발명에 따른 직선운동 테이블용 자기 베어링 모듈의 바람직한 실시예를 나타낸 분해 사시도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

25 : 가이드 30 : 테이블

40 : 자기 베어링 모듈 40a : 몸체

40b : 함몰부 41 : 전자석

41a : 코어 41b : 코일

42 : 센서

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 직선운동 테이블용 자기 베어링 모듈의 특징은, 가이드를 따라 이송되는 직선운동 테이블에 있어서, 상기 테이블에 고정되는 몸체와, 상기 몸체에 내장되어 상기 가이드와 접촉됨이 없이 상기 테이블을 지지하도록 자기력을 발생하는 전자석 및 상기 몸체의 상기 전자적 근방에 내장되어 상기 가이드와의 변위를 측정하는 센서로 구성된다.

상기 몸체는 상기 전자석과 센서가 각각 한 쌍씩 장착되도록 3면에 각각의 함몰부가 형성되며, 상기 전자석과 센서를 포함하는 상기 몸체는 상기 테이블에 착탈 가능한 각각 하나의 모듈구조로 되고, 상기 몸체는 두랄루민으로 가공 형성된다.

상기 전자석은 견인력으로 상기 가이드를 잡아당기는 견인식 전자석이고, 상기 전자석과 상기 가이드의 간극은 약 0.3mm 정도로 설정되며, 상기 센서는 판형의 캐패시턴스 센서로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 자기 베어링 모듈은, 상기 몸체의 함몰부에 상기 전자석 및 센서를 장착하고 에폭시로 진공 함침한 후 그 표면을 가공하여 형성되는 것이 더욱 바람직하다.

따라서, 자기 베어링 모듈에 의하여 테이블이 자기 부상된 상태에서 완전한 무마찰로 인해 적은 구동력으로도 정밀한 직선 운동을 얻을 수 있으며, 자기 베어링 모듈에 내장된 센서에 의하여 테이블의 변위를 측정함으로써 외부 하중이나 외란 등에 대하여 능동적으로 작용하게 된다.

이하, 본 발명에 따른 자기 베어링 모듈로 지지되는 직선운동 테이블의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 직선 운동 테이블을 나타낸 전체 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 직선 운동 테이블의 요부 절결 사시도이다.

도 1에 의하면, 베드(10)는 그 상단의 양측으로 리니어 가이드(11)가 형성된다. Y축 테이블(20)은 상기 베드(10) 상단에 안착되어서 상기 리니어 가이드(11)로 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 모듈(40)로 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 모듈(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 2에 의하면, 상기 Y축 테이블(20)은 그 양측의 상부와 측면에 가이드 플레이트(23)를 볼트(24)로 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.

도 3은 본 발명에 따른 X축 테이블에 장착되는 자기 베어링 모듈을 나타낸 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 직선운동 테이블용 자기 베어링 모듈의 바람직한 실시예를 나타낸 분해 사시도이다.

도 3에 의하면, 상기 X축 테이블(30)은 그 4방 모서리에 각각의 자기 베어링 모듈(40)이 고정된다. 상기 복수개의 자기 베어링 모듈(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 모듈(40)의 3면, 즉 상부와 하부 및 측면에는 각각의 전자석(41)과 센서(42)가 한 쌍씩 장착된다.

본 발명의 자기 베어링 모듈은 상기 테이블에 고정되는 몸체(40a)와, 상기 몸체(40a)에 내장되어 상기 가이드(25)로부터 물리적인 접촉이 없이 상기 테이블(30)을 지지하도록 자기력을 발생하는 전자석(41) 및 상기 몸체(40a)에 내장되어 상기 가이드(25)와의 변위를 측정하는 센서(42)로 구성된다.

도 4에 의하면, 상기 몸체(40a)는 상기 전자석(41)과 센서(42)가 각각 한 쌍씩 장착되도록 3면에 각각의 함몰부(40b)가 형성되며, 상기 전자석(41)과 센서(42)를 포함하는 상기 몸체(40a)는 상기 테이블(30)에 착탈 가능한 각각 하나의 모듈구조로 형성된다. 또한, 상기 몸체(40a)는 두랄루민으로 가공 형성됨이 바람직하다.

상기 전자석(41)은 견인력으로 상기 가이드(25)를 잡아당기는 견인식 전자석으로 됨이 바람직하다. 여기서, 상술한 자기 베어링 모듈(40)은 전자석(41)이 가이드(25)를 잡아당기는 자기력이 자기 베어링 모듈(40)의 자극과 가이드(25) 사이의 간극에 반비례하므로 테이블(30)이 전자석 쪽으로 접근할수록 더욱 더 견인력이 강해진다. 따라서, 상기 전자석(41)과 상기 가이드(25)의 간극은 약 0.3mm 정도로 설정되며, 상기한 간극을 유지하기 위하여 그 변위를 측정하는 센서(42)는 판형의 캐패시턴스 센서로 형성되는 것이 바람직하다. 상기한 견인식 자기 베어링은 반발식 자기 베어링에 비하여 견인식 자기 베어링은 누설 자속이 작고 지지 강성이 크며 큰 하중 지지가 가능하므로 실용적인 면에서 사용이 더욱 용이하다.

자기 베어링 모듈(40)의 코어(41a)는 전자석(41)에 의하여 발생된 자기력선의 통과로 인하여 히스테리시스(hysterisis) 현상에 기인한 와전류(eddy current)와 그에 따른 열이 발생하게 된다. 이를 방지하기 위하여 상기 코어(41a)를 박판으로 적층(lamination) 시키되, 두께 0.35mm 인 3% 규소 강판을 적층하여 제작함이 바람직하다. 이렇게 제작된 전자석(41)의 자극은 자극과 동선 사이의 전기적 누전을 방지하기 위하여 자극의 표면을 절연 테이프로 감싼 후 코일을 감는다. 각각의 전자석에 감겨지는 코일(41b)은 자기 베어링 코어(41a)의 형상에 대하여 한 자극당 최대 견인력을 100N 이상 발생할 수 있도록 하기 위하여 직경 0.3mm인 동선에 에나멜 코팅되어 최종 직경 0.35mm 인 에나멜 코팅 동선을 수백회 감아서 형성함이 바람직하다. 상기 코일(41b)은 자기 베어링 모듈(40) 내의 전류 증폭단에 의하여 제어되는 전류에 의하여 진동할 우려가 있으므로 코일 제작시 권선 각각의 사이에는 접착제로 고착시킨다.

또한, 본 발명의 자기 베어링 모듈(40)은, 상기 몸체(40a)의 함몰부(40b)에 상기 전자석(41) 및 센서(42)를 장착하고 에폭시로 진공 함침한 후 그 표면을 소정 깊이로 가공하여 형성된다.

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

도 3에 의하면, 본 발명에 따른 직선운동 테이블용 자기 베어링 모듈(40)은 상부와 하부 및 측면으로 각각 1개씩의 전자석(41)이 장착되어 하나의 자기 베어링 모듈(40)을 이루며, 이들이 상하좌우로 테이블(30)을 지지하는 시스템으로써 총 12개의 전자석(41)이 사용된다. 또한, 자기 베어링 모듈(40)의 전자석(41) 자극과 가이드 사이의 간극은 자기력의 변위 민감도를 고려하여 약 0.3mm 정도로 설정함이 바람직하다.

따라서, 본 발명에 따른 직선 운동 테이블은 리니어 가이드(11)로 지지되는 Y축과 자기 베어링 모듈(40)로 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.

도 1에 의하면, 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 모터(12)의 헤드에 삼상의 전류를 흘려줌으로써 상기 Y축 테이블(20)을 이송시킨다.

또한 도 2에 의하면, 상기 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 모듈(40)에 의하여 상기 가이드 플레이트(23)의 라미네이티드 가이드(25) 사이에 일정한 거리로 자기 부상한 상태에서 X축 방향으로 이송된다.

즉, 상기 자기 베어링 모듈(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 측정하여 상기 전자석(41)의 코일에 흐르는 전류량을 제어함으로써 항상 일정한 거리를 유지하도록 하는 것이다.

여기서, 상기 자기 베어링 모듈(40)은 주 제어부(50)의 컴퓨터(미도시)에 의하여 그 전자석(41)의 자기력의 크기가 제어되는데, 특히 상기 자기 베어링 모듈(40)의 캐패시턴스 센서(42)로부터 출력되는 신호에 따라 제어된다. 즉, 상기 견인식 자기 베어링 모듈(40)은 테이블(30)에 견인력만을 가할 수 있으므로 테이블(30)이 베어링(40)의 중심에 위치한 경우 일정량의 견인력을 가하고 있다가 테이블(30)사방의 복수개의 전자석(40) 중 어느 하나의 전자석(40)에 근접하면 그 자극은 견인력을 감소시키며 반대쪽에 위치한 전자석(40)은 견인력을 증가시켜 테이블(30)의 변위를 제어하게 되는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 직선운동 테이블용 자기 베어링 모듈에 의하면, 자기 베어링 모듈에 내장된 전자석에 의하여 테이블이 자기 부상된 상태에서 완전한 무마찰로 인해 적은 구동력으로도 정밀한 직선 운동을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 자기 베어링 모듈에 내장된 센서에 의하여 정확한 테이블의 변위를 측정함으로써 외부 하중이나 외란 등에 대해 테이블이 능동적으로 작용하게 되는 다른 효과도 있다.

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

Claims (8)

1. 가이드를 따라 이송되는 직선운동 테이블에 있어서,

   상기 테이블에 고정되는 몸체;

   상기 몸체에 내장되어 상기 가이드와 접촉됨이 없이 소정 간극으로 상기 테이블을 지지하도록 자기력을 발생하는 전자석; 및

   상기 몸체의 상기 전자석 근방에 내장되어 상기 가이드와의 변위를 측정하는 센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 직선운동 테이블용 자기 베어링 모듈.
2. 제 1항 있어서, 상기 몸체는 상기 전자석과 센서가 각각 한 쌍씩 내장되도록 3면에 각각의 함몰부가 형성되는 것을 특징으로 하는 직선운동 테이블용 자기 베어링 모듈.
3. 제 2항 있어서, 상기 전자석과 센서가 내장되는 상기 몸체는 상기 테이블에 착탈 가능한 각각 하나의 모듈구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 직선운동 테이블용 자기 베어링 모듈.
4. 제 3항에 있어서, 상기 몸체는 두랄루민으로 가공 형성되는 것을 특징으로 하는 직선운동 테이블용 자기 베어링 모듈.
5. 제 1항에 있어서, 상기 전자석은 견인력으로 상기 가이드를 잡아당기는 견인식 전자석인 것을 특징으로 하는 직선운동 테이블용 자기 베어링 모듈.
6. 제 1항에 있어서, 상기 전자석과 상기 가이드의 소정 간극은 약 0.3mm 정도로 설정되는 것을 특징으로 하는 직선운동 테이블용 자기 베어링 모듈.
7. 제 1항에 있어서, 상기 센서는 판형의 캐패시턴스 센서로 형성되는 것을 특징으로 하는 직선운동 테이블용 자기 베어링 모듈.
8. 제 1항에 있어서, 상기 몸체의 함몰부에 상기 전자석 및 센서를 장착하고 에폭시로 진공 함침한 후 그 표면을 소정 깊이로 가공하여 형성되는 것을 특징으로 하는 직선운동 테이블용 자기 베어링 모듈.