KR20220029550A - 선형 변위 경로를 따른 강체에 대한 다른 강체의 비접촉 선형 변위를 위한 선형 가이드웨이 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 선형 변위 경로(x)를 따른 강체에 대한 다른 강체의 비접촉 선형 변위를 위한 선형 가이드웨이 조립체로서, 상기 선형 가이드웨이 조립체는, 상기 선형 변위 경로를 정의하는 선형 가이드웨이로서 형성된 하나의 단일 강체, 및 상기 단일 선형 가이드웨이를 따라 변위가능한 제품 캐리어로서 형성된 적어도 하나의 강체를 포함하고, 선형 가이드웨이 조립체는, 단일 선형 가이드웨이에 대한 적어도 하나의 제품 캐리어의 비접촉 선형 변위를 허용하기 위한 다수의 자기 베어링 조립체를 더 포함하고, 모든 자기 베어링 조립체는, 자기 베어링 조립체들이 단일 선형 가이드웨이에 대한 제품 캐리어의 5개의 자유도(y, z, θ, φ, ψ)를 제한하도록 배열되는 반면 단일 선형 가이드웨이를 따른 제품 캐리어의 하나의 병진 자유도(x)를 허용하는 방식으로 제품 캐리어에 장착되고, 모든 자기 베어링 조립체는, 선형 변위 경로의 병진 방향(x)으로 볼 때, 제품 캐리어에서의 단일 선형 가이드웨이에 가장 가까운 제1 길이방향측에서 장착된다.

Description

선형 변위 경로를 따른 강체에 대한 다른 강체의 비접촉 선형 변위를 위한 선형 가이드웨이 조립체

본 발명은, 선형 변위 경로(x)를 따른 강체에 대한 다른 강체의 비접촉 선형 변위를 위한 선형 가이드웨이 조립체(linear guideway assembly)에 관한 것이다.

본 발명은, 또한, 하나 이상의 자기 베어링 조립체를 구현하는 선형 가이드웨이 조립체에 관한 것이다.

자기 베어링 조립체 또는 간략하게 자기 베어링은, 롤링 요소 또는 유체 베어링을 구현하는 기존의 롤링 요소 베어링에 대한 유리한 대안을 제공할 수 있다. 자기 베어링은 비접촉식이므로, 기계적 마찰이 없고 따라서 입자 발생이 거의 없다. 또한, 윤활이 필요하지 않아서, 분자 오염의 심각한 가스 방출 없이 진공 동작이 가능하다. 이러한 양태에 의해 오염 밀봉부를 생략할 수 있다. 첨단 진공 시스템에 자기 베어링을 적용할 때의 주요 과제는, 코일의 열 방산 최소화, 와전류 영향의 최소화, 안정적인 제어 시스템의 구현, 및 통상적으로 비선형 특성의 선형화에 있다.

자기 베어링 기술은 이미 산업 응용분야에서 활용되고 있다. 회전식 자기 베어링은, 상업적으로 이용 가능하며, 예를 들어, 의료 시스템, 터보 분자 진공 펌프, 극저온 시스템, 및 기계 공구에 적용된다. 다른 범주는 회전자가 자기적으로 현수되는 베어링 없는 모터이다. 자기 부상은 통상적으로 로렌츠 힘을 기반으로 하는 평면 스테이지의 기동에 널리 사용된다. 자기 베어링의 별도 유형은 자기 저항력을 기반으로 하며, 유사한 개념이 액추에이터로서도 사용될 수 있다.

다른 분야에서 활용되지만, 예를 들어, 고청정 기판 처리 로봇과 같은 상업적 규모의 자기 베어링 응용분야의 추가 개발은 기술적 제약 및 구조적 제약을 겪는다. 일반적으로 알려진 자기 베어링 응용분야는 제한된 설계 치수를 특징으로 하는 반면, 1개의 자유도보다 많은 자유도를 가진 알려진 자기 베어링 응용분야는 설계가 복잡하고 가격이 비싸다. 또한, 자기 베어링 응용분야의 상위 구현은 상당한 무게, 크기, 및 비용의 자기 베어링 개발을 요구하는 반면, 종래의 롤링 요소 베어링은 여전히 유사한 목적으로 이용 가능하다.

알려진 선형 롤링 요소 베어링을 예압(preload)하면 해당 베어링의 변위에 대한 정확도가 증가하지만, 예압은 높은 입자 오염에 대한 위험도 증가시킨다. 세라믹 또는 하이브리드 롤링 요소 베어링은 윤활을 필요로 하지 않으므로 분자 오염이 덜 발생하지만, 이러한 베어링은 제한된 예압 기능을 허용하므로 진공 시스템 및 진공 조건에서와 같은 고 하중/고 정밀도 응용분야에 덜 적합하다.

유사하게, 유체 베어링은, 대기 시스템의 난류(오염)에 대한 위험을 드러내며, 진공 시스템에 원하지 않는 가스 부하를 부과한다.

위에서 언급한 베어링 개념은 모두는, 입자 또는 분자 오염 또는 이들 모두와 같은 일종의 오염을 발생시킨다. 이러한 응용분야에서, 밀봉부는 오염물이 깨끗한 환경으로 이동하는 것을 방지하는 데 사용된다.

JP-S62-165019, US-A1-5,196,745, WO2012/165872A2 및 CN103277409와 같은 공지된 선행 기술의 응용분야에서는, 강체의 비접촉 선형 변위를 위한 선형 가이드웨이 조립체를 구현하며, 여기서 강체는 선형 가이드웨이의 구축에 의해 완전히 둘러싸이거나 잠겨진다. 이러한 응용분야에서는, 강체의 이송에 대한 유연성과 같은 몇 가지 제한 사항이 있지만, 특히 이러한 응용분야가 로봇 핸들링 시스템 또는 진공 시스템에서 구현되는 경우에 강체의 접근 가능성도 제한된다.

본 발명은 선형 변위 경로를 따라 강체에 대한 다른 강체의 선형 변위를 허용하고 특히 강체에 대한 다른 강체의 상대적인 병진 자유도의 비접촉 및 비마찰 제어를 허용하는 위에서 확인된 문제에 대한 해결책을 제공하는 것을 목표로 하며, 여기서, 변위될 강체에 대한 임의의 예압은 환경의 추가 오염을 일으키지 않는다.

이에 따라, 선형 가이드웨이 조립체를 제안하며, 상기 조립체는, 상기 선형 변위 경로를 정의하는 선형 가이드웨이로서 형성된 하나의 단일 강체 및 상기 단일 선형 가이드웨이를 따라 변위가능한 제품 캐리어로서 형성된 적어도 하나의 강체를 포함하고, 선형 가이드웨이 조립체는, 단일 선형 가이드웨이에 대한 적어도 하나의 제품 캐리어의 비접촉 선형 변위를 허용하기 위한 다수의 자기 베어링 조립체를 더 포함하고, 모든 자기 베어링 조립체는, 자기 베어링 조립체들이 단일 선형 가이드웨이에 대한 제품 캐리어의 5개의 자유도(y, z, θ, φ, ψ)를 제한하도록 배열되는 동안 단일 선형 가이드웨이를 따른 제품 캐리어의 하나의 병진 자유도(x)를 허용하는 방식으로 제품 캐리어에 장착되고, 모든 자기 베어링 조립체는, 선형 변위 경로의 병진 방향(x)으로 볼 때, 제품 캐리어의 단일 선형 가이드웨이에 가장 가까운 측에 장착된다.

하나의 단일 선형 가이드웨이를 선형 변위 경로 가이드웨이로서 구현하고 선형 변위 경로의 병진 방향(x)으로 볼 때 모든 자기 베어링 조립체를 제품 캐리어에서의 단일 선형 가이드웨이에 가장 가까운 하나의 길이방향측에 있는 측에 장착함으로써, 단일 선형 가이드웨이에 대한 제품 캐리어의 5개의 자유도(y, z, θ, φ, ψ)를 제한하는 동안 하나의 병진 자유도(x)로 제품 캐리어의 변위를 허용한다. 이러한 단순하지만 저렴한 구조는, 종래의 롤링 요소 베어링 또는 유체 베어링에 대한 양호한 대안을 제공한다.

또한, 이러한 선형 가이드웨이 조립체의 비접촉 특성은 임의의 오염을 방지하고 진공 밀봉부를 생략한다. 자기 베어링은, 진공 시스템에서 가스 부하를 부과하지 않으며, 대기 시스템에서 난류를 일으키지 않는다.

단일 선형 가이드웨이의 예에서, 선형 변위 경로의 병진 방향(x)으로 볼 때, 선형 경로에서의 제품 캐리어의 반대측을 향하여 존재하는 제1 안내 오목부, 및 선형 경로에서의 제품 캐리어를 향하는 다른 측에 존재하는 제2 안내 오목부가 제공되고, 각각의 자기 베어링 조립체는 상기 안내 오목부들 중 하나에 적어도 부분적으로 수용된다.

특히, 두 개의 제1 자기 베어링 조립체(y, θ) 각각은, 선형 변위 경로의 병진 방향(x)으로 볼 때 제품 캐리어의 전방측과 후방측에 장착되고, 제1 안내 오목부에 수용된다.

단일 선형 가이드웨이에 대해 일측에서 지지되는 동안 제품 캐리어에 가해지는 중력의 적절한 역균형(counter balance)을 허용하기 위해, 두 개의 제2 자기 베어링 조립체(z, ψ) 각각은, 선형 변위 경로의 병진 방향(x)으로 볼 때 제품 캐리어의 전방측과 후방측에 장착되고, 제2 안내 오목부에 수용된다.

선형 가이드웨이 조립체 내에서의 제품 캐리어의 회전을 제한하기 위해, 하나의 제3 자기 베어링 조립체(φ)는, 선형 변위 경로의 병진 방향(x)으로 볼 때 제품 캐리어의 전방측과 후방측에 장착되고, 제1 안내 오목부에 수용된다.

각각의 상기 자기 베어링 조립체는, 적어도, 제품 캐리어에 장착되는 적어도 하나의 자기 베어링 모듈을 포함하고, 자기 베어링 모듈은, 적어도,

* 강자성 코어;

* 상기 강자성 코어의 제1 측 상에 위치하고 단일 선형 가이드웨이를 향하는 제1 자기 요소;

* 강자성 코어 둘레에 권선된 코일

로 이루어지고; 상기 하나의 베어링 모듈은, 사용 중에, 단일 선형 가이드웨이와의 갭 거리를 유지하도록 구성된다.

이처럼, 마찰 없이 강체에 대한 다른 강체의 비접촉 선형 변위를 허용하는 자기 베어링 조립체가 취득되며, 그 결과 입자 발생 또는 윤활유의 가스 방출이 없다. 특히, 서로에 대한 강체들의 선형 변위는 전체 구성의 강성 방향에 수직으로 가능하다.

특히, 유리한 실시예에서, 자기 베어링 모듈은, 강자성 코어에서의 제1 측의 반대측에 위치하고 단일 선형 가이드웨이의 제1 또는 제2 안내 오목부에 수용되는 설정 모듈을 더 포함한다. 상기 설정 모듈은, 자기 베어링 모듈(제품 캐리어)과 단일 선형 가이드웨이 사이의 갭 거리를 설정하도록 구성된다.

특히, 상기 설정 모듈은, 자기 베어링 모듈에 가해지는 순 힘의 향상된 제어가 제어될 수 있고 이에 따라 단일 선형 가이드웨이에 대한 제품 캐리어에 장착된 자기 베어링 모듈의 위치(갭 거리)도 제어할 수 있게 하는 제어가능한 설정 모듈이다.

다른 일 실시예에서, 상기 설정 모듈은, 제2 영구 자석 요소로서 구성된 제2 자기 요소를 포함한다. 제2 자기 요소는, 능동 베어링 모듈의 반대 방향으로 작용하는 자기력을 생성하여 예압 및 정적 힘 균형을 제공하도록 기능한다. 예를 들어, 제2 자기 요소는, 일정한 반력을 생성하거나 제품 캐리어의 무게와 이의 부하에 의해 생성된 중력의 역균형을 맞추는 데 필요한 정적이고 일정한 힘을 제공하여 전력 손실을 최소화한다.

두 개의 요소 중 하나는, 다른 하나에 대하여 정상 상태(steady-state)에서 힘 균형을 조정하도록 기계적으로 조절 가능하며, 허용 오차(예를 들어, 영구 자석 허용 오차)를 보상한다. 이러한 구성의 추가 이점은 정상 상태 조건에서 전력 손실이 없다는 점이다. 이는 강자성 코어와 제1 자기 요소에 의해 생성되는 바와 같이 제1 정전 백 아이언(static back iron)을 향하여 인력의 방향과 반대되는 방향으로 일정한 예압을 인가함으로써 자기 베어링 모듈의 추가 설정 가능성을 허용하며, 따라서 두 강성들 간의 갭 거리를 제어할 수 있고 이에 따라 열 소산 없이 상기 강체들의 서로에 대한 비접촉 선형 변위를 제어할 수 있다.

특히, 강자성 코어는 베이스, 중심 레그 및 두 개의 외측 레그를 갖는 E-코어이고, 제1 자기 요소는 중심 레그 상에 위치하고, 코일은 중심 레그 둘레에 권선된다. 다른 일례에서, E-코어는 적층형 E-코어이다.

또한, 제1 자기 요소는 영구 자석일 수 있다.

이제, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명할 것이며, 도면은 다음과 같다:
도 1은 자기 베어링 조립체의 실시예의 개략적인 예;
도 2a는 자기 베어링 조립체의 다른 실시예의 개략적인 예;
도 2b는 자기 베어링 조립체의 또 다른 실시예의 개략적인 예;
도 3a는 본 발명에 따른 선형 가이드웨이 조립체의 실시예의 개략적인 예의 평면도;
도 3b는 본 발명에 따른 선형 가이드웨이 조립체의 실시예의 개략적인 예의 정면도;
도 3c는 도 3b의 상세도.

본 발명의 더 나은 이해를 위해, 도면에서 유사한 부분은 유사한 참조 번호로 표시된다. 첨부 도면에 도시된 바와 같은 자기 베어링 조립체의 제안된 개념은, 한 강체에 대한 다른 하나의 강체의 단일 병진 자유도를 제한하는 작은 베어링 요소들로 이루어진다. 다수의 베어링 요소는, 예를 들어, 도 3a 및 도 3b의 실시예에 도시된 바와 같이 다중 자유도를 제한하거나 제어하도록 결합될 수 있음을 주목해야 한다.

가변 자기 저항 자기 베어링 조립체의 개략적인 제1 예가 도 1에 도시되어 있다. 도 1의 예의 자기 베어링 조립체는, 참조 번호(10)(도 2a 내지 도 2b에서는 참조 번호(10'))로 표시되며, 선형 변위 경로를 따른 한 강체에 대한 다른 하나의 강체의 비접촉 선형 변위(또는 단일 병진 자유도)를 허용한다. 도 1에서, 상기 강체들 중 한 강체는 참조 번호(30)(도 2a 내지 도 2b 그러나 도 3에서는 참조 번호(300))로 표시되는 반면, 다른 강체는 참조 번호(20)(도 2a 내지 도 2b에서는 참조번호(20a, 20b) 및 도 3에서는 참조 번호(110))로 표시된다.

자기 베어링 조립체(10)는, 상기 강체들(30) 중 하나에 장착되고 적어도 하나의 강자성 코어(31)로 이루어진 적어도 하나의 베어링 모듈(31 내지 34)을 포함한다. 이해를 돕기 위해, 모든 강자성 코어 설계가 구현될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 그러나, 이러한 바람직한 예에서, 강자성 코어(31)는 베이스(31a), 중심 레그(33), 및 두 개의 외부 레그(32a, 32b)를 갖는 E-코어이다. 강자성 코어(31)의 제1 측 상에는 제1 자기 요소(34)가 위치하고, 이 예에서, 강자성 코어(31)의 제1 단부는 중심 레그(33)의 자유 단부면(33a)에 위치하는 것으로 정의된다. 또한, 이 예에서, 코일(35)은 E-코어의 중심 레그(33) 둘레에 권선된다.

그러나, 코어 요소 둘레에 코일이 권선되고 강자성 코어의 제1 측 상에 위치한 자기 요소를 갖는 임의의 강자성 코어 설계가 자기 베어링 조립체(10)에서 구현될 수 있다는 점에 주목한다.

또한, 자기 베어링 조립체(10)는, 상기 강체(20) 중 다른 강체에 장착되고(또는 이러한 다른 강체의 일부이고) 사용 중에 상기 하나의 베어링 모듈(31 내지 34)로부터 도 1에 g1로 표시된 소정의 갭 거리(40)에 위치하는 제1 정적 백 아이언(static back iron) 또는 백 베어링(back bearing; 20)과 상호작용한다.

E-코어(31)로서 설계되는 강자성 코어는 적층형 E-코어(laminated E-core)로 이루어지며 제1 자기 요소(34)는 영구 자석(34)으로서 해석되는 것이 바람직하지만 반드시 그런 것은 아니다.

사용 중 또는 동작 중, 제1 정적 백 베어링 또는 백 아이언(20)은 E-코어 조립체(31-34-35)로부터 갭 거리(40(g1))에 배치된다. 이 구성은 낮은 자기 저항 경로를 정의하며, 여기서 갭 거리(40)에 의해 정의된 에어 갭(g1)의 결과적인 자속 밀도는, 제1 정적 백 베어링(백 아이언)(20)으로서 개략적으로 도시된 다른 강체에 대한 (예컨대 한 강체(30)와) E-코어 조립체(31-34-35) 간에 갭 의존 인력(gap dependent attraction force)을 생성한다.

E-코어(31)의 중심 레그 또는 치형부(35) 둘레에 권선된 코일(35)은, 코일(35)을 통과하는 전류의 방향 및 크기에 기초하여 에어 갭 g1(40)의 자속 밀도를 확대하거나 감소시키는 데 사용된다. 자기 베어링 조립체(10)(사실상, 적어도 하나의 베어링 모듈(31-34-51))는 E-코어(31)와 제1 정적 백 베어링(백 아이언)(20) 간의 인력만 생성할 수 있고 반발력은 생성할 수 없다는 점에 주목한다.

도 2a 내지 도 2b에는, 자기 베어링 조립체(참조번호(10')로 표시됨)의 다른 일례가 도시되어 있다. 본 실시예에서, 자기 베어링 조립체(10')에는 추가 설정 모듈(50)이 제공되고, 해당 설절 모듈(50)은 E-코어(33)의 제1 자기 요소측(33a 내지 34)에 대향하여 위치된다. 설정 모듈(50)은 제2 자기 요소(51)를 포함하는 것이 바람직하지만 반드시 그런 것은 아니다.

설정 모듈(50)은, E-코어(31) 및 제1 자석(34)에 의해 생성되는 바와 같이 인력의 반대 방향으로 자기 베어링 조립체(10')에 일정한 예압을 제공하거나 인가한다. 이처럼 자기 베어링 모듈(31-34-50)에 대한 결과적인 순 힘이 제어될 수 있고, 이에 의해 상기 강체(20)의 다른 정적 백 아이언(20a)의 일부인 추가 정적 백 아이언(20b)에 대하여 자기 베어링 모듈(31-34-50)이 장착되는 강체(30)의 위치(사실상 거리(g1))도 제어될 수 있다.

도 2a 내지 2b에서, 양측 참조 번호(20a, 20b)는 계류 중인 청구범위에서 단일 선형 가이드웨이로서 정의된 하나의 동일한 강체의 일부인 구성 요소를 나타내는 것으로 간주되는 반면, 참조번호(30)는 계류 중인 청구범위에서 제품 캐리어로서 정의된 다른 강체를 구성한다는 점과, 본원에서 설명하는 바와 같은 자기 베어링 조립체는 선형 변위 경로(x)를 따른 선형 가이드웨이 조립체의 단일 선형 가이드웨이(20a, 20b)에 대한 기판/제품 캐리어(30)의 비접촉 선형 변위를 허용한다는 점에 주목한다.

기판/제품 캐리어(30)에 장착되는 베어링 모듈(31-34-50)의 배향에 따라, (자기 베어링 모듈(31-34-50)의 무게에 기초하여) 중력의 역균형을 맞추는 것은 적어도 이러한 예압의 일부를 제공할 수 있다.

이처럼, 참조번호(20a)는 제1 정적 백 베어링 또는 백 아이언을 정의하는 반면, 참조번호(20b)는 추가 정적 백 베어링 또는 백 아이언을 정의한다.

예압은, 도 2a에 도시된 바와 같이 E-코어/스포일/제1 자석 구성(33-35-34)의 반대측에 위치하는 제2 자석(51)으로서 상기 설정 모듈(50)을 구성함으로써 향상될 수 있다. 특히, 영구 자석(51)일 수 있는 제2 자석(51)은 E-코어(31)의 타측에 특히 베이스(31a)의 타측에 장착될 수 있다.

이러한 제2(영구) 자석(51)은, 강체들(30) 중 하나에 장착된 자기 베어링 모듈(31-34-35-50)과 강체들 중 다른 강체(20b) 사이의 에어 갭(g2)(41)에 예압력을 생성한다. 강체의 다른 하나(20b). 베어링 모듈의 에너지 소산은, 설정 모듈(51)에 의해 가해지는 바와 같은 자기 예압력을 조정함으로써 최소화될 수 있어서, 모든 정적 힘이 균형을 이룬다. 이 경우에, 전자석(E-코어(31) 및 스포일(35))은 다른 강체(20a-20b)에 대한 하나의 강체(30)의 선형 변위 동안 동적 교란을 상쇄하는 데만 필요하다. 영구 자석의 치수 및 자기 모멘트에 대한 상대적으로 큰 변동 및 제조 공차로 인해, 이러한 정적 힘 균형으로부터 편차가 발생할 수 있다.

본 발명에 따른 자기 베어링 조립체의 다른 예(10")에서(도 2b 참조), 설정 모듈(50)은, 제2 영구 자석(51) 옆에, E-코어(31)의 베이스(31a)와 제2(영구) 자석(51) 사이에 위치하는 제어가능한 조절 메커니즘(52)을 포함한다. 여기서, 강체들(30) 중 하나 상에 장착된 자기 베어링 모듈(31-34-35-50)과 강체들 중 나머지 하나(20b) 사이의 에어 갭(g2)(41) 또는 거리의 프리셋(preset)이 가능하며, 이에 따라 예압력을 조정할 수 있어서, 제1 및 제2 자석(34-51) 모두에 의해 가해지는 정적 힘이 균형을 이루고 임의의 에너지 소산이 최소화된다.

이 예를 전류 제어 루프 및 위치 제어 루프로 이루어진 움직임 제어 소프트웨어(도시하지 않음) 및 위치 센서(또는 플럭스 센서)와 결합하는 경우, 전자석(33-35)을 통한 전류를 조절함으로써, 자기 베어링 모듈(31-34-35)과 상기 강체들 중 다른 강체에 장착되는 제1 정적 백 아이언(20) 사이의 에어 갭(40)(g1)이 강체들(30; 20a-20b) 중 하나에 대한 강체들 중 나머지 하나의 선형 변위 동안 발생하는 동적 외란 힘을 보상하도록 능동적으로 제어될 수 있다.

도 3a, 도 3b 및 도 3c에는, 선형 안내 조립체(100)에서 다수의 자기 베어링 조립체의 구현 또는 적용의 예가 (평면도, 정면도 및 상세도로 각각) 도시되어 있다. 이러한 비제한적인 예에는, 강체들(110, 300)과 상호작용하는 총 5개의 자기 베어링 조립체(30-1; 30-2; 30-3; 30-4+50-4; 30-5+50-5)가 도시되어 있다. 강체(300)는 기판/제품 캐리어로서 정의되는 반면, 강체(110)는 단일 선형 가이드웨이로서 정의되고 기판/제품 캐리어(300)가 따라 이동하는 고정된 세계로서 기능한다.

본원에 설명된 바와 같은 자기 베어링 조립체(30-1; 30-2; 30-3; 30-4+50-4; 30-5+50-5)는, 선형 변위 경로(x)를 따른 단일 선형 가이드웨이(110)에 대한 제품 캐리어(300)의 비접촉 선형 변위를 허용한다. 캐리어(300)는, 바람직하게 선형 변위 경로(x)를 따른 반도체 제품의 이송 동안 반도체 제품을 지지하기 위한 평평한 정사각형 또는 직사각형 지지 요소로서 구성된다. 캐리어(300)는, 제1 길이방향측(300a), 제1 길이방향측(300a)에 대향하는 제2 길이방향측(300b), 전방측(300c) 및 후방측(300d)(전방측(300c)의 반대측임)을 가지며, 이들 전방측과 후방측은 이송 방향 또는 단일 선형 가이드웨이(110)를 따른 선형 변위 경로(x)로 볼 때에 해당한다.

선형 가이드웨이 조립체(100)는 하나의 단일 선형 가이드웨이 또는 가이드 레일(110)을 포함한다. 이는, 캐리어(300)가 단일 선형 가이드웨이 또는 가이드 레일(110)에 의해 선형 변위 경로(x)를 따라 제1 길이방향측(300a)에서 지지, 안내 및 이송되는 반면, 다른 반대측의 제2 길이방향측(300b)은 지지되지 않으며 선형 변위 경로(x)를 따라 자유롭게 이동함을 의미한다.

이러한 비제한적인 예에서, 단일 선형 가이드 레일(110)에는, 가이드 레일(110)에서의 제품 캐리어(300)의 반대측에서 가이드 레일(110)의 길이 방향(x)으로 연장되는 제1 안내 오목부(110a)가 제공된다. 또한, 단일 선형 가이드 레일(110)에는, 가이드 레일(110)에서의 제품 캐리어(300) 측에서 가이드 레일(110)의 길이 방향(x)으로 연장되는 제2 안내 오목부(110b)가 제공된다. 양측 안내 오목부들(110a-110b)은, 하나 이상의 자기 베어링 조립체(30-1; 30-2; 30-3; 30-4+50-4; 30-5+50-5)를 부분적으로 수용하도록 기능한다. 자기 베어링 조립체(30-1; 30-2; 30-3; 30-4+50-4; 30-5+50-5)는 여러 개의 캐리어 지지부(300-1; 300-2; 300-3; 300-4; 300-5)에 의해 캐리어(300)에 장착된다. 제품 캐리어(300)는, 단일 선형 가이드 레일(110)에 의해 형성된 선형 가이드웨이(100)에 장착되고 이러한 선형 가이드웨이를 따라 안내된다.

계류 중인 청구범위에서 정의된 바와 같이 그리고 도 2a 내지 도 2b 및 도 3a 내지 도 3c의 예에 관하여 설명된 바와 같이 제품 캐리어(300)는 강체들 중 하나를 구성하고 가이드 레일(110)은 강체들 중 나머지 하나를 구성한다는 점에 주목한다.

특히, 선형 가이드웨이 조립체(100)의 이 예에서, 여러 개의 자기 베어링 조립체(30-1; 30-2; 30-3; 30-4+50-4; 30-5+50-5)는, 고 청정도 기판 처리 환경에서 기판 캐리어 처리 로봇의 일부로서 예를 들어 600 mm의 변위 스트로크를 갖는 직선 가이드웨이에서 구현된다. 단일 직선 또는 선형 가이드웨이(110)는 기동에 이용 가능한 하나의 병진 자유도(x)를 허용하며, 이는 캐리어(300)가 단일 선형 가이드웨이(110)에 의해 정의된 선형 변위 경로를 따라 x-방향으로 변위될 수 있음을 의미한다.

5개의 나머지 자유도(y, z, θ, φ, ψ)는 도 3a, 도 3b, 및 도 3c에 개략적으로 도시된 바와 같이 제한된다. 자기 베어링 조립체(30-1; 30-2; 30-3; 30-4+50-4; 30-5+50-5)는, 제품 캐리어(300)에 연결되거나 장착되며, 로봇의 진행 링크 또는 아암의 일부인 변위 빔(도시하지 않음)에 대한 5개의 자유도(y, z, θ, φ, ψ)를 제한한다. 이 예에서는, 5개의 자기 베어링 조립체(30-1; 30-2; 30-3; 30-4+50-4; 30-5+50-5)가 적용된다.

이 예에서 구현된 바와 같은 자기 베어링 모듈은, 가변 자기 저항 원리를 기반으로 하며, 전자기 액추에이터, 위치 측정부, 및 선택적으로 예압을 위한 영구 자석으로 이루어지고, 이러한 영구 자석의 기능은, 일정한 반력을 생성하거나 제품 캐리어의 무게와 이의 부하에 의해 생성되는 중력의 역균형을 맞추는 데 필요한 정적이면서 일정한 힘을 제공하도록 사용되며, 이에 따라 전력 손실을 최소화한다. 이러한 베어링 모듈 각각은 인력만을 생성할 수 있다(따라서 한 방향으로만 힘을 생성할 수 있다). 양방향으로 기동하기 위해서는 인력과 반대 방향의 예압력이 필요하다.

3개의 자기 베어링 조립체(30-1; 30-2; 30-3)는, 단일 선형 가이드웨이 또는 가이드 레일(110)에 대한 캐리어(300)의 평면외 자유도, 즉, z, φ, ψ 방향을 제한한다. 2개의 추가 자기 베어링 조립체(30-4+50-4; 30-5+50-5)는 나머지 평면내 자유도(y, θ)를 부과한다.

3개의 평면외 자기 조립체(30-1; 30-2; 30-3)에 대해 전술한 바와 같은 임의의 예압은, 중력에 의해 수행(편향)되므로, 도 2a 내지 도 2b에 도시된 바와 같이 추가 설정 모듈(50)을 구현하지 않으며, 이러한 설정 모듈은 프리스트레싱(pre-stressing) 베어링으로서 기능한다. 이것이 본 실시예의 분명한 이점이다.

3개의 평면외 자기 베어링 조립체(30-1, 30-2, 30-3)의 조절 또는 예압은, 각 자기 베어링 조립체에 대한 에어 갭(40b-1; 40b-2; 40b-3)을 조절하고 이에 따라 조립체의 정적 힘을 중력과 매칭함으로써 각 자기 베어링 조립체(30-1, 30-2, 30-3)의 E-코어(31) 및 코일(35)에 의해 형성된 전자석에 의해 수행되고(도 2a 내지 도 2b 참조)，다시 정상 상태 손실을 최소화한다.

유사하게, 각 자기 조립체(30-1; 30-2; 30-3)의 E-코어 (31) 및 코일(35)에 의해 형성된 전자석은, 각각의 제1 영구 자석(34-1; 34-2; 34-3)과 함께, 제품 캐리어(300)와 단일 선형 가이드 레일(110) 사이의 에어 갭(g1)(40b-1; 40b-2; 40b-3)을 프리셋하고 제어한다.

자기 조립체(30-1; 30-2; 30-3)의 예압은, 제어 루프에 의해 보상될 필요가 있는 추가적인 음의 강성을 희생하여 메커니즘의 무게 대신 영구 자석(34-1; 34-2; 34-3)을 사용하여 행해질 수 있다.

자기 베어링 모듈(30-1, 30-2)은, 평면외 자유도(z, ψ)를 제한하고, 단일 선형 가이드 레일(110)의 제2 안내 오목부(110b)에 수용된다. 이들 자기 베어링 모듈은 페이로드 질량과 캐리지의 중력에 의해 예압된다. 이와 같이, 이들 2개의 자기 베어링 모듈(30-1, 30-2)은, 기판/제품 캐리어(300)와 이에 장착된 페이로드(예를 들어, 반도체 기판)의 무게를 보상하는 정적 힘을 생성하도록 영구 자석(34)(도 2a 내지 도 2b 참조)을 포함한다. 이들 베어링의 에어 갭은, 정적 영구 자석(34)의 힘을 무게를 운반하는 데 필요한 일정한 힘과 균형을 맞추고 이에 따라 전력 손실을 최소화하도록 기계적으로 조절될 수 있다. 자기 베어링 모듈(30-1, 30-2)은 영구 자석의 허용 오차와 기계적 허용 오차를 보상할 수 있다. 변위 센서는 제어 루프를 닫는 데 사용되며, 다시 각각의 개별 베어링 모듈에 대해 하나의 센서가 사용된다.

자기 베어링 모듈(30-3)은, 회전 자유도(φ)를 제한하여, 캐리어에 의해 정의된 평면에서 기판/제품 캐리어(300)의 원하지 않는 회전을 방지한다. 자기 베어링 모듈(30-3)은, 단일 선형 가이드 레일(110)의 제1 안내 오목부(110a)에 수용되고, 손실을 최소화하기 위해 정적 힘의 균형을 맞추도록 중력에 의해 예압된 영구 자석(34)을 포함한다. 변위 센서는 제어 루프를 폐쇄하는 데 사용된다.

평면내 자유도(y, θ)는 2개의 자기 조립체(30-4+50-4 및 30-5+50-5)에 의해 예압된다. 위치 제어 루프는 변위 센서(예를 들어, 정전 용량, 광학 또는 기타)를 사용하여 폐쇄된다. 각각의 개별 설정 모듈(50-4 및 50-5)은, 하나의 변위 센서를 필요로 하지만, 이들 베어링에 작용하는 정적 힘의 부재로 인해 제2 영구 자석(51)을 구현하지 않는다. 대안으로, 설정 모듈(50-4, 50-5)의 예압은 영구 자석(51)을 사용하여 행해질 수 있지만, 이는 제어 루프에 의해 보상될 필요가 있는 추가적인 음의 강성을 생성할 것이다.

설정 모듈(50-4 및 50-5)은, 단일 선형 가이드웨이/가이드레일(110)의 제1 안내 오목부(110a)에 수용되고, 베어링 모듈(30-4 및 30-5)에 y 및 θ에 대한 예압력을 제공한다. 정적 상태에서, 베어링 모듈(30-4+30-5)과 설정 모듈(50-4+50-5) 모두는 자기 히스테리시스를 피하기 위해 수 뉴턴의 작은(반대) 인력을 생성한다. 예압 베어링에는 어떠한 위치 센서도 필요하지 않다. 대체 예압 메커니즘은, 일정한 힘을 생성하기 위해 영구 자석(51)만으로 이루어질 수 있지만, 이 경우, 서로에 대해 작용하는 2개의 영구 자석 고유의 음의 강성을 피하게 된다. 예압 베어링의 에어 갭은 기계적 허용오차를 보상하도록 기계적으로 조절될 수 있다.

여기서, 설정 모듈(50-4 및 50-5) 및 자기 베어링 모듈(30-4 및 30-5)(각각 E-코어(31), 코일(35), 및 제1 영구 자석(34-4 및 34-5)으로 구성됨)은, 기판/제품 캐리어(300)와 단일 선형 가이드 레일(110) 사이의 원하는 에어 갭(20a-4 및 20a-5)을 제어하거나 유지하는 제품 캐리어(300)의 동일한 측에 장착된다.

5개의 자유도가 제한되는 종래의 롤링 요소 선형 베어링과는 대조적으로, 5개의 제한된 자유도는, 능동 제어가능 자기 베어링 조립체(30-1; 30-2; 30-3; 30-4+50-4; 30-5+50-5)를 사용하여 능동적으로 제어될 수 있고, 이에 따라 선형 가이드웨이 조립체(100)의 가이드 레일(110)을 따라 기판/제품 캐리어(300)를 변위시키는 로봇의 바람직하지 않은 동적 거동을 교정할 수 있다.

계류 중인 특허청구범위에 정의된 바와 같은 자기 베어링 조립체의 전술한 예들은, 로봇 응용분야를 다루는 고청정 기판에서 상업적 규모로 구현하기에 매우 적합하다. 특히, 제품 캐리어가 하나의 단일 선형 가이드웨이에 의해 하나의 단일 길이방향측에서 지지, 안내 및 이송되고, 반대측 길이방향측과 제품 캐리어의 전방측 및 후방측이 지지되지 않고 하나의 단일 선형 가이드웨이에 의해 정의된 선형 변위 경로(x)를 따라 자유롭게 이동함으로써, 제품 캐리어 주변의 작업장의 접근성과 가시성을 크게 개선한다.

특히, 하나의 단일 길이방향측이 지지, 안내 및 이송되고 반대측이 지지되지 않고 자유롭게 움직이는 측인 이러한 제품 캐리어는, 로봇 픽앤플레이스(pick-and-place) 암과 같은 로봇 응용분야에 대한 증가된 접근성을 나타낸다.

본 발명의 자기 베어링 조립체는, 제한된 치수와 저렴한 비용으로 구성될 수 있으며, 한 강체(가이드웨이 조립체(100 내지 110))에 대한 다른 하나의 강체(기판 캐리어(300))의 안정적이고 잘 제어되는 선형 변위가 품질 보증 목적에 필수적인 기판 웨이퍼 핸들링 응용분야와 같은 진공 환경 및 열적으로 중요한 시스템에서 쉽게 구현될 수 있다.

특히, 제안된 바와 같은 자기 베어링 조립체는, 일반적으로 알려진 롤링 베어링으로는 가능하지 않은 이러한 진공 환경 및 열적으로 중요한 시스템에서 변위 안정성, 강성 및 에너지 소산을 허용한다.

Claims (16)

1. 선형 변위 경로(x)를 따른 강체에 대한 다른 강체의 비접촉 선형 변위를 위한 선형 가이드웨이 조립체(linear guideway assembly)로서,
   상기 선형 변위 경로를 정의하는 선형 가이드웨이로서 형성된 하나의 단일 강체 및
   상기 단일 선형 가이드웨이를 따라 변위가능한 제품 캐리어로서 형성된 적어도 하나의 강체
   를 포함하되,
   상기 선형 가이드웨이 조립체는, 상기 단일 선형 가이드웨이에 대한 상기 적어도 하나의 제품 캐리어의 비접촉 선형 변위를 허용하기 위한 다수의 자기 베어링 조립체를 더 포함하고,
   모든 자기 베어링 조립체는, 자기 베어링 조립체들이 상기 단일 선형 가이드웨이에 대한 상기 제품 캐리어의 5개의 자유도(y, z, θ, φ, ψ)를 제한하도록 배열되는 반면 상기 단일 선형 가이드웨이를 따른 상기 제품 캐리어의 하나의 병진 자유도(x)를 허용하는 방식으로 상기 제품 캐리어에 장착되고,
   상기 제품 캐리어는, 적어도 제1 길이방향측 및 상기 제1 길이방향측의 반대측인 제2 길이방향측을 포함하고, 상기 제품 캐리어는, 상기 단일 선형 가이드웨이에 의해 상기 선형 변위 경로(x)를 따라 제1 길이방향측에서 지지되고 안내되고 이송되는 반면, 반대측의 상기 제2 길이방향측은 지지되지 않으며 선형 변위 경로(x)를 따라 자유롭게 이동하고, 모든 자기 베어링 조립체는, 상기 선형 변위 경로의 병진 방향(x)으로 볼 때, 상기 제품 캐리어에서의 상기 단일 선형 가이드웨이에 가장 가까운 제1 길이방향측에서 장착되는, 선형 가이드웨이 조립체.
2. 제1항에 있어서, 상기 단일 선형 경로에는, 상기 선형 변위 경로의 병진 방향(x)으로 불 때, 상기 선형 경로에서의 상기 제품 캐리어의 반대측을 향하여 존재하는 제1 안내 오목부, 및 상기 선형 경로에서의 상기 제품 캐리어를 향하는 다른 측에 존재하는 제2 안내 오목부가 제공되고, 각각의 자기 베어링 조립체는 상기 안내 오목부들 중 하나에 적어도 부분적으로 수용되는, 선형 가이드웨이 조립체.
3. 제2항에 있어서, 두 개의 제1 자기 베어링 조립체(y, θ) 각각은, 상기 선형 변위 경로의 병진 방향(x)으로 볼 때 상기 제품 캐리어의 전방측과 후방측에 장착되고, 상기 제1 안내 오목부에 수용되는, 선형 가이드웨이 조립체.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 두 개의 제2 자기 베어링 조립체(z, ψ) 각각은, 상기 선형 변위 경로의 병진 방향(x)으로 볼 때 상기 제품 캐리어의 전방측과 후방측에 장착되고, 상기 제2 안내 오목부에 수용되는, 선형 가이드웨이 조립체.
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 제3 자기 베어링 조립체(φ)는, 상기 선형 변위 경로의 병진 방향(x)으로 볼 때 상기 제품 캐리어의 전방측과 후방측에 장착되고, 상기 제1 안내 오목부에 수용되는, 선형 가이드웨이 조립체.
6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 상기 자기 베어링 조립체는, 적어도, 상기 제품 캐리어에 장착되는 적어도 하나의 자기 베어링 모듈을 포함하고, 상기 자기 베어링 모듈은, 적어도,
   * 강자성 코어;
   * 상기 강자성 코어의 제1 측 상에 위치하고 상기 단일 선형 가이드웨이를 향하는 제1 자기 요소;
   * 상기 강자성 코어 둘레에 권선된 코일
   로 이루어지고; 상기 하나의 베어링 모듈은, 사용 중에, 상기 단일 선형 가이드웨이와의 갭 거리를 유지하도록 구성된, 선형 가이드웨이 조립체.
7. 제6항에 있어서, 상기 자기 베어링 모듈은, 상기 제1 측의 반대측인 상기 강자성 코어의 타측 상에 위치하고 상기 단일 선형 가이드웨이의 제1 또는 제2 안내 오목부에 수용되는 설정 모듈을 더 포함하는, 선형 가이드웨이 조립체.
8. 제7항에 있어서, 상기 설정 모듈은, 상기 베어링 모듈과 상기 단일 선형 가이드웨이 간의 상기 갭 거리를 설정하도록 구성된, 선형 가이드웨이 조립체.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 설정 모듈은 제어가능한 설정 모듈인, 선형 가이드웨이 조립체.
10. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 설정 모듈은 제2 영구 자석 요소로서 구성된 제2 자기 요소를 포함하는, 선형 가이드웨이 조립체.
11. 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강자성 코어는 베이스(base), 중심 레그(leg), 및 두 개의 외측 레그를 갖는 E-코어인, 선형 가이드웨이 조립체.
12. 제11항에 있어서, 상기 제1 자기 요소는 상기 중심 레그 상에 위치하는, 선형 가이드웨이 조립체.
13. 제11항에 있어서, 상기 코일은 상기 중심 레그 둘레에 권선된, 선형 가이드웨이 조립체.
14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 E-코어는 적층형 E-코어인, 선형 가이드웨이 조립체.
15. 제6항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 자기 요소는 영구 자석인, 선형 가이드웨이 조립체.
16. 제6항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 상기 자기 베어링 조립체는 한 방향으로만 힘을 가하도록 구성된, 선형 가이드웨이 조립체.

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