KR20060091955A - 능동형 제어 베어링 기구를 이용한 대행정 스테이지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선형운동이 일어나는 면과 그 상대면의 면품질이 좋지 않거나 정밀도가 떨어지는 경우에도 선형모터 코일에 흐르는 전류를 제어하여 능동적으로 공극을 제어할 수 있는 능동형 제어 베어링 기구를 이용한 대행정 스테이지에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명은 선형 운동을 위한 선형모터 자석과 선형모터 코일를 구비하는 선형모터부를 포함하고, 특히 상기 선형모터 자석은 Halbach 자석 배열이 되도록 하여 상기 선형모터부에서 선형 운동을 위한 추진력을 생성함과 동시에 원활한 선형 운동이 이루어질 수 있도록 가이드 하는 베어링 효과를 위한 힘을 생성하도록 한다. 가이드 시스템으로 공기베어링 시스템을 사용하는 경우에는 상기 선형모터부에서 유도되는 힘 중 특정방향의 힘은 공기베어링에 예압을 가하는데 이용된다. 또한 본 발명은 공기베어링 시스템 뿐만 아니라 그 외의 가이드 시스템에 대해서도 동일하게 적용할 수 있다.

스테이지, 공기베어링, 자석배열, 능동형 제어 베어링

Description

능동형 제어 베어링 기구를 이용한 대행정 스테이지{LONG RANGE STAGE USING ACTIVE CONTROLLED BEARING APPARATUS}

도 1은 공기베어링 시스템을 이용한 종래의 정밀 가이드 장치를 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 대행정 스테이지를 나타낸 사시도.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 대행정 스테이지를 나나탠 평면도.

도 4는 본 발명에 따른 대행정 스테이지의 선형모터 코일을 나타낸 확대도.

도 5는 본 발명에 따른 대행정 스테이지의 선형모터 자석과 선형모터 코일을 나타낸 도면.

도 6은 본 발명의 제 2실시예에 따른 대행정 스테이지를 나타낸 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 베이스 20, 30 : 제1가이드 바

21, 31 : 제1공기베어링 22, 32 : 코일고정부

22a, 32a : 선형모터 코일 23, 33 : 선형모터 자석

40 : 제2가이드 바 50 : 시편이송부

60 : 제어부

본 발명은 대행정 스테이지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 특정한 자석 배열을 이용하여 운동면에 굴곡이 있거나 운동면의 품질이 떨어지는 경우에도 균일한 공극을 유지할 수 있도록 한 능동형 제어 베어링 기구를 이용한 대행정 스테이지에 관한 것이다.

IT 산업의 발달로 반도체 웨이퍼, LCD 등 대행정과 고정밀, 고속을 요구하는 장비의 수요가 증가되고 있다. 이러한 고정밀, 고속 장비에 대해서는 마찰을 최소화하는 시스템이 요구되는데, 이를 실현하는 무마찰 가이드로써 공기베어링과 자기베어링이 사용될 수 있으며, 특히 공기베어링 시스템이 많이 이용된다. 공기베어링 시스템은 일반적으로 정밀하게 가공된 공기베어링의 면과, 이 면에 설치되어 고압의 공기를 배출하는 토출구와, 정밀한 면 품질과 평면도를 갖는 공기베어링 상대면을 포함한다. 따라서 토출구에서 공기가 배출되면 공기베어링 면과 그 상대면 사이에 부상력이 발생하여 장치가 마찰을 최소화하면서 운동할 수 있게 된다.

이와 관련하여 미국특허 5,064,318호에는 공기베어링 시스템을 이용한 정밀 가이드 장치가 개시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기의 장치는 한 방향으 로 움직임을 갖는 스테이지(1)와, 스테이지(1)의 운동을 가이드 하기 위한 공기베어링 시스템(2, 3, 4, 5)과, 스테이지(1)의 구동력을 생성하는 직선 구동시스템(6, 7)과, 공기베어링 시스템과 함께 스테이지의 직선운동을 가이드할 수 있도록 평행하게 정밀 가공된 공기베어링 가이드(8)를 포함한다. 공기베어링 시스템에서 공기베어링(2)은 공기베어링 가이드(8) 면으로부터 부상하여 마찰을 최소화하면서 운동할 수 있도록 하고, 조절 공기베어링(3)은 공기베어링(2)에 수동적으로 예압을 가하는 역할을 한다. 또한 공기베어링 조절기구(4)는 조절 공기베어링(3)의 위치를 조절하는 역할을 하고, 공기베어링 회전 볼(5)은 공기베어링 가이드(8) 면의 형상 오차에 따라 공기베어링의 운동을 허용하여 주는 역할을 한다.

상기의 장치에서 스테이지(1)는 직선 구동시스템(6, 7)을 통하여 구동력을 생성하고 공기베어링 가이드(8)를 따라 움직이는 공기베어링(2)과 조절 공기베어링(3)에 의해 가이드 되어 직선운동을 하게 된다. 이 때 공기베어링(2)은 공기의 압력에 의한 부상력에 의해 공기베어링 가이드(8) 면과 수 um의 공극을 유지하면서 움직이게 된다.

그러나 공기베어링 가이드(8) 면의 평행도, 평편도가 이상적인 경우에는 스테이지가 공기베어링(2)과 조절 공기베어링(3)에 의해 별 문제없이 가이드 면을 따라 직선운동을 하게 되지만, 현실적으로 가이드 면의 가공상의 문제로 인해 공기베어링 가이드(8) 면은 예상할 수 없는 형상을 가지게 되고, 이에 따라 스테이지(1)가 움직일 때 지속적으로 시스템의 특성이 변하게 되는 문제점이 있다. 즉, 공기베어링 가이드(8) 면의 형상이 변함에 따라 공기베어링 가이드(8)의 폭도 변하게 되 므로 이에 의해 공기베어링(2)과 공기베어링 가이드(8) 사이의 공극이 너무 좁아지게 되면 스테이지의 공기베어링(2, 3) 과 가이드면(8)에 마찰이 일어나서 직선운동을 방해하는 마찰력이 발생하는 문제가 생기고, 반대로 공극이 너무 넓어지게 되면 직선운동 외에 원하지 않는 방향의 운동이 유도될 수 있는 문제가 생기는 것이다.

이와 같이 공기베어링을 사용하는 경우에는 가이드 면의 정밀도가 시스템의 안정과 성능에 직결되는 중요한 요소라 할 수 있는데 특히 대행정 시스템에서는 정밀 가공면의 영역이 넓어지므로 넓은 면을 정밀하게 가공하여 균일한 평면도를 유지하는 것이 기술적으로 매우 어렵고 그에 따라 생산단가도 높아지게 되는 문제점이 있다. 한편, 대행정 시스템에서 자기베어링을 사용하는 경우에는 자기베어링을 넓은 면적에 적용하기 위해 고가의 자석과 코일을 넓은 영역에 정밀하게 설치해야 하므로 여기에도 역시 기술적 어려움과 비용상의 문제가 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 선형운동을 가이드 하기 위하여 공기베어링을 사용하는 경우에 공기베어링과 그 상대면의 공극이 변화하는 때에도 그 공극을 능동적으로 제어하여 적은 비용으로 시스템의 특성 및 성능을 안정시킬 수 있는 대행정 스테이지를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 공기베어링을 사용하지 않는 가이드 시스템에 대해서도 적용하여 가이드 면의 면 품질과 정밀도에 크게 영향을 받지 않고 선형운동을 원활히 가이드 할 수 있는 대행정 스테이지를 제공하는데 있다. (제 2 실시예 참 조)

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 능동형 제어 베어링 기구를 이용한 대행정 스테이지는 특정방향의 선형 운동을 위한 선형모터 자석과 선형모터 코일를 구비하는 선형모터부를 포함하는 대행정 스테이지에 있어서, 상기 선형모터 자석은 Halbach 자석 배열이 되도록 하여 상기 선형모터부에서 선형 운동을 위한 추진력을 생성함과 동시에 원활한 선형 운동이 이루어질 수 있도록 가이드 하는 베어링 효과를 위한 힘을 생성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 선형모터 자석은 나란히 배치된 한 쌍의 제1가이드 바 각각의 외측면에 일렬로 설치되고, 상기 선형모터 코일은 상기 제1가이드 바 사이에 마련되는 제2가이드 바에 고정되어 상기 제1가이드 바를 감싸도록 설치되는 코일고정부에 상기 선형모터 자석과 마주하도록 설치되며, 상기 제2가이드 바의 적어도 한 측부에는 제1공기베어링이 설치되어, 상기 선형모터부에서 생성되는 힘의 일부가 상기 코일고정부를 통하여 상기 제2가이드 바에 전달됨으로써 상기 제1공기베어링의 부상력에 반대방향으로 작용하여 예압을 가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 선형모터 자석은 나란히 배치된 한 쌍의 제1가이드 바 각각의 외측면에 일렬로 설치되고, 상기 선형모터 코일은 상기 제1가이드 바 사이에 마련되는 제2가이드 바에 고정되어 상기 제1가이드 바를 감싸도록 설치되는 한 쌍의 코일고정부에 상기 선형모터 자석과 마주하도록 설치되어, 상기 선형모터부 각각에서 생성되는 힘의 일부가 상기 한 쌍의 코일고정부에 서로 반대방향으로 작용하여 힘 의 균형을 이룸으로써 베어링으로서 작용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1공기베어링과 상기 제1가이드 바 사이의 공극 또는 상기 제2가이드 바와 상기 제1가이드 바 사이의 공극을 능동적으로 제어하여 공극을 일정하게 유지할 수 있도록 하기 위하여 상기의 공극을 측정하고 그 결과에 따라 상기 선형모터 코일에 흐르는 전류를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 대행정 스테이지를 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 대행정 스테이지를 나나탠 평면도이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 대행정 스테이지는 베이스(10), 제1가이드 바(20, 30), 제2가이드 바(40)와 선형모터부 및 시편이송부(50)를 포함한다.

베이스(10)는 사각형의 평판으로서, 그 상부의 양측에 제1가이드 바(20, 30)가 나란히 장착되고, 이 제1가이드 바(20, 30) 사이에 제1가이드 바와 수직한 방향으로 제2가이드 바(40)가 설치된다. 제2가이드 바(40)는 아래에서 설명할 선형모터부로부터 구동력을 받아 제1가이드 바(20, 30)를 따라 선형운동을 한다. 설명의 편의를 위해 제1가이드 바(20, 30)가 장착되는 방향을 y축 방향으로 표시하고, 제2가이드 바(40)가 장착되는 방향을 x축 방향으로 표시한다

제2가이드 바(40)의 상부면에는 x축 방향으로 움직일 수 있도록 시편이송부 (50)가 설치되어 있는데, 시편이송부(50)는 사각형의 평판으로서 그 상부에는 작업대상인 시편이 놓여지게 된다.

제2가이드 바(40)의 양쪽 끝에는 제2가이드 바(40)가 y축 방향으로 선형운동할 때 생길 수 있는 제1가이드 바(20, 30)와의 마찰을 최소화하기 위한 제1공기베어링(21, 31)이 장착되어 있다. 본 실시예에서는 제2가이드 바(40)의 양측에 공기베어링이 설치된 경우를 예시하였으나, 반드시 제2가이드 바(40)의 양쪽에 공기베어링이 설치되어야 하는 것은 아니며, 시스템의 설계시 필요에 따라 어느 한 쪽에만 공기베어링을 설치하는 것도 가능하다.

한편, 제2가이드 바(40)의 양측에는 선형모터 코일이 장착되는 코일고정부(22, 32)가 고정된다. 코일고정부(22, 32)는 제2가이드 바(40)로부터 일정길이만큼 수평방향으로 연장된 후 다시 수직방향, 즉 z축 음의 방향으로 일정길이 연장되어 있다. 따라서 코일고정부(22, 32)의 수평연장부분은 제1가이드 바(20, 30)의 상부면 중 일부를 덮고, 코일고정부(22, 32)의 수직연장부분은 제1가이드 바(20, 30)의 외측면과 마주보게 된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 선형모터 코일(22a, 32a)은 코일고정부(22, 32)의 수직연장부분에 설치되어 있으며, 아래에서 설명할 선형모터 자석(23, 33)과 함께 선형모터부를 형성하여 제2가이드 바(40)의 선형운동에 필요한 구동력과 함께 제1공기베어링(21, 31)의 부상력에 반대방향으로 작용하여 예압을 가하는 힘을 생성한다.

상기 제1가이드 바(20, 30)의 외측면에는 선형모터 자석(23, 33)이 각각 설 치되어 있다. 선형모터 자석(23, 33)은 제1가이드 바(20, 30)의 길이방향, 즉 y축 방향을 따라 일렬로 배치되어 있고, 도 5에 도시된 바와 같이 Halbach 자석배열을 가진다. 도 5는 본 발명에 따른 대행정 스테이지의 선형모터 자석과 선형모터를 코일을 나타낸 도면으로서, 자기장의 방향(Bx, By), 전류의 방향 및 선형모터부에서 유도되는 힘의 방향(Fx, Fy)이 표시되어 있다. 본 발명에서 선형모터 자석(23, 33)의 배열로서 Halbach 자석배열을 사용한 것은 보다 높은 자속 밀도를 얻을 수 있게 하여 Bx, By의 크기를 크게 하는 한편, 본 발명에서 중요하게 작용하는 y축 방향의 자기장 By의 세기를 Bx의 세기 못지않게 강화시켜 주기 위함이다.

도 5에 표시된 바와 같이, 선형모터 자석(22, 33)에 의해 코일의 P지점에 작용하는 자기장을 B라고 하면, 자기장 B는 x축 방향 자기장 Bx와 y축 방향 자기장 By의 합으로 생각할 수 있다. 선형모터 코일(22a, 32a)에 지면 아래에서 지면 위로 뚫고 나오는 방향으로 전류가 흐르면 x축 방향 자기장 Bx에 의해서는 y축 방향 힘 Fy가 유도되고, y축 방향 자기장 By에 의해서는 x축 방향 힘 Fx가 유도된다. 여기서 Fy는 제2가이드 바(40)가 y축 방향으로 선형 운동하는데 필요한 구동력으로 작용하고, Fx는 제1공기베어링(21, 31)의 부상력에 반대방향으로 작용하여 예압을 가하는 작용을 한다. 이와 같이 본 발명에서는 선형모터부에서 발생하는 x축 방향의 힘을 활용하여 예압을 주기 위한 별도의 부가적인 시스템이나 예압 공기베어링의 필요 없이 제1공기베어링(21, 31)에 예압을 가할 수 있으므로 전체적인 장치가 간소해진다. 뿐만 아니라, 제1공기베어링(21, 31)의 상대면, 즉 제1가이드 바(20, 30)의 내측면이 정밀하게 가공되지 않아 제1가이드 바(20, 30)와 제1공기베어링 (21, 31) 사이의 공극이 불규칙하게 변하는 경우에도 이를 능동적으로 제어하여 상기의 공극을 일정하게 유지할 수 있다. 이를 위해서 본 발명은 센서 등을 통해 상기의 공극을 감지하고 그에 따라 선형모터 코일(22a, 32a)에 흐르는 전류를 제어할 수 있는 제어부(60)를 구비한다.

한편, 제2가이드 바(40)가 하중을 지지하면서 평면운동을 할 수 있도록 제2가이드 바(40) 하부면과 베이스(10) 사이 그리고 시편이송부(50) 하부면과 베이스(10) 사이에는 제2공기베어링(41)이 설치된다.

또한, 코일고정부(22, 32)의 상부면에는 제2가이드 바(40)의 선형 운동을 양측에서 감지할 수 있도록 선형위치 센서(22b, 32b)가 각각 장착되어 있다. 각각의 선형위치 센서(22b, 32b)는 z축을 회전축으로 하는 회전운동이 필요한 경우에 제2가이드 바(40)의 선형 운동을 양측에서 감지하여 그 움직임 정도를 분석한 후 그에 맞춰 제2가이드 바(40) 양측의 선형모터에 의한 움직임 정도를 서로 달리하도록 함으로써 회전운동을 생성한다.

도 6은 본 발명의 제 2실시예에 따른 대행정 스테이지를 나타낸 평면도이다. 도 6에 도시된 대행정 스테이지에서 그 구성요소와 동작은 위에서 설명한 제1실시예에 따른 대행정 스테이지와 대동소이하며, 다만 제2가이드 바(40)의 양측에 선형운동을 가이드 하는 제1공기베어링이 설치되어 있지 않다는 점에서만 차이가 있다. 이와 같이 제1공기베어링이 장착되어 있지 않더라도 제1가이드 바(20, 30) 양측에 있는 선형모터부 각각에서 생성되는 x축 방향의 힘이 상기의 코일고정부(22, 32)을 통하여 제2가이드 바(40)의 양측에 서로 반대방향으로 작용하여 힘의 균형을 이룸으로써 베어링으로서 작용하게 된다. 따라서 별도의 공기베어링 시스템이 없어도 제2가이드 바(40)의 y축 운동을 가이드 할 수 있다. 또한 제1실시예의 경우와 마찬가지로 제1가이드 바(20, 30)의 내측면이 정밀하게 가공되지 않아 제1가이드 바(20)와 제2가이드 바(30) 사이의 공극이 불규칙하게 변하는 경우에도 공극을 측정하고 선형모터 코일의 전류를 제어할 수 있는 제어부(60)를 통하여 공극을 능동적으로 제어하여 일정하게 유지할 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 마찰을 최소화하기 위한 가이드로서 공기베어링을 사용하는 경우에는 선형모터부에 생성되는 힘을 이용하여 공기베어링에 예압을 가함으로써 별도의 예압 시스템이 필요없게 되므로 장치가 단순해지고 생산단가가 저렴해지는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 선형운동이 일어나는 면과 그 상대면의 면품질이 좋지 않거나 정밀도가 떨어지는 경우에도 선형모터 코일에 흐르는 전류를 제어하여 능동적으로 공극을 제어할 수 있으므로 정밀 가공에 따른 비용을 절약할 수 있으며, 장치의 전체적인 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 공기베어링 가이드 시스템 뿐만 아니라, 그 외의 시스템에 대해서도 동일하게 응용될 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 특정방향의 선형 운동을 위한 선형모터 자석과 선형모터 코일를 구비하는 선형모터부를 포함하는 대행정 스테이지에 있어서, 상기 선형모터 자석은 Halbach 자석 배열이 되도록 하여 상기 선형모터부에서 선형 운동을 위한 추진력을 생성함과 동시에 원활한 선형 운동이 이루어질 수 있도록 하는 베어링 효과를 위한 힘을 생성하는 것을 특징으로 하는 능동형 제어 베어링 기구를 이용한 대행정 스테이지.
2. 제1항에 있어서, 상기 선형모터 자석은 나란히 배치된 한 쌍의 제1가이드바 각각의 외측면에 일렬로 설치되고, 상기 선형모터 코일은 상기 제1가이드바 사이에 마련되는 제2가이드바에 고정되어 상기 제1가이드바를 감싸도록 설치되는 코일고정부에 상기 선형모터 자석과 마주하도록 설치되며, 상기 제2가이드바의 적어도 한 측부에는 제1공기베어링이 설치되어, 상기 선형모터부에서 생성되는 힘의 일부가 상기 상기 제1공기베어링의 부상력에 반대방향으로 작용하여 예압을 가하는 것을 특징으로 하는 능동형 제어 베어링 기구를 이용한 대행정 스테이지.
3. 제1항에 있어서, 상기 선형모터 자석은 나란히 배치된 한 쌍의 제1가이드바 각각의 외측면에 일렬로 설치되고, 상기 선형모터 코일은 상기 제1가이드바 사이에 마련되는 제2가이드바에 고정되어 상기 제1가이드바를 감싸도록 설치되는 한 쌍의 코일고정부에 상기 선형모터 자석과 마주하도록 설치되어 상기 선형모터부 각각에 서 생성되는 힘의 일부가 상기 한 쌍의 코일고정부에 서로 반대방향으로 작용하여 힘의 균형을 이룸으로써 베어링으로서 작용하는 것을 특징으로 하는 능동형 제어 베어링 기구를 이용한 대행정 스테이지.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1공기베어링과 상기 제1가이드바 사이의 공극 또는 상기 제2가이드바와 상기 제1가이드바 사이의 공극을 능동적으로 제어할 수 있도록 상기의 공극을 측정하여 그 결과에 따라 상기 선형모터 코일에 흐르는 전류를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동형 제어 베어링 기구를 이용한 대행정 스테이지.

Images