KR20100043553A - 위치조절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일정한 자로에 다른 자로를 제공하여 자속이 통과하는 경로를 조절하여 견인자기력의 차이에 따라 생성되는 자로를 조절함에 의해 높은 위치강성과 대 변위 특성 모두 갖춘 위치조절장치에 관한 것다.

이러한 본 발명의 위치조절장치는 링형상을 이루고 지지수단에 의해 이동 가능하게 지지되어 있는 이동체와 ; 상기 이동체의 내벽과의 사이에 공극을 갖도록 이동체의 내부에 설치되고 고정수단에 의해 고정된 봉체 형상의 코어와 ; 상기 코어의 중간에 설치된 영구자석과 ; 상기 영구자석의 양측에 코어에 설치되어 상기 영구자석에서 발생된 자력과 서로 겹쳐지는 위치조절자로부와 영구자석의 자력과 분리되는 분리자로부를 갖는 자력을 발생시키는 전자석을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

위치제어, 이동체, 영구자석, 전자석, 자로 조절

Description

위치조절장치{Location calibrating apparatus}

본 발명은 위치조절장치에 관한 것으로써, 상세하게는 일정한 방향으로 자로를 형성하는 영구자석으로부터 발생되는 자력과 겹쳐지거나 분리되게 자로를 형성하는 전자석으로 구성되어 보다 안정적으로 이동체를 이동시킬 수 있게 한 자로 조절 방식의 위치조절장치에 관한 것이다.

즉, 일정한 자로에 다른 자로를 제공하여 자속이 통과하는 경로를 조절하여 견인자기력의 차이에 따라 생성되는 자로를 조절함에 의해 높은 위치강성과 대 변위 특성 모두 갖춘 위치조절장치에 관한 것다.

웨이퍼 스테이지 등과 같이 아주 미세하게 위치를 조절하는 수단으로 사용되는 초정밀 위치조절장치는 압전 작동기나 보이스코일 작동기 등이 널리 사용하고 있다.

압전 작동기는 높은 위치강성과 작동 분해능을 가지고 있어 초정밀 위치결정기구로의 기본 조건을 갖추고 있지만, 허용 변위가 수십 마이크로미터 내외로 너무 작고, 충격에 약하기 때문에 위치결정기구로서의 활용도가 극히 제한적이다.

반면에 보이스코일 작동기는 10mm 내외의 작동범위를 갖추고 있어 스테이지 미소변위와 회전각도 제어용 초정밀 위치결정기구에 적합하지만, 로렌츠력(Lorentz force)을 사용하기 때문에 다량의 전류를 소비하면서도 작용력과 위치강성이 취약하여 정확도를 떨어뜨리고, 특히 초정밀 위치결정기구의 온도제어 환경을 교란시키므로 사용이 극히 제한적인 단점이 있다.

이와 같은 종래의 위치조절장치인 압전 작동기의 높은 위치강성과 보이스코일 작동기의 대변위 특성 모두를 구현하면서도 소비전력을 낮추기 위해서는 견인자기력을 사용하는 대변위 전자석 작동기를 구현하여야 하지만, 공극의 제곱에 반비례하여 견인력이 감소하는 견인식 전자석 작동기를 사용하여 대변위를 구현하기 위해서는 포화수준의 자속밀도가 필요하며, 이를 전자석만으로 구현한다면 보이스코일과 같이 많은 전력을 소비하게 되는 문제가 있다.

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 개발된 것으로써, 일정한 자로에 다른 자로를 제공하여 자속이 통과하는 경로를 조절하여 견인자기력의 차이에 따라 생성되는 자로를 조절함에 의해 높은 위치강성과 대 변위 특성 모두 갖춘 위치조절장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 본 발명의 위치조절장치는 링형상을 이루고 지지수단에 의해 이동 가 능하게 지지되어 있는 이동체와 ; 상기 이동체의 내벽과의 사이에 공극을 갖도록 이동체의 내부에 설치되고 고정수단에 의해 고정된 봉체 형상의 코어와 ; 상기 코어의 중간에 설치된 영구자석과 ; 상기 영구자석의 양측에 코어에 설치되어 상기 영구자석에서 발생된 자력과 서로 겹쳐지는 위치조절자로부와 영구자석의 자력과 분리되는 분리자로부를 갖는 자력을 발생시키는 전자석을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명은 일정한 방향으로 자로를 형성하는 영구자석으로부터 발생되는 자력과 겹쳐지거나 분리되게 자로를 형성하는 전자석으로 구성되어 보다 안정적으로 이동체를 이동시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 안정화코일을 더 구비하여 이동한 이동체를 안정적으로 고정시킴으로써 이동체가 불필요하게 이동되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 위치조절장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 위치조절장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 위치조절장치의 자속경로의 일예를 도시한 것이고, 도 3은 도 2에 도시한 위치조절장치의 등가회로이고, 도 4는 본 발명에 따른 위치조절장치의 다른 일예의 구성도이다.

도시한 바와 같이 본 발명에 따른 위치조절장치(1)는 서로의 자력이 간섭을 일으키는 영구자석(13)과 전자석(14)을 포함하여 구성된다.

즉, 링형상을 이루고 지지수단에 의해 이동 가능하게 지지되어 있는 이동체(11)와 ; 상기 이동체(11)의 내벽과의 사이에 공극(11a, 11b)을 갖도록 이동체의 내부에 설치되고 고정수단에 의해 고정된 봉체 형상의 코어(12)와 ; 상기 코어(12)의 중간에 설치된 영구자석(13)과 ; 상기 영구자석(13)의 양측에 코어(12)에 설치되어 상기 영구자석(13)에서 발생된 자력과 서로 겹쳐지는 위치조절자로부(14a)와 영구자석의 자력과 분리되는 분리자로부(14b)를 갖는 자력을 발생시키는 전자석(14)을 포함하여 구성된다.

상기 이동체(11)는 이동시키고자 하는 대상이 올려져 이동되는 수단으로 저면은 가이드에 의해 지지되어 수평으로 이동할 수 있다. 이러한 이동체(11)가 이동 가능하게 지지하는 수단으로는 리니어 가이드(linear gaide)나 플랙셔 힌지(Flexure Hinges) 등을 사용할 수 있으나 이러한 가이드는 이미 잘 알려진 기술로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기 이동체(11)는 도시한 바와 같이 사각 링 형상으로 구성되어 있어 중앙에 상기 코어(12)가 설치되어 있다.

상기 코어(12)는 상기 이동체(11)가 일정한 방향으로 이동되게 하기 위한 수단들이 설치되는 구성요소로서 도시한 바와 같이 이동체(11)의 내부에 설치되고 고정수단에 의해 장비에 고정되어 있다.

상기 코어(12)에는 영구자석(13)이 설치되어 있다.

상기 영구자석(13)은 도시한 바와 같이 코어(12)의 중간에 위치하고, 봉체형 코어(12)의 축방향을 중심으로 대칭으로 한쌍이 설치되어 있다.

상기 코어(12)에 설치된 영구자석(13)과 이동체(11) 사이에는 공극(11a, 11b)이 형성되어 있다.

상기 공극(11a, 11b)들은 위치조절공극(11a)과 가이드공극(11b)으로 구성되고, 상기 위치조절공극(11a)은 이동체(11)의 이동방향의 양측에 내면과 코어(12)의 단부 사이에 각각 형성된 틈이고, 상기 가이드공극(11b)은 이동체(11)가 이동되는 방향과 수직을 이루는 방향에 위치한 이동체(11)와 영구자석(13) 사이의 틈으로써, 위치조절공극(11a)과 가이드공극(11b)은 서로 수직 방향으로 배치되어 있다.

도 1, 도 2 a 및 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 전자석(14)은 상기 영구자석(13)을 중심으로 코어(12)의 양단에 설치되어 있으며, 이들은 서로 직렬로 연결되어 있어 하나의 자로를 형성하며, 전자석(14)에 의해 형성된 자로는 상기 영구자석(13)들에 의해 형성되어 자력을 감싸도록 형성된다.

상기한 바와 같이 상기 전자석(14)은 영구자석(13)을 감싸는 형태로 자력이 형성되도록 설치되어 있으며, 이렇게 전자석에 의해 형성된 자력선은 도 2 및 도 4에 도시한 바와 같이, 위치조절자로부(14a)와 분리자로부(14b)를 포함하고 있으며, 위치조절자로부(14a)는 위치조절공극(11a)에 위치하고, 분리자로부(14b)는 가이드공극(11b)에 위치되어 있다.

이렇게 구성된 위치조절장치는 상기 전자석(14)에 공급되는 전류의 방향에 따라 자력의 방향이 바뀌어 이동체가 이동하게 되며, 통상적으로 영구자석(13)에 의해 형성된 자력과 전자석(14)에 의해 발생된 자력은 상기 위치조절자로부(14a)에서는 서로 겹쳐져 자력이 증가(도 2 및 도 4의 좌측)하고, 다른 쪽은 자력이 상쇄(도 2 및 도 4의 좌측)되어 이동체(11)가 어느 일방향 (도 2에서는 우측방향)으로 이동하게 된다.

그러나 분리자로부(14b)의 자력은 영구자석(13)에 의해 형성된 자력에 영향을 미치지 못하므로 영구자석(13)에 의해 발생된 자력에 의해서만 이동체(11)에 영향을 미치게 되고, 이 영구자석(13)에 의해 형성된 저력의 방향은 도 2 및 도 4에 도시한 바와 같이 서로 반대 방향이 되므로 이동체(11)는 이동방향과 수직을 이루는 방향으로의 이동은 발생되지 않게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 위치조절장치는 상기 영구자석(13)과 전자석(14)에 의해 발생된 자력은 이동체의 이동방향과 수직을 이루는 방향 즉, 도면 상에서 좌,우측 방향과 수직을 이루는 상하 방향에 대하여는 자속밀도변화가 없어 이동방향과 수직을 이루는 방향으로는 아무런 작용이 일어나지 않는다.

그러나 구조적인 문제에 의해 기생자기력(stray magnetic force)이 발생하여 이동방향과 수직을 이루는 방향으로의 변위도 발생하게 되며, 이는 미세한 위치조절을 요구하는 본 발명과 같은 초정밀 위치조절기구에서는 정밀도 저하의 원인이 된다.

따라서, 이러한 원하지 않는 방향으로의 변위를 방지하기 위해 자속 안정화수단(magnetic flux stabilizer)이 요구된다.

이러한 자속 안정화수단으로는 안정화코일(15)이 사용될 수 있다.

상기 안정화코일(15)은 도 4에 도시한 바와 같이 코어(12)에 형성된 홈에 코일을 매설하여 구성되며, 이는 상기 영구자석(13)들 사이에 매설되고, 이동체(11)의 이동방향과 수직을 이루는 방향 즉, 이동체의 이동 방향과 수직을 이루는 지면을 향한 방향으로 설치된다.

이렇게 설치된 안정화코일(15)은 전원인 인가되면 자력을 발생하여 영구자석에 의해 발생된 바력에 영향을 주되, 아래쪽의 자속 밀도보다 위쪽의 자속 밀도가 높아지게 하여 이동체(11)가 지면을 향한 방향으로 힘을 받게 되어 이동체가 정지된 상태에서 움직이지 않게 된다.

상기와 같이 구성된 위치조절장치는 상기 전자석(14)에 공급되는 전원을 제어하여 이동체(11)의 이동을 제어하기 위한 제어수단(2)을 더 구비하고 있으며, 상기 제어수단(2)은 상기 전자석(14)에 공급되는 전류를 제어하는 위치제어서보(21)와 ; 상기 이동체(11)를 감지하여 이동체의 이동 거리를 감지하는 위치감지수단(22)을 포함하여 구성되고, 상기 위치감지수단(22)으로는 레이저 간섭계 등을 사용할 수 있다.

상기 제어수단(2)을 구성하는 각 구성요소는 이미 개랍되어 사용되는 것 중 하나를 선택하여 사용할 수 있는 것으로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 위치조절장치의 구동을 설명한다.

상기한 바와 같이, 사각 링 형상의 이동체(11)는 리니어 가이드나 플랙셔 힌지 등에 설치되어 주 작동방향(도면상에서 좌,우측 방향)으로만 자유도를 갖는 다.

상기 코어(12)는 사각이나 원형 단면의 막대 형상으로 중앙에는 측면 방향으로 희토류 영구자석(13)이 설치되어 있으며, 영구자석(13)에 의해서 생성된 포화 자기장은 사각 링 형상의 이동체(11)와 영구자석(13)이 인접한 영역을 통과하여 상기 코어(12)의 폴 전면 방향으로 되돌아오는 자속 루프를 형성하며, 코어(12)와 이동체(11) 사이에 형성된 위치조절공극(11a)이 좌, 우가 동일한 경우에는 영구자석(13)에 의해서 생성된 자속은 서로 대칭 형상을 가지고 있게 되며, 따라서, 좌/우측에서의 견인 자기력은 서로 상쇄된다.

상기 영구자석(13)의 좌, 우에 설치된 전자석(14)은 서로 직렬로 연결되어 하나의 전자석 회로를 형성하여 전자석(14)에 의해서 생성되는 자력의 자로는 도 2 및 도 4에 도시한 바와 같이, 이동체(11)의 일부를 통과하여 코어(12)의 양쪽 폴 면을 관통하는 하나의 큰 루프를 형성한다.

도 2 및 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 영구자석(13)의 자로와 전자석(14)의 자로는 실제적으로 하나로 합쳐지면서 좌측에서는 영구자석(13)의 자속과 전자석(14)의 자속이 합쳐지면서 자속 밀도가 증가하는 반면에 우측에서는 영구자석의 자속과 전자석의 자속이 서로 상쇄되어 자속 밀도가 감소하는 것을 알 수 있다.

상기 이동체(11)와 코어(12)의 폴 면 사이에서 생성되는 견인 자기력은 자속밀도와 면적에 비례하고 간극의 제곱에 반비례하므로, 좌측의 위치조절공극(11a)에서의 견인력은 증가하는 반면에 우측의 위치조절공극(11a)에서의 견인력은 감소하므로 이동체(11)는 우측으로 작용력을 받게 되나, 영구자석(13)과 이동체(11) 사이 의 가이드공극(11b)들에서의 총 자속량은 변화가 없으므로 이동방향과 수직을 이루는 방향으로의 견인 자기력은 서로 상쇄되기 때문에 영구자석 자속에 전자석 자속이 합쳐진다고 하여도 수직방향으로는 변위는 없게 된다.

상기 전자석(14)에 흐르는 전류의 방향을 반전시키면 이동체(11)는 반대 방향으로 힘을 받게 된다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 위치조절장치에서 영구자석에 의해서 생성된 자력에 위치조절공극(11a)에 견인력이 발생되나, 이 견인 자기력은 간극의 제곱에 반비례하는 특성을 가지고 있기 때문에 전자석(14)의 자력을 사용하여 위치 안정화 제어를 수행치 않으면 한 쪽으로 들러붙는 특성을 가지고 있게 되며, 이에 따라 원하는 위치에서 안정화시키기 위해서는 이동체 위치를 검출하여 귀환제어 시스템을 구축하여야 하며, 이러한 귀환제어 시스템이 상기한 제어수단이다.

상기 제어수단(2)은 이동체(11) 또는 이동체가 설치된 테이블의 위치 검출을 위해서 상기 위치감지수단(22)을 구비하고 있으며, 이 위치감지수단(22)의 위치검출 신호를 사용하여 제어하고자 하는 목표위치로의 귀환제어를 수행하면서 위치제어서보(21)에서 제어신호를 전송함으로써 전류증폭기가 코일에 흐르는 전류의 방향과 크기를 제어하면 이동체(11)의 위치를 이동시키고 이동된 후 안정적으로 이동체가 멈춘 상태가 되게 한다.

도 3에는 본 발명의 이해를 돕기 위해 본 발명의 위치조절장치의 위치강성과 전류강성을 검증하기 위한 등가 회로를 도시하였으며, 이에 대한 지배방정식 해석을 통하여 위치조절장치의 작용력을 산출할 수 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 상기 영구자석(13)과 전자석(14)은 두 개의 루프를 형성하고 있으며, 영구자석과 전자석은 자속의 소스(source)이며, 위치조절공극(11a)은 저항으로 치환할 수 있다.

철심의 자로 길이는 공극의 수천분의 일에 불과하므로 도선으로 치환할 수 있고, 이럴게 치환한 상태에서의 등가회로는 도 3에 도시한 바와 같다.

도시한 바와 같이, 등가회로는 두 개의 자속 루프를 가지고 있으며, 루프 해석법을 사용하면 다음과 같이 지배방정식을 도출할 수 있다.

여기서

: 투자율(ermeability) 상수

: 영구자석의 상대 투자율(1.05 내외)

A : 전자석의 폴 단면적

: 영구자석의 폴 단면적

: 영구자석에 의한 공극(영구자석 두께+공극)

: 폴 공극

x : 이동체의 변위

: 영구자석의 잔류 플럭스 밀도(약 1.02 Tesla)

: 권선수 × 전류 = magnetomotive force

: 플럭스 루프

위 식의 정리를 통해서 이동체(11)에 작용하는 작용력(f)을 이동체의 변위(x)에 대해서 산출하면

이며, 이를 각각 변위(x)와 전류(i)에 대해서 미분하면 전류강성과 위치강성을 구할 수 있다.

전류강성(

)는

위치강성(

)는

이다.

상기 위치강성(

)은 이동체(11)를 아동시키는 작용력에 음의 영향을 끼치며, 이는 위치 변화에 대해서 불안정함을 의미하지만, 전류강성(

)이 이를 상쇄하게 되어서, 안정상태를 유지하면서 위치 서보 제어 기능을 수행하게 되는 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 위치조절장치는 이동체(11)의 이동방향과 수직 을 이루는 방향에 대해서는 자속 밀도의 변화가 없기 때문에 아무런 작용력도 생성되지 않지만, 구조적인 문제에 의해 기생자기력이 발생되고, 이에 따른 효율성 저하를 방지하기 위한 수단이 요구된다.

기생자기력을 제거하기 위해 상기 안정화코일(15)을 구비하고 있으며, 이 안정화코일은 상기한 바와 같이 지면을 향한 방향으로 코어(12)에 2열로 배설되고 서로 연결되어 루프를 형성하며, 도 4에 도시된 도면상에서 코일의 우측으로 전류가 유입되고 좌측으로 전류가 유출된다면 수직 상향으로의 자기장이 생성되면서 영구자석(13)의 위쪽의 자속밀도가 아래쪽의 자속밀도보다 높아지게 되므로, 이동체는 아래쪽으로 작용력을 받게되어 안정정으로 고정되고, 안정화코일(15)에 흐르는 전류의 방향을 반전시킨다면 작용력의 작용방향 역시 반전되어 이동체(11)가 이동가능한 상태가 된다.

이러한 이동체 안정화 수단의 경우에도 이동체(11)의 미소변위 측정을 통해 수직방향으로의 기생자기력을 감지하고 이를 안정화시켜야하므로, 이동체의 수직방향 변위를 제어하기 위한 제어수단을 더 구비할 수 있으나, 이는 수직방향 기생자기력은 이동체(1)의 이송방향 전자기력 변화에 비해 아주 작으므로, 상기 전자석(13)의 제어수단을 구성하는 전류증폭기 및 전자석 코일의 용량보다 작은 전류증폭기 및 전자석 코일로 구성될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 위치조절장치의 구성도이고,

도 2는 본 발명에 따른 위치조절장치의 자속경로의 일예를 도시한 것이고,

도 3은 도 2에 도시한 위치조절장치의 등가회로이고,

도 4는 본 발명에 따른 위치조절장치의 다른 일예의 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1 : 작동수단

11 : 이동체

12 : 코어

13 : 영구자석

14 : 전자석

15 : 안정화코일

2 : 제어수단

21 : 위치제어서보

22 : 위치감지수단

Claims (8)

1. 링형상을 이루고 지지수단에 의해 이동 가능하게 지지되어 있는 이동체(11)와 ;

   상기 이동체(11)의 내벽과의 사이에 공극(11a, 11b)을 갖도록 이동체의 내부에 설치되고 고정수단에 의해 고정된 봉체 형상의 코어(12)와 ;

   상기 코어(12)의 중간에 설치된 영구자석(13)과 ;

   상기 영구자석(13)의 양측에 코어(12)에 설치되어 상기 영구자석(13)에서 발생된 자력과 서로 겹쳐지는 위치조절자로부(14a)와 영구자석의 자력과 분리되는 분리자로부(14b)를 갖는 자력을 발생시키는 전자석(14)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 위치조절장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 영구자석(13)은 상기 코어(12)의 중간 양측에 대칭으로 한쌍이 설치됨을 특징으로 하는 위치조절장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 전자석(14)은 서로 직렬로 연결되고, 자로는 상기 영구자석(13)을 감싸도록 형성됨을 특징으로 하는 위치조절장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 이동체(1)는 사각 링 형상으로 구성되고, 상기 공극(11a, 11b)은 위치조절공극(11a)과 가이드공극(11b)으로 구성되고, 위치조절공극(11a)과 가이드공극(11b)은 서로 수직 방향으로 배치되어 있으며, 상기 위치조절공극(11a)은 위치조절자로부(14a)에 위치하고, 상기 가이드공극(11b)은 분리자로부(14b)에 위치됨을 특징으로 하는 위치조절장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 코어(12)에는 안정화코일(15)이 더 구비됨을 특징으로 하는 위치조절장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 안정화코일(15)은 상기 영구자석(13)들 사이에 매설되고, 이동체의 이동방향과 수직을 이루는 방향으로 설치됨을 특징으로 하는 위치조절장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 위치조절장치는 상기 전자석(14)에 공급되는 전원을 제어하여 이동체(11)의 이동을 제어하기 위한 제어수단(2)을 더 구비하고 있으며,

   상기 제어수단(2)은 상기 전자석(14)에 공급되는 전류를 제어하는 위치제어 서보(21)와 ;

   상기 이동체(11)를 감지하여 이동체의 이동 거리를 감지하는 위치감지수단(22)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 위치조절장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 위치감지수단(22)은 레이저 간섭계임을 특징으로 하는 위치조절장치.

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