에어베어링 스테이지는 마찰이 없는 부드러운 모션으로 유명하다. 사용자는 약간의 정보와 기술만으로도 에어베어링 스테이지의 다양한 이익을 얻을 수 있다.
 

높은 정밀도가 필요한 실험과 측정 그리고 제조 작업은 마찰이 없고 부드러우며 유지 및 보수 필요성이 적은 모션컨트롤 시스템을 요구한다. 이를 달성하기 위해 업계에서는 모션 서브시스템을 채택하는 경향을 보이고 있다.

보다 나은 모션 서브시스템을 만들기 위한 선택 중 하나로 에어베어링을 가이드로 사용하는 리니어 또는 로터리 스테이지가 있다. 이들 장비를 직접구동 모터와 높은 분해능의 포지션 인코더 그리고 디지털 컨트롤러에 연결한다. 에어베어링은 고정 요소와 동작 요소 사이에서 압축공기를 이용한 얇은 막으로 부하를 받쳐준다.

에어베어링은 일반적으로 기체 정역학 베어링에 속한다고 볼 수 있다. 상대적인 동작보다는 압력 자체가 공기의 엷은 막을 생성하기 때문이다. 

에어베어링의 표면에는 일반적인 베어링과는 달리 기계적인 접촉이 없다. 때문에 윤활 작업을 할 필요가 없다. 베어링 표면은 마모가 없으며 분진을 만들지 않는다. 이런 특징 덕에 클린룸 응용사례에 적합하다. 필터링을 거친 맑은 공기를 공급하기만 한다면 베어링은 다년간 고장 없이 동작한다.
 

시스템은 극도로 작은 마찰을 자랑한다. 표면 사이 엷은 공기 막의 점성이 있는 전단가공에 의해서만 마찰이 발생한다. 대부분의 경우(5㎧ 이하의 표면속도) 마찰력은 0에 가깝다. 회전 이동거리는 제한이 없다. 반면 직선 이동거리는 구성품의 길이에 의해 제한을 받는다.
 

이동거리가 1m를 넘는 에어베어링 스테이지는 FPD 제작에 주로 쓰인다. 베어링 부하는 일반적으로 넓은 지역에 고루 분산되며 매우 높게(100㎏ 이상)만들 수 있다. 최대 하중은 베어링 크기에 비례한다. 

모든 기체 정역학 베어링 시스템은 동일한 구성요소를 갖고 있다. 하지만 세밀하게 살펴보면 그 성능에 차이가 있다. 구멍이나 홈 또는 다공성 패드 등이 제약요소로 작용할 가능성이 있다. 고압 공기가 틈을 통해 흘러 대기압으로 배출된다.

베어링의 부하 운반능력은 베어링 영역에 분산된 압력의 분배에 의해 결정된다. 베어링의 견고한 정도는 틈에 의해 나뉜 부하용량의 절반 정도로 추정한다. 일반적으로 틈이 작을수록 견고성이 늘어나고 공기 흐름을 감소시키기 때문에 작은 틈을 선호하는 경향이 많다. 하지만 제작 및 열팽창 허용오차가 틈 크기를 제한함을 유의해야 한다. 

전형적인 에어베어링 시스템의 견고성 수치는 수백 N/μm이다. 견고성 수치를 통해 스테이지 구축 자체에 사용되는 구성품의 견고성을 확보할 수 있다.
 

에어베어링의 견고성은 보다 긴 변위에 대해 비선형이며, 유효 견고성은 대개 예압과 함께 커진다. 예압을 확보하기 위한 방법으로는 중력·마주보는 패드(하나의 에어베어링 요소가 다른 에어베어링 요소를 반대방향으로 민다)·자기인력·진공 패드 등이 있다. 보통 개별적인 요소보다 전체 설계의 세부 항목과 각각의 예압 방법이 에어베어링 시스템의 전체적인 기하학적 성능을 결정한다. 

 

에어베어링은 대부분 완전한 전자기계 시스템으로 이루어진다. 에어베어링 스테이지 시스템은 베어링·구동 모터·위치센서·컨트롤 시스템 등을 포함한다. 에어베어링 스테이지 시스템에 주로 쓰이는 모터는 직접구동 모터다. 또 슬롯리스나 아이언리스 모터를 아이언 코어 모터보다 선호하는 경향을 보인다. 슬롯이 장착된 모터는 더 강력한 힘을 낼 수 있지만 코깅력은 에어베어링 견고함에 직접적으로 비례해 의도하지 않은 오류를 일으킬 수 있다. 
 

예전에는 볼나사와 함께 많은 리니어 에어베어링이 사용되었다. 볼나사와 운반대 사이에서 견고하지만 영향을 주지 않는 결합을 실현하기 위해 기술자들은 설계에 대한 노력을 이어왔다. 비접촉식 리니어 모터는 이러한 문제를 없애 일부 독특한 사례를 제외한 대부분의 응용분야에서 볼나사 구동을 대체했다.
 

에어베어링과 함께 쓰이는 위치센서로는 고 분해능·비접촉식 인코더가 있다. 고 분해능은 에어베어링 특유의 극도로 낮은 진동 감쇠 때문에 중요하다. 서보 동력학에 따르면, 서보 제어에서 진동 감쇠 현상은 피할 수 없는 현상이다. 이를 극복하기 위해서는 속도의 정확한 추정이 핵심 요소이다. 하지만 대체로 에어베어링 스테이지 시스템의 구동과 제어에 대한 요구사항은 여타 고 정밀 모션제어 시스템과 다르지 않다.

에어베어링의 장점

에어베어링 시스템이 가지고 있는 고유의 장점이 속속들이 알려지며 산업현장에 폭넓게 쓰이기 시작했다. 에어베어링 시스템의 기하학적인 움직임 오류는 보통 미크론 수준에 불과하다. 리니어 스테이지에서 기하학적 움직임은 직진도와 편평도 에러를 통해 나타난다. 로터리 스테이지에서는 반경과 축 에러 모션이라고 할 수 있다. 
 

여기서 주의해야 할 사항은, 오류가 보통 수십~수백 나노미터 단위에서 반복적으로 일어난다는 점이다. 또한 마찰 없는 가이드 또는 ‘베어링 럼블’ 부족은 매우 안정적인 속도의 모션을 실현한다.
 

에어베어링 스테이지는 분진이 없는 것이 장점이다. 에어베어링 스테이지의 경우 공기가 베어링 틈에서 나오는 구조를 가지고 있어 작은 분진을 베어링 틈에서 분출함으로써 자체적인 정화작용을 하게 된다(단, 이는 작은 분진에 한한다).

기계적인 접촉이 작다는 것은 스테이지가 마모되지 않음을 의미한다. 따라서 유지 및 보수가 필요하지 않다.

에어베어링의 한계

에어베어링 스테이지를 작동하기 위해서는 깨끗하고 건조한 공기가 필수적이다. 작은 틈과 원활한 흐름 경로는 미크론 미만 수준으로 걸러진다. 시스템 내에서 응축을 방지하기 위해서는 건조한 공기가 필요하다. 틈 내의 공기가 고압상태에서 대기압으로 흐를 때 팽창과 냉각현상이 일어난다. 이때 공기가 머금은 습기가 에어베어링 표면에 응축될 위험이 있다. 따라서 건조하고 깨끗하며 안정적인 공기 공급을 위해 종종 질소를 사용한다. 

설계자는 시스템이 공기공급 부족으로 인한 손상이 일어나지 않도록 주의해야 한다. 압력 스위치는 보통 컨트롤러에 명령을 보내어 스테이지 움직임을 멈추게 만든다. 일반적으로 부하 베어링 용량은 면적에 비례한다. 따라서 에어베어링 스테이지는 구름 베어링을 사용하는 스테이지보다 더 크다. 마지막으로 에어베어링 스테이지는 진공환경에 적절하지 않다는 사실을 염두에 두어야 한다.

  설치 정보

에어베어링 시스템의 장점을 십분 활용하기 위해서는 몇 가지 단계를 거치는 것이 좋다. 가장 중요한 것은 깨끗하고 건조한 공기를 지속적으로 공급하는 것이다. 에어베어링을 편평한 베이스에 장착하는 것도 중요하다. 에어베어링 틈은 미크론 단위로 측정하는데, 편평하지 않은 장착 면은 이 틈을 변형시키게 된다. 거친 표면은 기하학적인 오류를 유발하며, 최악의 경우 기계적인 접촉면을 손상시킬 수도 있다. 에어베어링은 화강암 베이스 위에 장착하는 것이 이상적이다. 화강암은 50㎜당 1μm의 권장 편평도로 적용하기에 용이하며, 시간이 경과해도 안정적인 상태를 유지한다.
 

스테이지 운반대에 액세서리를 장착할 때에도 동일한 허용오차를 적용한다. 장착하는 세 지점마다 운동역학이 잘 작동하도록 설계하는 것이 바람직하다.
 

케이블은 에어베어링 스테이지에서 방해를 일으키는 요인 중 하나다. 일반적으로 스테이지 제조업체는 모터 드라이버와 인코더 피드백용으로 유연성이 높은 케이블을 사용한다. 또한 설계 단계에서 고객을 위한 전도체를 별도로 포함하기도 한다.

마지막으로 에어베어링을 완전한 전자기계적인 모션제어 시스템의 일부로 인식하는 것이 중요하다. 즉, 에어베어링이 만능이 아니라는 것. 모터의 부드러운 움직임과 위치 피드백 정확성, 기계적인 설계와 케이블 관리 그리고 피드백 제어 알고리즘 등은 베어링 기술의 구체적인 세부항목에 못지않게 전체적인 시스템 성능에 중요한 요소다.