KR20060128367A - 비접촉 회전 스테이지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비접촉 회전 스테이지에 관한 것으로, 원주방향으로 등간격으로 배치된 세 쌍의 단위 횡자속 유도 모터와 이와 대면하는 전도판과 계철로 구성된 로터 사이의 회전력과 부상력을 조합하여 별도의 안내 또는 베어링지지 기구 없이도 공간상에 안정되게 부상되어 회전할 수 있는, 이와 동시에 반경 방향으로의 미세 섭동이 가능한 비접촉 회전 스테이지에 관한 것이다.

또한 부상된 로터의 정밀한 회전 변환과 자세 보정 제어를 위한 6자유도 회전 검출을 비접촉으로 구현하기 위한 방법으로서 스테이터와 로터 사이의 공극 측정만을 통해 이를 실현할 수 있는 방법에 관한 것이다.

무베어링 모터, 횡자속 유도 원리, 비접촉 회전 스테이지, 자기 부상

Description

비접촉 회전 스테이지 및 이의 6자유도 위치 검출법 {NON-CONTACT REVOLVING STAGE AND A METHOD FOR DETECTING THE SIX DEGREE-OF-FREEDOM POSITION THEREOF}

도 1은 종래 일반적인 자기 베어링 장착 회전 모터의 개략도

도 2는 종래 특허 10-0352022에 개시된 자기부상형 전동기의 스테이터 구성도

도 3은 종래 특허 10-0352022에 개시된 자기부상형 전동기의 회전력, 부상력 발생 개념도

도 4는 일반적인 스텝 모터의 구성도

도 5는 종래 특허 10-0434200에 개시된 셀프베어링 스텝 모터 시스템의 원리 개념도

도 6은 본 발명에 의한 일실시예인 비접촉 회전 스테이지의 개념도

도 7은 본 발명에 의한 일실시예인 비접촉 회전 스테이지의 로터에 작용하는 힘을 도시한 선도

도 8은 본 발명에 의한 일실시예인 비접촉 회전 스테이지의 부분적인 단면 형상과 구성 요소를 도시한 개략도

도 9는 본 발명에 의한 일실시예인 비접촉 회전 스테이지의 6자유도 위치 측정 방법을 도시한 개략도

도 10은 본 발명에 의한 일실시예인 비접촉 회전 스테이지의 공극 측정을 이용한 회전량 검출법을 도시한 개략도

본 발명은 비접촉 회전 스테이지에 관한 것으로, 회전 변환을 위해 로터의 접촉을 배제시키는 중요한 이유는 로터와 스테이터 간의 기계적인 마찰을 제거하여 그 구현 정밀도에 제한을 두지 않게끔 하려는 의도와 로터의 초고속 회전을 위한 저항력 제거의 의미를 갖고 있다. 즉, 기계식 베어링을 장착한 기존의 회전 시스템 즉, 모터의 임계 속도는 제한을 받는다. 또한 비접촉 회전 로터는 윤활의 필요성을 배제할 수 있기 때문에 청정 환경에 적합한 구동 방법이다.

도 1은 1997년 T.-J. Yeh(pp. 646-651, Proceedings of American Control Conference) 등에 의해 제안된 일반적인 자기 베어링 장착 회전 모터의 개략도이다. 회전축 6은 z축을 중심으로 스테이터 코일에 의해 회전하는데 이의 반경 방향 지지를 위해 전자석 1,2,3,4가 원주 방향으로 축방향 옵셋을 갖는 형태로 배치되어있는데 이를 통해 x, y방향 운동과 두 축에 대한 회전 운동을 억제한다. 특히 회전축이 강자성체로 되어있는 관계로 전자석에 의한 힘은 흡인력 뿐이며 따라서 축을 기준으로 대칭으로 형성되어있는 것이 특징이다. 또한 z축 방향 지지를 위해 트러스트 베어링 5가 장착되어있으며 이의 다른 실시예로서 트러스트 베어링까지 자기 베어링을 이용한 예도 있다. 이러한 용례는 자기 베어링을 이용하여 회전 기계 또 는 모터를 비접촉으로 지지하는 일반적인 방법이지만, 자기 베어링 장착 공간 확보를 위한 지나친 축 길이로 인해 그 임계 속도에 제한을 갖는다. 따라서 시스템이 대단히 조악해지며 이는 컴팩트한 시스템에 큰 걸림돌이 되고 있다.

도 2는 종래 특허 10-0352022에 개시된 자기부상형 전동기의 스테이터 구성도인데, 앞서 기술한 자기 베어링 장착에 따른 회전축 길이를 축소시키기 위해 스테이터 11의 코일 12를 이중으로 설치하고, 즉 영구 자석으로 구성된 로터와 대면하는 코일을 회전용 권선과 베어링용 권선으로 분리한 것을 특징으로 하는 발명 예이다. 이러한 코일 12는 원주 방향으로 등간격으로 배치되어있다.

도 3은 종래 특허 10-0352022에 개시된 자기부상형 전동기의 회전력, 부상력 발생 개념도를 나타내는데, 로터 20을 구성하는 프레임 21위에 원주 방향으로 극성이 다른 영구 자석 22가 순차적으로 놓여있고 회전용 코일 12에 그림과 같은 전류가 인가될 때 원주 방향으로 회전력이 발생하고 또한 부상용 코일 31에 그림과 같은 화살표로 묘사된 전류가 인가될 때 우측 그림의 중앙에 묘사된 위를 향하는 부상력이 작용하여 로터 프레임 21을 지지하게 된다. 그러나 이러한 발명 예에서도 도면에 수직한 방향 즉 축 방향으로는 별도의 지지 기구를 갖추어야 함을 알 수 있으며 따라서 일반적으로 무베어링 모터라 함은 이렇게 축의 반경 방향으로 별도의 지지 기구를 사용하지 않고 스테이터 코일에 의해 베어링 역할을 추가로 하게 함을 알 수 있다.

도 4는 일반적인 스텝 모터의 구성도를 나타내는데, 치형 구조를 갖는 로터 51과 스테이터 52를 구성하는 각각의 코일 60, 61등의 인력에 의해 회전을 한다. 그림과 같은 위치에서는 코일 60에 전류를 인가하고 코일 61에는 전류를 차단하여 코일 60에 의한 전자석이 인접한 치를 잡아당겨 회전력을 얻는다.

이러한 스텝 모터를 대상으로 베어링 기능을 포함한 시스템의 실시 예로 도 5를 예시하면, 도 5는 종래 특허 10-0434200에 개시된 셀프베어링 스텝 모터 시스템의 원리 개념도인데 스테이터 52를 구성하는 각각의 코일 60, 61등을 개별적으로 제어하여 로터 50을 구성하는 개별 치 51과 코일 전자석간에 발생하는 인력이 벡터력이라는데 착안점을 두어 회전력과 동시에 로터 50을 반경 방향으로 잡아당기는 힘을 부상력을 제공하며 이의 안정된 부상을 위해 반경 위치를 측정하는 갭 센서 70과 71을 장착한 것을 특징으로 하는 발명 예이다. 그림과 같은 스테이터, 로터 위치에서 코일 전자석 61은 대항 치와 서로 마주하기 때문에 이때 코일에 전류를 인가하면 대상 치에는 단지 반경 방향 힘, 즉 부상력만이 작용하게 된다. 따라서 이처럼 치의 회전에 따라 회전력 발생 치와 부상력 발생 치를 독립적으로 제어하여 무베어링 스텝 모터를 구현할 수 있는 발명 예이다. 그러나 이 발명 역시 로터의 축 방향으로는 별도의 지지 기구가 필요하며 따라서 앞서 이전 발명 예에서 언급한 것처럼 완벽한 비접촉 회전체의 예는 아니다. 또한 치와 스테이터 전자석간에 회전 유실이 발생할 경우엔 치 위치에 대한 정보의 오류로 매칭되지 않아야 하는 치와 전자석 사이에 수직력이 발생하는 등의 문제점을 내포하고 있다. 더욱 큰 문제는 이러한 오류를 보정하기 위한 방법이 스테핑 모터의 전원을 리셋하는 것 외에는 없다는 데에 있다.

본 발명은 스테이터와 로터에 작용하는 자기력만으로 로터의 안정된 부상과, 이와 동시에 로터의 회전 그리고 로터의 반경 방향으로의 미세한 섭동이 가능한 비접촉 회전 구현을 목적으로 한다. 특히 앞서 언급한 다양한 실시 예와는 달리 본 발명은 고속 회전용으로의 적용이 아니라 정밀한 회전을 구현하는 서보 기구로의 응용을 목적으로 하고 있다. 또한 초정밀 회전 시스템이 갖추어야 하는 진원 운동 특성을 보장하기 위해 별도의 보정 기구가 필요없는, 즉 회전축을 제외한 나머지 5축의 보정 기능을 갖기 위해 5자유도 능동 조절이 가능한 시스템 원리를 제공하는 것이다.

본 발명에서는 단위 횡자속 선형 유도 구동기가 갖는 일차측 스테이터와 이차측 로터 사이에 작용하는 수직력과 추력 등의 벡터력을 능동적으로 이용하여 앞서 언급한 다종 다양한 무베어링 모터의 조악한 구조를 통합하여 회전 운동을 구현할 수 있는 통합형 비접촉 회전 스테이지에 관한 것이다.

도 6은 본 발명에 의한 일실시예인 비접촉 회전 스테이지의 개념도를 나타내는데, 일반적인 유도 모터에서와 같이 전도체 110과 계철 111로 구성된 로터에 일정 간극을 사이에 두고 대면하고 있는 단일 횡자속 유도 모터 120, 121, 122를 원주 방향으로 등간격으로 배치하면 각각의 유도 모터는 로터에 에어 간극의 수직 방향으로의 흡인력과 회전 방향으로의 회전력을 각각 발생시킨다. 단위 유도 모터를 구성하는 스테이터의 코일 102는 ‘E’형 혹은 ‘ㄷ’형의 강자성 코어에 감겨있으며 이러한 개별 전자석이 그림에서와 같이 6개 배치되어있고 3상의 전원이 인가되 면 단위 유도 모터는 3상, 2극의 유도 모터가 된다. 이러한 개별 전자석에 의해 생성되는 자기장은 그 자기 폐회로가 모터의 이동 자장과 수직하기 때문에 횡자속 모터라 불리우며 일반 유도 모터의 단효과를 제거하기 위해 개발된 것이다. 또한 단위 유도 모터 120, 121, 122를 구성하는 전자석은 개별적으로 구성 가능하기 때문에 각각의 전자석을 독립적으로 제어할 수 있는 가능성을 낳는다.

도 7은 본 발명에 의한 일실시예인 비접촉 회전 스테이지의 로터에 작용하는 힘을 도시한 선도인데 단위 유도 모터 120, 121, 122에 3상 전원을 인가하면 140, 141, 142의 수직력과 150, 51, 152의 회전력이 로터에 작용한다. 따라서 수직력 140, 141, 142의 조합에 의해 로터는 에어 간극 조절과 피치(Pitch) 모션, 롤(Roll) 모션을 조절하는 것이 가능하며 회전력 150, 151, 152의 조합에 의해 회전 모션, 반경 방향으로의 두 축에 대한 섭동 모션이 가능하게 된다. 따라서 이러한 섭동 모션을 통해 로터 중심축에 대한 회전 운동의 센터 옵셋 등을 미세하게 조절하여 회전 궤적의 진원도 향상을 도모하는 것이 가능하다.

도 8은 본 발명에 의한 일실시예인 비접촉 회전 스테이지의 부분적인 단면 형상과 구성 요소를 도시한 개략도인데 도 6의 개념도와는 달리 로터의 실제 형상 예가 묘사되어있다. 유도 모터를 구성하는 각각의 개별 전자석의 코어 101과 코일 102는 스테이터지지 프레임 200에 안착되어있고 이와 대면하는 전도체 110과 계철 111로 구성된 로터는 그 아래 실린더 블록 형태의 하우징 201과 연결되어있다. 실린더 블록은 후술하는 6자유도 위치 측정을 위한 참조 면 역할을 하기 위한 것이며 그 하면 202는 사면 가공되어있다. 이러한 사면 가공의 이유는 회전량 측정을 에어 간극 측정만으로 구현하려는 것이며 아래에 별도로 상세 기술한다. 로터가 스테이터 프레임 하부에 놓인 이유는 스테이터에 의해 로터에 작용하는 힘이 흡인력인데 기인하며 따라서 흡인력에 반하는 복원력은 로터 자중에만 의지한다. 따라서 이러한 스테이터를 샌드위치 형태로 배치하면 양방향 흡인력 인가가 가능하다.

도 9는 본 발명에 의한 일실시예인 비접촉 회전 스테이지의 6자유도 위치 측정 방법을 도시한 개략도인데 로터의 초정밀 회전량과 다른 위치 정보를 측정하기 위해서는 6개의 센서가 필요하다. 앞서 언급한 것처럼 본 발명의 적용 목적은 고속 회전체가 아닌 속도에 관계없이 정밀하게 원하는 회전량을 구현하기 위한 회전 스테이지가 목적이며 따라서 공간상에 비접촉으로 부상되어 구동되는 시스템의 특성상 이러한 6축 변위 정보의 정밀한 측정은 시스템의 반복 가능한 운동 구현을 위한 필요불가결한 요소이다. 우선, 로터를 구성하는 후면 계철 111과 일정 간극을 사이에 두고 갭을 측정하는 센서 300, 301, 302가 안착되어있으며 이는 그림에서 z축으로의 운동과 x, y축에 대한 회전량을 측정할 수 있게 한다. 또한 로터 하우징의 실린더 블록 201의 외곽면과 일정 거리를 두고 또 다른 갭 센서 310과 311이 놓여 있는데 이를 통해 x, y축으로의 미세한 섭동량을 측정할 수 있다. 또한 회전 스테이지의 가장 중요한 기능인 z축으로의 회전 운동을 비접촉으로 측정하기 위해 본 발명 예에서는 엔코더 등의 방법 대신에 로터 하우징 하면 202를 사면 가공하고 회전에 따른 이의 간극 변화를 갭 센서 312로 간접 측정하는 방법을 채택한다.

도 10은 본 발명에 의한 일실시예인 비접촉 회전 스테이지의 공극 측정을 이용한 회전량 검출법을 도시한 개략도인데, 로터 하우징의 하면 202를 z축을 중심으 로 펼쳐 놓으면 그림과 같이 sine 파형을 갖는데 이를 갭 센서 312로 측정하면 회전각에 따라 간극 정보 350이 연속적으로 변화하게 된다. 따라서 간극 정보 350을 통해 간접적으로 z축에 대한 회전량 θ를 얻는 것이 가능하다.

이상에서 살펴본 것과 같이 본 발명을 통해 별도의 지지 또는 안내 기구 없이 스테이터의 코일에 의해 발생하는 2축 벡터력의 조합만으로 로터의 비접촉 회전 운동을 초정밀로 구현하는 것이 가능하다. 따라서 컴팩트한 시스템의 설계가 가능하며 또한 비접촉 방식에 따라 청정 환경 또는 작업에의 대응 역시 가능하다. 회전 운동에 결합되는 다른 5축 운동을 통해 기존 모터를 이용하여 정밀한 회전 운동을 구현하려 할 때 제한되는 회전 정밀도와 반경 방향으로의 피할 수 없는 베어링 공차 등에의 영향을 배제시켜 센서 정밀도가 허락하는 한 회전 운동 자체의 진원도 보정이 가능하게 된다. 결국 비접촉 회전을 통해 기존 기계식 베어링에 의해 제약되는 모터의 성능 한계를 극복할 단초를 얻는 것이 가능하다.

기존 자기 베어링에 의한 축 지지 또는 부분적인 셀프 베어링 모터에서 고려하지 않았던 축 방향으로의 비접촉 지지 기능까지 포함한 엄밀한 의미의 통합형 구동기인 본 발명은 반도체 공정 장비나 극소형 기계 등에의 폭넓은 적용이 가능할 것이며 회전 운동 정밀도 배가를 위해 복잡한 보정 지그를 필요로 했던 관련 산업에의 경쟁력 확보에도 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.

Claims (3)

1. 복수의 전자석으로 이루어진 횡자속 유도 모터와, 이를 원주 방향으로 등간격으로 배치하고, 이와 대면하는 전도체, 계철로 이루어진 이차측이 그 하부에 배치되고, 이러한 이차측이 유도 모터와 접촉없이 부상되어 회전하는 것을 특징으로 하는 비접촉 회전 스테이지 시스템
2. 제1항에 있어서,

   이차측이 부상됨과 동시에, 안정된 부상을 위한 나머지 5축 자기력을 이용하여 별도의 지그 없이 유도 모터에서 발생하는 자기력만으로 반경 방향으로 미세한 보정이 가능하고, 피치, 롤 조절 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 비접촉 회전 스테이지 시스템
3. 제1항에 있어서,

   이차측의 초정밀 회전량을 계측하기 위한 방법으로, 이차측 하면을 사면 가공하고, 이와 일정 간격을 두고 배치된 갭 센서를 이용하여 사면의 간극 변화를 측정하여 간접적으로 그리고 접촉없이 회전량 정보를 얻는 것을 특징으로 하는 비접촉 회전 스테이지 시스템

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