KR100362930B1 - 서피스 모터 및 그의 6자유도 정밀 운동 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평면 포지셔닝 시스템의 비접촉식 서피스 모터에 관한 것으로 특히 공심 솔레노이드와 영구자석간의 상호 작용 및 영구자석이 만드는 자기장안에 놓여있는 코일에 작용하는 구동력을 이용하여 공간상에서 자기 부상되어 고정부와 일정한 자세를 유지하면서 평면 운동을 만들어내는 정밀 위치 기기에 관한 것이다.

본 발명의 서피스 모터는, 서로 직교하는 방향으로 코일이 감겨있는 세가지 형태의 전자석(101)(102)(103)이 하우징의 고정단 위에 바둑판 모양으로 배치되어 설치되고, 상기 코일과 상호 작용하는 영구자석(121)~(130)이 모두 동일한 자기 방향을 갖고 상판(105)에 설치되어 가동부를 이루도록 구성하여 상기 가동부가 하우징 위에서 자기적으로 부상되어 구동되는 것을 특징으로 하며, 6자유도 정밀 운동 시스템은, 가동부와 하단의 하우징을 동일한 크기로 하고, 상기 하우징 위에 설치된 구동 코일에서 평면의 법선 방향 운동을 만드는 구동 코일이 하우징의 네 개의 모서리에 설치되고, 평면 운동을 위한 코일들은 서로 엇갈리게 설치되며, 하우징 위에 설치된 구동 코일에서 법선 운동을 위한 구동 코일이 하우징에서 십자 모양으로 설치되고, 평면 운동을 위한 코일들은 서로 대각선으로 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

이에 따라 다자유도 메커니즘 구조의 단순화와 고정밀도를 유지하면서 넓은 작업 영역으로의 확장이 가능하며, 구동원의 모델링 오차를 줄일 수 있으므로 제어시 발생하는 여러 가지 오차의 발생을 미연에 방지하면서 고분해능 구현이 가능 하고, 전력 손실을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.

Description

서피스 모터 및 그의 6자유도 정밀 운동 시스템{Surface motor and a moving system with 6 Degrees of freedom}

본 발명은 평면 포지셔닝 시스템의 비접촉식 서피스 모터에 관한 것으로 특히 공심 솔레노이드와 영구자석간의 상호 작용 및 영구자석이 만드는 자기장안에 놓여있는 코일에 작용하는 구동력을 이용하여 공간상에서 자기 부상되어 고정부와 일정한 자세를 유지하면서 평면 운동을 만들어내는 정밀 위치 기기에 관한 것이다.

공간상에서 평면 운동을 만들어내는 기기들은 대부분 회전 모터의 회전 운동을 볼스크류, 랙/피니언 또는 와이어 등과 같은 전달 매커니즘을 통해서 직선 운동으로 만들어낸다. 이와 같은 방식은 산업 개발 초기에는 직접 구동 방식의 효율 한계로 인해 각광 받는 방법들이었으나 기계적인 변환 메커니즘으로 인해 반도체 제조 공정과 같은 극히 정밀한 운동을 필요로 하는 정밀 산업에는 그 응용이 상대적으로 난이하여 제약이 많이 따랐다. 그러나 이러한 구동 방식은 원하는 정밀도에 더해 큰 작업 영역을 필요로 하는 분야에서 아직까지 널리 사용되어 오고 있다. 따라서 이러한 간접 구동 방식을 채택하여 고분해능의 정밀한 운동을 만들어 내기 위해서 기존의 장치들은 이러한 기기를 1차 구동기로 하고 작업 영역은 미세하지만 더욱 정밀한 구동기, 즉 압전 소자등과 같은 기능 소자를 1차 구동기에 탑재한 형태의 2중 구조 구동기를 채택하여 원하는 성능을 구현하고 있다.

그러나 이러한 방식 역시 시스템의 응답 속도 한계, 제어의 어려움, 과대한 제작비로 인하여 다양한 대체 기기나 방법들이 제안되어 왔다. 따라서 위와 같은 간접 구동 방식 대신에 리니어 모터와 같은 직접 구동 방식의 효율 극대화를 통하여 직접 구동 방식을 이용한 직선 운동 기기들이 개발되고 있다. 기계적인 전달 메커니즘을 이용할 경우에는 평면상에서 자유도를 확장하기 위해 별도의 구동 메커니즘이 필요하지만 직접 구동 방식에서는 가동부는 하나이고 평면상에 구동부를 적절히 배치하여 평면상에서 다자유도를 얻는 것이 가능하다. 이러한 사실은 시스템의 응답 속도를 결정하는 중요한 요인의 하나로서 가동부의 관성 효과를 가능한 낮추는 것이 상대적으로 유리하다.

도 1의 (a)(b)는 미국특허 제 4,535,278에 제시된 반도체 제조공정을 위한 2자유도 정밀 위치기기에 관한 것으로, 이 기술은 높은 분해능과 큰 작업 영역을 필요로 하면서 구동 로드는 비교적 크지 않은 반도체 제조공정을 위해 코일(1)(2)을 포함하고 있는 평판이 영구자석(3)(4)을 부착한 상판(5)과 하판(6) 사이에서 평면 운동을 하며 영구자석(3)(4) 사이의 자로는 자성 재료인 하상판(5)과 상판(6)을 통해 폐회로를 구성한다.

도 1의 (b)는 다른 예로서 코일(1)(2)이 자성체로 된 상판(5)에 부착되어 있고 하판(6)에는 영구자석(3)이 부착되어 있다.

도 2는 미국특허 제 4,555,650에 제시된 반도체 제조 공정을 위한 2자유도 구동기기에 관한 것으로 도 1에 제시되어 있는 내용에서 파워를 증대시킨 형태이다. 자기 경로를 확보하기 위해 자성체 재질의 상판(5)에 영구자석(4)이, 하판(6)에는 영구자석(3)이 부착되어 있으며 가동부에는 자성체(7)를 사이에 두고 상하 방향으로 코일(1)(2)이 부착되어 있다.

도 3과 도 4는 미국특허 제3,881,139에 제시된 펄스 구동 방식의 리니어 모터이다. 요철 모양의 자성판인 하판(6)에 이송 가이드 트랙(8)이 양쪽으로 설치되어 있고, 1차 가동부(9)에 가이드 롤러(10)(10a)와 가이드 트랙(11)이 있으며, 안쪽면에는 고정 트랙(12)이 설치되어 있고, 2차 가동부(13)에는 가이드 롤러(14)와 구동 코일 연결선(15)이 부착되어 있다. 도 4는 도 3의 2차 가동부(13) 위에 탑재되는 3차 가동부(16)로 실린더 형태의 자성 요철부(17)와 코일(18)이 있고 코일(18)과 연결된 최종 상판(19)의 상하 운동을 위해 수직 가이드 봉(20)과 이송 통로(21)로 구성되어 있다.

도 5은 미국특허 제4,874,998에 제시된 포서라고 불리는 구동원을 육각 기둥의 각면에 서로 직립으로 배치시켜 가동부를 부상 시키는 6자유도 시스템이다. 즉 그립퍼 등의 작업 기구를 갖는 육각 기둥 형태를 취하는 가동부(22)에 전류가 흐르는 코일(23)(24)(25),(26)(27)(28)들이 두가지 방향으로 놓여져 있고, 고정부에는 각각의 사각형 단면을 사이에 두고 양쪽에 영구자석(29)(30)등이 부착되어 자기장을 형성하고 있고, 영구자석(29)(30)은 자장의 경로를 확보하기 위해 백아이론(31)에 부착되어 지지되고 있다.

도 6은 1998년 IEEE Transaction on Industry Applications(No.6,pp.1254-1262)에 수록된 "2차원(평면) 자기 부상기의 모델링과 벡터 제어(Modeling and Vector Control of Planar Magnetic Levitator)"에 제시되어 있는 반도체 웨이퍼 스테퍼를 위한 평면 자기 부상기로서, x방향 영구자석(32)과 y방향 영구자석(33)이 반사 거울(34)이 부착되어 있는 상판(5)의 하단에 배치되어 있으며, 하단에는 상판(5)의 영구자석(33)(34)과 상호 작용을 하는 코일(34)(35)(36)(37)들이 놓여 있다.

위와 같이 종래 기술의 동작을 순서대로 설명하면 다음과 같다.

도 1에서 코일(1)(2)을 포함하는 평판이 영구자석(3)(4)을 부착한 상판(5)과 하판(6) 사이에서 가이드를 따라 평면 운동을 한다. 영구자석(3)(4)이 만드는 자로는 자성체 재질의 상판(5)과 하판(6)에 의해 폐회로를 형성하며 이러한 자기장과 코일(1)(2)의 상호 작용에 의해 코일을 포함하는 평판은 AB와 같은 방향으로 로렌쯔 힘을 받는다. 또한 연속적인 운동을 가능하게 하기 위하여 코일(1)(2)과의 거리는 적절히 선정되어야 하며 AB 운동 방향과 직교하는 방향으로도 마찬가지의 원리에 의해 움직일 수 있다. 다른 예로 자성체로 된 상판(5)은 영구자석(3)이 놓여 있는 하판(6)과 직접 자기 회로(C)를 형성하고 상판(5)에 있는 코일(1)(2)과 연이어서 자기장과 반응하여 AB와 같은 운동을 만들어 내며 이때 가동부는 상판(5)이 된다.

도 2에서 자성체의 상판(5)에 놓여있는 영구자석(4)은 코일(1)(2) 사이에 있는 자성체(7)와 함께 'D'와 같은 자로를 형성하고 또한 하판(6)에 있는 영구자석(3) 역시 'D1'과 자로를 형성하게 된다. 이렇게 형성된 자로와 자성체(7)의 양쪽에 놓여있는 코일(1)(2)이 반응하여 코일을 포함하는 평판은 AB와 같은 운동을 만들어낸다.

도 3에서 요철 형태의 자성체로 된 하판(6) 위에서 1차 가동부(9)는 하단에 위치한 코일에 의해 이러한 자정체와 반응하여 자기 저항력을 만들며 1차 가동부(9)의 양단에 위치한 가이드 롤러(10)(10a)에 의해 하판(6)의 양쪽에 있는 가이드트랙(8) 위에서 x축 방향으로 움직이게 된다. 마찬가지로 2차 가동부(13)는 고정트랙(12)에 놓여 있는 요철 트랙과 상호 작용하여 y축 방향 운동을 만들어내는데 이때 가이드 트랙(11) 위에서 가이드 롤러(14)에 의해 구동하게 된다. 또한 도 4는 도 3의 2차 가동부(13) 위에 탑재되는 3차 가동부(16)를 나타낸다. 코일(18)이 하판(19a) 위에 놓여 있고 요철 트랙이 상호 작용하여 z축 방향 운동을 만들어내는데 이때 자성요철부(17)와 연결된 상판(19)은 하판(19a)과 가이드 봉(20)을 통해 이송 통로(21)의 안내 기구를 이용하여 상하 운동을 하게 된다.

도 5에서 고정부에 설치되어 있는, 육각형의 가동부(22)의 단면을 마주보고 배치되어 있는 영구자석(29)(30)등에 의해 자기장이 형성되어 있고 이러한 자기장 속에서 자장의 방향과 직각을 이루는 코일(24)(25)(26) 또는 (27)(28)(29)에 전류가 흐르면 이 코일은 로렌쯔 힘을 받는데 이때 이러한 로렌쯔 힘의 방향은 플레밍의 왼손법칙에 의해 지배 받는다. 여기에서 코일(23)(24)(25)이 받는 힘의 방향과 코일(26)(27)(28)이 받는 힘의 방향은 서로 직립 관계를 갖고 있으므로 서로 조합에 의해 코일이 부착된 가동부(22)는 공간상에서 6자유도 운동을 하게 된다.

도 6에서 상판(5)의 하단에 배치된 영구자석(32)(33) 배열은 각기 하단에 고정되어 있는 코일(34)(35)(36)(37)과 반응하여 공간상에서 6자유도의 운동을 만들어 낸다. 이때 상판(5)의 위에 놓여 있는 반사거울(34)은 공간상에서 상판(5)의 위치를 제어기로 되먹임하기 위한 레이저 간섭계를 위해 부착되어 있는 보조 거울이다. 보통 영구자석의 배열 형태는 진행 방향과 진행 방향에 직교하는 방향으로 자석들의 방향이 순차적으로 이루어져 있는데 이로 인해 코일의 방향에 의해, 예를들어 코일(32)과 코일(34)이 반응할 경우에는 x방향과 z방향의 힘이 생기고 코일(33)과 코일(35)이 반응할 경우에는 y방향과 z방향의 힘이 생긴다.

그러나, 위에서 나열된 기술들은 각각 문제점을 갖고 있다. 기존의 자기력을 이용하여 평면 운동을 만드는 기기들은 크게 자기장 안에 놓여있는 전류가 흐르는 코일이 받는 로렌쯔힘을 이용하는 방법과 솔레노이드와 영구자석간의 상호 작용에 의한 맥스웰 힘을 이용하는 방법으로 대별될 수 있다. 도 1 및 도 2에 제시되어 있는 방법은 무빙 코일 방식이기 때문에 엄격히 말하면 완전한 자기 부상이라고 말할수 없다. 따라서 평면 운동을 위해 적절한 지지 또는 가이드 기구들이 있어야 하며 또한 구성 요소의 특성상 평면 운동만이 가능하다. 이러한 특성은 기구 자체의 정밀도에 한계를 가져오는 요소이며 또한 자성체를 채택하고 있으므로 자기 포화 문제로 인해 구동력의 한계가 존재한다.

또한 도 3과 도 4에 제시된 방법은 앞서 언급한 맥스웰 힘을 이용하는 방법인데 두 번째, 세 번째 가동부가 첫 번째 가동부에 모두 탑재된 형태를 취하기 때문에 그 응답 속도에 한계를 가져오는 구성 형태이다. 또한 종단부에 가서 각 구동부의 위치 오차가 중첩되는 형태를 취하기 때문에 정밀 운동 기기로서는 적합하지 않다고 할 수 있다.

도 5에 제시 되어 있는 방법 역시 무빙 코일 방식이기 때문에 따라서 이러한 코일이 어떤 형태로든 구동에 영향을 주게 되며 구도우언 자체의 특성으로 인해 영욱자석에 의해 형성되어 있는 일정한 자기장안에 많은 코일이 지나가야 하기 때문에 코일은 큰 면적으로 접해있어야 한다. 이것은 가동부 크기의 증가를 가져오며 이러한 작은 갭에서의 큰 접촉 면적으로 인해 각 자유도에서의 운동 범위가 제한을 받게 된다.

도 6에 제시되어 있는 방법은 자기 부상 방법을 채택하여 뛰어난 정밀도 구현과 큰 작업 영역 확보라는 측면에서는 가장 진일보한 형태이기는 하나 그 작업 영역을 더욱 확대하기 위해서는 가동부와 구동부가 모두 확대되어야 하는 단점을 갖고 있다. 즉, 고정단에 위치한 코일과 부상되는 영구자석들이 네 개의 영역에서 서로 상호 작용을 하여 운동을 만들어내므로 작업 영역이 확대되기 위해서는 이러한 네 개의 영역이 모두 확대되어야 하는 단점을 갖고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 범용성이 있고, 복잡한 전달 메커니즘이 필요없는 자기 부상 방식을 이용하여 대역폭을 사용자가 임의로 설정할 수 있게 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 가동부에 수동적인 자기 요소들만이 존재할 경우에 고정단과 가동부를 완전히 분리하는 것이 가능하도록 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 고정단과 가동부 두 부분 사이에 기계적인 전달 메커니즘이 존재하지 않도록 함으로서 가동부의 정밀도 구현에 이론적인 한계를 없애 반복 정밀도의 향상에 기계적인 한계를 없애는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 작업 영역을 확대하기 위하여 단지 고정단의 구동 코일만을 확대하는 다자유도 서피스 모터의 구현을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 평판에 코일 및 영구자석을 배치하여 가동부를 수평 수직상으로 평면 운동 시키는 비 접촉식 서피스 모터에 있어서, 상기 서피스 모터는, 서로 직교하는 방향으로 코일이 감겨있는 세가지 형태의 전자석이 하우징의 고정단 위에 바둑판 모양으로 배치되어 설치되고, 상기 코일과 상호 작용하는 영구자석이 모두 동일한 자기 방향을 갖고 상판에 설치되어 가동부를 이루도록 구성하여 상기 가동부가 하우징 위에서 자기적으로 부상되어 구동되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 특징은, 가동부에 전류가 흐르는 코일이 각 방향으로 놓여져 있고, 고정부에는 사각형 단면을 사이에 두고 하우징 양쪽에 영구자석들이 부착되어 자기장을 형성하여 평면 운동을 유도하는 6자유도 정밀 운동 시스템에 있어서, 상기 가동부와 하단의 하우징을 동일한 크기로 하고, 상기 하우징 위에 설치된 구동 코일에서 평면의 법선 방향 운동을 만드는 구동 코일이 하우징의 네 개의 모서리에 설치되고, 평면 운동을 위한 코일들은 서로 엇갈리게 설치되며, 상기 하우징 위에 설치된 구동 코일에서 법선 운동을 위한 구동 코일이 하우징에서 십자 모양으로 설치되고, 평면 운동을 위한 코일들은 서로 대각선으로 설치된 6자유도 정밀 운동 시스템을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 2자유도 정밀 위치 기기를 나타낸 것으로

a)는 2자유도 위치 기기의 도식도

b)는 2자유도 위치 기기의 다른 실시예를 보인 도면

도 2는 종래의 2자유도 구동 기기를 도식적으로 나타낸 도면

도 3은 일반적인 3축 펄스 구동 리니어 모터의 구성을 나타낸 도면

도 4는 도 3의 2차 가동부 위에 놓이는 구동기의 예를 표현한 도면

도 5는 로렌쯔 힘을 이용한 일반적인 6자유도 위치 기기의 구성을 보인 도면

도 6은 종래의 평면 자기 부상기를 나타낸 도면

도 7은 본 발명의 전체 구성도

도 8은 본 발명에 따른 시스템 좌표계 설정과 고정단의 구성 요소 배치도

도 9는 본 발명에 따른 고정단 위에서 부상되는 상판과 영구 자석들의 배치관계를 도식적으로 나타낸 도면

도 10은 본 발명에 따른 자기력 발생 메커니즘 및 코일 전류 방향과 영구자석의 방향을 표시한 것으로,

(a)(b)(c)는 각각 시스템 구성 요소의 힘 발생 메카니즘을 설명하기위한 도면

도 11은 본 발명에 따른 간략화한 도 7의 A-A' 선 단면과 코일의 전류 방향을 나타낸 도면

도 12는 본 발명에 따른 상판에 가해지는 자기력 도표

도 13은 본 발명에 따른 도 12의 윗면도로서 상판의 이동시 고정단 코일의 스위칭 상태를 표시한 도면

도 14는 본 발명에 따른 시스템 제어 흐름도

도 15는 본 발명에 따른 6자유도 정밀 위치 기기를 나타낸 도면

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

101.102.103:전자석 105:상판

111~119:전자석 121~129:영구자석

130:상판

이하, 본 발명을 도면을 참고로 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 기존의 소자 자체의 변형에 의한 정밀 포지셔닝 시스템이 갖는 자유도의 한계를 극복하고 비교적 적용이 간편한 전자기 이론을 기초로 다자유도 메커니즘의 개발시 나타나는 구조의 복잡함을 가동부의 부상에 의해 해결하였다.

본 발명의 구성을 도 7 내지 도 9를 통해 설명하면, 고정단에는 코일의 방향이 서로 직교하는 방향으로 세 종류의 전자석(101)(102)(103)이 놓여있고, 상판(105)에는 도 9와 같이 모두 같은 자기 방향을 갖고 있는 영구자석(121)~(130)이 부착되어 있다. 좌표계를 기준으로 z축 방향 자기력을 위해 도 8과 같이 십자모양으로 배치된 전자석(112)(114)(116)(118)들이 놓여 있고, y축 방향 자기력을 위해서 오른쪽 상단 구석에서 대각선 방향으로 전자석(111)(113)(117)이 놓여 있고, x축 방향 자기력을 위해서 전자석(115)(119)이 놓여있다. 상판(105)의 이동 상태에서 동일한 자기 조건을 부여하기 위해 도 9에서와 같이 영구자석들의 자기 방향은 모두 일치 하도록 하였으며 한번에 9쌍의 자기 요소들이 상호 작용을 하도록 배치하였다.

본 발명의 동작을 도 10 내지 도 13을 통해 설명한다. 우선 세쌍의 자기 요소들간의 자기력 발생 메커니즘은 도 10에서 (a)도 처럼 전자석(M2)에 (V1)과 같은 방향의 전류가 흐를 때 (S)의 자기 방향을 갖는 영구자석(M1)에 의해 이 영구자석(M1)에는 (S1)과 같은 자기력이 발생하고, 도 10의 (b)와 같이 전자석(M3)에 의해 (S2)의 방향으로 전류가 흐를 때 (S3)의 자기 방향을 갖는 영구자석(M4)에 의해서 전자석(M3)에는 (S4)와 같은 방향의 자기력이 발생한다. 또한 마찬가지로 도 10의 (c)와 같이 (S5)의 전류 방향을 갖는 전자석(M5)은 (S6)와 같은 자기 방향을 갖는 영구자석(M6)에 의해 (S7)과 같은 방향의 자기력이 발생한다.

도 7의 A-A'에서 절단한 단면도를 그림 11에 나타내었는데 자기력 발생 메커니즘과 그 방향이 플레밍의 왼손 법칙에 의해 쉽게 유도될 수 있다. 이를 종합하면 하단의 전자석 코일들이 고정되어 있으므로 그 반력으로 상단 평면에는 도 12와 같은 형태의 자기력이 발생하게 되는데 쌍 방향의 형태는 코일의 전류를 반대로 할 경우 발생되는 방향의 의미이다. 이러한 9가지의 힘을 조합하여 상판(130)은 공간상에서 일정한 자세를 유지하면서 평면 운동을 하는 것이다. 우선 상판(130)의 가동부 종단의 공간상에서의 위치를 정의한다. 이렇게 정의한 위치를 기초로 전원이인가되어야 할 구동 코일들이 결정되고 역기구학 해석을 통해 각 입력단 즉, 솔레노이드에 대한 영구 자석들의 위치가 정해지고 이렇게 정해진 위치로 이동 시키기 위한 솔레노이드 입력 전원 값이 전자기 이론을 통해 구해진다. 이렇게 구한 입력 전원으로 시스템을 구동 시키는데 상판이 이동함에 따라 구동 코일들간에 스위칭 회로를 이용하여 순차적으로 전원을 인가하기 때문에 구동 전원은 단지 9개로 족하다. 즉 도 13에서 상판(201)이 공간 상에서 정지해 있을 경우에는 점선 안에 있는 자기 요소들이 능동 상태에 있지만 (203)과 같이 x축으로 이동해 가면 (209)에 있던 구동 코일의 전원이 off되고 대신 (210)의 코일에 전원이 인가된다. 마찬가지로 상판(201)이 (202)와 같이 y축으로 이동해 가면 (208)에 있는 구동 코일의 전원은 off되고 (207)에 있는 코일의 전원이 on된다. 이와 같이 하여 상판(201)의 크기는 일정하게 유지한 채로 하단에 놓여 있는 구동코일을 추가 배치하여 쉽게 작업 영역을 확대시킬 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 구성 요소를 최소화하여 공간상의 일정 영역 안에서만 구동하는, 각 자유도의 작동 영역이 비슷한 6자유도 자기 부상 스테이지를 도 15와 같이 구성할 수 있다. 즉 하단에 위치한 구동 코일을 중심부를 제외한 채로 원주 방향으로 8개 배치하고 상판에 특정한 작업 기구를 배치하여 기구의 종단 점의 6자유도 위치에만 관심을 갖는 경우 적용할 수 있다. 예를들면 도 15에서와 같이 상판(221)의 중앙에 큰 구멍을 파고 그 부분에 입사하는 레이저 광(223)을 일정한 각도로 반사시킬 수 있는 전반사 거울(222)을 배치하여 결국 반사광(224)의 공간상의 위치를 변화 시키도록 하였다. 이러한 예는 홀로그래피 저장 장치에서 기준광의 스페이셜멀티플렉싱(Spatial Multiplexing )을 위한 단일 서보 방식의 구동기로 사용될 수 있다.

이같이 본 발명은 기존의 소자 자체의 변형에 의한 정밀 포지셔닝 시스템이 갖는 자유도의 한계를 극복하고 비교적 적용이 간편한 전자기 이론을 기초로 다자유도 메커니즘의 개발시 나타나는 구조의 복잡함을 가동부의 부상에 의해 해결할 수 있다. 즉 본 발명의 전체 구성도인 도 7에 나타나 있는 것처럼 가동부를 구동부와 완전히 분리시켜 공간 상의 어느 일정 영역 안의 임의의 위치로 구동부의 적절한 조합에 의해 구동 시키기 때문에 반도체 제조 공정과 같이 극히 청결한 환경을 요하는 곳에서의 작업에 적합하다. 또한 기계적인 메커니즘에 의해 제한 되는 성능 한계를, 난이한 미세 마찰을 모델링 하는 것 대신에 이러한 자기 부상을 통해 해결할 수 있다.

또한 이러한 정밀도를 유지하면서 넓은 작업 영역을 확보하기 위하여 단지 구동부 능동 소자의 추가 배치만으로도 이러한 확장이 가능할 수 있도록 할 수 있다. 따라서 기존 반도체 제조 공정 과정에 있어서 포토이소그래피(photolithography)와 같은 작업을 위한 웨이퍼 스테퍼와 같이 웨이퍼 크기의 증가에 따른 작업 영역의 확장 구현이 용이해 진다.

종래의 이러한 전자기 이론을 기초로 하는 구동원은 전자기 이론의 필드 해석의 어려움으로 많은 가정에 의해 문제를 해결하고 있기 때문에 출력의 산정을 대부분 실험적으로 해석하고 있으나 본 발명에서 채택하고 있는 도 10의 공심 솔레노이드(151)와 영구자석(153)간의 상호 작용이나 코일(156)과 영구자석(160)의 상호작용은 이론적으로 실제 모델에 거의 근접하게 모델링 할 수 있으므로 구동원의 모델링 오차가 상당히 줄어들기 때문에 제어 시 발생하는 여러 가지 오차의 발생을 미연에 방지할 수 있는 구동방법이라 할 수 있다.

또한 고분해능 센서의 사용을 통해 메커니즘에서 발생하는 오차 발생의 문제 없이 원하는 위치로 정확하게 도달할 수 있도록 할 수 있기 때문에 기존 기기에서 발생하는 고분해능의 어려움을 극복하였다. 공간상에서 부상되어 평면운동을 하는 기존 시스템은 시스템 작동 중 능동 소자들에 모두 전원이 인가되어 필요 불가결한 전력 손실을 낳지만 본 발명에서는 실제로 상판에 있는 구동 소자와 접해 있는 구동 소자에만 전원을 인가하고 가동부가 이동함에 따라 구동 소자들 사이에서 적절한 스위칭이 이루어지도록 하기 때문에 전력손실을 줄이는 것이 가능하다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 다자유도 메커니즘 개발시 나타나는 구조의 복잡함을 가동부의 부상에 의해 해결하여 다자유도 메커니즘 구조의 단순화가 가능하고, 청결한 환경을 요하는 곳에서의 작업에 적합하며, 고정밀도를 유지하면서 넓은 작업 영역으로의 확장이 가능하다.

또한 구동원의 모델링 오차를 줄일 수 있으므로 제어 시 발생하는 여러 가지 오차의 발생을 미연에 방지하면서 고분해능 구현이 가능한 효과가 있고, 전력 손실을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 평판에 코일 및 영구자석을 배치하여 가동부를 수평 수직상으로 평면 운동 시키는 비 접촉식 서피스 모터에 있어서,

   상기 서피스 모터는,

   서로 직교하는 방향으로 코일이 감겨있는 세가지 형태의 전자석이 하우징의 고정단 위에 바둑판 모양으로 배치되어 설치되고,

   상기 코일과 상호 작용하는 영구자석이 모두 동일한 자기 방향을 갖고 상판에 설치되어 가동부를 이루도록 구성하여 상기 가동부가 하우징 위에서 자기적으로 부상되어 구동되는 것을 특징으로 하는 서피스 모터.
2. 제 1 항에 있어서,

   좌표계를 기준으로 z축 방향 자기력을 위해 십자모양으로 배치된 전자석과, y축 방향 자기력을 위해서 오른쪽 상단 구석에서 대각선 방향으로 배치된 전자석 및 x축 방향 자기력을 위한 전자석을 별도로 갖는 것을 특징으로 하는 서피스 모터.
3. 제 1 항에 있어서,

   상판의 이동 상태에서 동일한 자기 조건을 부여하기 위해 영구자석들의 자기 방향이 모두 일치 하도록 배치한 것을 특징으로 하는 서피스 모터.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 가동부의 작업 영역을 확대하기 위해 하우징 위에 구동 코일을 똑같이 바둑판 모양으로 첨가하고 구동 코일간에 스위칭 회로를 적용하여 전원 구동기만으로 평면운동을 만들어 내는 것을 특징으로 하는 서피스 모터.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 영구자석이 설치된 상판이 공간상에서 일정한 자세를 유지한채 연속적인 평면 운동을 발생 시키기 위해 구동 코일과 상호 작용하는 영구 자석의 자기 방향을 서로 동일하게 한 것을 특징으로 하는 서피스 모터.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 상판에 설치된 영구자석들이 상판에 다른 하우징 없이 바로 부착되어 부상되는 상판의 무게를 줄이도록 한 것을 특징으로 하는 서피스 모터.
7. 제 1 항에 있어서,

   서로 직교하는 세가지 형태의 코일들과 동일한 자기 방향의 영구자석간의 상호 작용에 의해 공간상에서 6자유도를 만들어내는 것을 특징으로 하는 서피스 모터.
8. 가동부에 전류가 흐르는 코일이 각 방향으로 놓여져 있고, 고정부에는 사각형 단면을 사이에 두고 하우징 양쪽에 영구자석들이 부착되어 자기장을 형성하여 평면 운동을 유도하는 6자유도 정밀 운동 시스템에 있어서,

   상기 가동부와 하단의 하우징을 동일한 크기로 하고, 상기 하우징 위에 설치된 구동 코일에서 평면의 법선 방향 운동을 만드는 구동 코일이 하우징의 네 개의 모서리에 설치되고, 평면 운동을 위한 코일들은 서로 엇갈리게 설치되며,

   상기 하우징 위에 설치된 구동 코일에서 법선 운동을 위한 구동 코일이 하우징에서 십자 모양으로 설치되고, 평면 운동을 위한 코일들은 서로 대각선으로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 6자유도 정밀 운동 시스템.
9. 제 8 항에 있어서,

   구동 코일이 9개 배열인 조건에서 중앙 가운데 코일을 제거하여 8개의 코일 만으로 구동 코일을 구성하고, 큰 평면 운동 대신에 공간상에서 6자유도에 걸쳐 동일한 작업 영역을 갖게 한 것을 특징으로 하는 6자유도 정밀 운동 시스템.