KR940001608B1 - Positioning drive comprising pre-stressed contactless bearings - Google Patents
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Abstract
내용 없음.No content.
Description
제1도는 위치 결정 장치의 제1실시예의 사시도.1 is a perspective view of a first embodiment of a positioning device.
제2도는 제1도에 도시된 위치 결정 장치의 측면도.2 is a side view of the positioning device shown in FIG.
제3도는 Z축에 관한 캐리어의 회전 후에 있어서의 제1도의 위치 결정 장치의 평면도.3 is a plan view of the positioning device of FIG. 1 after rotation of the carrier about the Z axis.
제4도는 위치 결정 장치의 제2실시예의 평면도.4 is a plan view of a second embodiment of a positioning device.
제5도는 위치 결정 장치의 제3실시예의 평면도.5 is a plan view of a third embodiment of a positioning device.
제6도는 제1도에 도시된 위치 결정 장치의 일부의 종단면도.6 is a longitudinal sectional view of a part of the positioning device shown in FIG.
제7도는 제1측면으로부터 제6도 위치 결정 장치의 일부의 평면도.7 is a plan view of a part of the sixth degree positioning device from the first side.
제8도는 제2측면으로부터 제6도 위치 결정 장치의 일부의 평면도.8 is a plan view of a part of the sixth degree positioning device from the second side.
제9도는 위치 결정 장치의 좌표 방향에 대한 트러스트 및 인장 베어링의 사시도.9 is a perspective view of the trust and tension bearing with respect to the coordinate direction of the positioning device.
제10도는 트러스트 및 인장 베어링의 작동 원리를 도시하는 그래프.10 is a graph showing the principle of operation of trust and tension bearings.
제11도는 제6도, 7도 및 8도의 척도보다 작은 척도로 그려진 캐리어의 저면 사시도.11 is a bottom perspective view of the carrier drawn on a scale smaller than the scales of FIGS. 6, 7 and 8;
제12도는 위치 결정 장치용의 병진 구동체의 종단면도.12 is a longitudinal sectional view of a translation drive for a positioning device.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 평 테이블 5 : 캐리어1: flat table 5: carrier
11, 13, 15 : 병진 구동체 21, 23, 25 : 직선 로드11, 13, 15:
27, 29, 31 : 지지다리 33, 35, 37 : 영구 자석27, 29, 31:
39, 41 : 자석 요크 49 : 판39, 41: magnet yoke 49: plate
77 : 자석 79, 83, 85 : 자석 요크77:
109 : 축 111, 113 : 압력 로울러109:
131 : 측정 장치131: measuring device
본 발명은 평테이블상에서 미끄럼 가능하게 지지되면서 두 직교 좌표 방향으로 변위할 수 있는 수평 판형 캐리어를 포함하고, 제1좌표 방향으로 캐리어에 압축력을 가하기 위해 캐리어에 연결된 제1병진 구동체와, 제1좌표 방향에 직각인 제2좌표 방향으로 캐리어에 압축력을 가하기 위해 캐리어에 연결된 제2병진 구동체를 구비하며, 제1 및 제2구동체에 의해 캐리어에 가해지는 힘이 한 수평면에서 작용 가능한 위치 결정 장치에 관한 것이다. 미합중국 특허 제3466514호에 기술된 바와같은 공지의 위치 결정 장치에서, 캐리어에 연결된 병진 구동체는 스크류 스핀들에 의해 구성되고, 그 반대쪽에는 스프링 부하 플런저가 배치되어 있다. 스크류 스핀들과 플런저의 운동 방향은 서로 일치한다. 비교적 고도의 마찰이 있는 압력 접촉은 한쪽상의 플런저와 다른쪽의 캐리어에 연결된 플런저 로드의 단부와 스크류 스핀들의 단부 사이에 존재한다. 이러한 마찰력은 특히 캐리어가 미크론 및 준미크론 범위(micron and submicron range)의 아주 작은 변위를 수행해야 한다면 그에 부수되는 히스테리시스에 기인하여 바람직하지 못하다.The present invention includes a horizontal plate carrier which is slidably supported on a flat table and which can be displaced in two orthogonal coordinate directions, the first translational drive being connected to the carrier for applying a compressive force to the carrier in a first coordinate direction, A second translational drive connected to the carrier for applying a compressive force to the carrier in a second coordinate direction perpendicular to the coordinate direction, the positioning being capable of acting on one horizontal plane by the force applied to the carrier by the first and second drives Relates to a device. In a known positioning device as described in US Pat. No. 3466514, the translational drive connected to the carrier is constituted by a screw spindle, on the opposite side of which a spring load plunger is arranged. The direction of motion of the screw spindle and plunger coincides with each other. A relatively high frictional pressure contact exists between the end of the screw spindle and the end of the plunger rod connected to the plunger on one side and the carrier on the other. This friction is undesirable due to the hysteresis accompanying it, especially if the carrier must perform very small displacements in the micron and submicron ranges.
본 발명은 상기의 단점을 극복하기 위한 위치 결정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a positioning device for overcoming the above disadvantages.
이러한 목적을 위해, 본 발명에서 제1구동체는 점성 매체를 통해 제1수평 작동 정적 트러스트 및 인장 베어링에 의해 무접촉 방식으로서 캐리어에 연결되고, 제2구동체는 점성 매체를 통해 제2수평 작동 트러스트 및 인장 베어링에 의해 무접촉 방식으로서 캐리어에 연결되며, 상기 제1 및 제2 트러스트 및 인장 베어링은 한쪽에서의 제1 및 제2구동체와 다른쪽에서의 캐리어간에서 생기는 최대 인장력보다 더 큰 힘으로 제1 및 제2좌표 방향으로 예비 응력을 받는 것을 특징으로 한다.For this purpose, in the present invention, the first drive is connected to the carrier in a contactless manner by means of a first horizontal actuating static thrust and a tension bearing via a viscous medium, and the second drive is second horizontal actuated through the viscous medium. Connected to the carrier in a contactless manner by means of thrust and tension bearings, the first and second thrust and tension bearings having a greater force than the maximum tensile force between the first and second drives on one side and the carrier on the other It characterized in that the pre-stress in the first and second coordinate direction.
구동체와 캐리어 사이에서의 연결 수단으로서 예비 응력이 가해진 무접촉 베어링의 사용으로 구동체와 캐리어 사이의 모든 마찰량은 거의 제거되고(단지 매우 작은 점성 마찰만이 남는다) 따라서 히스테리시스 문제는 회피된다. 무접촉 베어링의 예비 응력 상태는 구동체로 캐리어에 인장력을 가할 수 있게 하고 따라서 사실상 트러스트 및 인장 베어링이 형성된다. 베어링은 안내 및 연결로서의 역할 때문에 이중의 기능을 가진다.The use of pre-stressed contactless bearings as a connecting means between the drive and the carrier eliminates almost all the amount of friction between the drive and the carrier (only very small viscous friction remains) and thus the hysteresis problem is avoided. The pre-stress state of the contactless bearings allows the carrier to exert a tensile force on the carrier and thus, in effect, thrust and tension bearings are formed. Bearings have a dual function because of their role as guides and connections.
영국 특허출원 제2067932호에는 스프링에 의해 예비 응력을 받을 수 있는 수직 작동 공기 정압 트러스트 베어링을 포함하는 위치 결정 장치가 기술되어 있다. 그러나, 이러한 트러스트 베어링은 테이블상에서 캐리어의 수평 안내를 위한 역할을 한다. 스핀들 구동체의 캐리어에의 연결은 피봇에 의해 이루어진다.British patent application 2060332 describes a positioning device comprising a vertical actuating air static pressure thrust bearing that can be prestressed by a spring. However, these thrust bearings serve for horizontal guidance of the carrier on the table. The connection of the spindle drive to the carrier is by pivot.
캐리어가 두 좌표 방향에서의 병진 운동외에 수직축 둘레의 회전도 수행할 수 있는 본 발명 위치 결정 장치의 특수한 실시예에서, 제2좌표 방향에 평행한 방향으로 캐리어에 압축력 및 인장력을 가하기 위해 캐리어에 연결된 제3병진 구동체가 구비되고, 제1, 제2 및 제3구동체 각각은 캐리어에 대한 수직축 둘레로 피봇할 수 있는 것이 특징이다.In a particular embodiment of the positioning device of the present invention in which the carrier can also perform rotation about a vertical axis in addition to translational movement in two coordinate directions, connected to the carrier for applying compressive and tensile forces to the carrier in a direction parallel to the second coordinate direction. A third translational drive is provided, wherein each of the first, second and third drives can pivot about a vertical axis with respect to the carrier.
세개의 베어링의 예비 응력이 구조적으로 간단하게 얻어지게 되어 있는 위치 결정 장치의 또다른 실시예에서, 제1, 제2 및 제3베어링은 영구자석에 의해 예비 응력을 받는 것이 특징으로 되어 있다.In another embodiment of the positioning device, in which the pre-stress of the three bearings is to be obtained structurally simply, the first, second and third bearings are characterized by being prestressed by the permanent magnet.
부하 변동이 베어링 능력의 비교적 작은 변동을 유도하는 위치 결정 장치의 양호한 실시예에서, 영구자석에 해당하는 자석 요크의 일부는 자기포화의 상태에 있는 것이 특징으로 되어 있다.In a preferred embodiment of the positioning device in which the load fluctuations lead to relatively small fluctuations in the bearing capacity, a part of the magnet yoke corresponding to the permanent magnet is characterized by being in a state of magnetic saturation.
조정실에서 사용하기 적합한 위치 결정 장치의 또다른 실시예에서, 점성 매체는 공기인 것이 특징이다.In another embodiment of the positioning device suitable for use in the control room, the viscous medium is characterized by air.
영구자석의 비교적 간단한 배열을 가진 위치 결정 장치의 또다른 실시예에서, 제2 및 제3베어링은 캐리어에 배치된 양 베어링에 공통으로 작용하는 다수의 영구자석에 의해 예비 응력을 받는 것이 특징이다.In another embodiment of the positioning device with a relatively simple arrangement of permanent magnets, the second and third bearings are characterized by being prestressed by a plurality of permanent magnets which act in common to both bearings arranged in the carrier.
캐리어가 수직축 둘레의 회전에 대해 비교적 높은 정도의 강도를 가지는 위치 결정 장치의 또다른 실시예에서, 제2 및 제3베어링은 수직축 둘레로 제2 및 제3구동체에 대해 피봇할 수 있는 비임형 안내부에 의해 서로 연결되고, 제1구동체는 캐리어에 대해 수직축 둘레로 피봇할 수 잇는 것이 특징으로 되어 있다.In another embodiment of the positioning device, in which the carrier has a relatively high degree of strength with respect to rotation about the vertical axis, the second and third bearings are beam type capable of pivoting about the second and third drives around the vertical axis. It is characterized by being connected to each other by a guide, the first drive being pivotable about a vertical axis with respect to the carrier.
본 발명을 도면을 참고로 하여 보다 상세히 기술한다.The present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
제1도에 도시한 위치 결정 장치의 제1실시예는 직사각형 평행판 형태의 고정 배치된 평테이블(1)을 포함하고, 그 측면은 수평면에 위치한다. 직사각형 판형 캐리어(5)는 4개(다수)의 수직 작동 공기 정압 트러스트 베어링(7)에 의해 테이블(1)의 상면(3)상에서 미끄럼 가능하게 지지되고, 상기 베어링은 캐리어(5)의 코너 근테에 배치된다, 캐리어(5)상에는 위치될 물체(9)가 배치되고, 상기 물체는 판형으로서 예를 들어 진공 흡입 수단에 의해 캐리어상에서 고정될 수 있다. 예를 들어, 물체(9)는 반도체 기술에서 사용되는 반도체 재료의 웨이퍼가 될 수 있다. 캐리어(5)는 소위 선형인 병진 구동체(11)에 의해 1차 좌표 방향 X로 변위될 수 있고, 반면에 유사한 병진 구동체(13)에 의해 2차 좌표 방향 Y로 변위될 수 있다. 동시에 구동체(11, 13)와 유사한 제3병진 구동체(15)는 Z축 둘레로 각도 Ψz로 캐리어(5)를 회전시키는 역할을 하며, 이를 제1도에서 좌표계에 의해 도시되어 있다. X-Y 평면은 수평면이고, 이 위에서 물체(9)의 상면이 놓여져야 한다. X 및 Y 방향의 병진 운동과 Z축 둘레의 회전은 예를들어 구동체(11, 13, 15)의 컴퓨터 제어에 의해 독립적으로 또는 동시에 이루어질 수 있다. 이러한 구동체는 제12도에서 보다 상세히 기술될 것이다. 본원의 경우, 물체(9)의 상면상에 있는 작업점 P는 웨이퍼(9)상의 감광층을 노출시키기 위한 광학 장치(19)(제2도 참조)의 수직 광학축(17)과 일치하여야 한다. 이를 위해 X 및 Y 방향에서의 병진 운동과 Z축 둘레의 회전 Ψz은 미합중국 특허 제3466514호에 기술된 방법에 의해 결정될 수 있다.The first embodiment of the positioning device shown in FIG. 1 includes a fixedly arranged flat table 1 in the form of a rectangular parallel plate, the side of which is located in a horizontal plane. The rectangular plate-
구동체(11, 13, 15)는 직선 로드(21, 23, 25)를 가지며 상기 로드는 X 방향, Y 방향 및 Y' 방향으로 각각 병진을 수행할 수 있고, Y5" 향은 Y 방향에 평행하면서 X-Y 평면에 놓인다. 회전 Ψz은 구동체(15)에 의해 주어진 기간내에 로드(23, 25)를 다른 길이로 변위시킴으로써 얻어질 수 있다. 로드(21, 23, 25)는 제6도에서 보다 상세히 기술될 피봇에 의해서 상기 로드에 고정되는 지지다리(27, 29, 31; supporting feet)를 각각 갖고 있다. 지지다리(27)는 X 방향으로 압축력 및 인장력을 각각 가하는 트러스트 및 인장 베어링의 일부분을 수용한다. 지지다리(29, 31)에는 역시 Y 방향 및 Y' 방향으로 압축력 및 인장력을 각각 가하는 트러스트 및 인장 베어링의 일부분이 각각 구비된다. 지지다리(27, 29, 31)에 해당되는 트러스트 및 인장 베어링은 각각 동일하고 제6도, 7도, 8도 및 10도에서 기술될 것이다. 지지다리(27)에는(역시 지지다리(29, 31)에서도) 직사각형의 3개의 판형 영구자석(33, 35, 37)이 배치되고 이것은 양호한 자기 전도 재료로 된 2개의 직사각형 판형 자석 요크(39, 41)에 의해 서로 분리되어 있다. 영구자석 및 자석 요크의 조립체는 예를 들어 알루미늄과 같이 자기 전도가 좋지 않은 재료로 된 상자형 홀더(43)에 위치하고, 자기 전도가 양호한 재료로 된 또 다른 2개의 직사각형 판형 자석 요크(45, 47)에 의해 분리된다. 본원의 경우, 영구자석은 사마륨-코발트 자석이고, 모든 자석 요크는 연강으로 되어 있다. 영구자석(33, 35, 37) 반대쪽에는 예를 들어 크롬강과 같은 양호한 자기 전도 재료의 판(49)이 캐리어(5)내에 배치된다. 판(49)은 트러스트 및 인장 베어링의 제2부분을 각각 형성한다. 자석(33, 35, 37)은 Z 방향으로 자화된다. 홀더(43)는 알루미늄으로 된 직사각형 블록(51)에 고정된다. 블록(51) 상에는 원형판(53)이 설치되고, 이것은 한 조각의 강으로 된 비교적 짧은 둥근 와이어(55)와 원통형 블록(57)과 함께 제조된다. 로드(21)에는 블록(57)에 나사 체결되는 스크류(61)를 수용하는 플랜지(59)가 구비된다.The
플랜지(59)는 판(53)에 나사 체결되는 두꺼운 원형 가장자기(67)가 구비된 환형 다이어프램(65)으로 형성된 원통형 슬리브(63)에 고정된다. 슬리브(63), 다이어프램(65) 및 가장자기(67)는 강으로 일체로 제조된다. 다이어프램(65)은 와이어(55)와 함께 피봇을 형성하고, 이에 의해 지지다리(27)는 플랜지(59)에 대해 수직면(제6도의 평면)과 수평면(제6도 평면에 직각)으로 기울어질 수 있다. 이와같이 지지다리(27)와 플랜지(59) 사이의 연결(coupling)은 비틀림에 대해 강하며, 이것은 X축에 대해 지지다리(27)의 회전에 큰 저항이 제공된다는 것을 의미한다. 블록(51)에는 지지다리(27)와 판(49) 및 캐리어(5) 사이의 공기 갭에 공기 공급을 위한 압출 공기원(도시되지 않음)에 연결된 도관(69)이 구비된다. 이 목적을 위해서, 도관(69)은 2개의 측방 도관(71, 73)에 연결되고 상기 측방도관은 자석 조립체의 양쪽에 위치된다(제9도). 제2도는 지지다리(27)와, 지지다리(27)의 로드(21)의 연결을 개략적으로 도시하고 있다(단지 한 자석만 도시되어 있음). 따라서, 공기 베어링 및 자기 예비 응력의 영역은 서로 분리된다. 지지다리(27, 29, 31)는 해당 판(49)과 관련 공기 갭과 함께 트러스트 및 인장 베어링을 각각 이루고, 이것은 로드(21, 23, 25)로부터 캐리어(5)로 압출력 및 인장력을 전달할 수 있다. 통상 점성 무접촉 베어링은 단지 압축력만 전달할 수 있다. 그러나 본원의 공기 정력학 베어링은 인장력 역시 전달될 수 있다. 이것은 베어링이 영구자석(33, 35, 37)에 의해 자기적으로 미리 응력이 가해진다는 사실에 기인한다. 자기 예비 인장력은 캐리어(5)상에 로드(21)에 의해 가해지는 최대 인장력보다 커야한다.The
로드(21)에서의 인장력은 각 로드(23, 25)에서의 인장력의 2배이다. 최대 인장력은 캐리어(5)의 병진 및 회전 운동을 위해 각각 요구되는 가속 및 감속력에 의해 주로 결정된다. 캐리어(5) 및 물체(9)의 가능한 최소한의 질량을 목표로 한다. 최적 특성을 가지는 베어링을 얻기 위하여 특히 최적 강성을 가지는 베어링을 얻기 위하여 베어링의 로드의 변화에 따라 공기 갭의 크기의 가능한 최소한의 변동이 일어나도록 자기 예비응력을 선택하는 것이 바람직하다. 베어링의 최적화는 제10도에서 기술되며, 여기서 공기 갭의 크기 Ha는 횡축에 베어링 능력 W 및 베어링의 자기 인력 F는 종축에 표시한다.The tensile force at the
제10도에서, 곡선Ⅰ는 베어링의 능력을 나타낸다. 작업점 R은 곡선Ⅰ의 영역 중간에 위치한다고 가정하고, 이것은 적정치인 거의 일정한 강도로 특징지워지고 베어링 능력치 W1및 W2사이에 위치한다. 작업점 R과 관련된 베어링 능력은 WR이다. 그와 같은 특징을 가지는 공기 베어링이 통상적이다. 작업점 R에서 작동되어야 한다면 공기 베어링에 WR과 같은 힘으로 부하하는 것이 필요하다. 본원의 경우, 이러한 부하는 자기 예비 인장력 FV=WR에 의해 얻어지고, 이것은 로드(21)에서의 최대로 생기는 인장력 및 압출력보다 역시 크다. 따라서, 베어링의 최대 부하는 자기 예비 인장력 FV와 최대 압축력과의 합이고, 반면 베어링의 최소 부하는 예비 인장력 FV에서 최대 인장력을 뺀 것이다. 양호하게는 최대 부하는 W2보다 작게 선택되고 최소 부하는 W1보다 크게 선택된다. 점 R에 해당하는 자기 예비 인장력을 얻기 위하여 자기 인력 F의 곡선 Ⅱ(곡선 Ⅱ의 직선 부분만이 도시되어 있음)가 점 R과 일치하는 베어링 능력 W의 곡선Ⅰ과의 교차점을 가질 것이 필요하다. 일반적으로 자기 예비 인장력 FV는 공기 갭 Ha max-Ha min(Hm>Ha max)의 영역 외측에 위치하는 자기 갭 Hm에 해당하기 때문에, 곡선Ⅰ 및 Ⅱ의 교차점이 작업점으로 선택되는 점 R과 일치하도록 특수한 단계가 취해져야 한다. 이러한 단계는 공기 갭 Ha에 S양만큼 부과한 자기 갭 Hm이 사용되는데 있다. 제10도에 상세히 도시된 바와같이, 이것은 지지다리(27)에서의 공기 갭으로부터 거리 S로 자석(33, 35, 37)을 배치하거나 또는 자기적으로 공가와 같이 작동하는 층(75)을 가진 캐리어(5)의 관련면을 제공함으로써 달성된다. 이때 층(75)은 자기 전도판(49)을 덮고 있다.In Figure 10, curve I represents the bearing's capacity. Assume that work point R is located in the middle of the region of curve I, which is an almost constant intensity And is located between the bearing capabilities W 1 and W 2 . The bearing capacity associated with work point R is W R. Air bearings with such features are common. If it is to be operated at work point R, it is necessary to load the air bearing with the same force as WR. In the case of the present application, this load is obtained by the magnetic pre-tension force F V = W R , which is also greater than the maximum occurring tensile and extrusion forces in the
본원에 있어서, 자석(33, 35, 37)은 공기 갭으로부터 거리 S만큼 떨어진 상태로 지지다리(27, 29, 31)에서 배치된다. 제10도에 도시된 자석 배치의 상세도에서 이것은 점선으로 도시되어 있다. 캐리어(5)는 이후 상세히 기술되겠지만 특수층(87)에 의해 수직 방향 Z로 테이블(1)상에서 지지된다. 매우 정확한 변위가 수행되도록 배치함에 따라, 공기 갭(Ha max-Ha min)의 비교적 큰 영역에서의 공기 베어링의 비교적 큰 강도를 목표로 하므로 부하 변동은 공기 갭의 크기와 그리고 변위될 물체의 위치에 가능한한 최소의 영향을 미친다.In the present application, the
제10도에서, 자기 인력 F와 자기 갭 Hm 사이의 직선 관계가 존재하는 자기 갭의 영역에서 작동됨을 볼 수 있다. 따라서 사용되는 곡선Ⅱ의 부분은 사실상 직선이다, 이것은 대략 공기 갭이 충분히 크고 게다가 자석 요크(39, 41, 45, 47)의 자기 포화의 값이 비교적 높을 경우이다. 그러나, 자석 요크(39, 41, 45, 47)가 영역 Ha max-Ha min에서 자기적으로 포화되도록 비교적 낮은 자기 포화치를 가지는 자기 요크(39, 41, 45, 47)용의 재료(예를들어 연강)를 선택하는 것이 바람직하다. 자석 요크(39, 41, 45, 47)에서의 자기 포화 발생의 효과는 제10도에서의 곡선Ⅲ을 참고로 설명하겠다.In FIG. 10, it can be seen that the linear relationship between the magnetic attraction force F and the magnetic gap Hm operates in the region of the magnetic gap in which it exists. Thus, the part of curve II used is in fact a straight line, which is roughly the case when the air gap is large enough and the value of the magnetic saturation of the magnet yokes 39, 41, 45, 47 is relatively high. However, materials for
베어링 부하가 변동 ΔWα을 받는다고 가정하면 공기 갭 Ha 및 자기 갭 Mm은 ΔHa로 변한다. 상기 량 ΔHa에 해당하는 자기 인력 F에서의 변동은 곡선 ⅡΔFⅡ의 경우와 곡선 Ⅲ, ΔFⅢ의 경우이다. 공기 갭의 관련 영역에서 곡선 Ⅲ의 보다 평평한 경사에 기인하여 ΔⅡ가 ΔFⅢ보다 더 크다는 것은 명백하다. 값 ΔFⅡ와 ΔFⅢ의 자기 인력 F의 변동에 기인하여, 부하 W도 역시 ΔWamⅡ와 ΔWamⅢ'로 변한다. 곡선 Ⅱ의 경우 ΔWamⅡ이 ΔWamⅢ'보다 더 크기 때문에 한계치 W2는 ΔWa를 넘는 부하 변동으로 곡선 Ⅲ의 경우보다 일찍 도달될 것이다. 이것은 최적 베어링 강도(W2-W1)의 영역이 포화되는 자석 요크보다 포화되지 않는 자석 요크에서 좀 더 일찍 남게 된다는 것이다. 곡선 Ⅲ에서 도시된 바와 같이 변동을 내는 자석 형상을 선택하는 것이 양호하다. 작업점 R 좌측의 곡선 Ⅲ이 FV=WR을 통해 수평선에 해당하는 선에 접근하면 이상적인 경우가 발생한다. 이때 이 선은 곡선 Ⅲ의 점근선을 형성한다.Assuming that the bearing load undergoes the variation ΔWα, the air gap Ha and the magnetic gap Mm change to ΔHa. The variation in the magnetic attraction force F corresponding to the amount ΔHa is the case of curves IIΔF II and the cases of curves III, ΔF III . It is evident that Δ II is greater than ΔF III due to the flatter slope of curve III in the relevant region of the air gap. Due to the variation of the magnetic attraction forces F of the values ΔF II and ΔF III , the load W also changes to ΔW amII and ΔW amIII ′ . Since curve ΔW amII is greater than ΔW amIII ′ for curve II, the threshold W 2 will be reached earlier than for curve III with load variations exceeding ΔWa. This means that the region of optimum bearing strength W 2 -W 1 remains earlier in the unsaturated magnet yoke than in the saturated magnet yoke. It is preferable to select a magnet shape that fluctuates as shown in curve III. An ideal case occurs when curve III on the left of work point R approaches the line corresponding to the horizontal line via F V = W R. This line then forms the asymptote of curve III.
직사각형 캐리어(5)의 경우, 트러스트 베어링(7)은 제1도에 도시된 바와 같이 캐리어의 코너 근처에 배치될 수 있거나, 또는 제2도, 6도, 7도, 8도 및 11도에 도시된 바와 같이 캐리어의 측면 중앙 근처에 배치될 수 있다. Z 방향으로 캐리어(5)를 지지하기 위한 트러스트 베어링(7)은 구조를 간단히 하기 위해 제2도, 6도, 7도, 8도 및 11도에 도시된 바와 같이 양호하게 배치된다. 4개의 각 트러스트 베어링(7)은 연강과 같은 양호한 자기 전도 재료로 된 8개의 자석 요크(79)에 의해 서로 분리된 9개의 사마륨-코발트 영구자석(77)의 조립체로 이루어진다. 9개의 자석(77)의 조립체는 연강의 2개의 자석 요크(83, 85)에 의해 알루미늄과 같은 불량한 자기 전도 재료의 상자형 홀더(81)로부터 분리되어 있다. 자석(77)과 자석 요크(79, 83, 85)는 판형으로서 직사각형이다. X 방향에 평행하게 연장하는 2개의 자석(77) 조립체의 자화 방향은 X 방향에 평행하고, Y 방향에 평행하게 연장하는 2개의 자석(77) 조립체의 자화 방향은 Y 방향에 평행하다(제7도, 8도 및 11). 그러나, 이러한 자화 방향은 제2도에 도시된 바와 같이 즉 전술한 방향에 대해 90°회전된 방향이 될 수 있다. 예를 들어 연강과 같은 약자성 재료로 된 테이블(1)의 상면은 복제층(87)으로 덮여 있다. 이러한 복제층(87)은 자기적으로 공기와 같이 행동하는 산화 알루미늄과 같은 충전제를 가진 에폭시 수지로 이루어진다(제6도 및 제10도의 상세히 도시됨). 복제층(87)에 의해 자기 공기 갭은 S양만큼 효과적으로 크게 되고 따라서 Hm=Ha+S로 된다. 전술한 바와 같이, 자기 인력 F의 곡선은 작업점 R에서 베어링 능력 W의 곡선과의 교차점을 가진다. 게다가, 복제층(87)은 연강의 캐리어(5)를 부식으로부터 보호한다. 매우 평평한 마스터 플레이트에 의해 복제층(87)은 경화중에 평평해질 수 있다. 이것은 테이블(1)의 상면이 매우 평평할 필요는 없다는 것을 의미한다. 섬세한 평평도는 많은 캐리어의 경우 하나의 마스터 플레이트에 의해 간단하면서 시간 절약 방식으로 얻어진다. 요약하면 이것은 복제층(87)이 3가지 기능을 가짐을 뜻한다. 테이블(1)이 낮은 전류 자기를 가지는 약자성 재료로 만들어진다는 사실에 기인하여, 테이블면에서 자석(77)에 의해 유도되는 잔류 전기를 가지는 영역에 의한 캐리어(5)의 운동중 작은 충격의 위험은 최소로 감소된다. 캐리어(5)에는 압축 공기원(도시되지 않음)에 연결된 원주 공기 도관(89)이 구비된다. 공기 도관(89)은 다수의 측방도관(91)을 가지며, 상기 측방도관은 캐리어의 원주상에 균일하게 분포되고(제6도, 7도 및 8도) 캐리어(5) 및 테이블(1) 사이의 공기 갭으로 개방된다. 그 결과 캐리어(5)의 대부분의 원주상에서 공기 베어링이 얻어진다. 자석(77)의 영역에서는 측방 도관(91)이 존재하지 않음으로써, 공기 베어링과 자기 예비응력의 영역은 서로 분리된다.In the case of the
공기 베어링(7)은 베어링의 Z 방향에서의 최대 부하보다 상당히 큰 힘 FV로 자기적으로 예비 응력을 받는다. 양호하게는 FV는 베어링의 작업점이 제10도의 점 R에서 다시 위치되게끔 선택된다. 따라서 이 경우 자기 예비 인장력은 인장력을 흡수하는 경우에 필요하지 않다. 캐리어의 구조는 가능한한 가볍게 선택되어야 하고, 그 결과 캐리어(5)와 물체(9)의 하중에 의해 이루어지는 Z 방향에서의 전체 부하는 단지 자기 인장력 FV의 일부이다. 베어링(9)의 부하에서의 변동을 위해 Ha 및 Hm 변동에 대해 제10도에서 이미 표시된 바와 같이 동일하게 고려된다. 그 기준은 부하의 변동에서 Ha 및 Hm의 변동은 가능한 작아야만 한다는 것이다. 이 경우 자석 형상은 자기 포화가 생기도록 선택되는 것이 양호하다는 점을 알 수 있다. 이 목적을 위해 자석 요크(79, 83, 85)의 재료는 상당히 저 포화치를 가져야 한다.The
제2도에 도시된 변위 배치의 제2실시예에서는 단지 2개의 좌표방향 X 및 Y만이 있고, 제3좌표 방향 Y'에서의 구동체는 이 경우 생략되어 있다. 게다가, 로드(23)는 점(93)에서 지지다리(29)에 강하게 연결된다. 그러나, 로드(21)는 제1도, 2도, 3도 및 6도에 도시된 변위 배치와 같은 방식으로 지지다리(24)에 피봇적으로 연결된다. 그 결과, 테이블(1)에 대해 캐리어(5)의 정렬이 필요하다면 작은 각도 조정량 α가 얻어질 수 있다. Y 방향에서의 로드(23)의 작은 변위는 그와 같은 각도 조정량 α를 얻을 수 있게 한다. 이러한 각도 조정은 사실 예비조정 또는 교정으로서 물체를 작업점 P로 오게하는 변위보다 선행한다. 또 지지다리(27, 29)에는 영구자석, 자석 요크 및 공기 공급도관이 구비되고, 반면 캐리어(5)에는 제1도에 도시된 위치결정 장치에서 기술된 바와 같이 자기 전도판이 구비된다. 제4도에 도시된 위치 결정 장치는 수직 Z축에 관한 회전 Ψz가 물체를 위치시키는데 필요하지 않다는 범주에 속한다.In the second embodiment of the displacement arrangement shown in FIG. 2 there are only two coordinate directions X and Y, and the drive body in the third coordinate direction Y 'is omitted in this case. In addition, the
제5도에 도시된 위치 결정 장치의 제3실시예는 수직 Z축 둘레의 회전 Ψz가 가능하다는 범주에 속한다. 이 경우에, 회전 Ψz은 로드(23, 25)에 의하여 얻어진다. 지지다리(27)는 제1위치 결정 장치의 것과 동일 형태이고, 반면 지지다리(29, 31)는 생략되어 있다. 로드(23, 25)는 비임형 안내부(95)에 피봇적으로 연결되고, 상기 안내부는 로드 사이의 거리보다 길고 예를들어 연강과 같은 자기 전도 재료로 만들어진다. 로드(23)와 안내부(95)간의 연결은 로드(21)와 지지다리(27)간의 연결과 동일 형태이고, 반면 로드(25)와 안내부(95)간의 연결은 단지 일정한 길이의 와이어(55)만 포함하므로 안내부(95)는 로드(23, 25)에 대해 피봇할 수 있다. 캐리어(5)는 영구자석(77)의 두 조립체를 수용한다. 자석 형상은 제1도에 도시된 위치 결정 장치에서 기술된 것과 동일 형태이다. 공기 갭 Ha'보다 큰 자기 갭 Hm을 얻기 위하여 자석(77)은 그 단부면이 공기 갭으로부터 거리 S만큼 떨어진 상태로 위치되도록 배치된다. 다른 방법으로서, 두께 S를 갖는 상기 복제층이 사용될 수 있다. 이때 이러한 층은 자석에 직면하는 안내부(95)의 측면에 제공된다. 캐리어(5)상에는 예를들어 원형 반도체 기판과 같은 물체(9)가 배치되고, 반면 중심 P'는 작업점 P와 일치하여야 한다. 제5도에 도시된 위치 결정 장치의 이점은 수직 Z축 둘레의 캐리어(5)의 회전에 대해 비교적 강하다는 점이다. 게다가, 이러한 배치에 있어서 캐리어(5)의 비교적 작은 질량으로 X 방향에 평행한 비교적 큰 변위를 수행하는 것이 가능하다.The third embodiment of the positioning device shown in FIG. 5 belongs to the category that rotation Ψ z around the vertical Z axis is possible. In this case, the rotation Ψ z is obtained by the
상술된 모든 위치 결정 장치에 있어서, 제12도에 참고로 이후에 기술될 구동체(11, 13, 15)가 사용된다. 제12도에 도시된 병진 구동체는 직류 모터(97)를 포함하고, 상기 모터는 가요성 커플링(99) 및 일련의 마찰 휘일(101, 103, 105, 107)를 통해 축(109)을 구동시킨다. 로드(21, 23, 25)는 같은 평면상에 길이방향 연장하는 두 평면(115, 117)을 각각 갖고 있고 일정한 거리로 떨어져 있는 2쌍의 자유 회전 압력 로울러(111, 113)에 의해 로드(21, 23, 25)는 평면(115, 117)으로 관련 구동축(109)에 눌려진다. 압력 로울러(111, 113)는 수직면에 대해 경사져 있고 스프링(도시되지 않음)에 의해 제공되어 압축력(121)에 의해 작동되는 블록(119)에서 저널된다. 축(109)과 로드(21, 23, 25)의 평면(115, 117)과의 구름 마찰은 X, Y 및 Y' 방향으로 상기 로드의 병진 운동을 좋게 한다. 로드(21, 23, 25)는 각각 X, Y 및 Y' 방향으로 연장하는 스트립형 측정 스케일(123)을 가지며, 이것은 거울(127) 및 렌즈(129)에 의해 투사되는 광 비임(125)을 비교적 강하거나 비교적 약한 반사율로 교대시키는 교대 영역을 갖고 있다. 반사된 광 비임은 측정 장치(131)에 배치된 광 검출기에 의해 검출된다. 이와 같이 얻어진 측정 신호는 전기 서보 루프에서 처리되어 전기 모터(97)로 피이드 백 된다. 앞에서 대충 언급된 광학 측정 장치는 통상적인 것이므로 상세한 설명은 생략한다. 측정방향은 X, Y 및 Y' 방향과 각각 일치하며, 그 결과 소위 아베 에러(Abbe error) 또는 경사 에러가 회피된다.In all the above-described positioning devices, the
상술된 모든 위치 결정 장치에서 수직 작동 트러스트 베어링(7)용으로서 가스 베어링의 공기가 사용된다. 그러나, 달리 트러스트 베어링(7)에서 점성 매체로서 액체가 사용될 수도 있다. 그러한 경우 유출 액체가 만족스럽게 모여지는 것이 필요하다. 비록 수평 작동 트러스트-인장 베어링용의 점성 매체로서 액체가 필수적으로 사용될 수 있지만, 액체에 요하는 비교적 복잡한 수집 수단 때문에 가스가 양호하게 사용된다. 수직 트러스트 베어링 역시 정확한 롤러 또는 보올 베어링으로 대체될 수 있고, 미끄럼 베어링도 역시 가능하다. 점성 무접촉 베어링의 예비 인장은 수직 작동 트러스트 베어링용으로서 중량, 진공, 스프링 또는 전자기에 의해 얻어질 수 있고, 수평 작동 트러스트-인장 베어링용으로서 진공, 스프링 또는 전자기에 의해 얻어질 수 있다. 전자기 예비인장의 경우 영구자석은 공기 갭의 크기를 측정하는 감지기에 의해 제어될 수 있는 여자를 가진 전자석으로 대체된다. 이때 자기 인력은 공기 베어링 또는 액체 베어링의 부하에서의 변동이 채택된 여자에 의해 완전히 보상되도록 제어될 수 있다. 자기 인력 F의 변동은 제10도에서 일점 쇄선 1V로 표시되어 있다. 압력원으로부터 발생되는 점성 매체를 사용하지 않는 통상의 전자기 베어링은 본 발명의 범위내에 들어가지 않는다. 그와 같은 전자기 베어링은 동적 형태이고, 반면 본 발명에 의하면 외부 압력원이 구비된 정적 형태의 점성 베어링이 사용된다.In all the above-mentioned positioning devices, air of the gas bearing is used for the vertical
영구 자석의 조립체 대신에, 본 발명에 따르면 각 로드(21, 23, 25)용으로 단일 영구자석이 사용될 수 있다. 필수적으로, 캐리어의 수직 지지를 위해 단일 자석을 사용하는 것도 가능하다. 캐리어(5)의 경사에 대해 요구되는 강도는 여러개의 자석 또는 자석의 여러 조립체에 의해 보다 용이하게 얻어질 수 있다. 비록 본 발명은 마찰 커플링을 구비한 병진 구동체 또는 선형 구동체에 대해 기술했지만 다른 공지의 선형 구동체도 사용될 수 있다. 이와 같은 선형 구동체는 예를들어 스크류 및 너트 구동체 또는 롤러나 보올에 의해 안내되는 축을 구비한 구동체일 수 있다. 필수적으로, 캐리어(5)의 한쪽으로부터의 힘의 작용에 의해 어느 왕복 방향에서의 왕복 병진 운동이 캐리어(5)에 부여되게 하는 구동체가 사용될 수 있다. 상기 외부 압력원을 구비한 정적 점성 베어링은 제각기 압력원과 가스 및 액체 갭간에 사용되는 제한에 대해 다른 형태로 될 수 있다. 특히, 다이어프램 보상 점성 베어링의 사용 가능성을 언급한다. 본래 잘 알려진 그와 같은 베어링으로 고도의 강도가 얻어질 수 있다.Instead of an assembly of permanent magnets, a single permanent magnet can be used according to the invention for each
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1019860003361A KR940001608B1 (en) | 1986-04-30 | 1986-04-30 | Positioning drive comprising pre-stressed contactless bearings |
Applications Claiming Priority (2)
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KR1019860003361A KR940001608B1 (en) | 1986-04-30 | 1986-04-30 | Positioning drive comprising pre-stressed contactless bearings |
NL3361 | 1986-04-30 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR870010678A KR870010678A (en) | 1987-11-30 |
KR940001608B1 true KR940001608B1 (en) | 1994-02-25 |
Family
ID=19249715
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1019860003361A KR940001608B1 (en) | 1986-04-30 | 1986-04-30 | Positioning drive comprising pre-stressed contactless bearings |
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Country | Link |
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KR (1) | KR940001608B1 (en) |
-
1986
- 1986-04-30 KR KR1019860003361A patent/KR940001608B1/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR870010678A (en) | 1987-11-30 |
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