KR200425185Y1

KR200425185Y1 - 다공질 공기베어링을 이용한 리니어 스테이지

Info

Publication number: KR200425185Y1
Application number: KR2020060012121U
Authority: KR
Inventors: 이춘무; 이유태
Original assignee: 이춘무; (주)트리엔; 이유태
Priority date: 2006-05-04
Filing date: 2006-05-04
Publication date: 2006-09-01

Abstract

본 고안은 다공질 공기베어링을 이용한 리니어 스테이지에 관한 것으로, 카본 그라파이트 공기베어링과 리니어 모터로 구성된 이송거리 300mm 이상의 초정밀 리니어 스테이지를 제작하여 정확한 위치제어를 구현할 수 있는 특징이 있다.

본 고안은 크게 석정반(10)과 Y축부(20) 및 X축부(30) 등으로 구성되는바, 직사각 플레이트 형태로 제작되되, 시간과 온도에 따른 변형이 발생하지 않도록 석재를 이용하여 제작된 석정반(10)과, 상기 석정반(10) 상에 설치되되, 직사각형태의 Y축 석재레일(21)이 2개 나란하게 설치되며, 그 사이로는 Y축 리니어 모터(22)와 Y축 리니어 스케일(23) 및 Y축 리니어 엔코더(24)가 설치되고, Y축 석재레일(21)의 상부로는 Y축 플레이트(25)가 공기베어링(26)과 결합된 형태로 구성된 Y축부(20)와, 상기 Y축부(20) 상에 단면이 '┗┛'형태의 X축 석재레일(31)이 직교하도록 재치되며, 그 상면으로는 X축 리니어 모터(32)와 X축 리니어 스케일(33) 및 X축 리니어 엔코더(34)가 설치되며, X축 석재레일(31) 상면으로는 X축 슬라이더 베어링(35)이 결합된 X축부(30)로 구성되어 정확한 위치제어가 가능한 대략적인 구성을 갖는다.

상기와 같이 구성된 본 고안은, 다공질 카본 그라파이트 소재를 이용한 공기베어링을 이용하여 기존의 구름베어링으로 지지되는 직선 운동 시스템의 단점과 적 용상의 한계점을 극복하고 오리피스 공기베어링의 단점인 공기 햄머링을 해결하도록 하며, 리니어 모터를 사용하여 높은 가감속과 속도를 구현한 초정밀 리니어 스테이지를 제작할 수 있는 효과가 있다.

또한, 다공질 그라파이트 소재를 베어링으로 이용하므로 인해 베어링 표면에 별도의 급기공을 가공할 필요가 없으며, 내마모성과 내열성 및 강도 등의 기계적 특성이 뛰어나며, 리니어 엔코더를 적용하여 반복정밀도 300nm, 위치 정밀도 500nm급의 높은 정밀도를 가진 리니어 스테이지를 얻을 수 있는 효과가 있다.

리니어 스테이지, Y축, X축, 직선 XY 스테이지, 카본 그라파이트 베어링

Description

다공질 공기베어링을 이용한 리니어 스테이지 { The linear stage using of a porous air bearing }

도 1은 본 고안의 사시도

도 2은 본 고안의 정단면도

도 3는 본 고안의 측단면도

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

10: 석정반 20: Y축부

21: Y축 석재레일 22: Y축 리니어 모터

23: Y축 리니어 스케일 24: Y축 리니어 엔코더

25: Y축 플레이트 26: 공기베어링

30: X축부 31: X축 석재레일

32: X축 리니어 모터 33: X축 리니어 스케일

34: X축 리니어 엔코더 35: X축 슬라이더 베어링

본 고안은 리니어 스테이지에 관한 것으로, 더욱 상세하게 설명하면, 반도체 핸들링 제조 공정의 고정밀 직선 운동 스테이지 또는 PDP, LCD 조립 검사 장비용 초정밀 스테이지 등 여러 분야에서 적용 가능한 리니어 스테이지에 관한 것으로, 카본 그라파이트 공기베어링과 리니어 모터로 구성된 이송거리 300mm 이상의 초정밀 리니어 스테이지를 제작하여 정확한 위치제어를 구현할 수 있도록 한 다공질 공기베어링을 이용한 리니어 스테이지에 관한 것이다.

일반적으로 리니어 스테이지(linear stage)라 함은, 리니어 모터의 구동에 의한 반송 방식을 말하는 것으로, 근년에 주로 사용하고 있는 것은 자동차 공장의 세미 어셈블리 라인에서의 각종 부품을 라인에 공급, 가공과 조립 라인 상의 워크를 적재한 팔레트의 고속 이동정지, 전자 OA관계 기기의 생산 공장 안에서 각종 부품의 다른 생산 라인에 사용하고 있으며, 특히, 반도체 제조 공장 내에서 웨이퍼 반송에는 클린도가 높기 때문에 빈번하게 활용되고 있다.

최근에 들어서는 PDP, LCD 조립 검사 장비에 주로 사용되는바, 그 대표적인 형태를 살펴보면, 베어링과 리니어 모터, 리니어 엔코더 및 서보 제어기 등으로 구성되어 있으며, 이러한 슬라이더를 지지하며 안내하는 베어링은 직선 유니트의 정밀도와 연관된 핵심적인 요소기술로서 초정밀 직선 운동 유니트 구성품 중 중요한 역할을 하고 있다.

상기와 같은 일반적인 직선 운동 시스템의 지지 베어링으로는 볼이나 롤러 베어링이 많이 사용되었으나 볼과 롤러의 탄성 변형과 불 균일 등에 기인한 상하방향의 흔들림에 의하여 고정밀 위치 정밀도 구현에 한계가 있을 뿐만 아니라 기계적인 접촉에 의한 마찰력으로 인하여 급속 이송 시에 발생하는 진동 및 발열 등에 의해 시스템 성능이 현저하게 저하되는 문제점을 내포하고 있었다.

이를 개선하기 위해서 대상체의 고속 이송이 가능하고 높은 정밀도의 평면운동을 얻기 위하여 슬라이더와 안내면이 비접촉이 되도록 공기와 같은 윤활 유체를 사용하여 슬라이더를 지지하는 유체베어링의 개발이 진행되어 있으나 대부분의 유체베어링은 취성이 강하여 외력에 의해 쉽게 파손되는 문제점을 내포하고 있었다.

이에 본 고안은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 다공질 카본 그라파이트 소재를 이용한 공기베어링을 이용하여 기존의 구름베어링으로 지지되는 직선 운동 시스템의 단점과 적용상의 한계점을 극복하고 오리피스 공기베어링의 단점인 공기 햄머링을 해결하도록 하며, 리니어 모터를 사용하여 높은 가감속과 속도를 구현한 초정밀 리니어 스테이지를 제작할 수 있도록 함을 목적으로 한다.

또한, 다공질 그라파이트 소재를 베어링으로 이용하므로 인해 베어링 표면에 별도의 급기공을 가공할 필요가 없으며, 내마모성과 내열성 및 강도 등의 기계적 특성이 뛰어나며, 리니어 엔코더를 적용하여 반복정밀도 300nm, 위치 정밀도 500nm 급의 높은 정밀도를 가진 리니어 스테이지를 제작하도록 함을 목적으로 한다.

이하 첨부된 도면을 이용하여 본 고안을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같 다.

우선, 도 1은 본 고안의 전체 사시도를 나타낸 것이고, 도 2는 본 고안의 정단면도를 나타낸 것이고 도 3은 본 고안의 측단면도를 나타낸 것으로, 도시한 바와 같이, 전체적인 형태가 직사각 형태의 석정반(10) 상에 H 프레임의 구조가 되도록 설치함으로써 XY축으로 이동되는 전체 시스템의 높이가 낮게 형성되어 안정성이 향상될 뿐만 아니라, 피칭(pitching)과 롤링(rolling) 오차를 줄일 수 있는 특징이 있다.

그 각각의 구성을 상세히 살펴보면, 우선 석정반(10)은 석재를 직사각 형태로 가공한 것으로, 본 고안의 베이스 부분으로 사용되며, 그 상면이 수평을 이루도록 구성되며, 그 하부로는 이동용 테이블이 필요에 따라 설치되어 설치된 본 고안의 이동이 가능하도록 한 구성을 갖는다.

한편, 상기 석정반(10)의 상면에 설치되는 Y축부(20)의 구성을 살펴보면, Y축부(20)는 Y축 석재레일(21)과 Y축 리니어 모터(22), Y축 리니어 스케일(23), Y축 리니어 엔코더(24), Y축 플레이트(25) 및 공기베어링(26)으로 구성되는바, 우선, Y축 석재레일(21)은 길이가 긴 직사각형태의 석재를 이용하여 2열로 평행하게 설치되며, 설치된 Y축 석재레일(21)의 상면과 측면을 따라 후술하는 공기베어링(26)이 직선 왕복운동을 할 수 있도록 구성된다.

또한, 상기 Y축 석재레일(21)의 사이로는 Y축 리니어 모터(22)과 Y축 리니어 스케일(23) 및 Y축 리니어 엔코더(24)가 구비되어 있는바, Y축 리니어 모터(22)는 통상 널리 사용되는 회전하는 전동기의 원리를 직선운동에 응용한 리니어 모터를 사용하는바, 본 고안에 사용되는 Y축 리니어 모터(22)의 바람직한 사양은 아래 <표1>에 잘 나타나 있다.

항목	단위
Peak Force	480N
Continuous Force	140N
Maximum Speed	12m/sec
Magnet Pitch NN	42mm
Induction per Phase	1.0mH

한편, Y축 리니어 스케일(23)과 Y축 리니어 엔코더(24)의 구성을 살펴보면, 레이저를 기반으로 하여 Y축부(20)의 위치 검출과 정확한 이동을 구현할 수 있도록 한 것으로, 본 고안의 사용되는 Y축 리니어 엔코더(24)의 바람직한 사양은 아래 <표2>에 잘 나타나 있다.

항목	특징
Type	Non-Contact, Reflective
Light Source	780nm Laser Diode, 3mW
Repeatability	10nm
Max Count Rate	12MHz

상기 Y축 석재레일(21) 상에 재치되는 Y축 플레이트(25)와 그에 결합되는 공기베어링(26)의 구성을 살펴보면, Y축 플레이트(25)는 석재로 구성된 직사각 패널의 형태로 제작되되, 단면이 'ㅠ'자 형태로 양측부에 폭이 좁은 보조 패널이 일체로 결합된 구성을 갖는다.

상기 Y축 플레이트(25)의 저면과 양측부 내측으로는 공기베어링(26)이 각각 결합되는바, 상기 공기베어링(26)은 다공질 카본 그라파이트 소재를 이용한 공기베어링을 사용하는 것이 바람직한바, 내마모성과 내열성 및 강도 등의 기계적 특성이 우수하여 베어링의 수명이 일층 향상되는 구성을 갖는다.

상기 카본 그라파이트 소재의 공기베어링(26)은, 카본을 공기가 차단된 조건에서 약 2주 동안 2500 내지 3000℃에서 소성 시킨 후 이를 원판의 형태로 제작한 후 하우징에 일체로 에폭시 본딩 처리하여 기공률 10 내지 20%, 기공크기 약 0.7㎛의 균일한 미세기공을 가지는 공기 베어링(26)을 사용하도록 구성된다.

한편, 상기 Y축부(20)의 상면에 재치되는 X축부(30)의 구성을 살펴보면, X축부(30)는 X축 석재레일(31)과 X축 리니어 모터(32), X축 리니어 스케일(33), X축 리니어 엔코더(34)로 구성되는바, 우선 X축 석재레일(31)은 길이가 긴 프레임 형태로 제작되되, 석재를 이용하여 그 단면이 '┗┛'형태로 제작되며, 상기 Y축 석재레일(21)과는 직교하는 형태로 설치된 X축 석재레일(31)의 상면을 따라 후술하는 X축 슬라이더 베어링(35)이 직선 왕복운동을 할 수 있도록 구성된다.

또한, 상기 X축 석재레일(31)의 사이로는 X축 리니어 모터(32)과 X축 리니어 스케일(33) 및 X축 리니어 엔코더(34)가 구비되어 있는바, X축 리니어 모터(32)는 상기 Y축 리니어 모터(32)의 바람직한 사양은 아래 <표3>에 잘 나타나 있다.

항목	단위
Peak Force	200N
Continuous Force	50N
Maximum Speed	18m/sec
Magnet Pitch NN	30mm
Induction per Phase	0.9mH

한편, X축 리니어 스케일(33)과 X축 리니어 엔코더(34)의 구성을 살펴보면, 레이저를 기반으로 하여 X축부(30)의 위치 검출과 정확한 이동을 구현할 수 있도록 한 것으로, 본 고안에 사용되는 X축 리니어 엔코더(34)는 상기 Y축 리니어 엔코더(24)와 동일한 것으로 채택하여 사용하는 구성을 갖는다.

상기 X축 석재레일(31) 상에 재치되는 X축 슬라이더 베어링(35)의 구성을 살펴보면, 직사각블록 형태로 제작되되, 다공질 카본 그라파이트 소재를 이용한 공기베어링을 사용하는 것이 바람직한바, 내마모성과 내열성 및 강도 등의 기계적 특성이 우수하여 베어링의 수명이 일층 향상되며, 직선 슬라이더 운동 기구에서 부상높이 특성을 향상시킬 수 있으며, 햄머링 현상을 효율적으로 감쇄시킬 수 있는 구성을 갖는다.

상기 카본 그라파이트 소재의 X축 슬라이더 베어링(35)은, 카본을 공기가 차단된 조건에서 약 2주 동안 2500 내지 3000℃에서 소성 시킨 후 직사각 블록 형태로 제작한 후 하우징에 일체로 에폭시 본딩 처리하여 기공률 10 내지 20%, 기공크기 약 0.7㎛의 균일한 미세기공을 가지는 X축 슬라이더 베어링(35)을 사용하도록 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 고안의 조립과정을 살펴보면, 직사각 패널 형태의 석정반(10) 상에 한 쌍의 Y축 석재레일(21)을 설치하고, Y축 석재레일(21) 사이에 Y축 리니어 모터(22)와 Y축 리니어 스케일(23) 및 Y축 리니어 엔코더(24)를 결합한 다음, 공기베어링(26)이 결합된 Y축 플레이트(25)를 상기 Y축 석재레일(21) 상에 재치함으로써 석정반(10)과 Y축부(20)의 조립을 완료한다.

그 후, 상기 Y축 플레이트(25) 상에 X축 석재레일(31)을 설치하며, X축 석재레일(31)에 X축 리니어 모터(32)와 X축 리니어 스케일(33) 및 X축 리니어 엔코더(34)를 각각 설치한 후, X축 석재레일(31) 상에 X축 슬라이더 베어링(35)을 재치함으로써 Y축부(20)와 X축부(30)의 조립을 완료하여 본 고안의 조립을 완료한다.

상기와 같이 조립된 본 고안의 작동과정을 살펴보면, 상기 조립된 공기베어링(26)과 X축 슬라이더 베어링(35)에 공압장치(미도시)를 이용하여 가압하게 되면, Y축 석재레일(21)과 X축 석재레일(31)로부터 부상하여 마찰 없이 작동하도록 구성되며, Y축 리니어 모터(22)과 X축 리니어 모터(32)에 전원을 공급하고, Y축 리니어 엔코더(24)와 X축 리니어 엔코더(34)를 제어기(미도시)와 연결함으로써 미리 설정된 값만큼만 직선왕복운동 형태로 작동할 수 있도록 작동된다.

상기와 같이 구성된 본 고안은, 다공질 카본 그라파이트 소재를 이용한 공기베어링을 이용하여 기존의 구름베어링으로 지지되는 직선 운동 시스템의 단점과 적용상의 한계점을 극복하고 오리피스 공기베어링의 단점인 공기 햄머링을 해결하도록 하며, 리니어 모터를 사용하여 높은 가감속과 속도를 구현한 초정밀 리니어 스테이지를 제작할 수 있는 효과가 있다.

Claims

리니어 스테이지 있어서,

시간과 온도에 따른 변형이 발생하지 않도록 석재를 이용하여 제작된 석정반(10)과,

상기 석정반(10) 상에 설치되되, 직사각형태의 Y축 석재레일(21)이 2개 나란하게 설치되며, 그 사이로는 Y축 리니어 모터(22)와 Y축 리니어 스케일(23) 및 Y축 리니어 엔코더(24)가 설치되고, Y축 석재레일(21)의 상부로는 Y축 플레이트(25)가 공기베어링(26)과 결합된 형태로 구성된 Y축부(20)와,

상기 Y축부(20) 상에 단면이 '┗┛'형태의 X축 석재레일(31)이 직교하도록 재치되며, 그 상면으로는 X축 리니어 모터(32)와 X축 리니어 스케일(33) 및 X축 리니어 엔코더(34)가 설치되며, X축 석재레일(31) 상면으로는 X축 슬라이더 베어링(35)이 결합된 X축부(30)로 구성됨을 특징으로 하는 다공질 공기베어링을 이용한 리니어 스테이지.
제 1항에 있어서,

공기베어링(26)은, 카본을 공기가 차단된 조건에서 14일간 2500 내지 3000℃에서 소성 시킨 후 이를 원판의 형태로 제작한 후 하우징에 일체로 에폭시 본딩 처리하여 기공률 10 내지 20%, 기공크기 0.7㎛의 균일한 미세기공을 가지는 것을 특징으로 하는 다공질 공기베어링을 이용한 리니어 스테이지.
제 1항에 있어서,

Y축 슬라이더 베어링(35)은, 카본을 공기가 차단된 조건에서 14일간 2500 내지 3000℃에서 소성 시킨 후 직사각 블록 형태로 제작한 후 하우징에 일체로 에폭시 본딩 처리하여 기공률 10 내지 20%, 기공크기 0.7㎛의 균일한 미세기공을 가지는 것을 특징으로 하는 다공질 공기베어링을 이용한 리니어 스테이지.