KR100761690B1 - 영구자석 이동형 리니어모터와 공기베어링을 이용한 초소형스테이지 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동자와 고정자 사이의 자기력을 이용하여 공기베어링의 예압을 발생시키면서 한편 공극에서의 자기력을 형성하여, 코일의 전류에 따라 이송력을 발생시키고, 장치의 소형화를 이룰 수 있는 스테이지 장치에 관한 것이다.

본 발명은 하방으로 대향되게 돌출되어 구비된 가이드면과 내측 중앙에 장홈이 구비된 스테이지와, 상기 스테이지 하부에 설치되고 상방으로 대향되게 돌출되어 구비된 가이드면과 내측 중앙에 장홈이 형성된 베이스와, 상기 스테이지의 장홈에 고정되는 이동자철심과, 상기 베이스의 장홈에 구비되는 고정자철심과, 상기 고정자철심의 상면에 고정되는 코일과, 상기 이동자철심 하면에 고정되는 영구자석로 구성되는 선형모터와, 상기 스테이지의 외측면 일정거리에 고정되는 위치센서와, 서로 양측으로 대향되게 설치되고 상기 스테이지 내측 하면에서 고정되는 수직방향공기베어링와, 상기 스테이지 가이드면 내측면에 대향되게 설치되는 수평방향공기베이링로 구성되는 공기베어링를 포함하여 구성한다.

본 발명은 높은 정밀도와 이송속도를 얻고, 작은 크기에 구동장치가 일체화되며, 이송중의 코깅이 없어 운동 오차가 발생하지 않는 효과가 있다.

이송장치, 공기베어링, 자기예압, 리니어모터

Description

영구자석 이동형 리니어모터와 공기베어링을 이용한 초소형 스테이지 장치{The stage apparatus which uses the permanent magnet movement linear motor and air bearing}

도 1은 종래의 공기베어링을 이용한 선형 모터 스테이지 장치의 단면도

도 2는 본 고안에 의한 영구자석 이동형 선형모터 공기베어링 스테이지 장치의 사시도이고,

도 3은 본 발명에 따른 영구자석 이동형 선형모터 공기베어링 스테이지 장치의 단면도이고,

도 4는 본 발명에 따른 영구자석 이동형 선형모터 공기베어링 스테이지 장치의 측단면도이고,

도 5는 본 발명에 따른 영구자석 이동형 선형모터의 3상 구성을 통한 이동거리 증가시 측단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 스테이지 20 : 베이스

30 : 선형모터 31 : 이동자철심

32 : 고정자철심 33 : 영구자석

34 : 코일 40 : 위치센서

50 : 공기베어링 51 : 수평방향공기베어링

52 : 수직방향 공기베어링 210 : 공기베어링 가이드

230 : 무철심형 선형 모터

241, 242, 243 : 수평 및 수직방향 공기베어링 패드

본 발명은 초정밀 이송정밀도를 얻기 위하여 공기베어링을 이용한 스테이지에 철심을 사용하면서 슬롯이 없고 이동자에 고정되어 있는 선형모터를 장착하여, 이동자와 고정자 사이의 자기력을 이용하여 공기베어링의 예압을 발생시키면서 한편 공극에서의 자기력을 형성하여, 고정자에 고정된 코일의 전류에 따라 이송력을 발생시키는 구조를 갖도록 하여, 공기베어링을 사용하면서도 장치의 소형화를 이룰 수 있는 스테이지 장치에 관한 것이다.

종래의 공기베어링을 이용한 스테이지 장치의 경우 도1에 나타낸 바와 같이 상시 스테이지 장치의 하부에 구비되는 베이스(20)와 상기 베이스(20) 상부면에 양측면이 대향되게 설치되고 내측에 가이드홈이 구비된 테이블(10)과, 상기 테이블(200) 내측면에 구비된 가이드홈에 설치되는 가이드(210)와, 상기 가이드(210)와 테이블(10) 사이에 착설되어 수직방향으로 상하로 구비되는 수직방향공기베어링(243,242)와 상기 가이드(210)와 테이블(10)사이에 양측면에 고정 설치되는 수평방향공기베어링(241)으로 구성된다.

상기의 구성과 같이 공기베어링을 사용하되 양쪽에 공기베어링 패드를 적용하는 복열패드 방식을 사용한 공기베어링과 무철심형 리니어모터를 사용하여야 하기 때문에 전체적인 스테이지의 크기를 작게 하는데 한계가 있었다.

이에 본 발명은 상술한 바와 같이 종래의 스테이지 장치의 제반 문제점을 해소하고자 발명된 것으로, 한쪽 방향에만 공기베어링 패드를 사용하여 이동자의 구성을 단순화하면서 선형 모터의 이동자와 고정자 사이의 인력을 공기베어링의 예압으로 사용하고, 코일의 전류로 이송력을 발생시킴으로써 구성을 단순화하고 소형화가 가능한 초소형 스테이지 장치를 제공하는데 목적이 있다.

목적을 달성하기 위한 본 발명에서는, 하방으로 대향되게 돌출되어 구비된 가이드면과 내측 중앙에 장홈이 구비된 스테이지와, 상기 스테이지 하부에 설치되고 상방으로 대향되게 돌출되어 구비된 가이드면과 내측 중앙에 장홈이 형성된 베이스와, 상기 스테이지의 장홈에 고정되는 이동자철심과, 상기 베이스의 장홈에 구비되는 고정자철심과, 상기 고정자철심의 상면에 고정되는 코일과, 상기 이동자철심 하면에 고정되는 영구자석로 구성되는 선형모터와, 상기 스테이지의 외측면 일정거리에 고정되는 위치센서와, 서로 양측으로 대향되게 설치되고 상기 스테이지 내측 하면에서 고정되는 수직방향공기베어링와, 상기 스테이지 가이드면 내측면에 대향되게 설치되는 수평방향공기베이링로 구성되는 공기베어링를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.

목적을 달성하기 위한 다른 특징은, 상기 스테이지는 상기 공기베어링으로 지지되는 것을 특징으로 한다.

목적을 달성하기 위한 또 다른 특징은, 상기 이동자철심과 영구자석은 상기 고정자철심과 상기 코일의 상방에 설치되고 서로 마주보는 구성인 것을 특징으로 한다.

목적을 달성하기 위한 또 다른 특징은, 상기 영구자석은 상기 이동자철심에 길이방향으로 양측에 구비되고 극성은 서로 반대 극성을 이루는 것을 특징으로 한다.

목적을 달성하기 위한 또 다른 특징은, 상기 위치센서는 상기 스테이지의 위치제어를 이루기 위하여 스테이지의 위치를 감지하므로 스테이지의 정밀제어가 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 고안에 의한 영구자석 이동형 선형모터 공기베어링 스테이지 장치의 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 영구자석 이동형 선형모터 공기베어링 스테이지 장치의 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 영구자석 이동형 선형모터 공기베어링 스테이지 장치의 측단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 영구자석 이동형 선형모터의 3상 구성을 통한 이동거리 증가시 측단면도이다.

도 2와 3을 참조하여 구성을 설명하면, 스테이지(10)(알루미늄 합금 혹은 스테인레스강)에 철심코어와 영구자석(33)을 가진 이동자철심(31)가 장홈(12)에 삽입고정되어 위치되며, 베이스(20)에는 상방으로 대향되게 돌출되게 구비된 가이드면(21) 내측 중앙에 형성된 장홈(22)에 고정자철심(32)과 상기 영구자석(33)의 자속방향에 수직으로 전류가 흐르도록 되어있는 코일(34)이 삽입고정되어 위치한다. 이때, 스테이지(10)의 지지는 공기베어링(50)에 의하여 이루어지며, 상기 공기베어링(50)은 상하방향에 한면, 수평방향에 양면으로 위치된다. 상하방향의 경우 선형모터(30)의 이동자철심(31)에 구비된 영구자석(33)에 의해 발생된 수직방향 자기장에 의하여 자기력이 발생되며, 이 자기력이 공기베어링(50)의 예압력으로 작동하게 되고, 위치센서(40)을 구비하여 상기 스테이지(10)의 위치를 감지하여 스테이지(10)의 위치제어를 이루는 것이다.

또한, 영구자석(33)을 이용하여 공기베어링(50)의 예압력을 작용시키고, 동시에 고정자철심(32)에 위치한 코일(34)에 전기를 가하여 이송력을 발생시키는 스테이지를 이송시키는 구조로 되어 있다.

특히, 이동자 철심 및 고정자 철심에는 종래의 일반적인 모터의 구조에서와는 달리 코일이 감기기 위한 슬롯이 형성되지 않게 됨으로서, 이동 중 자력변화에 따른 코깅힘(cogging force)이 발생되지 않게 된다.

정밀도를 위하여 사용하는 공기 정압베어링 시스템에 복열패드 공기베어링을 적용함에 있어서 발생하는 구조의 복잡성을 단열 공기베어링(50)을 적용함으로써 단순화하고, 단열 공기베어링(50) 적용시 필수적인 예압을 영구자석(33)을 이용하여 발생된 자기력을 사용하면서 한편으로 이러한 영구자석(33)의 자기장에 수직한 방향의 전류를 고정자에 고정된 코일(34)에 흘려줌으로써 이송력을 발생시킬 수 있도록 하여, 상용의 무철심형 선형모터(30)를 사용함에 있어서 구조의 복잡성도 해결하기 위함이며, 특히 선형모터(30)의 철심에 슬롯이 존재하지 않음으로 이송시의 자기력의 변화가 없어 운동정밀도도 높게 유지할 수 있도록 하였다. 이렇게 구조를 단순화 함으로써 공기베어링(50)을 이용하면서 소형화가 가능하도록 구성된 것이 다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.

비자성체로 이루어진 가이드면(11)에 대응되는 역시 비자성체인 스테이지(10)에는 수평 및 수직공기베어링 패드(51, 52)들이 위치하고 있으며, 특히 수평방향으로는 대응되는 공기베어링(51)으로 지지되고, 수직방향으로는 한쪽에만 공기베어링 패드(52)가 있는 단열패드 방식을 적용한다. 이때, 자성체 이동자철심(31)은 스테이지(10)의 장홈(12)에 부착되어 있으며, 상기 이동자철심(31) 아랫면에는 영구자석(33)이 부착되어 있다. 또한 가이드면 내측의 장홈(22)에 고정자철심(32)이 부착되어 있고, 여기에 이송력 발생을 위한 코일(34)이 고정자철심(32)에 고정되어 있다. 이때, 영구자석(33)에서 발생된 자기장이 이동자철심(31)와 고정자철심(32)으로 흐르게 되는데 이때 발생된 자기력은 고정자철심(32)과 이동자철심(31) 사이에 인력을 발생시켜 결국 수직방향 공기베어링(82)에 예압력으로 작용하게 된다. 또한 이때 발생되는 자기장(A)은 도 4에 나타난 바와 같은 방향으로 흐르게 되며, 이때에 코일(34)에 전류를 흐르게 되면 이송방향의 이송력이 발생하게 된다. 이때의 이송력은 코일(34)에 흐르는 전류의 밀도와 자기장의 자속밀도에 비례하며, 기존의 철심형 선형 모터에서 볼 수 있는 슬롯이 존재하지 않음으로 인하여 이동함에 따라 자기장의 변화가 없어 수직방향의 운동정밀도도 높게 유지할 수 있게 된다. 또한, 상기 스테이지(10)의 정밀한 위치제어를 위한 위치센서(40)는 스테이지(10)의 위치를 감지하고 이를 미도시된 제어부에 전송하여 코일(34)에 인가되는 전류의 흐름이 조정되도록 함으로서 위치제어가 이루어지도록 하는 방식의 선형 엔코더가 사용될 수 있는 것으로, 스테이지(10)가 정밀하게 위치되므로 높은 이송정밀도의 공기베어링(50)을 이용한 스테이지 장치(100)의 구현이 가능하다.

도 4의 단면도에 나타난 것과 같이 한 개의 연결된 코일(34)을 사용하는 단상 방식을 사용하는 경우 크지 않은 이동범위를 갖는 소형 스테이지에 적용이 가능하며, 이동거리가 크게 요구되는 경우에는 도 5와 같이 3상 코일(341, 342, 343)을 사용하면 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 스테이지 장치는 공기베어링을 사용하여 적은 마찰력으로 인하여 높은 정밀도와 이송속도를 얻을 수 있으며, 영구자석의 예압을 이용한 공기베어링 구조로 인하여, 전체 스테이지의 크기를 작게하면서, 또한 영구자석의 자기력을 이용한 리니어모터를 포함하여 구동장치가 일체화된 시스템을 갖게 된다. 특히, 철심에 슬롯이 없음으로 기존의 철심형 리니어모터 등에서 나타나는 코깅 현상이 나타나지 않아 이송중의 코깅이 없어 운동 오차가 발생하지 않으며, 코일이 고정되어 있어 발열과 연결에 유리한 효과가 있다.

Claims (5)

1. 스테이지장치(100)에 있어서;

   하방으로 대향되게 돌출된 가이드면(11)과 내측 중앙에 구비된 장홈(12)으로 구성되는 스테이지(10)와, 상기 스테이지(10) 하부에 설치되고 상방으로 대향되게 돌출된 가이드면(21)과 내측 중앙에 구비된 장홈(22)으로 구성되는 베이스(20)와, 상기 스테이지(10)의 장홈(12)에 고정되는 이동자철심(31)과, 상기 베이스(20)의 장홈(22)에 구비되는 고정자철심(32)과, 상기 고정자철심(32)의 상면에 고정되는 코일(34)과, 상기 이동자철심(31) 하면에 고정되는 영구자석(33)으로 구성되는 선형모터(30)와, 상기 스테이지(10)의 외측면 일정거리에 고정되는 위치센서(40)와, 서로 양측으로 대향되게 설치되고 상기 스테이지(10) 내측 하면에서 고정되는 수직방향공기베어링(51)와, 상기 스테이지(10) 가이드면(11) 내측면에 대향되게 설치되는 수평방향공기베이링(52)로 구성되는 공기베어링(50)을 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 영구자석 이동형 선형모터와 공기베어링을 이용한 초소형 스테이지 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 스테이지(10)는 상기 공기베어링(50)으로 지지되는 것을 특징으로 하는 영구자석 이동형 선형모터와 공기베어링을 이용한 초소형 스테이지 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 이동자철심(31)과 영구자석(33)은 상기 고정자철심(32)과 상기 코일(34)의 상방에 설치되고 서로 마주보는 구성인 것을 특징으로 하는 영구자석 이동형 선형모터와 공기베어링을 이용한 초소형 스테이지 장치.
4. 제 1항에 있어서

   상기 영구자석(33)은 상기 이동자철심(31)의 길이방향으로 양측에 구비되고 극성은 서로 반대 극성을 이루는 것을 특징으로 하는 영구자석 이동형 선형모터와 공기베어링을 이용한 초소형 스테이지 장치.
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