KR20210020019A - 하나 이상의 웨이퍼를 운반하기 위한 운반 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적어도 하나의 운반체(200)를 포함하는, 적어도 하나의 웨이퍼(36)를 운반하기 위한 운반 장치(10)에 관한 것이며, 상기 운반체(200)는 적어도 웨이퍼(36)를 지지거나 홀딩하도록 설계된다. 상기 운반 장치(10)는 운반면(35)에서 적어도 2 차원적으로 적어도 하나의 운반체(200)를 이동시키도록 설계된다.
Description
본 발명은 적어도 하나의 웨이퍼를 운반하기 위한 운반 장치 및 그 작동 방법에 관한 것이다. 여기서, 자기 부상은 바람직하게는 적어도 하나의 웨이퍼를 부상 운반 및/또는 배치 및/또는 배향하기 위해 사용된다. 여기에 제시된 해결책은 바람직하게는 반도체 생산 분야에서 적용될 수 있다.
반도체 생산의 맥락에서, 웨이퍼와 같은 물체는 종종 운반되거나 배치되어야 한다. 이를 위해, 기존에는 고정된 레인이나 레일에서 웨이퍼를 이동시키는 운반 시스템이 사용되었다. 적절하게 고정된 레인 또는 레일은 일반적으로 1 차원이라고도 하는 이동만 허용하며, 이 이동은 특히 웨이퍼가 고정된 순서로 운반되고 특히 일반적으로 전면 웨이퍼 앞으로 후면 웨이퍼를 당길 수 없다는 단점을 갖는다.
또한, 소위 클러스터 도구 내에서 웨이퍼를 운반하기 위해, 중앙에 배치된 핸들링 장치를 사용하는 것은 알려져 있으며, 상기 핸들링 장치는 웨이퍼를 각각 반경 방향을 따라 (1 차원으로) 핸들링 장치 주위의 원에 배치된, 클러스터 도구의 처리 스테이션으로 운반할 수 있다. 그러나 지금까지 일반적이었던, 클러스터 도구 내에서 이러한 유형의 웨이퍼 운반은 클러스터 도구의 설계에서 제한을 초래한다.
따라서, 적어도 하나의 웨이퍼를 특히 처리 스테이션으로 및/또는 처리 스테이션 내에서 보다 유연하게 운반할 수 있는 운반 장치를 제공하는 것이 바람직하다.
여기서는 청구항 제 1항에 따라, 적어도 하나의 웨이퍼를 운반하기 위한 운반 장치가 제안되며, 상기 운반 장치는 적어도 하나의 운반체를 포함하고, 상기 운반체는 적어도 하나의 웨이퍼를 적어도 지지하거나 홀딩하도록 설계되며, 상기 운반 장치는 적어도 하나의 운반체를 운반면에서 적어도 2 차원적으로 이동시키도록 설계된다.
바람직한 구성은 종속 청구항들 및 아래 설명의 대상이다.
웨이퍼는 일반적으로 특히 마이크로 전자 공학, 광전지 및/또는 마이크로 시스템 기술에 사용되는 디스크, 예를 들어 약 1 밀리미터 두께의 원형 또는 정사각형 디스크이다. 이러한 웨이퍼 또는 디스크는 일반적으로 단결정 또는 다결정 (반도체) 블랭크, 소위 잉곳으로부터 제조되며, 일반적으로 전자 부품, 특히 집적 회로(IC, "칩"), 마이크로 기계 부품 및/또는 광전 코팅을 위한 기판(베이스 플레이트)으로서 사용된다.
운반체는 적어도 하나의 웨이퍼를 지지 및/또는 홀딩하도록 설계된다. 이러한 맥락에서, 적어도 하나의 웨이퍼는 운반체 상에 (위에), 운반체 아래 또는 운반체 옆에 배치될 수 있다. 또한, 운반체는 다수의 웨이퍼의 스택을 지지 및/또는 홀딩하도록 설계될 수 있다. 이러한 맥락에서, 운반체는 웨이퍼들의 스택으로부터 개별 웨이퍼를 빼내고 필요하다면 스택 내로 다시 이동시키도록 설계되는 것이 특히 바람직하다. 운반체는 적어도 하나의 웨이퍼 또는 다수의 웨이퍼의 스택을 홀딩하거나 지지하도록 각각 설계된 하나 이상의 포크를 포함할 수 있다. 대안으로서 또는 추가로, 운반체는 적어도 하나의 웨이퍼 또는 다수의 웨이퍼의 스택이 놓일 수 있도록 설계된 트레이(플레이트 형태)를 포함할 수 있다. 이러한 맥락에서, 상기 트레이는 (운반 중에) 하나 이상의 웨이퍼를 트레이에 (분리 가능하게) 고정하도록 설계된 고정 요소를 포함하는 것이 특히 바람직하다.
운반 장치는 운반면에서 적어도 2 차원으로 (또는 가능하면 3 차원으로) 적어도 하나의 운반체를 이동시키도록 설계된다. 이러한 맥락에서, 운반 장치는 적어도 하나의 운반체를 적어도 2 차원 또는 심지어 3 차원 운반 경로를 따라 (운반면에서) 이동시키도록 설계되는 것이 특히 바람직하다. 여기서, 2 차원 이동은 특히 하나의 평면에서 수행되는 것을 특징으로 한다. 또한, 운반체가 6개의 자유도로 이동 가능한 것이 바람직하다(아래에서 더 논의됨).
여기에 제안된 해결책은 하나 이상의 웨이퍼가 하나의 운반면 또는 하나의 평면에서 자유롭게 운반될 수 있는, 반도체 생산을 위한 특히 바람직한 운반 시스템을 가능하게 한다. 본 명세서에서 2 차원이라 하는 이러한 이동은 바람직하게는 특히 처리 스테이션을 향해 및/또는 처리 스테이션 내에서 적어도 하나의 웨이퍼의 더 유연한 운반을 가능하게 한다. 이것은 또한 반도체 제조 시스템, 특히 소위 클러스터 도구가 더 잘 설계될 수 있다는 추가적인 장점을 허용한다.
바람직한 실시예에 따르면, 운반 장치는 적어도 하나의 운반체를 제어된 방식으로 부상시켜 운반하도록 설계된다. 즉, 이것은 특히 운반체의 비접촉식 운반과 관련된다. 이러한 맥락에서, 운반 장치는 자기 운반 시스템의 방식으로 설계되거나 부상 운반이 자기적으로 실현되는 것이 특히 바람직하다. 부상 운반은 특히 반도체 생산에 사용되는 클린룸과 관련하여 바람직한데, 그 이유는 이로 인해 클린룸의 오염 위험이 더욱 줄어들 수 있기 때문이다. 특히 진공 조건에서 운반이 수행되는 경우, 자기 실현이 특히 바람직하다. 특히 이러한 진공 조건 밖에서, 예를 들어, 운반체 아래에 에어 쿠션을 제공하는 압축 공기 시스템도 사용될 수 있다.
특히 바람직한 실시예에 따르면, 운반 장치는 고정자를 더 포함하고, 운반 장치는 적어도 하나의 운반체를 고정자에 대해 제어된 방식으로 운반하도록 설계된다. 여기서, 고정자는 다수의 이동 가능하게 배치된 작동 자석을 포함할 수 있으며, 상기 작동 자석들 각각은 작동 요소를 통해 고정자에 연결되고, 상기 작동 요소는 고정자에 대한 관련 작동 자석의 위치 및/또는 방향을 제어된 방식으로 변경하도록 설계되고; 적어도 하나의 운반체는 적어도 2개의 고정 자석이 운반체에 대해 움직이지 않는 방식으로 운반체에 연결된 적어도 2개의 고정 자석을 갖고; 고정자 및 적어도 하나의 운반체는 적어도 2개의 고정 자석 및 다수의 작동 자석에 의해 자기적으로 결합되고; 운반 장치는 작동 요소에 의한 다수의 작동 자석의 제어된 배치 및/또는 배향을 통해 적어도 하나의 운반체를 고정자에 대해 운반하도록 설계될 수 있다. 대안으로서, 적어도 하나의 운반체는 다수의 이동 가능하게 배치된 작동 자석을 포함할 수 있으며, 상기 작동 자석들 각각은 작동 요소를 통해 운반체에 연결되고, 작동 요소는 운반체에 대한 관련 작동 자석의 위치 및/또는 방향을 제어된 방식으로 변경하도록 설계되고; 고정자는 적어도 2개의 고정 자석이 고정자에 대해 움직이지 않는 방식으로 고정자에 연결된 적어도 2개의 고정 자석을 갖고; 적어도 하나의 운반체 및 고정자는 적어도 2개의 고정 자석 및 다수의 작동 자석에 의해 자기적으로 결합되고; 운반 장치는 작동 요소에 의한 다수의 작동 자석의 제어된 배치 및/또는 배향을 통해 적어도 하나의 운반체를 고정자에 대해 운반하도록 설계될 수 있다.
이러한 맥락에서, 특히 부상 운반을 제공하기 위해, 고정자에 대한 운반체의 제어된 운반을 위한 고정자를 갖는 운반 장치가 제안된다. 이 경우, 바람직하게는, 2개의 요소 중 하나가 적어도 부분적으로 이동 가능하게 배치된 다수의 작동 자석을 포함하고, 상기 요소에 대한 작동 자석의 각각의 위치 및/또는 방향이 작동 요소를 통해 제어된 방식으로 미리 정해질 수 있으며, 2개의 요소 중 다른 하나가 상기 요소에 움직이지 않게 연결된 적어도 2개의 고정 자석을 포함하고, 상기 고정 자석들이 작동 자석에 자기적으로 결합됨으로써, 고정자에 대한 운반체의 제어된 운반이 가능해진다. 운반 장치는 작동 자석의 제어된 배치 및/또는 배향을 통해 고정자에 대해 운반체를 운반하도록 설계된다. 운반은 특히 적어도 하나의 운반체를 고정자에 대해 소정 위치 및/또는 방향으로 가져오는 것을 포함한다.
이것은 특히 고정자에 대해 6개의 자유도로, 즉 3개의 병진 자유도와 3개의 회전 자유도로 운반체의 완전한 자기 부상을 가능하게 한다. 이것은 운반체가 기존 시스템에서보다 더 유연하게 운반될 수 있다는 장점을 갖는다.
더욱이, 이것은 각각의 작동 요소에 의한 작동 자석의 적절한 배치 및/또는 배향을 통해 고정자에 대한 운반체의 부상 및/또는 전진 이동이 가능해질 수 있다는 장점을 제공한다. 이로 인해, 자기 코일의 복잡한 배치 및 제어가 생략될 수 있다. 이것은 운반 장치의 복잡성과 그에 따른 제조 비용을 감소시킬뿐만 아니라 종종 그러한 목적에 사용될 수 있는 자기 코일보다 훨씬 더 큰 자속 밀도를 제공할 수 있는 영구 자석의 사용을 허용한다. 이것은 고정자와 운반체 사이의 더 큰 스트로크 길이 또는 더 큰 에어 갭을 가능하게 하며, 이로 인해 Z 방향으로 이동시 및/또는 피치 및 롤 각도 범위에서 더 큰 이동 자유가 달성될 수 있다. 또한, 이는 전기 에너지 공급의 중단이 반드시 오작동을 일으키거나 손상을 입힐 필요가 없다는 장점을 제공한다. 특히, 전원 공급이 중단 되더라도 자기장의 손실이나 고정자와 운반체 사이의 자기 결합이 발생하지 않는다. 예를 들어, 전원 공급이 중단되는 경우, 작동 자석과 고정 자석 사이의 결합력은 작동 자석의 위치 및/또는 방향이 고정 자석의 인력에 영향을 미치고, 그래서 운반체가 고정자로 당겨져서, 제어되지 않은 떨어짐으로부터 보호되면, 증가할 수 있다. 또한, 이 바람직한 실시예는 고정자와 운반체 사이의 자기 결합이 운반체의 부상, 즉 고정자 위의 스트로크를 유발하고 고정자에 대한 운반체의 이동, 즉 추가의 접촉 또는 비접촉 시스템을 반드시 필요로 하지 않으면서 운반을 유발할 수 있다는 장점을 제공한다. 이로 인해, 비접촉식 운반이 가능해질 수 있으므로, 운반 장치는 증가된 청정도 요구를 갖는 환경(예를 들어, 반도체 생산에서 상기 클린룸)에서도 사용될 수 있다. 예를 들어, 운반체는 증가된 청정도 요구를 갖는 환경에서 운반될 수 있는 반면, 고정자는 외부에서 더 낮은 청정도 요구를 갖는 환경에 배치된다. 상이한 청정 영역을 분리하기 위해, 예를 들어, 분리 요소가 고정자와 운반체 사이의 에어 갭을 통해 연장될 수 있다. 따라서, 운반 장치는 화학 공정, 예를 들어 반도체 생산의 화학 분야, 그리고 예를 들어 기밀한, 액밀한 및/또는 캡슐화된 영역에 사용하기에 적합하다.
또한, 자기 코일이 반드시 운반체 또는 고정자에 제공될 필요가 없어서, 그러한 코일에서 발생하는 전류에 의한 운반체 및/또는 고정자의 가열이 방지될 수 있다는 장점이 가능해진다. 이것은 열에 민감한 환경에서 또는 열에 민감한 물체를 운반하기 위한 운반 장치의 사용을 권장하고, 전기 에너지의 소산이 감소될 수 있기 때문에 운반 장치의 에너지 효율을 향상시킨다.
자기 결합을 통한 바람직한 부상 또는 운반에 의해, 운반체 또는 운반 장치가 진동 및/또는 구조 전달 음으로부터 효율적으로 분리될 수 있어서, 운반 장치는 반도체 제품과 같은 민감한 물체의 운반 시에도 특히 바람직한 방식으로 사용될 수 있다.
운반 장치는 바람직하게는 다수의 작동 자석 및/또는 다수의 고정 자석을 포함한다. 작동 자석 및/또는 고정 자석은 특히 바람직하게는 운반면을 통해 고정자 내에 또는 상에, 또는 운반체 내에 또는 상에 배치되어, 운반체가 운반면을 따라 부상 및/또는 운반될 수 있다. 이러한 방식으로, 운반체가 운반될 수 있는 더 넓은 영역이 형성될 수 있다. 특히 바람직하게는, 작동 자석들은 운반체가 제어된 방식으로 운반되거나 배치되는, 운반체의 자유도의 수와 적어도 같은 수의 자유도를 갖는다. 예를 들어, 운반체가 6개의 자유도로 운반 및/또는 배치되어야 하는 경우, 총 6개 이상의 자유도를 갖는 다수의 작동 자석을 제공하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 작동 자석들은 예를 들어 운반체가 항상 적어도 6개의 작동 자석과 상호 작용하는 방식으로 설계될 수 있다.
작동 자석의 자기장 및/또는 2개 이상의 고정 자석의 자기장은 바람직하게는 운반면을 향하고, 즉 자극은 운반면을 향한다. 운반면은 운반체가 고정자에 대해 제어된 방식으로 운반될 때 따르는 면이다. 특히, 운반면은 고정자 평면 및/또는 고정자의 유효면과 일치할 수 있다. 운반면은 특히 바람직하게는 (운반) 평면에 위치한다. 또한, 운반면은 만곡되어 및/또는 적어도 하나의 꼬임으로 또는 불연속적으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 고정자와 상기 고정자에 의해 부상된 운반체 사이에 놓인 면은 운반면을 형성할 수 있다. 이러한 배치는 작동 자석과 고정 자석 사이의 자기 결합이 확대되거나 최적화될 수 있다는 장점을 제공한다. 작동 자석 및 고정 자석의 자극은 바람직하게는 서로를 향하거나 또는 그 자기장이 중첩을 갖고 및/또는 상호 작용하는 방식으로 배치된다. 자기장은 바람직하게는 운반면으로부터 멀어지는 방향으로 최소화된다.
바람직한 실시예에 따르면, 운반 장치는 특히 하나의 운반체가 다른 운반체를 추월할 수 있도록 (고정자에 대해 제어된 방식으로) 상이한 운반 경로를 따라 운반면에서 적어도 2개의 운반체를 운반하도록 설계된다. 이러한 맥락에서, 특히 하나의 대기 운반체가 다른 운반체를 통과시킬 수 있도록 대기 구역이 형성될 수도 있다. 또한, 추월 운반체가 다른 운반체로부터 (미리 정의된) 최소 거리를 유지할 수 있다. 이러한 맥락에서, 최소 거리는 특히 추월 운반체가 다른 운반체의 자기 부상을 손상시키지 않도록 미리 정의된다.
또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 운반 장치는 (고정자에 대해 제어된 방식으로) 적어도 2 차선 운반 경로를 따라 운반면에서 적어도 2개의 운반체를 운반하도록 설계된다. 결과적으로, 바람직하게는 운반면에서 다중 차선 운반 경로가 가능해져서, 생산 능력이 바람직하게 증가될 수 있다.
추가의 바람직한 실시예에 따르면, 운반 장치는 적어도 하나의 운반체를 (고정자에 대해 제어된 방식으로) (웨이퍼) 처리 스테이션으로 운반하고 및/또는 운반체에 의해 운반된 웨이퍼를 처리 스테이션에 배치 및/또는 정렬(배향)하도록 설계된다. 처리 스테이션은 예를 들어 화학 처리 스테이션, 리소그래피 처리 스테이션, 또는 예를 들어 현미경에 의해 웨이퍼를 검사할 수 있는 검사 스테이션일 수 있다.
대안으로서 또는 추가로, 운반 장치는 (고정자에 대해 제어된 방식으로) 적어도 하나의 운반체를 웨이퍼용 창고 또는 저장소로 운반하고 및/또는 운반체에 의해 운반되는 웨이퍼를 웨이퍼용 창고 또는 저장소에 배치 및/또는 정렬(배향)하도록 설계된다. 운반 장치는 바람직하게는 적어도 하나의 운반체를 웨이퍼용 창고 또는 저장소로부터 처리 스테이션까지 및/또는 처리 스테이션 내로 운반하도록 설계된다.
또한, 운반 장치는 바람직하게는 (웨이퍼) 처리 스테이션을 통해 적어도 하나의 운반체를 (고정자에 대해 제어된 방식으로) 운반하도록 설계된다. 또한, 운반 장치는 운반체에 의해 운반된 웨이퍼가 (웨이퍼) 처리 스테이션을 통해 운반되는 방식으로 (웨이퍼) 처리 스테이션을 따라 적어도 하나의 운반체를 (고정자에 대해 제어된 방식으로) 운반하도록 설계될 수 있다. 또한, 운반 장치는 운반체에 의해 운반된 웨이퍼를 처리 스테이션을 통해 운반되는 동안 처리 스테이션에 배치 및/또는 정렬(배향)하도록 설계될 수 있다.
예를 들어, 처리 스테이션에서 증가된 청정도 요구를 갖는 환경(클린 룸) 및/또는 진공이 설정될 수 있다. 이러한 맥락에서, 웨이퍼를 처리 스테이션 내로 이동시키기 위해, 예를 들어 운반체의 홀더 또는 그리퍼 또는 니퍼와 같은 운반체의 일부만이 처리 스테이션 내로 돌출하는 것이 특히 바람직하다. 이 경우, 운반체의 상기 부분은 예를 들어 처리 스테이션의 상류에 배치된 록을 통해 고정될 수 있다.
처리 스테이션에서 웨이퍼의 정렬(웨이퍼의 위치)은 예를 들어, 운반면에 대한 운반체의 경사에 의해 및/또는 수직 축을 중심으로 하는 운반체의 회전에 의해 수행될 수 있다. 처리 스테이션에 웨이퍼의 배치(웨이퍼의 위치)는 예를 들어 운반면을 따른 (2 차원) 이동에 의해 및/또는 수직 축을 중심으로 하는 운반체의 회전에 의해 수행될 수 있다. 운반면에 대한 운반체의 경사는 또한 운반면을 따른 운반 동안에도 바람직할 수 있는데, 그 이유는 그로 인해 경우에 따라 증가된 운반 속도가 달성될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 운반체의 (의도된) 경사는 운반체의 가속 동안 웨이퍼가 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
적어도 2개의 고정 자석 및/또는 작동 자석은 바람직하게는 각각 적어도 하나의 영구 자석을 포함한다. 이는 고정자 및/또는 운반체에서 자기 코일의 사용이 감소되거나 심지어 완전히 회피될 수 있다는 장점을 가지며, 따라서 운반 장치의 에너지 소비가 감소될 수 있다. 또한, 영구 자석에 의해 자기 코일에 비해 매우 강한 자기장이 생성될 수 있으며, 이 자기장은 좁은 공간에도 제공될 수 있다. 영구 자석을 사용하여 자기장을 제공할 때, 예를 들어 자기 코일을 사용할 때와 같이 자석에 전력을 공급할 필요가 없다. 또한, 영구 자석은 전력을 낭비하지 않으므로 운반 장치의 원치 않는 가열에 기여하지 않는다. 특히 바람직하게는, 고정 자석 및/또는 작동 자석은 추가로 자기 코일을 갖지 않고 하나 이상의 영구 자석만 갖는다. 이러한 방식으로, 예를 들어 운반체가 이동을 방해하는 전기 에너지 공급 라인과 접촉해야하는 것이 방지될 수 있다.
영구 자석은 (표면의 한 지점에서) 0.05T 이상, 바람직하게는 0.1T 이상, 더 바람직하게는 0.25T 이상, 더욱 더 바람직하게는 0.5T 이상, 특히 바람직하게는 0.75T 이상, 가장 바람직하게는 1T 이상의 자속 밀도를 제공한다. 특히, 영구 자석은 운반체를 운반 및/또는 배치하는데 필요한 힘과 모멘트가 선택된 자속 밀도를 통해 달성되도록 선택될 수 있다. 더 큰 자속 밀도를 가진 영구 자석은 예를 들어 더 큰 스트로크를 일으키고 및/또는 더 높은 가속을 일으키고 및/또는 운반체로 더 무거운 짐을 운반하기 위해 사용될 수 있다.
작동 자석은 바람직하게는 다수의 영구 자석 및/또는 자석 코일을 포함하는 자석 그룹을 갖는 것이 바람직하다. 고정 자석은 바람직하게는 적어도 하나의 자석 그룹을 형성하고, 자석 그룹은 바람직하게는 다수의 영구 자석 및/또는 자석 코일을 포함한다. 특히, 자석 그룹의 다수의 자석이 직선을 따라 배열되는 경우, 자기 쌍극자가 평행하게 정렬되지 않도록 또는 또는 동일한 방향을 가리키지 않도록, 특히 모두가 상기 직선에 평행하게 정렬되지 않도록, 다수의 자석이 배향되거나 배치되도록 자석을 배열하는 것이 바람직할 수 있다. 쌍극자의 평행하지 않은 배열은 총 6개의 자유도에서 운반체의 제어된 운반 또는 이동에 바람직할 수 있다.
적어도 하나의 자석 그룹의 다수의 영구 자석 및/또는 자기 코일은 특히 바람직하게는 Halbach 어레이에 따라 적어도 부분적으로 배치된다. 이것은 다수의 자석에 의해 생성된 자기장이 Halbach 어레이로부터 멀어지는 한 방향으로 강화되고 Halbach 어레이로부터 멀어지는 다른 방향으로 감소되거나 심지어 완전히 소멸된다는 장점을 제공한다. 이것은 예를 들어 자기장이 고정자와 운반체 사이의 한 방향으로 강화될 수 있는 반면, 다른 방향의 자기장은 감소되거나 심지어 소멸된다는 점에서 바람직할 수 있다. 따라서, 자기장은 부상을 위해 특히 효율적인 방식으로 사용될 수 있고 및/또는 Halbach 어레이를 갖는 자석들은 서로 부정적으로 영향을 주지 않으면서 특히 좁은 공간에서, 서로 인접하게 배열될 수 있다. Halbach 어레이는 바람직하게는 자석 그룹의 자기장이 바람직하게는 운반면 또는 유효면을 향해 연장되는 방식으로 배치된다. 특히, 자석의 총 중량 및/또는 관성 모멘트는 동일한 결합력 및 결합 모멘트를 가진 Halbach 어레이로서 배치함으로써 감소될 수 있다. 가장 바람직한 것은 모든 자유도에서 높은 힘과 모멘트를 전달하기 위해 상이한 공간 방향으로 Halbach 어레이를 형성하는 자석들의 평평한 배열이다.
작동 요소는 제어된 방식으로 관련 작동 자석의 위치 및/또는 방향을 변경하도록 설계된 구동 요소를 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 이러한 구동 요소는 작동 자석을 이동시키기 위해 작동 자석에 직접 연결되거나 기어 장치 및/또는 링키지를 통해 연결되는 전기 모터를 포함할 수 있다. 또한, 구동 요소는 다수의 작동 자석이 함께 이동될 수 있는 방식으로 설계될 수 있다. 이러한 배열은 작동 요소에 연결된 작동 자석의 위치 또는 방향이 개별적으로 변경될 수 있다는 장점을 갖는다. 예를 들어, 작동 요소는 작동 자석의 축 및/또는 무게 중심을 중심으로 작동 자석(들)을 회전시킬 수 있는 방식으로 설계될 수 있다. 또한, 구동 요소는 적어도 하나의 작동 자석의 하나 이상의 자유도가 이동될 수 있는 방식으로 설계될 수 있다. 작동 요소는 또한 바람직하게는 작동 요소에 연결된 작동 자석의 위치 및/또는 방향을 결정하도록 설계된 센서 요소를 포함한다. 이것은 작동 자석의 방향 및/또는 위치를 조절할 수 있게 하고 효율적이고 효과적인 방식으로 작동 자석에 의해 소정 효과를 가져올 수 있게 한다. 작동 요소는 바람직하게는 작동 요소에 연결된 작동 자석의 위치 및/또는 방향을 구동 장치에 의해 미리 정해진 값으로 설정하도록 설계된 제어 요소를 포함한다. 예를 들어, 제어 요소는 제어 및/또는 조절 유닛을 포함할 수 있으며, 상기 제어 및/또는 조절 유닛에 의해 작동 자석의 이동이 구동 요소를 통해 제어 및/또는 조절된다. 이러한 방식으로 작동 자석의 배치 또는 배향이 특히 빠르고 정확하게 수행될 수 있다.
또한, 운반 장치는 고정자에 대한 적어도 하나의 운반체의 상대 위치 및/또는 방향을 결정하도록 설계된 위치 결정 유닛을 포함할 수 있다. 예를 들어, 위치 결정 유닛은 광학 센서 및/또는 용량성 센서 및/또는 홀 센서와 같은 자기장 센서를 포함할 수 있으며, 이 센서들은 운반체에 의해 야기된 자기장에 기초하여 고정자에 대한 운반체의 위치 및/또는 방향을 적어도 부분적으로 결정한다.
추가 양태에 따르면, 여기에 제안된 운반 장치를 작동시키는 방법이 제안되며, 적어도 하나의 운반체는 운반면에서 소정 위치 및/또는 방향으로 자유롭게 이동된다.
운반 장치와 관련하여 논의된 세부 사항, 특징 및 바람직한 구성은 여기에 제시된 방법에서도 발생할 수 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 이와 관련하여, 특징들의 더 자세한 특성화를 위해 여기에 언급된 설명이 전체적으로 참조된다.
본 발명의 추가 장점 및 구성은 설명 및 첨부 도면으로부터 나타난다.
전술한 특징 및 후술될 특징은 각각 제시된 조합으로뿐만 아니라, 본 발명을 벗어나지 않으면서, 다른 조합으로 또는 단독으로 사용될 수 있음은 당연하다.
본 발명은 도면의 실시예에 기초하여 개략적으로 도시되고 도면을 참조하여 아래에서 상세하게 설명되지만, 도시된 실시예로 제한되지 않는다.
동일하거나 유사한 요소는 동일한 도면 부호로 표시된다. 간결성을 위해 해당 설명이 반복되지 않는다.
도 1은 바람직한 실시예에 따른 운반 장치의 개략적인 평면도이고,
도 2a 내지 도 2e는 바람직한 실시예에 따른 운반 장치의 개략도이며,
도 3a 및 도 3b는 바람직한 실시예에 따른 운반체를 도시하고,
도 4a 내지 도 4m은 고정 자석들 또는 자석 그룹의 상이한 배열을 나타낸 개략적인 평면도이며,
도 5a 내지 도 5c는 운반체의 바람직한 실시예를 도시하고,
도 6은 추가 기능을 갖는 바람직한 실시예에 따른 운반체를 도시하며,
도 7a 내지 도 7d는 바람직한 실시예에 따른 고정자의 개략도이고,
도 8a 내지 도 8e는 자석 그룹들 또는 고정 자석들의 예시적인 배열을 도시하고,
도 9a 내지 도 9h는 작동 자석 및 자석 그룹의 바람직한 실시예 및 바람직한 배열을 도시하며,
도 10a 및 도 10b는 작동 요소의 바람직한 실시예의 개략도이고,
도 10c는 작동 요소의 예시적인 작동 원리를 나타낸 블록도이며,
도 11는 위치 결정 유닛의 바람직한 실시예를 도시하고,
도 12는 예시적인 제어 다이어그램을 도시하며,
도 13a 내지 도 13c는 운반 장치의 바람직한 실시예를 도시하고,
도 14는 운반 장치의 바람직한 실시예를 도시하며,
도 15는 예시적인 방법 흐름도를 도시한다.
도 2a 내지 도 2e는 바람직한 실시예에 따른 운반 장치의 개략도이며,
도 3a 및 도 3b는 바람직한 실시예에 따른 운반체를 도시하고,
도 4a 내지 도 4m은 고정 자석들 또는 자석 그룹의 상이한 배열을 나타낸 개략적인 평면도이며,
도 5a 내지 도 5c는 운반체의 바람직한 실시예를 도시하고,
도 6은 추가 기능을 갖는 바람직한 실시예에 따른 운반체를 도시하며,
도 7a 내지 도 7d는 바람직한 실시예에 따른 고정자의 개략도이고,
도 8a 내지 도 8e는 자석 그룹들 또는 고정 자석들의 예시적인 배열을 도시하고,
도 9a 내지 도 9h는 작동 자석 및 자석 그룹의 바람직한 실시예 및 바람직한 배열을 도시하며,
도 10a 및 도 10b는 작동 요소의 바람직한 실시예의 개략도이고,
도 10c는 작동 요소의 예시적인 작동 원리를 나타낸 블록도이며,
도 11는 위치 결정 유닛의 바람직한 실시예를 도시하고,
도 12는 예시적인 제어 다이어그램을 도시하며,
도 13a 내지 도 13c는 운반 장치의 바람직한 실시예를 도시하고,
도 14는 운반 장치의 바람직한 실시예를 도시하며,
도 15는 예시적인 방법 흐름도를 도시한다.
도 1은 바람직한 실시예에 따른 운반 장치(10)를 개략적인 평면도로 도시한다. 운반 장치(10)는 적어도 하나의 웨이퍼(36)를 운반하는 역할을 한다. 여기서, 운반 장치(10)는 예를 들어 2개의 운반체(200)를 포함한다. 각각의 운반체(200)는 예를 들어 운반체(200)의 일부가 그리퍼 방식으로 형성됨으로써 적어도 하나의 웨이퍼(36)를 지지 및/또는 홀딩하도록 설계된다. 또한, 운반 장치(10)는 운반면(35)에서 2 차원적으로 운반체(200)를 이동시키도록 설계된다.
운반체(200)는 운반면(35)에서 실질적으로 자유롭게 이동될 수 있고, 이에 따라 웨이퍼(36)를 처리 스테이션(37)으로 이동시키며, 경우에 따라 웨이퍼를 처리 스테이션(37)에 홀딩하거나 또는 심지어 처리 스테이션에 배치 및/또는 정렬할 수 있다. 그럼에도 처리 스테이션(37)의 내부 공간을 주변으로부터 가능한 최상으로 분리하기 위해, 예를 들어 슬릿 밸브(39)가 제공될 수 있고, 웨이퍼 또는 웨이퍼들(36)을 홀딩하는 운반체(200)의 적어도 일부가 (밸브의 개방시) 상기 슬릿 밸브를 통해 돌출될 수 있다.
도 2a는 바람직한 실시예에 따른 운반 장치(10)를 관련 좌표계(900, 920)와 함께 개략적으로 도시한다. 도시된 운반 장치(10)는 기계 테이블(12)에 배치되고 고정자(100) 및 운반체(200)를 포함한다. 이 경우에 능동적으로 제어되는 자기장인 부상 장(14; levitation field)이 고정자(100)와 운반체(200) 사이에 개략적으로 도시되어 있다. 부상 장(14)은 고정자(100) 또는 운반체(200)에 형성된 작동 자석들 및 고정 자석들(미도시)에 의해 고정자(100)의 유효면(102)에 생성된다. 부상 장(14)은 고정자(100)와 운반체(200) 사이에 배치되며, 운반체(200)는 부상 장(14)에서 떠 있다. 파선은 선택적으로 부착 가능한 밀폐형 시일(16)을 개략적으로 나타내며, 상기 시일(16)은 밀폐형 시일(16)의 외부에서 고정자(100)로 밀폐형 시일(16)의 내부에서 운반체(200)를 운반할 수 있게 한다. 또한, 연결부(18)가 개략적으로 도시되며, 상기 연결부(18)에 의해 운반 장치(10)에 전기 에너지가 공급될 수 있고, 상기 연결부(18)를 통해 통신 데이터가 공급 및/또는 배출될 수 있다.
고정자에 대한 운반체의 위치 및 방향은 x 방향(902), y 방향(904) 및 z 방향(906)으로 형성된 고정자 좌표계(900)에 표시될 수 있다. 운반체는 xl 방향(922), yl 방향(924) 및 zl 방향(926)으로 형성되며 롤 각도(932), 피치 각도(934) 및 요(yaw) 각도(936)를 갖는 운반체 좌표계(920)를 갖는다.
운반 장치(10)는 바람직하게는 운반체(200)가 안정적으로 부상하고 병진 및 회전과 관련하여 미리 정해진 목표 곡선에서 안내되는 방식으로 조절된다.
도 2a는 테이블 모드에서, 즉 하나의 평면에 배치되거나 지지되어 운반체(200)가 중력(940)에 의해 고정자(100)의 방향으로 가속될 때, 운반 장치(l0)를 도시하는 한편, 도 2b는 벽 모드에서, 즉 중력이 운반체를 운반면에 실질적으로 평행하게 가속할 때 운반 장치(10)를 도시한다. 이 경우, 고정자(100)와 운반체(200) 사이의 자기 결합은 중력을 보상하기 위한 힘이 운반면에 평행하게 작용하도록 설정된다. 부상 장(14)은 운반체(200)가 미끄러지거나 떨어지는 것을 방지한다. 작동 자석 및 고정 자석(도시되지 않음)이 영구 자석을 포함하면, 전원 공급이 중단되는 경우에도, 미끄러지고 및/또는 떨어지는 것이 방지될 수 있다. 동일한 내용이 도 2c에 개략적으로 도시된 천장 모드의 운반 장치(10)에도 적용된다.
도 2d는 3개의 인접한 고정자(100) 또는 고정자 모듈을 통해 운반되는 3개의 운반체(200)를 갖는 운반 장치(10)를 개략적으로 도시하며, 상기 고정자 모듈은 평평한 유효면(102)을 형성한다. 또한, 도 2d에는 상이한 스트로크 길이에서 또는 z-방향(906)으로 상이한 거리에서 운반체(200)의 배치가 도시되어 있다.
도 2e는 운반체(200)가 2개의 별도의 고정자(100)에 의해 운반되거나 배치되거나 배향되고, 각각의 고정자는 운반체에서 자석 배열의 일부에만 결합되는, 추가의 바람직한 실시예에 따른 운반 장치(10)의 개략도를 도시한다. 이러한 방식으로, 운반체(200)는 요 각도(936)만큼 회전되고 및/또는 롤 각도(932)만큼 경사지고 및/또는 피치 각도(934)만큼 기울어질 수 있다.
도 3a는 바람직한 실시예에 따른 운반체(200)를 X1/Z1 평면의 단면에서 개략적으로 도시하며, 운반체(200)는 고정 자석들(22)의 자석 그룹(24)을 포함한다. 도 3b는 도 3a의 운반체를 평면도로 도시한다. 운반체(200)는 또한 자석 그룹(24)의 상부 또는 하부에 인접하게 배치된 상부 커버 요소(202) 및 하부 커버 요소(204)를 포함한다. 도시된 실시예에서, z1 방향(926)을 따른 상이한 위치들은 상부 및 하부로 표시된다. xl 방향(922) 및 yl 방향(924)으로 운반체(200)의 측면에서, 에지 요소(206)가 자석 그룹(24)에 인접하게 형성된다.
운반체(200)는 한편으로는 운반 물품(20), 예를 들면 웨이퍼(36)를 홀딩하기 위한 홀더와 다른 한편으로는 고정자(100) 사이의 기계적 링크로서 작용할 수 있다. 운반체(200)는 바람직하게는 기계적으로 단단한 요소로 설계되고 상부 커버 요소(202)의 상부면에서 운반 물품(20)을 지지하거나 운반하도록 설계된다. 운반 물품(20)은 바람직하게는 운반체(200)에 고정된 다음, 운반체(200)와 함께 고정자(100) 위의 목표 곡선에서 안내되고 및/또는 목표 위치에 안정적으로 유지된다. 도시된 실시예에 따르면, 운반체(200)는 전기적으로 수동적이다. 즉, 운반체(200)는 기능을 수행하기 위해 전기 에너지 또는 연결부를 필요로 하지 않으며 특히 작동 자석을 포함하지 않는다.
도시된 실시예에 따르면, 운반체(200)는 기하학적 배열의 자석 그룹(24)으로서 배열되는 Xl/Yl 평면에서 평평한 배열의 다수의 고정 자석(22)을 포함하고, 상기 고정 자석들(22)의 기하학적 배열은 운반체(200)에 대해 고정되며, 따라서 고정 자석들(22)은 운반체(200)에 대해 상대적으로 이동되지 않는다. 예를 들면, 상부 커버 요소(202) 및 하부 커버 요소(204) 및/또는 에지 요소(206)는 고정 자석들(22)을 그 위치 또는 그 기하학적 배열에서 적어도 부분적으로 고정하도록 설계된다. 대안으로서 또는 추가로, 운반체(200)는 고정 자석들(22)을 고정하기 위해 하나 이상의 추가 부품을 포함할 수 있다. 고정 자석(22)은 바람직하게는 영구 자석을 포함하고 및/또는 영구 자석으로서 설계된다. 고정 자석들(22)은 특히 바람직하게는 희토류 합금으로 이루어진 영구 자석들을 포함한다.
자석 또는 고정 자석들(22)의 위치는 바람직하게는 그 무게 중심의 위치를 의미하는 것으로 이해된다. 각각의 고정 자석의 자화 방향은 해당 화살표로 상징적으로 표시된 쌍극자 벡터로 설명된다. 도 3a에서 알 수 있는 바와 같이, 도시된 실시예에 따르면, 각각의 고정 자석(22)은 그 자화 방향과 관련해서 각각의 인접하게 배치된 고정 자석들(22)과는 다르게 배치되거나 정렬된다. 도시된 경우, 이들은 자기장이 -Z1 방향으로 특히 강하고 반대 방향으로는 약화되는 Halbach 어레이를 형성한다. 고정 자석(22)은 바람직하게는 실질적으로 균일하게 자화된 자석이므로, 각각의 고정 자석(22)의 개별 부분 볼륨의 쌍극자 벡터는 고정 자석(22)의 전체 쌍극자 벡터와 대략 동일한 방향을 가리킨다. 쌍극자 벡터는 화살촉 방향을 가리킨다.
운반체(200) 내에 고정 자석들(22)의 배열은 바람직하게는 고정자(100) 내의 작동 자석(26)의 배열(예를 들어 도 8 참조)에 맞춰지거나 조정되므로, 각각의 고정자(100) 상의 운반체(200)의 작동 영역에서 운반에 필요한 힘 및/또는 모멘트가 고정자(100)로부터 운반체(200)로 전달될 수 있고 및/또는 운반체(200)의 모든 소정 자유도가 항상 독립적으로 제어될 수 있다.
도 4a 내지 도 4m은 하나의 자석 그룹(24)을 형성하는 고정 자석들(22)의 다양한 배열을 개략적인 평면도로 도시한다. 이들 도면에서도 화살표는 각각의 고정 자석들(22)의 자화 방향을 나타내고, 점 또는 X를 갖는 고정 자석들(22)은 도면 평면으로부터 z1 방향(926)으로 또는 도면 평면으로 연장되는 자화 방향을 갖는다.
도 4a 내지 도 4g는 일반적인 직사각형 그리드에서 고정 자석들(22)의 배열을 도시한다. 운반체(200)는 바람직하게는 하나의 직선에 선형으로 배열된 적어도 2개의 고정 자석들(22)(도 4a 참조)을 포함하며, 상기 고정 자석들 중 적어도 하나의 고정 자석의 쌍극자 모멘트는 상기 직선에 평행하게 배향되지 않는다. 이것은 운반체(200)를 총 6개의 자유도로 제어하여 이동시키기에 특히 바람직하다. 운반체(200)는 바람직하게는 공간적 평면, 예를 들어 xl-yl 평면에 배치되고 및/또는 복잡한 3차원 공간적 배치를 형성하는 적어도 3개의 고정 자석(22)(도 4b 내지 도 4g 참조)을 갖는다.
고정 자석들(22)이 모두 하나의 배열 평면에 배치되는 배열은 상기 배열 평면에 평행한 병진 이동이 주로 수행되고 및/또는 고정자(100)의 z-축 또는 각각의 운반체(200)의 z1-축을 중심으로 하는 회전이 주로 수행되는 응용 분야에 특히 적합하다.
자석 그룹들(24)은 바람직하게는 적어도 하나의 Halbach 어레이로서 배열된 고정 자석들(22)을 포함한다. Halbach 어레이 또는 Halbach 어레이들은 바람직하게는 자기장 또는 자기장 강도가 고정자(100)의 방향으로 증가하고 및/또는 운반 물품(20)의 방향으로 및/또는 경우에 따라 동일한 고정자(100)로 운반되는 인접한 운반체(200)의 방향으로 감소하도록 배향되거나 배치된다. 특히 Halbach 어레이를 형성하는 고정 자석들(22)의 예시적인 배열이 도 4d, 도 4f 및 도 4g에 도시되어 있다. 길이 λ는 Halbach 주기의 길이, 즉 Halbach 어레이의 하나의 주기를 나타낸다.
도 4h 내지 도 4k는 고정 자석들(22)이 육각 그리드를 따라 배열된 자석 그룹(24)을 도시한다. 도 4l 및 도 4k에 따른 배열은 Halbach 어레이의 2차원 배열에 기초한다. 도 41 및 도 4m은 고정 자석들(22)이 원형 그리드를 따라 배열된 자석 그룹들(24)을 도시한다. 특히, 도 4L은 고정 자석들(22)이 각각 72°의 각도 범위에 걸쳐 5개의 Halbach 어레이 또는 Halbach 주기로 배치된 배열을 도시한다. 고정 자석들(22)은 18°의 각 간격으로 등거리로 배치된다. 도 4m에 도시된 배열은 도 4L에 도시된 배열에 추가해서 5개의 방사상으로 배열된 Halbach 어레이들을 포함하며, 상기 어레이들은 원형 배열의 중심에서 공통 고정 자석(22)을 공유한다. 이러한 배열은 바람직하게는 정사각형 그리드를 갖는 고정자 자석 배열과 조합될 수 있다. 특히, 이러한 배열은 작동 자석들과 고정 자석들 간의 배열과 관련하여 특이점을 피하기 위해 바람직할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 고정 자석들(22)이 3차원 배열로 배치된 자석 그룹(24)을 포함하는 운반체(200)의 바람직한 실시예를 도시한다. 더 나은 도시를 위해, 하부 커버 층(204) 및 상부 커버 층(202)은 도시되어 있지 않다. 도 5a는 예를 들어, yl 축을 중심으로 회전할 때 확대된 선회 범위를 제공할 수 있는 고정 자석들(22)의 부분 원통형 배열을 도시한다. 도 5b는 xl 축과 yl 축을 중심으로 회전할 때 더 큰 선회 범위를 제공할 수 있는 고정 자석들(22)의 구형 세그먼트 형상 배열을 도시한다. 두 배열은 zl 축을 중심으로 하는 회전성 또는 선회성과 관련해서 반드시 제한을 받는 것은 아니다.
곡면에 고정 자석들(22)의 배열은 운반체(200)의 적어도 한 방향으로 증가된 선회 각도 범위를 제공할 수 있다. 예를 들어, 곡면이 유효면으로서 고정자(100) 상에서 부상하는, 원통형 운반체(200)는 선택적으로 실린더 축을 중심으로 무한 회전을 수행할 수 있다. 또한, 고정자(100)의 z 축을 중심으로 하는 무한 회전이 가능하다.
예를 들어, 선회 각도 범위는 2개의 공간 방향으로 만곡된 면에 의해 운반체(200)의 2개의 공간 방향으로 확장될 수 있다. 예를 들어, 고정 자석들(22)이 장착된 구형 운반체(200)는 선택적으로 모든 공간 방향으로 무한 회전을 수행할 수 있다.
운반체(200)는 예를 들어 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 실린더 세그먼트 또는 구 세그먼트로서 설계될 수 있고, 상기 실린더 세그먼트 또는 구 세그먼트는 자석이 장착된 곡면과 운반 물품을 수용하도록 설계된 평평한 면을 갖는다. 이러한 배열은 예를 들어 z1 축을 중심으로 하는 회전과 바람직하게는 모든 공간 방향으로의 병진을 추가로 수행할 수 있는 큰 선회 각 범위(예를 들어, 90도)를 가진 고니오미터 테이블을 실현할 수 있는 가능성을 제공할 수 있다. 이러한 배열은 예를 들어 레이저 가공과 같은 가공 프로세스 또는 산업용 이미지 처리와 같은 테스트 프로세스에서 바람직하게 사용될 수 있는데, 그 이유는 예를 들어, 운반 물품(20)으로서 사용되는 공작물이 처리 장비 또는 테스트 장비 아래에서 넓은 범위로 자유롭게 배치 및/또는 배향될 수 있기 때문이다. 또한 공작물이 선택적으로 프로세스 위치 내로 그리고 프로세스 위치로부터 신속하게 운반될 수 있으므로, 프로세스에 사용될 수 없는 경제적으로 비효율적인 공작물 교환 시간이 최소화될 수 있다.
도 5c는 고정 자석들(22)이 각진 배열로 배치된, 추가의 바람직한 실시예에 따른 운반체(200)를 도시한다. 특히, 도시된 운반체(200)는 제 1 레그를 따라 수평으로 Xl/Yl 평면으로 그리고 제 2 레그를 따라 Xl/Z1 평면으로 연장되는 고정 자석들(22)을 포함한다. 이러한 방식으로, 예를 들어 상이한 시점에 또는 동시에, 상이하게 배치된 고정자(100)에 의해, 예를 들어, 수평으로 배치된 고정자(100) 및 수직으로 배치된 고정자(100)에 의해 부상되거나 운반되기 위해, 2개의 유효면, 예를 들어 도시된 바와 같이 수평 유효면 및 수직 유효면을 가진 운반체(200)가 제공될 수 있다. 이러한 배열은 예를 들어, 상이하게 배향된 유효면에서 계속 변화하면서 작동되는 운반체(200)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 운반체(200)는 90°각도로 배치된 2개의 유효면을 가질 수 있다. 운반체가 서로 90°의 각도로 배치된 2개의 고정자의 배열에서 작동되는 경우, 즉 하나의 고정자(100)는 수평으로 작동되고 다른 고정자(100)는 수직으로 작동되는 경우, 예를 들어 강제 중단 없이 그라운드 모드로부터 벽 모드로 바뀔 수 있다.
예를 들어 고정 자석(22)과 같은 운반체(200)의 개별 구성 요소들을 결속하는 운반체(200)의 구조 부품 또는 하우징 또는 프레임은 바람직하게는 비 강자성 재료, 예를 들어 플라스틱 및/또는 세라믹 및/또는 비철 금속로 제조된다. 이는 선택적으로, 예를 들어 다른 운반체(200)에 대한 스페이서 역할을 하는, 자석이 장착되지 않은 에지 요소(206)를 포함하므로, 바람직하게는 2개의 접촉하는 운반체(200) 사이의 상호 접촉력이 제한되고 두 운반체(200)가 접촉시에도 자유롭게 배치된다.
운반체(200)는 고정자(100)를 향하는 측면에 하부 커버 요소(204)를 구비할 수 있고, 상기 커버 요소는 운반체(200) 부근의 가능한 물체에 대해 바람직하게는 스페이서로서 작용하며 바람직하게는 고정 자석들(22)의 거리 및 그에 따라서 최대 효력을 확실하게 제한할 수 있는 커버 층을 갖는다. 이를 통해, 예를 들어, 강자성 물체가 부적절하게 접근할 때 손가락이 끼일 위험과 같이 운반체(200)를 취급할 때의 부상 위험이 감소될 수 있다. 또한, 운반체(200)가 고정자(100) 내의 작동 자석에 가하는 힘 및 모멘트가 바람직하게 제한될 수 있기 때문에, 고정자(100) 내의 구동 장치 또는 작동 자석에 대한 과부하가 제한될 수 있다. 또한, 유지력이 더 낮기 때문에, 부착된 강자성 입자로부터 운반체(200)의 더 나은 세정이 바람직하게 달성될 수 있다. 유도 에너지 전송을 위한 코일 또는 운반체(200)를 식별하기 위한 데이터 캐리어와 같은 추가 기능을 하부 커버 요소에 선택적으로 통합하는 것도 바람직할 수 있다.
다수의 운반체(200)는 예를 들어 함께 기능을 수행하기 위해 기계적으로 및/또는 제어 기술적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 별도의 운반체(200)에 의해 능동적으로 구동되고 배치되는 로드들을 포함하는 수동 기계 로드 운동학 시스템은 핸들링 과제를 수행할 수 있다. 다른 예에서, 다수의 운반체(200)는 예를 들어 단일 운반체(200)에 대해 너무 무거운 짐을 공동으로 운반할 수 있으며, 상기 다수의 운반체(200)는 바람직하게는 동기화된 방식으로 이동 또는 운반된다.
추가의 바람직한 실시예에 따르면, 운반체(200)는 또한 내부 자유도를 가질 수 있고 예를 들어 서로에 대해 이동 가능한 다수의 부품들로 구성되어 바람직하게는 총 6개보다 많은 자유도를 갖는다. 다수의 부품에 고정 자석들(22)을 제공함으로써, 바람직하게는 운반체(200)의 6개보다 많은 자유도가 능동적으로 제어될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 운반체(200)에 회전 가능하게 장착된 디스크(208)는 예를 들어 운반 물품(20)에 대한 파지 또는 클램핑 기능과 같은 운반체(200)에서의 추가 기능을 수행하기 위해 별도로 회전될 수 있다.
또한, 바람직한 실시예에 따르면, 운반체(200)는 추가적인 추가 기능을 위한 기능 그룹을 구비할 수 있다. 예를 들어, 기계적 에너지 전달은, 자석을 구비하며 바람직하게는 회전 가능하게 장착된 디스크가 운반체(200)에서 고정자(100)에 의해 능동적으로 구동됨으로써 이루어질 수 있다. 구동을 위해, 상기 디스크는 예를 들어 제 7 자유도로서 취급된다. 유도성 에너지 전달을 위한 코일이 예를 들어 고정자(100) 및 운반체(200)에 각각 통합됨으로써 선택적으로 전기의, 비접촉식 에너지 전달이 구현될 수도 있다. 대안으로서 또는 추가로, 예를 들어, 고정자(100) 내의 영구 회전 자석은 운반체(200) 내의 코일에 교류 전압을 유도할 수 있고, 상기 교류 전압은 운반체(200)에서 전원 공급을 위해 바람직하게 사용될 수 있다. 운반체(200)가 이동할 때, 추가 기능을 여기시키는 과제는 계속해서 예를 들어 유도 코일의 유효 범위에 있는 고정자(100)의 작동 자석 또는 다른 자석 그룹(24)으로 전달된다. 또한 예를 들어 유도성 및/또는 광학 송신기 및 수신기를 가진 운반체(200)와 고정자(100) 사이의 비접촉식 데이터 전송이 구현될 수 있다. 또한, 운반체(200)의 위치 결정 및/또는 식별이 선택적으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 고정자(100) 내의 광학, 카메라 기반 센서는 고정자(100)를 향하는 운반체(200)의 측면에 부착된 위치 또는 식별 코드를 판독할 수 있다. 예를 들어, 운반체(200) 중 적어도 일부는 바코드와 같은 식별 요소를 구비할 수 있으며, 상기 식별 요소에 의해 운반 장치(10) 또는 고정자(100)가 각각의 운반체(200)를 식별할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 바람직한 실시예에 따른 고정자(100)를 사시도(도 7a) 및 단면도(도 7b)로 개략적으로 도시한다. 고정자(100)는 각각 자석 그룹(24)을 갖는 다수의 작동 자석(26)을 갖는다. 작동 자석(26)은 고정자 하우징의 구조 부품(112)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸여 있다. 도시된 바람직한 실시예에 따르면, 자석 그룹(24)은 도시된 경우 고정자(100)의 상부면인, 고정자(100)의 면 또는 측면에 배치된다. 도 7a에서 자석 그룹들(24)이 모두 동일하게 배향되기는 하지만, 즉 자석 그룹(24)에 속하는 자석들의 개별 쌍극자 벡터로 인해 발생하는 총 또는 유효 쌍극자 벡터들이 평행하게 배열되기는 하지만, 자석 그룹(24)은 적어도 그 배열면에서 고정자 하우징에 대해 회전될 수 있도록 이동 가능하게 설계되거나 배치된다는 것이 지적된다. 도 7b의 단면도에서 각각의 자석 그룹(24)에 단 3개의 자석이 도시되어 있기는 하지만, 자석 그룹들(24)은 1 차원, 2 차원 또는 3 차원 배열로 배치될 수 있는 3개보다 더 적거나 3개보다 더 많은 자석을 포함할 수 있다.
작동 자석(26) 또는 자석 그룹(24)은 그 위치 및/또는 방향을 변경시킬 수 있는 작동 요소(114)에 연결된다. 작동 요소(114)는 예를 들어 전기 모터와 같은 적어도 하나의 구동 장치를 포함하며, 상기 구동 장치는 바람직하게는 구동 샤프트 및/또는 기어 장치 및/또는 링키지를 통해 자석 그룹(24)에 연결된다.
적어도 하나의 운반체(200)를 안내하는데 필요한 자기장은 고정자(100)에서 자석 그룹(24) 또는 작동 자석(26)의 제어된, 예를 들어 조절된 이동에 의해 생성된다. 자석 그룹(24)에 의해 생성된 자기장은 고정자(100)의 유효면(102)으로부터 적어도 부분적으로 나타나고 운반체(200) 내의 고정 자석(22)에 힘 및/또는 모멘트를 가한다. 운반체(200)에서 상기 힘 및/또는 모멘트의 방향 및 강도는 고정자(100)에서 작동 자석(26) 또는 자석 그룹(24)의 위치 또는 방향에 의해 영향을 받는다. 고정자(100)에서 작동 자석(26) 또는 자석 그룹(24)의 위치는 바람직하게는 운반체(200)가 부상하고 미리 정해진 목표 곡선에 따라 총 6 차원으로 안내되거나 미리 정해진 목표 위치에서 미리 정해진 목표 방향으로 안정적으로 유지되도록 제어된다.
도 7b에 도시된 바와 같이, 고정자(100)는 이동 가능한 작동 자석들(26)의 배열을 갖는다. 작동 요소들(114)은 목표 사양에 따라 자석 그룹(24) 또는 작동 자석(26)의 방향 및/또는 위치를 변경할 수 있다. 운반체 위치 결정 요소(116)는 각각의 고정자(100)의 영향 영역에서 고정자(100) 상에서 운반되는 모든 운반체(200) 또는 모든 운반체의 실제 위치를 결정하도록 설계된다. 예를 들어, 운반체 위치 결정 요소(116)는 센서 층 및/또는 센서들을 갖는 회로 기판을 포함할 수 있다. 제어 요소(122)는 바람직하게는 운반체 위치 결정 요소(116)에 의해 제공된 센서 신호들을 평가하고 이들을 예를 들어 상위의 시스템에 제공할 수 있다. 작동 요소들(114)은 예를 들어 회로 기판(120)을 통해 접촉될 수 있다.
또한, 도시된 바람직한 실시예에 따르면, 고정자(100)는 자석 위치 결정 요소(118)를 포함하며, 상기 자석 위치 결정 요소(118)에 의해 자석 그룹(24) 또는 작동 자석(26)의 실제 위치 및/또는 방향이 결정될 수 있다. 예를 들어, 자석 위치 결정 요소(118)는 센서 층을 포함할 수 있다.
고정자(100)에서 자석 그룹(24)의 배열은 바람직하게는 평평하다. 즉, 바람직하게는 모든 자석 그룹(24)이 하나의 평면에 배열된다.
도 7c 및 도 7d는 도 7a 및 도 7b에 도시된 실시예와 유사하며 추가로 커버(112a) 및 선택적인 코일 층(128)을 포함하는, 추가의 바람직한 실시예에 따른 고정자(100)를 도시한다. 커버(112a)는 바람직하게는 비 강자성 재료로 제조된다. 자석 그룹(24)으로부터 나온 자기장은 커버(112a)를 통해 외부로 나오며, 상기 커버(112a)는 예를 들어 적어도 부분적으로 플라스틱 및/또는 비자성 금속 및/또는 세라믹 및/또는 유리로 제조된다. 커버(112a)는 예를 들어 고정자(100)의 내부를 운반체(200)의 작업 공간에 대해 차폐하여 입자의 유입 및/또는 유출을 방지할 수 있다. 또한, 커버(112a)는 고정자(100) 외부의 물체에 대한 고정자(100) 내의 작동 자석(26)의 최대 효력을 확실하게 제한하는 역할을 할 수 있다. 이 경우, 커버(112a)에 놓인 운반체(200)가 작동 요소(114)의 막힘을 유발하지 않도록, 거리가 설계될 수 있다. 또한, 커버(112a)에 의도한 대로 놓이지 않은 강자성 부품에 대한 끌어당김이 제한되므로, 이는 다시 쉽게 제거될 수 있고 취급 중에 부상을 일으키지 않는다.
코일 층(128)은 예를 들어 코일이 내부에 있는 다층 회로 기판으로서 설계될 수 있다.
적어도 하나의 운반체(200)를 향하는 커버(112a)의 표면은 바람직하게는 고정자(100)의 유효면(102)을 형성한다. 선택적으로, 작동 자석(26)의 모든 자석 그룹(24)과 유효면(102) 사이의 거리를 증가시키는 기계적 후퇴 장치(도시되지 않음)가 제공될 수 있다. 상기 후퇴 장치는 예를 들어, 운반 장치(10)의 정지 상태에서 자동으로 활성화되므로, 정지 상태에서 유효면(102)으로부터 나오는 자기장이 확실하게 제한된다. 따라서, 예를 들어, 유효면(102) 앞의 안전한 취급이 가능해질 수 있고 부착 강자성 입자의 세정이 용이해질 수 있다.
고정자(100)는 바람직하게는 중력에 대한 임의의 방향으로, 예를 들어 테이블 모드로(운반체(200)가 유효면(102) 위에 떠 있음), 벽 모드로(운반체(200)가 유효면(102) 옆에 떠 있음) 또는 천장 모드로(운반체(200)가 유효면(102) 아래에 떠 있음) 작동될 수 있다. 가속된 기준 시스템에서 또는 무중력 상태에서 전체 시스템의 작동도 원칙적으로 가능하다.
고정자(100)는 바람직하게는 모듈식으로 구성되어, 다수의 동일한 및/또는 상이한 고정자 모듈이 간단한 방식으로, 바람직하게는 이음매 없이 함께 연결될 수 있다(도 2d 참조). 고정자 모듈은 바람직하게는 데이터 연결부(124), 예를 들어 통신 채널을 갖추고 있어서, 고정자(100) 및 그 위에 있는 운반체(200)의 상태에 대한 정보가 바람직하게는 실시간으로 전송될 수 있다.
운반체(200)는 바람직하게는 하나의 고정자 모듈로부터 다른 고정자 모듈로 자유롭게 슬라이드할 수 있다. 따라서, 운반체(200)의 작업 영역은 바람직하게는 필요에 따라 확장될 수 있다. 각각의 모듈은 또한 바람직하게는 전원(126)에 대한 인터페이스, 및 추가 고정자 모듈과 결합하고 시스템 내로 간단히 통합하기 위한 기계적 인터페이스를 갖는다.
고정자(100)의 자기장은 바람직하게는 자석 그룹들(24)의 주로 평평한 또는 평면 배열에 의해 생성된다. 자석 그룹들(24)의 배열은 바람직하게는 자석 그룹(24)의 규칙적인 정사각형 그리드를 형성하지만, 다른 규칙적인 또는 불규칙적인 배열도 가능하다.
도 8a 내지 도 8e는 자석 그룹들(24) 또는 작동 자석들(26)의 예시적인 배열을 도시한다. 도 8a는 예를 들어 직사각형, 특히 정사각형 그리드에 따른 자석 그룹들(24)의 배열을 도시한다. 도 8b는 육각 그리드에 따른 자석 그룹들(24)의 배열을 도시한다. 도 8c는 직사각형 그리드에 따른 상이한 자석 그룹들(24)의 예시적인 배열을 도시한다. 예를 들어, 자석 그룹들은 자기 쌍극자 모멘트가 다를 수 있다. 또한, 일부 자석 그룹은 빠르게 회전하거나 느리게 회전할 수 있고, 상이한 기어 장치를 통해 구동 장치에 연결되고 및/또는 상이한 구동 장치로 작동될 수 있다. 도 8a 내지 도 8c에 따른 배열은 회전축이 배열면에 실질적으로 수직인 것으로 의도될 때 특히 바람직하다. 또한, 도 8d 및 도 8e는 자석 그룹들이 구동 샤프트들(28)을 통해 구동 장치들에 연결되는 배열을 도시하고, 상기 구동 샤프트는 유효면(102)에 실질적으로 평행하게 연장된다. 도 8d의 배열에 따라, 구동 샤프트들(28)은 평행하게 연장되고, 도 8e의 배열에 따라 적어도 대략 방사상으로 또는 원형으로 연장된다.
바람직한 실시예에 따르면, 작동 자석(26)은 다수의 자석을 하나의 자석 그룹(24)에 배열하고 자석들을 바람직하게는 도 9c 및 도 9d에 도시된 바와 같이 서로 기계적으로 견고하게 연결하는 것을 통해서가 아니라, 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이 단일 자석에 의해 형성된다. 대안으로서, 작동 자석(26)은 다수의 상이한 자화 영역을 갖는 자석 그룹(24)에 의해 형성될 수 있다. 자석 그룹(24)은 바람직하게는 유효면의 방향으로 배향된 Halbach 어레이(도 9c 및 도 9d 참조)를 형성한다. 이것은 자속 밀도가 유효면(102)의 방향으로 증가하고 다른 모든 방향, 특히 인접한 자석 그룹(24)의 방향으로 감소한다는 장점을 제공한다. 도 9a 내지 도 9d에 도시된 작동 자석들(26) 또는 자석 그룹들(24)은 구동 장치의 회전축이 유효면(102)에 수직인 방식으로 구동 샤프트(28)에 연결된다. 각도(a)는 구동 샤프트(28) 또는 작동 자석(26) 또는 자석 그룹(24)의 조정 각도를 나타낸다.
도 9e 및 도 9f는 구동 샤프트(28)가 유효면(102)에 실질적으로 평행하게 연장되는 방식으로, 작동 자석들(26) 또는 자석 그룹들(24)이 각각의 구동 샤프트(28)에 연결되는 배열을 도시한다. 이러한 배열에서, 작동 자석(26) 또는 자석 그룹(24)은 X-축(902)을 중심으로 회전한다.
도 9g는 고정자(100)에서 정사각형 그리드에 따른 6×6 자석 그룹(24)의 바람직한 실시예에 따른 배열을 개략적으로 도시하며, 상기 자석 그룹(24)은 각각 Halbach 어레이로서 설계된다. 특히 이러한 자석 그룹(24)의 바람직한 실시예에 따른 전형적인 치수를 갖는 단일 자석 그룹(24)의 상세도가 도 9h에 도시되어 있다.
자석 그룹들(24)은 바람직하게는 고정자(100)에서 개별적으로 조정 가능하므로, 그 위치 및/또는 방향이 변경될 수 있다. 자석 그룹들(24)은 바람직하게는 선형 이동 및/또는 회전 및/또는 중첩 이동을 수행할 수 있다. 바람직하게는, 구동 샤프트(28)의 구조적으로 고정된 회전 축을 중심으로 회전이 수행된다. 상기 회전에 의해 자기장의 효과적인 변화를 달성하기 위해, 자석 그룹(24)의 지배적인 쌍극자 벡터는 바람직하게는 구동 샤프트(28)의 회전 축에 수직으로 배향된다.
자석 그룹(24)의 회전 축은 유효면(102)에 대해 상이하게 배향될 수 있다. 이들은 바람직하게는 유효면(102)에 수직으로 및/또는 평행하게 배향된다. 인접한 자석 그룹들(24) 사이의 거리는, 자기 상호 작용에 의해 야기되는 자석 그룹(24)에 대한 토크가 운반체(200)에 의해 야기되는 전형적인 토크에 비해 작도록 선택된다.
자석 그룹(24)의 배치 및/또는 배향을 위해, 바람직하게는 선형 이동 및/또는 회전 및/또는 중첩 이동을 수행할 수 있는 작동 요소(114)가 사용된다. 작동 요소(114)는 바람직하게는 적어도 하나의 자석 그룹(24)을 이동시킨다. 바람직하게는, 360°의 각도 범위를 커버할 수 있으며 바람직하게는 무한 회전을 수행할 수 있는 작동 요소(114)가 사용된다. 이것은 운반체(200)의 많은 이동에 바람직할 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 작동 요소(114)의 바람직한 실시예의 개략도를 도시한다. 이들은 바람직하게는 예를 들어 전기 모터와 같은 모터(34)를 갖는 구동 장치를 포함하며, 상기 모터는 선택적으로 기어 장치(32) 및 구동 샤프트(28)를 통해 작동 자석(26) 또는 자석 그룹(24)에 기계적으로 연결되거나 결합된다. 작동 요소(114)는 바람직하게는 조정 각도(α)를 결정하기 위한 센서(30), 및 선택적으로, 조정 각도(α)를 미리 정해진 목표 위치로 빠르고 정확하게 설정하거나 추적할 수 있는 제어기(도시되지 않음)를 포함한다.
예를 들어, 작동 요소(114)는 전기 모터를 포함하고, 상기 전기 모터의 축에 적어도 하나의 자석 그룹(24)이 장착된다. 센서(30)는 구동 샤프트의 회전 각도(α)를 측정하고, 선택적으로 연결된 구동 증폭기를 갖는 PID 제어기는 바람직하게는 모터(34)를 제어한다. 토크 또는 속도를 증가시키기 위해, 모터(34)와 구동 샤프트(28) 사이에 기어 장치(32)가 제공될 수 있다. 기어 장치(32)는 예를 들어 셀프 록킹(self-locking)될 수 있으므로, 일정한 각도 위치에서 토크를 유지하기 위해 모터(34)에 전류가 공급될 필요가 없다.
도 8a 내지 도 8e에 도시된, 규칙적인 그리드 내에 유사한 자석 그룹들(24)의 평면 배열은 각각의 자석 그룹(24)이 별도의 작동 요소(114)에 의해 구동되거나 이동될 수 있도록 설계된다. 예를 들어, 도 8c에 도시된 크고 작은 자석 그룹(24)은 상이한 작동 요소(114)에 의해 구동될 수 있으며, 예를 들어, 큰 자석 그룹(24)은 높은 토크와 큰 관성(예를 들어, 기어 장치)을 갖는 작동 요소(114)에 의해 제어되는 반면, 작은 자석 그룹(24)은 더 낮은 토크 및 더 작은 관성을 갖는 작동 요소(114)에 의해 제어된다. 도 8d는 구동 샤프트(28)가 유효면(102)에 평행하게 연장되고 바람직하게는 각각의 구동 샤프트(28)가 다수의 자석 그룹(24)을 구동하는 예시적인 배열을 도시한다.
다수의 구동 장치를 갖는 작동 요소(114)는 바람직하게는 자석 그룹(24)의 다수의 자유도에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 2개의 공간 방향으로 카르단(cardan) 방식으로 회전 가능하게 장착된 자석 그룹(24)은 2개의 작동 요소(114)에 의해 2개의 다른 공간 방향으로 회전될 수 있다.
전기 모터 대신, 리프팅 자석 또는 피에조 구동 장치와 같은 다른 구동 시스템도 사용될 수 있다.
높은 역동성을 달성하기 위해, 낮은 관성 모멘트로 주 관성 축 중 하나를 중심으로 자석 그룹(24)을 회전시키는 것이 바람직할 수 있다. 회전축은 바람직하게는 불균형으로 인한 고정자(100)의 진동을 피하기 위해 각각의 자석 그룹(24)의 무게 중심을 통과한다. 기계적 구동 장치의 관성을 보상하기 위해, 추가 코일들(도 7c 및 도 7d 참조)이 유효면(102) 아래에 사용될 수 있으며, 상기 추가 코일들은 높은 역동성으로 운반체(200)에 비교적 작은 보정력 및/또는 보정 모멘트를 가할 수 있다. 고정자(100)의 활성 장 또는 부상 장(14) 또는 자기장은 작동 자석 장과 코일 장의 중첩으로부터 주어지며, 상기 코일 장은 경우에 따라 훨씬 더 약하지만 더 신속하게 변경될 수 있다.
구동 장치 및 구동 증폭기가 작동 중에 가열될 수 있기 때문에, 예를 들어 고정자(100) 내의 방열판 또는 환기 및 적절한 환기 덕트를 통해 열을 방출함으로써 구동 장치 및/또는 구동 증폭기를 냉각시키는 냉각 장치가 제공될 수 있다(예를 들어, 도 7b 참조).
도 10c는 작동 요소(114)의 예시적인 작동 원리를 블록도로 도시한다. 이 경우, 각각의 자석 그룹(24)의 목표 위치(1001)는 예를 들어 제어기(1002)로 전송된다. 그 다음, 구동 장치(1004)는, 자석 그룹(24)이 필요하다면 기어 장치(1005)를 통해 적절하게 제어되는 방식으로, 구동 증폭기(1003)를 통해 제어될 수 있다. 자석 그룹(24)의 실제 각도 위치 또는 실제 위치(1007)는 해당 센서(1006)를 통해 결정될 수 있고 위치 제어기로 피드백되어, 자석 그룹의 정확한 배치 및/또는 배향을 수행할 수 있게 하는 제어 루프가 생성된다.
다른 바람직한 실시예에 따르면, 운반 장치는 위치 결정 유닛을 포함한다. 상기 위치 결정 유닛은 바람직하게는 고정자(100)의 유효면에 대한 적어도 하나의 운반체(200)의 위치 및/또는 방향이 바람직하게는 주기적으로, 특히 바람직하게는 고주파수 및 짧은 지연 시간으로 검출될 수 있는 방식으로 설계된다. 바람직하게는, 운반체(200)의 모든 자유도가 검출된다. 측정은 예를 들어 운반체 위치를 조절하기 위한 기준을 나타낼 수 있다. 도 11은 운반체 위치 결정 요소(116)를 포함하는 위치 결정 유닛의 바람직한 실시예를 도시한다. 예를 들어, 운반체 위치 결정 요소(116)는 바람직하게는 자석 그룹들(24) 또는 작동 자석들(26)에 대한 리세스들을 포함하고 및/또는 센서들(132)을 구비한 회로 기판으로서 설계되고, 상기 센서들(132)은 바람직하게 자기장 센서들로서 설계된다.
위치 결정 유닛은 고정자(100)에 적어도 부분적으로 통합되거나 고정자(100)와 공간적으로 분리되어 설치되어 위치 데이터를 고정자 제어부로 전송할 수 있다. 그러나 위치 결정 유닛은 바람직하게는 고정자(100)에 통합되고, 그 결과 고정자(100)에 대한 일정한 치수 기준이 보장될 수 있고 및/또는 전체 시스템의 취급이 단순화된다. 고정자(100)에 통합될 때, 예를 들어, 고정자(100)를 향하는 운반체(200)의 측면에서 위치가 결정되기 때문에 기존의 설치 공간이 효율적으로 사용될 수 있으며, 따라서 위치 결정이 운반 물품에 의해 방해되거나 왜곡되지 않는다.
센서(132)로는, 자기장 센서 및/또는 용량성 센서 및/또는 광학 센서가 바람직하게 사용된다. 센서들은 바람직하게는 유효면(102) 아래 규칙적인 그리드로 배치된다. 예를 들어, 홀 센서들은 여러 지점 및/또는 상이한 공간 방향에서 운반체(200)의 자기장을 검출할 수 있다. 모든 센서 신호는 평가를 위해 컴퓨터 시스템으로 전송되는 것이 바람직하다. 거기서, 운반체(200)의 실제 위치는 예를 들어 알고리즘에 의해 센서 신호로부터 그리고 운반체(200) 및 고정자(100) 내의 자석 배열의 모델 설명을 사용하여 결정될 수 있다.
운반체(200)의 위치 결정에 대한 고정자(100)의 자기장의 영향을 감소 또는 제거하기 위해, 센서들(132)은 바람직하게는 고정자(100)의 자석 그룹(24)으로부터 가능한 최대 거리에 장착된다. 또한, 자기장 센서로서 설계된 센서들(132)에 대한 자석 그룹(24)의 영향을 약화시키는 자기 차폐 장치가 제공될 수 있다. 예를 들어, 운반체 없는 일회성 자동 교정 프로세스에서 모든 센서(132)의 센서 신호는 각각의 개별 자석 그룹(24)의 위치에 따라 측정될 수 있으며, 측정 값은 보정 테이블로서 컴퓨터 시스템의 메모리에 영구 저장될 수 있다. 작동 중에, 예를 들어 센서 원시값은 매 측정 후에, 현재 위치에 따라 보정 테이블에 저장된 모든 자석 그룹의 누락된 양만큼 보정될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에 따르면, 고정자(100) 내의 조작 인터페이스는 설치 및/또는 작동 및/또는 서비스 및/또는 유지 보수를 위한 기본적인 조작 및 디스플레이 요소를 제공한다. 예를 들어, 고정자(100)의 작동 상태 또는 에러 상태를 디스플레이하기 위한 온/오프 스위치, 리셋 버튼 및 신호 램프가 제공될 수 있다. 더 복잡한 설정 기능들은 바람직하게는 예를 들어 통신 인터페이스를 통해 고정자(100)에 연결된 상위의 레벨 컴퓨터 시스템으로부터 조작될 수 있다.
적어도 하나의 컴퓨터 시스템을 갖는 전자 제어 시스템은 바람직하게 센서 신호들을 검출하고, 상위의 시스템, 조작자 인터페이스 및 필요한 경우 추가의 고정자 및 시스템 구성 요소와 통신하며 작동 요소를 제어한다.
컴퓨터 시스템은 바람직하게 각각의 고정자(100) 또는 각각의 고정자 모듈에 통합된다. 여러 고정자(100) 또는 고정자 모듈을 사용할 때, 컴퓨터 시스템은 예를 들어 버스 시스템과 네트워크로 연결될 수 있으며, 그 토폴로지는 유연하게 확장될 수 있다. 도 12에는 다음 요소를 포함하는 예시적인 제어 다이어그램이 도시되어 있다.
2001: 상위 시스템의 제어 시스템
2002: 운반 장치의 중앙 제어 시스템
2003: 조작자 인터페이스
2004: 모듈 제어 고정자 1
2005: 모듈 제어 고정자 2
2006: 모듈 제어 고정자 3
2007: 모듈 제어 고정자 4
2008: 모듈 제어 고정자 5
2009: 모듈 제어 고정자 6
버스 시스템들은 지연 시간 없이 단시간에 많은 양의 데이터를 전송할 수 있다. 버스 시스템들은 전기, 광학 및/또는 유도 방식으로 데이터를 전송할 수 있다. 예를 들어, 인접한 고정자(100) 또는 고정자 모듈은 상태 정보들을 교환하는 광학 송신기 및 수신기를 포함할 수 있다. 추가 컴퓨터 시스템들이 버스 시스템에 통합될 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 운반 장치(10)를 작동하는 방법은 적어도 하나의 컴퓨터 시스템에서 알고리즘의 형태로 구현될 수 있다. 다수의 고정자(100)의 조합체는 단 하나의 고정자(100)의 영향 영역에 있든 다수의 고정자(100)의 영향 영역에 있든 상관없이, 운반체(200)가 제어되도록 기능 유닛으로서 취급될 수 있다. 이를 위해 컴퓨터 시스템들은 바람직하게는 공통 타임베이스로 동기화된다.
적어도 하나의 컴퓨터 시스템은 바람직하게는 각각의 고정자(100) 및 다수의 고정자(100)의 조합체의 설치 및/또는 안전한 작동 및/또는 서비스 및 유지 보수를 위해 필요한 모든 기능을 제공한다. 예를 들어, 통합된 자가 진단 기능이 올바른 기능을 영구적으로 모니터링할 수 있으므로, 오작동이 즉시 검출되고 보고될 수 있고 및/또는 교체 조치가 취해질 수 있으며 필요한 경우 시스템이 자동으로 안전한 비상 정지 상태로 들어갈 수 있다.
여기서, 운반 장치(10)는 적어도 하나의 고정자(100) 또는 적어도 하나의 고정자 모듈 및 적어도 하나의 운반체(200)를 포함한다. 바람직하게는 타겟 애플리케이션에 적응하도록 조절될 수 있는 많은 설계 파라미터, 예를 들어 운반 물품의 크기 또는 무게로 스케일링을 위한 고정자(100)의 치수, 구동 장치의 최대 토크 및/또는 속도 및/또는 관성 모멘트, 고정자(100) 또는 운반체(200) 내의 작동 자석들(26) 및 고정 자석들의 강도 및/또는 배열, 그리고 제어 파라미터가 있다.
고정자(100)에서 자석 그룹들(24)의 배열은 바람직하게는 운반체(200)에서 자석 그룹들(24)의 배열에 맞춰져서, 운반체(200)는 그 작업 공간의 모든 점에서 f개의 자유도로 적어도 f개의 자석 그룹(24)의 힘과 모멘트에 의해 영향을 받을 수 있다. 특히, 자석 배열은 특이점이 없는 방식으로, 즉 이 조건이 충족되지 않는 작업 공간의 특이 영역이 없는 방식으로 설계된다. 고정자와 운반체에서 자석 배열의 예시적인 쌍들은 다음과 같다:
- 도 8a와 같은 고정자 및 γ/λ = 1/3인 도 4f와 같은 운반체.
- 도 8a와 같은 고정자 및 γ/λ = 1/3인 도 4g와 같은 운반체.
- 도 8a와 같은 고정자 및 γ/λ = 1/3인 도 4l과 같은 운반체.
- 도 8a와 같은 고정자 및 γ/2r = 1/3인 도 4m과 같은 운반체.
- 도 8b와 같은 고정자 및 γ/λ = 1/3인 도 4f와 같은 운반체.
- 도 8e와 같은 고정자 및 R/r = 1인 도 4l과 같은 운반체.
λ은 고정 자석들(22) 또는 고정 자석들(22)의 자석 그룹들(24)의 Halbach 배열의 주기 길이를 나타내고, γ는 작동 자석들(26) 또는 자석 그룹들(24)의 규칙적인 배열의 주기 길이를 나타낸다(예를 들어, 도 8a 참조).
바람직하게는, 운반체들(200)은 과도하게 결정된다. 즉, 이들은 f개보다 많은 자석 그룹(24)에 의해 동시에 영향을 받을 수 있다. 이러한 방식으로 달성된 중복성(redundancy)은 고장 안전성 향상과 같은 장점을 갖는다. 자석 그룹(24)이 더 이상 효과적으로 제어될 수 없는 경우, 다른 자석 그룹(24)은 바람직하게는 고장을 적어도 부분적으로 보상하여, 필요한 경우 운반체(200)의 위치가 제한적으로 유지될 수 있다. 힘/모멘트 변경에 필요한 위치 변경은 바람직하게는 다수의 자석 그룹(24)으로 분배될 수 있다. 이로 인해, 바람직하게는 각각의 개별 자석 그룹(24)에 대한 위치 변경이 줄어든다. 따라서, 위치 변경은 바람직하게는 전체적으로 더 빠르게 수행될 수 있으며, 운반 장치(10)의 역동성이 증가한다. 운반체(200)를 안내하기 위해 가해지는 힘 및 모멘트는 바람직하게는 여러 자석 그룹(24)으로 분배되므로, 동일한 효과를 달성하기 위해, 더 약한 작동 요소(114)를 갖는 더 작은 자석 그룹(24)이 사용될 수 있다. 이것은 에너지 소비 및 운반 장치(10)의 비용에 대한 장점을 가져올 수 있다.
운반 장치는 바람직하게는 통상적인 이송 시스템과 조합될 수 있다. 예를 들어, 운반체(200)는 예를 들어 고정자(100)를 떠나 벨트에 의해 새로운 위치로 이동되고 거기서 다시 고정자로 이동되거나 배치됨으로써 벨트로 먼 거리에 걸쳐 운반될 수 있다. 모듈식 전체 시스템의 범위에서, 상이한 능력을 갖는 고정자들(100)이 조합될 수 있다. 예를 들어, 고속 및/또는 고정밀 및/또는 높은 힘에 대해 최적화된 고정자 모듈이 주어질 수 있다. 이 모듈들은 필요한 곳에 부분적으로 사용되는 것이 바람직하다.
도 13a에 도시된 바와 같이 곡면을 갖는 고정자는 예를 들어 외부 또는 내부에서 안내되는 운반체(200) 및 내부 또는 외부에 놓인 고정자(100)를 포함하는, 도 13b 및 도 13c에 도시된 바와 같은 둥근 디자인의 자석 그룹의 해당 배열에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 이러한 운반 장치는 예를 들어 샤프트를 회전 가능하게 지지하기 위한 기계적인 베어링으로 사용하기에 바람직할 수 있다.
에너지를 절약하기 위해, 작동 요소들(114)은 바람직하게는 각각의 자석 그룹(24)의 피드 섹션에 운반체(200)가 없는 한, 감소된 전류로 일시적으로 작동되거나 스위치 오프될 수 있다. 운반체(200)에 접근하는 경우, 작동 요소들(114)은 바람직하게는 단기에 다시 활성화된다.
고정자(100) 및 운반체(200)의 외부면은 바람직하게는 각각의 환경 조건, 예를 들어 극한의 온도 요구, 높은 청정도 요구, 입자로부터의 자유, 무균성, 용이한 세척성, 공격적인 재료에 대한 내성, 폭발 위험 영역에 사용, 액체 분위기 또는 가스 분위기 등에 사용에 맞게 설계될 수 있다. 이를 위해, 예를 들어, 비철 금속, 플라스틱, 테프론, 세라믹, 유리, 고무, 목재 등과 같은 다양한 비 강자성 재료가 사용될 수 있다.
운반체 그룹(200)은 바람직하게는 함께 과제를 수행할 수 있다. 예를 들어, 동기화된 방식으로 이동되는 다수의 운반체(200)는 하나의 운반체(200)에 대해 너무 무거운 큰 짐을 운반할 수 있다. 또는 다수의 운반체(200)가 예를 들어 수동 로드 운동학 시스템 및 조인트를 통해 서로 연결되어, 운동학 시스템이 핸들링 장치로서 사용될 수 있다.
모든 자유도가 반드시 부상 방식으로 실행될 필요는 없으며, 그 대신 개별 자유도가 기계적 가이드에 의해서도 구현될 수 있다.
큰 운반 영역을 갖는 부상 시스템을 저렴하게 구현하기 위해, 고정자(100)는 바람직하게는 이동 장치로서의 차량 또는 통상적인 차축 시스템과 조합될 수 있다. 예를 들어, 차축 시스템 또는 휠들을 갖는 차량은 넓은 작업 영역에서 고정자(100)를 운반하는 반면, 고정자(100)는 작은 작업 영역에서 운반체(200)를 정확하게 그리고 부상 방식으로 배치할 수 있다.
중간 레벨(입자 배리어)은 선택적으로 고정자(100)와 운반체 (200) 사이에 배치된다. 운반체(200)는 바람직하게는 깨끗한 영역에 있는 반면, 차량은 외부에 있다. 예를 들어, 이동 기능은 주로 통상적인 휠 구동 장치를 갖는 차량에 의해 수행되고, 부상 기능 및 정밀 배치는 운반체(200)를 갖는 고정자(100)에 의해 수행된다.
다른 바람직한 실시예에서 고정자(100)와 운반체(200)의 작동 원리가 바뀔 수 있으므로, 고정자(100)에는 예를 들어, 고정 자석들(22)의 배열이 배치되고, 운반체(200)에는 능동적으로 이동 가능한 작동 자석(26)이 배치된다. 이 변형예에서, 운반체(200)는 전원(38)을 가질 수 있거나(예를 들어, 축전지, 연료 전지, 태양 전지) 또는 외부로부터 에너지를 공급받을 수 있다(예를 들어, 케이블을 통해). 이러한 방식으로, 예를 들어, 액티브 구동 장치로 웨이퍼(36)를 홀딩하기 위한 웨이퍼 홀더는 예를 들어 바닥(40)에 고정된, 고정 자석들(22)을 구비한 디스크 또는 평면에서 이동하기 위해 작동 자석(26)을 가진 구동 장치(42)를 포함함으로써 휠 없이 이동될 수 있다(도 14 참조).
다음에서, 전술한 운반 장치(10)에 기초하여, 적어도 하나의 운반체(200)의 안정된 자기 부상이 달성되는, 바람직한 실시예에 따른 방법이 설명되지만, 본 발명은 설명된 방법으로 제한되지는 않는다.
적어도 하나의 운반체(200)는 적어도 하나의 고정자(100)에서 작동 자석(26)의 조절된 이동에 의해 생성된 동적 가변 자기장에서 힘과 모멘트를 겪는다.
데카르트 좌표계(900 및 920)는 적어도 하나의 운반체(200)의 위치를 나타내기 위해 제공된다:
각각의 운반체(i)는 축(xi, yi, zi) 및 운반체에 대한 고정된 기준을 갖는 좌표계(920i)를 갖고, 그 원점은 예를 들어 운반체의 자석 배열의 계산된 질량 중심에 있다.
축(X, Y, Z)을 갖는 고정자 좌표계(900)는 고정자에 대한 고정된 기준을 갖는다. X 및 Y 축은 고정자의 유효면에 있고, Z 축은 유효면에 수직이며 운반체의 방향을 향한다. 인덱스 i를 가진 운반체의 위치는 고정자 좌표계에서, 운반체 좌표계의 원점을 나타내는 위치 벡터
로 설명된다. 운반체 i의 각 위치는 고정자 및 운반체의 좌표계의 X, Y 및 Z 축에 의해 각각 형성되는 각도를 나타내는 3개의 구성 요소를 갖는 벡터
로 표현된다.
고정자에 대해 적어도 일 차원에서 개별적으로 움직일 수 있고 작동 자석에 의해 위치 변경될 수 있는, 고정자에서의 자석 그룹들의 배열이 주어진다. 다음에서, 자석 그룹의 회전 위치 또는 각도 위치가 가변적이고, 고정자 좌표계에서 회전 축이 일정하며 자석 그룹의 질량 중심을 통과한다는 것이 가정된다. 자석 그룹 k의 현재 회전 위치는 αk이다. 목표 각도αk,soll은 제어 시스템에 의해 사전 설정되고, 상기 목표 각도는 작동 요소의 제어기에 의해 빠르고 정확하게 변환되므로, 단시간 후에 αk = αk,soll이 된다.
바람직한 실시예에 따르면, 방법은 제어 시스템에서 프로그램으로서 구현되고 100-10,000 Hz의 주파수로 주기적으로 실행된다. 예시적인 루프 실행의 기능 단계는 도 15에 예시적으로 도시되어 있으며 이하에서 설명된다.
3000a) 운반체의 실제 위치와 실제 속도의 결정
자기장 센서, 용량성 센서 및/또는 광학 센서는 고정자의 유효면 아래에 규칙적인 그리드로 부착된다. 다음 설명은 예를 들어 홀 센서를 기반으로 한다. 각각의 홀 센서는 직교 방향으로 3개의 자기장 성분을 측정한다. 센서 원시값은 고정자 내의 모든 자석 그룹의 각 위치와 마찬가지로 컴퓨터에 의해 판독된다. 추가 고정자들이 인접해 있으면, 거기서 동시에 측정된 측정 값들이 데이터 버스를 통해 고정자로 전송된다. 전체 판독 프로세스는 통상적으로 0.1 ms-1 ms가 걸린다.
먼저, 각각의 센서의 측정 값들은 그것에 인접한 자석 그룹의 영향만큼 보정된다. 인접한 자석 그룹의 자기장 기여도는 각각의 센서에 대해 한번 초기화 실행 중에 결정되었으며 회전 각에 따라 보정 테이블에 저장되었다. 보정 테이블은 인접한 자석 그룹의 현재 판독된 회전 각을 사용하여 액세스된다. 인접한 자석 그룹의 자기장 기여도는 모든 센서 원시값에서 감산된다. 이러한 방식으로 얻은 보정된 센서 값은 유효면에 걸친 운반체 자석 배열의 자속 밀도를 나타낸다.
그 후, 적어도 하나의 운반체의 위치가 결정된다. 이를 위해, 운반체의 자석 배열에 대한 설명이 리스트로서 컴퓨터의 메모리에 저장된다. 상기 리스트는 운반체 좌표계에 표시된 모든 작동 자석 및/또는 자석 그룹(24)의 위치 및 쌍극자 벡터를 포함한다. 이 리스트, 자기 쌍극자에 대한 필드 등식 및 중첩 원리를 사용하여, 운반체의 자속 밀도 분포에 대한 계산 모델이 생성된다. 모델은 고정자 센서의 위치에서 미리 정해진 운반체 위치에 대해 예상되는 자속 밀도 벡터를 계산하는데 사용될 수 있다. 스칼라 에러 함수는 모든 운반체 및 자석 그룹의 측정된 및 모델링된 자속 밀도의 불일치에 대한 척도를 결정한다. 모델에서 운반체의 위치 및 각 위치를 반복적으로 최적화함으로써, 에러 함수가 최소화된다. 즉 실제 측정 데이터로 조정된다. 개선이 더 이상 이루어지지 않고 및/또는 이전에 정의된 에러 임계값 아래로 떨어지는 즉시, 반복 프로세스가 종료된다.
이러한 방식으로 결정된, 적어도 하나의 운반체(i)의 6D 위치는 모델의 정확도의 범위에서 위치 벡터
및 각도 벡터
를 갖는 운반체(i)의 실제 위치로서 해석된다. 위치 값들의 주기적 시퀀스를 수치적으로 미분하여, 병진을 위한 속도 벡터
와 회전을 위한 각 속도 벡터
를 가진 실제 속도가 계산된다.
3000b) 운반체의 목표 위치 및 목표 속도의 결정
상위 시스템은 6D 목표 위치, 목표 시간 및/또는 목표 속도의 시퀀스로서 적어도 하나의 운반체의 소정 이동 경로를 제어 시스템에 통보할 수 있다. 경로는 직선, 원 세그먼트 또는 기타 기본 기하학적 요소로 구성될 수 있다.
제어 시스템은 이동 경로를 공간적으로 그리고 시간적으로 보간한다. 공간적 보간의 경우, 로봇 공학에서 일반적으로 사용되는 다양한 보간 방법, 예를 들어 선형, 스플라인 또는 다항식 보간이 고려된다. 시간 보간의 경우, 제어 시스템은 공간적으로 보간된 경로를 지지점들로 나눈다. 매 사이클에서, 제어 시스템은 각각의 운반체(i)에 대해 위치 벡터
및 각도 벡터
를 갖는 목표 위치, 및 선택적으로 병진을 위한 속도 벡터
및 회전을 위한 각 속도 벡터
를 갖는 목표 속도를 제공하고, 이를 경로 제어기로 전달한다.
3000c) 경로 제어
경로 제어는 운반체의 실제 위치를 목표 위치로 빠르고 정확하게 추적하는데 사용된다. 이를 위해, 경로 제어기는 제어 편차, 즉 목표 위치와 실제 위치 간의 차이 및/또는 총 6 차원의 목표 속도와 실제 속도 간의 차이를 계산한다. 경로 제어기는 이를 제어할 각각의 차원에 대해 별도로 계산되는 제어 알고리즘, 예를 들어 PID 알고리즘의 입력 변수로서 사용한다. 경로 제어기는 각각의 운반체(i)에 대해 목표 힘 벡터
, 및 경로를 보정하는데 필요한 목표 모멘트 벡터
를 출력 변수로서 제공한다. 게인(P), 재설정 시간(I) 및 유지 시간(D)과 같은 제어 매개 변수는 한 번 결정되어 제어 시스템에 영구적으로 저장되거나, 또는 관찰자 또는 관찰 장치(3000f 참조)에 의해 결정될 수 있는 운반체의 총 질량 또는 질량 분포와 같은 운반체의 이동 상태 및 적재 상태에 따라 동적으로 조정된다.
3000d) 힘/모멘트 제어
상기 프로그램 부분은 모든 운반체에 대한 목표 힘 벡터와 목표 모멘트 벡터로부터, 목표 힘과 모멘트를 생성하는 모든 자석 그룹에 대한 목표 위치를 계산한다. 제어할 운반체에 영향을 미치는 모든 자석 그룹이 고려된다. 이를 위해, 힘/모멘트 제어 시스템은 고정자 및 적어도 하나의 운반체에서 자석 배열의 공간 모델을 사용한다. 이 모델은 자석 그룹의 미리 정해진 위치에서 발생하는 힘과 모멘트를 대략 계산할 수 있다. 운반체의 자석 배열은 모든 운반체 자석의 위치 및 쌍극자 벡터의 리스트로서 상기 모델에 저장된다. 각각의 자석 그룹의 자석들의 리스트도 저장된다. 모델에서, 모든 자석 쌍 사이의 부분 힘과 모멘트가 먼저 계산된 다음, 이로부터 각각의 운반체에 작용하는 총 힘과 총 모멘트가 계산된다. 모든 영향, 예를 들어 두 운반체 사이에서 상호 가해지는 힘과 모멘트는 가능한 최선의 방법으로 고려된다.
다음 방정식이 실질적으로 계산에 사용된다:
위치
에서 자기 쌍극자
의 자기장
:
r = |
|, 여기서 μ0은 자기장 상수이다.
자기장
i의 중첩으로서의 자기장
ges(중첩 원리)
여기서, n은 중첩되는 자기장의 수이다.
자기장
에서 자기 쌍극자
에 대한 힘
:
자기장
에서 자기 쌍극자
에 작용하는 토크
:
무게 중심으로부터 거리
i를 두고 작용하는 힘
i에 의한 추가 토크
F, 여기서 n은 힘의 수이다:
모든 작동 요소와 운반체의 실제 위치를 고려하여, 실제 힘 벡터 
i, 및 운반체(i)에 현재 작용하는 실제 모멘트 벡터
i가 모델에서 계산된다. 모든 운반체의 실제 및 목표 힘뿐만 아니라 실제 및 목표 모멘트 간의 불일치는 스칼라 에러 함수 E에 의해 평가된다:
여기서, m은 운반체의 수이고, 
i 또는 
i는 실제 힘 또는 실제 모멘트이며, 
i,soll 또는 
i,soll은 목표 힘 또는 목표 모멘트이고, F0 또는 M0는 기준 힘 또는 기준 모멘트이다.
E가 작을수록, 모든 운반체의 실제 힘과 목표 힘 그리고 실제 모멘트와 목표 모멘트 사이의 일치가 더 좋아진다. 에러 함수는 수정되거나 추가 항만큼 확장될 수 있으므로 에너지 면에서 더 바람직한 구성이 선호된다. 예를 들어, 전체 시스템의 거동은 최소 전력 요구, 자석 그룹의 최소 위치 변경 또는 위치 변경과 관련된 자석 그룹의 최소 수에 대해 최적화될 수 있다.
반복 최적화 프로세스에서 자석 그룹들의 위치들은 모델에서 단계적으로 변경된다. 매 단계 후에, 힘과 모멘트가 모델에서 다시 계산되고, 에러 함수를 사용하여 평가된다. 에러(E)의 감소로 이어지는 단계들은 유지되며 다음 반복 단계에 대한 기반을 형성한다. 에러가 더 이상 줄어들 수 없고 및/또는 사전 설정된 임계 값 아래로 떨어지고 및/또는 미리 정해진 수의 반복 단계가 수행되었다면, 최적화 루프가 종료된다.
3000e) 작동 요소로 목표 위치의 출력
모델에서 최적화된 자석 그룹들의 위치들은 목표 사양으로서 작동 요소로 출력된다.
3000f) 이동 매개 변수를 결정하는 관찰자(선택 사항)
"관찰자"라고 하는 알고리즘은 자석 그룹과 그에 대한 반응으로서 운반체의 실제 위치에 대한 시간적 변화를 검출한다. 그는 이 정보를 사용하여 확장된 모델에 의해 운반체의 이동 매개 변수를 결정한다. 확장된 모델은 전술한 힘/모멘트 모델에 기초하고, 예를 들어 질량, 댐핑, 중심, 중력 벡터, 관성 센서 또는 관성 가속과 같은 운반체의 이동 상태를 나타내는 추가 물리적 변수로 보충된다. 추가로, 모델에서 병진뿐만 아니라 회전 동안 운반체의 이동 등식이 계산된다.
이동 매개 변수가 선험적으로 알려져 있지 않기 때문에 그 값은 처음에 추정된 다음, 의도된 매개 변수 변화를 통해 모델의 반복 계산에서 최적화된다. 불일치를 평가하기 위해, 마지막 측정 기간 동안 측정된 경로와 모델링된 경로의 편차를 평가하는 스칼라 에러 함수가 사용된다.
결과적으로, 위에서 언급한 이동 매개 변수에 대한 대략적인 값들이 제공된다. 이들은 예를 들어 제어 시스템 내에서 P, I 및 D와 같은 제어기 매개 변수를 최적화하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 유효 탑재량을 가진 운반체의 총 중량(m)이 결정되어 경로 제어에서 목표 힘 및 목표 모멘트의 계산에 팩터로서 사용될 수 있어서, 무게가 두 배가 될 때 두 배의 힘과 모멘트가 운반체로 출력되므로 가속도 a = F/m은 질량과 무관하다. 이동 매개 변수는 상태 정보로서 상위 시스템에 출력될 수 있으므로(도 16), 이 시스템은 예를 들어 운반체의 무게로부터 적재 상태를 추론하여 프로세스 제어를 수행할 수 있다. 예를 들어, 운반 장치는 운반체의 적재 상태 또는 총 질량을 검출하기 위해 적재 검출 장치를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 예를 들어 출렁이는 액체를 운반할 때 무게 중심의 이동이 능동적으로 제어되므로 액체가 담긴 열린 용기가 빠르고 안전하게 운반될 수 있다.
다음의 바람직한 구성 중 하나 이상은 여기에서 제안된 운반 장치(10)의 개선에 기여할 수 있다:
- 적어도 2개의 고정 자석(22)은
- 하나의 직선에 배치된 2개의 고정 자석(22)을 포함하고, 상기 고정 자석들 중 적어도 하나의 고정 자석의 쌍극자 모멘트는 상기 직선에 평행하게 배향되지 않거나, 또는
- 3개 이상의 고정 자석(22)을 포함하고;
- 적어도 2개의 고정 자석(22) 및/또는 다수의 작동 자석(26)은 각각 적어도 하나의 영구 자석을 포함하고;
- 적어도 하나의 영구 자석은 적어도 0.05T, 바람직하게는 적어도 0.1T, 더 바람직하게는 적어도 0.25T, 더욱 더 바람직하게는 적어도 0.5T, 특히 바람직하게는 적어도 0.75T, 가장 바람직하게는 적어도 1T의 자속 밀도를 가지며;
- 다수의 작동 자석(26)은 각각 자석 그룹(24)을 포함하고 및/또는 적어도 2개의 고정 자석(22)은 하나의 자석 그룹(24)에 배열되며, 각각의 작동 자석(26)은 바람직하게는 하나의 자석 그룹(24)을 포함하고 및/또는 각각의 작동 자석(26)은 바람직하게는 하나의 자석 그룹(24)을 포함하며, 각각의 자석 그룹은 다수의 영구 자석 및/또는 자석 코일을 포함하고;
- 적어도 하나의 자석 그룹(24)의 다수의 영구 자석 및/또는 자석 코일은 자석 그룹(24)의 자기장이 바람직하게는 운반면으로 연장되는 방식으로 적어도 하나의 Halbach 어레이에 따라 배열되고;
- 작동 요소(114)는 연결된 작동 자석(26)의 위치 및/또는 방향을 제어된 방식으로 변경하도록 설계된 구동 요소를 포함하고; 및/또는 작동 요소(114)는 이 작동 요소(114)에 연결된 작동 자석(26)의 위치 및/또는 방향을 결정하도록 설계된 센서 요소를 포함하며; 및/또는 작동 요소(114)는 이 작동 요소(114)에 연결된 작동 자석(26)의 위치 및/또는 방향을 구동 장치에 의해 미리 정해진 값으로 설정하도록 설계된 제어 요소를 포함하고;
- 운반 장치(10)는 고정자(100)에 대한 적어도 하나의 운반체(200)의 상대적인 위치 및/또는 방향을 결정하도록 설계된 위치 결정 유닛을 더 포함하며;
- 운반 장치(10)는 주변에 대해 고정자를 이동시키도록 설계된 이동 장치를 더 포함하고;
- 운반체(200) 또는 고정자는 에너지 저장기를 포함하며;
- 적어도 하나의 운반체(200)는 적어도 하나의 내부 자유도를 가지며 바람직하게는 총 6개보다 많은 자유도를 갖고;
- 고정자(100) 및/또는 운반체(200)는 고정자(100)와 운반체(200) 사이에 작용하는 힘을 제한하도록 설계된 커버(112a)를 더 포함하며;
- 고정 자석(22)은 2 차원 Halbach 어레이로서 배열되고 특히 직사각형 및/또는 정사각형 및/또는 육각형 및/또는 원형 배열을 갖고;
- 운반체(200) 내의 고정 자석들(22)은 고정 자석들(22)의 평면 배열을 가진 운반체(200)보다 큰 선회 범위를 갖도록 적어도 부분적으로 원통형으로 및/또는 구형으로 배열되고;
- 적어도 하나의 운반체(200)는 식별 요소를 포함하며, 운반 장치(10)는 식별 요소에 기초하여 운반체(200)를 식별하도록 설계되고;
- 고정자는 바람직하게는 서로 인접하게 배치되는 다수의 고정자 모듈을 포함하며;
- 작동 요소(114)는 특히 고정자(100)의 유효면(102)에 수직인 회전 축을 갖는 회전 액추에이터로 설계되고;
- 고정자(100)는 만곡된 유효면(102)을 가지며,
- 작동 자석(26)의 자유도의 수는 적어도 하나의 운반체(200)가 제어된 방식으로 운반 및/또는 배치되어야 할 때 따르는 자유도의 수와 적어도 같고;
- 운반 장치(10)는 비접촉 기계식 베어링으로서 설계되며;
- 운반 장치는 전원 공급이 중단되는 경우 적어도 하나의 고정자에 적어도 하나의 운반체를 고정하도록 설계되고;
- 운반 장치(10)는 운반체의 적재 상태를 결정하도록 설계된 적재 검출 장치를 더 포함하며;
- 운반 장치(10)는 고정자(100)에 대한 운반체(200)의 질량 및/또는 무게 중심을 결정하도록 설계된 관찰 장치를 더 포함한다.
다음의 바람직한 구성 중 하나 이상은 여기에 제안된 방법의 개선에 기여할 수 있다:
- 작동 요소(114)는 적어도 하나의 운반체(200)가 고정자(100)에 대한 소정 위치 및/또는 방향을 갖도록 제어되고;
- 소정 위치 및/또는 방향은 6개의 자유도를 가지며;
- 운반체(200)가 고정자(100)에 대해 소정 위치 및/또는 방향을 갖도록 작동 요소(114)를 제어하는 단계는
- 고정자(100)에 대한 운반체(200)의 실제 위치 및/또는 실제 속도의 결정;
- 고정자(100)에 대한 운반체(200)의 목표 위치 및/또는 목표 속도의 결정;
- 실제 위치 및/또는 실제 속도와 목표 위치 또는 목표 속도의 편차의 결정;
- 각각의 작동 자석(26)이 운반체의 목표 위치 및/또는 목표 속도와 실제 위치 또는 실제 속도의 편차를 줄이도록 작동 자석들(26) 중 적어도 일부의 목표 위치의 계산;
- 각각의 작동 자석이 목표 위치를 갖도록 작동 요소(114)에 의해 각각의 작동 자석(26)의 배열을 포함한다.
10: 운반 장치
22: 고정 자석
26: 작동 자석
35: 운반면
36: 웨이퍼
100: 고정자
114: 작동 요소
200: 운반체
22: 고정 자석
26: 작동 자석
35: 운반면
36: 웨이퍼
100: 고정자
114: 작동 요소
200: 운반체
Claims (10)
- 적어도 하나의 웨이퍼(36)를 운반하기 위한 운반 장치(10)로서,
상기 운반 장치(10)는 적어도 하나의 운반체(200)를 포함하고, 상기 운반체(200)는 적어도 하나의 웨이퍼(36)를 적어도 지지하거나 홀딩하도록 설계되고, 상기 운반 장치(10)는 운반면(35)에서 적어도 2 차원적으로 상기 적어도 하나의 운반체(200)를 이동시키도록 설계되는, 운반 장치(10). - 제 1 항에 있어서, 상기 운반 장치(10)는 상기 적어도 하나의 운반체(200)를 제어된 방식으로 부상시켜 운반하도록 설계되는, 운반 장치(10).
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 운반 장치(10)는 고정자(100)를 포함하고, 상기 운반 장치(10)는 상기 적어도 하나의 운반체(200)를 상기 고정자(100)에 대해 제어된 방식으로 운반하도록 설계되고:
- 상기 고정자는 다수의 이동 가능하게 배치된 작동 자석(26)을 포함하고, 상기 작동 자석들 각각은 작동 요소(114)를 통해 상기 고정자(100)에 연결되고, 상기 작동 요소(114)는 상기 고정자(100)에 대한 관련 작동 자석(26)의 위치 및/또는 방향을 제어된 방식으로 변경하도록 설계되고;
- 상기 적어도 하나의 운반체(200)는 적어도 2개의 고정 자석(22)이 상기 운반체(200)에 대해 움직이지 않는 방식으로 상기 운반체(200)에 연결된 상기 적어도 2개의 고정 자석(22)을 갖고;
- 상기 고정자(100) 및 상기 적어도 하나의 운반체(200)는 상기 적어도 2개의 고정 자석(22) 및 상기 다수의 작동 자석(26)에 의해 자기적으로 결합되고;
- 상기 운반 장치(10)는 상기 작동 요소(114)에 의한 상기 다수의 작동 자석(26)의 제어된 배치 및/또는 배향을 통해 상기 적어도 하나의 운반체(200)를 상기 고정자(100)에 대해 운반하도록 설계되는, 운반 장치(10). - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 운반 장치(10)는 고정자(100)를 포함하고, 상기 운반 장치(10)는 상기 적어도 하나의 운반체(200)를 상기 고정자(100)에 대해 제어된 방식으로 운반하도록 설계되고:
- 상기 적어도 하나의 운반체(200)는 다수의 이동 가능하게 배치된 작동 자석(26)을 포함하며, 상기 작동 자석들 각각은 작동 요소(114)를 통해 상기 운반체(200)에 연결되고, 상기 작동 요소(114)는 상기 운반체(200)에 대한 관련 작동 자석(26)의 위치 및/또는 방향을 제어된 방식으로 변경하도록 설계되고;
- 상기 고정자(100)는 적어도 2개의 고정 자석(22)이 상기 고정자(100)에 대해 움직이지 않는 방식으로 상기 고정자(100)에 연결된 상기 적어도 2개의 고정 자석(22)을 갖고;
- 상기 적어도 하나의 운반체(200) 및 상기 고정자(100)는 상기 적어도 2개의 고정 자석(22) 및 상기 다수의 작동 자석(26)에 의해 자기적으로 결합되고;
- 상기 운반 장치(10)는 상기 작동 요소(114)에 의한 상기 다수의 작동 자석(26)의 제어된 배치 및/또는 배향을 통해 상기 적어도 하나의 운반체(200)를 상기 고정자(100)에 대해 운반하도록 설계되는, 운반 장치(10). - 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 다수의 작동 자석(26) 및/또는 상기 적어도 2개의 고정 자석(22)은 상기 운반면(35)을 향해 배치되고, 상기 운반 장치(10)는 상기 적어도 하나의 운반체(200)를 상기 운반면(35)을 따라 상기 고정자(100)에 대해 제어된 방식으로 운반하도록 설계되는, 운반 장치(10).
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 운반 장치(10)는 적어도 2개의 운반체(200)를 상기 운반면(35)에서 상이한 운반 경로를 따라 운반하도록 설계되어, 특히 하나의 운반체(200)가 다른 운반체(200)를 추월할 수 있는, 운반 장치(10).
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 운반 장치(10)는 적어도 2개의 운반체(200)를 상기 운반면(35)에서 적어도 2 차선의 운반 경로를 따라 운반하도록 설계되는, 운반 장치(10).
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 운반 장치(10)는 상기 적어도 하나의 운반체(200)를 적어도 처리 스테이션(37)으로 운반하거나 또는 상기 운반체(200)에 의해 운반된 상기 웨이퍼(36)를 처리 스테이션(37)에 적어도 배치하거나 정렬하도록 설계되는, 운반 장치(10).
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 운반 장치(10)는 상기 적어도 하나의 운반체(200)를 상기 다수의 작동 자석(26) 및 상기 적어도 2개의 고정 자석(22)에 의해 상기 고정자(100)에 대해 부상시키도록 설계되는, 운반 장치(10).
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 운반 장치(10)의 작동 방법으로서, 적어도 하나의 운반체(200)는 운반면(35)에서 소정 위치 및/또는 방향으로 자유롭게 이동되는, 작동 방법.
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