KR100258887B1 - Fine motion control unit - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A fine motion control unit is provided to compensate the damping of an elastic hinge to stabilize the motion control by differentiating the motion data of a transfer stage to feedback the data to a high voltage amp. CONSTITUTION: A first mixer(310) receives an external input position command signal and the motion data of a transfer stage to calculate transfer direction and transfer distance. A PID controller(320) receives the output signals of the first mixer(310) to perform proportional differential integration. A differential circuit(330) receives the motion data of the transfer state to perform a differential operation, and products a predetermined gain. A second mixer(340) receives the output signals of the PID controller(320) and differential circuit(330) to compensate damping values. A D/A converter(350) converts the output signals of the second mixer(340) into analog signals to output reference voltage. A high voltage amp(360) amplifies the reference voltage from the D/A converter(350).

Description

미세위치 조정장치Fine Positioning Device

본 발명은 미세위치 조정장치에 관한 것으로서 특히, 전자제품 등의 생산라인에서 소형부품의 실장장치 등에 적용하여 그 위치를 정밀하게 제어하여야 하는 경우에 이송동작을 정확하게 수행하기 위하여 이송 스테이지를 고정 스테이지로 지지하도록 하고 압전 액츄에이터로 이송 스테이지의 이동량을 제어하도록 하는 미세위치 조정장치에 관한 것이다.The present invention relates to a fine position adjustment device, in particular, in the production line of electronic products, such as in the case of a small component mounting device for the precise control of the position in the case of the precise control of the transfer stage to the transfer stage to the fixed stage The present invention relates to a micro position adjusting device for supporting and controlling a movement amount of a transfer stage with a piezoelectric actuator.

도 1은 일반적인 미세위치 조정장치의 구성을 나타내는 도면이다.1 is a view showing the configuration of a general fine position adjusting device.

도 1을 참조하면 미세위치 조정장치는, 생산 시스템의 소정 위치에 고정지지되고 사각으로 중공된 판형의 고정 스테이지(110)와, 상기 고정 스테이지(110)의 중공부에 소정 방향으로 이동이 가능하도록 지지되는 판형의 이송 스테이지(120)와, 상기 이송 스테이지(120)의 각 모서리에서 연장되어 상기 고정 스테이지(110)에 연결되는 탄성 힌지(elastic flexure)(130)와, 일측이 상기 고정 스테이지(110)에 의해 고정지지되고 타측은 상기 이송 스테이지(120)의 측면부에 접촉되는 압전 액츄에이터(PZT)(140)와, 상기 이송 스테이지(120)의 위치에 따라 상기 압전 액츄에이터(140)에 소정의 전압을 공급하는 전원공급부(미도시)를 포함하여 구성된다.Referring to Figure 1, the micro-positioning device is fixed to a predetermined position of the production system, the plate-shaped fixed stage 110 is hollow in a rectangular shape, and to be movable in a predetermined direction in the hollow portion of the fixed stage 110 A plate-shaped conveying stage 120, an elastic flexure 130 extending from each corner of the conveying stage 120 and connected to the fixed stage 110, and one side of the fixed stage 110 The piezoelectric actuator (PZT) 140 is fixed and supported by the other side and contacts the side surface of the transfer stage 120, and a predetermined voltage is applied to the piezoelectric actuator 140 according to the position of the transfer stage 120. It is configured to include a power supply (not shown) for supplying.

이때, 상기 이송 스테이지(120)는 단일 방향으로만 변위가 발생되며, 그 상면에 이송 대상물을 장착시킬 수 있도록 설계되어 있다.At this time, the transfer stage 120 is a displacement is generated only in a single direction, it is designed to mount the transfer object on the upper surface.

또한, 상기 탄성 힌지(130)는 고정 스테이지(110) 및 이송 스테이지(120)와 일체형으로 형성되는데, 상기 고정 스테이지(110) 및 이송 스테이지(120)와의 연결부에는 오목홈의 형태로 일부가 제거되어 폭이 작아진 형태를 취함으로써 기계적 재료의 탄성을 이용한다.In addition, the elastic hinge 130 is formed integrally with the fixed stage 110 and the transfer stage 120, a portion of the connection between the fixed stage 110 and the transfer stage 120 is removed in the form of concave grooves. By taking the form of a smaller width, the elasticity of the mechanical material is utilized.

또한, 상기 압전 액츄에이터(140)는 입력 전압에 비례한 변위를 발생하는 특성을 가지고 있다.In addition, the piezoelectric actuator 140 has a characteristic of generating displacement proportional to an input voltage.

상기와 같이 구성된 미세위치 조정장치는 상기 이송 스테이지(120) 상에 이송하고자 하는 대상물이 장착되면 그 위치를 소정의 위치감지 수단에 의해 판단하고 이송량을 결정한다. 그후, 그 결과에 따라 상기 전원공급부(미도시)에서 상기 압전 액츄에이터(140)로 인가되는 전압의 크기를 결정한다.The fine position adjusting device configured as described above determines the position of the object to be transferred on the transfer stage 120 by a predetermined position detecting means and determines the transfer amount. Thereafter, the magnitude of the voltage applied from the power supply unit (not shown) to the piezoelectric actuator 140 is determined according to the result.

상기 압전 액츄에이터(140)는 인가되는 전압의 크기에 따라 길이가 변경되어 상기 이송 스테이지(120)를 밀어서 상기 이송 스테이지(120)의 위치가 미세 조정되도록 한다.The piezoelectric actuator 140 is changed in length depending on the magnitude of the applied voltage to push the transfer stage 120 so that the position of the transfer stage 120 is finely adjusted.

도 2는 종래 기술에 의한 미세위치 조정장치에 사용되는 전원공급부의 구성을 나타내는 블록도이다.2 is a block diagram showing a configuration of a power supply unit used in a conventional fine positioning device.

도 2를 참조하면, 종래의 전원공급부는 외부에서 입력된 위치지령 신호와 이송 스테이지의 위치 데이터를 입력받아 이송 방향 및 이송 거리를 계산하는 혼합기(210)와, 상기 혼합기(210)의 출력신호를 입력받아 비례미분적분을 수행하는 비례미분적분(PID) 제어기(220)와, 상기 비례미분적분 제어기(220)의 출력신호를 아날로그 신호로 변환시켜 기준 전압을 출력하는 디지털/아날로그(D/A) 변환기(230)와, 상기 디지털/아날로그 변환기(230)에서 출력되는 기준 전압을 증폭하여 압전 액츄에이터로 공급하여 이송 스테이지를 이동시키는 고전압 증폭기(240)로 구성된다.Referring to FIG. 2, the conventional power supply unit receives a position command signal input from an external device and position data of a transfer stage, and calculates a feed direction and a feed distance of the mixer 210, and outputs the output signal of the mixer 210. Proportional differential integration (PID) controller 220 for receiving proportional differential integral and digital / analog (D / A) for outputting a reference voltage by converting the output signal of the proportional differential integration controller 220 into an analog signal The converter 230 and a high voltage amplifier 240 for amplifying the reference voltage output from the digital-to-analog converter 230 and supplying it to the piezoelectric actuator to move the transfer stage.

이때, 외부에서 입력된 위치지령 신호와 이송 스테이지의 위치 데이터에 따라 비례미분적분(PID) 제어기(220)에서 비례미분적분을 수행하고, 디지털/아날로그(D/A) 변환기(230)에서 기준 전압을 출력하면, 상기 고전압 증폭기(240)에서는 기준 전압을 증폭하여 압전 액츄에이터(도 1의 140)로 공급하여 이송 스테이지(도 1의 120)를 이동시킨다.At this time, the proportional differential integral (PID) controller 220 performs the proportional differential in accordance with the external position command signal and the position data of the transfer stage, the reference voltage in the digital-to-analog (D / A) converter 230 When the output voltage, the high voltage amplifier 240 amplifies the reference voltage and supplies it to the piezoelectric actuator 140 (FIG. 1) to move the transfer stage (120 of FIG. 1).

그러나, 상기와 같은 종래 기술의 전원공급부를 사용하는 미세위치 조정장치는 이송 스테이지(120)의 중량이 증가하는 경우에 상기 탄성 힌지(130)의 재료특성에 의하여 이송 동작시 오버슈트(over shoot)가 발생하여 이송 스테이지(120)의 정확한 위치 제어를 어렵게 하는 문제점이 있다.However, the fine position adjusting device using the power supply of the prior art as described above overshoot during the transfer operation due to the material properties of the elastic hinge 130 when the weight of the transfer stage 120 is increased Occurs, making it difficult to accurately control the transfer stage 120.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 이송 스테이지의 위치 데이터를 미분하여 고전압 증폭기로 피드백(feedback)시키는 미분회로를 구비함으로써 탄성 힌지의 제동값을 보상하여 안정된 위치 제어를 수행할 수 있도록 하는 미세위치 조정장치를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and its object is to provide a differential circuit for differentially feeding back the position data of the transfer stage to a high voltage amplifier, thereby compensating the braking value of the elastic hinge for stable position control. It is to provide a fine position adjusting device that can be performed.

도 1은 일반적인 미세위치 조정장치의 구성을 나타내는 평면도,1 is a plan view showing the configuration of a general fine position adjusting device,

도 2는 종래 기술에 의한 전원 공급부의 구성을 나타내는 블록도,2 is a block diagram showing a configuration of a power supply unit according to the prior art;

도 3은 본 발명에 의한 전원 공급부의 구성을 나타내는 블록도.3 is a block diagram showing a configuration of a power supply unit according to the present invention;

〈 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 〉<Description of reference numerals for the main parts of the drawings>

110 : 고정 스테이지 120 : 이송 스테이지110: fixed stage 120: transfer stage

130 : 탄성 힌지 140 : 압전 액츄에이터130: elastic hinge 140: piezo actuator

310 : 제1 혼합기 320 : 비례미분적분(PID) 제어기310: first mixer 320: proportional differential integral (PID) controller

330 : 미분회로 340 : 제2 혼합기330: differential circuit 340: second mixer

350 : 디지털/아날로그 변환기 330 : 고전압 증폭기350: digital-to-analog converter 330: high voltage amplifier

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 시스템에 고정지지되고 사각으로 중공된 판형의 고정 스테이지와, 상기 고정 스테이지의 중공부에 소정 방향으로 이동이 가능하도록 지지되는 판형의 이송 스테이지와, 상기 이송 스테이지의 각 모서리에서 연장되어 상기 고정 스테이지에 연결되는 탄성 힌지와, 일측이 상기 고정 스테이지에 의해 고정지지되고 타측은 상기 이송 스테이지의 측면부에 접촉되는 압전 액츄에이터와, 상기 압전 액츄에이터에 위치조정을 위한 전원을 공급하는 전원공급부를 포함하여 구성된 미세위치 조정장치에 있어서,According to a feature of the present invention for achieving the above object, a plate-shaped fixed stage that is fixed to the system and hollow in a square, plate-shaped transfer stage that is supported to be movable in a predetermined direction in the hollow portion of the fixed stage and An elastic hinge extending from each corner of the transfer stage and connected to the fixed stage, a piezoelectric actuator on one side of which is fixed by the fixed stage and the other side of which is in contact with the side surface of the transfer stage, and the position of the piezoelectric actuator In the fine positioning device configured to include a power supply for supplying power for,

상기 전원공급부는 외부에서 입력된 위치지령 신호와 이송 스테이지의 위치 데이터를 입력받아 이송 방향 및 이송 거리를 계산하는 제1 혼합기와, 상기 제1 혼합기의 출력신호를 입력받아 비례미분적분을 수행하는 비례미분적분(PID) 제어기와, 이송 스테이지의 위치 데이터를 입력받아 미분을 수행하고 소정의 이득(gain)을 곱하여 출력하는 미분회로와, 상기 비례미분적분 제어기 및 미분회로의 출력신호를 입력받아 제동값(damping)을 보상시키는 제2 혼합기와, 상기 제2 혼합기의 출력신호를 아날로그 신호로 변환시켜 기준 전압을 출력하는 디지털/아날로그(D/A) 변환기와, 상기 디지털/아날로그 변환기에서 출력되는 기준 전압을 증폭하여 압전 액츄에이터로 공급하여 이송 스테이지를 이동시키는 고전압 증폭기로 구성된 것을 특징으로 한다.The power supply unit receives a position command signal input from the outside and position data of the transfer stage, and calculates a conveying direction and a conveying distance, and a proportional derivative that receives proportional differentiation by receiving an output signal of the first mixer. A differential controller (PID) controller, a differential circuit that receives position data of a transfer stage, performs a differential and multiplies a predetermined gain, and outputs a braking value by receiving the output signals of the proportional differential controller and the differential circuit a second mixer for compensating for damping, a digital / analog converter for converting an output signal of the second mixer into an analog signal and outputting a reference voltage, and a reference voltage output from the digital / analog converter It is characterized by consisting of a high voltage amplifier for amplifying and feeding the piezoelectric actuator to move the transfer stage.

이하, 본 발명에 의한 미세위치 조정장치의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings a preferred embodiment of the micro-position adjusting device according to the present invention will be described in detail.

도 3은 본 발명에 사용되는 전원공급부의 구성을 나타내는 블록도이다.3 is a block diagram showing a configuration of a power supply unit used in the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 미세위치 조정장치에 사용되는 전원공급부는 외부에서 입력된 위치지령 신호와 이송 스테이지(도 1의 120)의 위치 데이터를 입력받아 이송 방향 및 이송 거리를 계산하는 제1 혼합기(310)와, 상기 제1 혼합기(310)의 출력신호를 입력받아 비례미분적분을 수행하는 비례미분적분(PID) 제어기(320)와, 이송 스테이지(도 1의 120)의 위치 데이터를 입력받아 미분을 수행하고 소정의 이득(gain)을 곱하여 출력하는 미분회로(330)와, 상기 비례미분적분 제어기(320) 및 미분회로(330)의 출력신호를 입력받아 제동값(damping)을 보상시키는 제2 혼합기(340)와, 상기 제2 혼합기(340)의 출력신호를 아날로그 신호로 변환시켜 기준 전압을 출력하는 디지털/아날로그(D/A) 변환기(350)와, 상기 디지털/아날로그 변환기(350)에서 출력되는 기준 전압을 증폭하여 압전 액츄에이터(도 1의 140)로 공급하여 이송 스테이지(도 1의 120)를 이동시키는 고전압 증폭기(360)로 구성된다.Referring to FIG. 3, the power supply unit used in the fine position adjusting device of the present invention receives a position command signal input from the outside and position data of the transfer stage (120 of FIG. 1) to calculate a transfer direction and a transfer distance. 1 mixer 310, the proportional differential integral (PID) controller 320 to receive the output signal of the first mixer 310 to perform proportional differential integration and position data of the transfer stage (120 in FIG. 1) Compensates for the damping value by receiving the differential signal 330 for performing differential and multiplying a predetermined gain and outputting the output signals of the proportional differential controller 320 and the differential circuit 330. A second mixer 340, a digital-to-analog (D / A) converter 350 for converting an output signal of the second mixer 340 into an analog signal and outputting a reference voltage, and the digital-to-analog converter ( Amplify the reference voltage output from It consists of a high voltage amplifier 360 which feeds to all the actuators (140 in FIG. 1) and moves the transfer stage (120 in FIG. 1).

상기와 같이 구성된 전원공급부를 적용한 본 발명의 미세위치 조정장치는 상기 미분회로(330)에서 이송 스테이지(120)의 위치 데이터를 미분하고 소정의 이득값을 곱해서 제2 혼합기(340)로 출력시키면, 상기 제2 혼합기(340)에서는 제동값(damping)이 보상된 신호가 출력된다.In the fine position adjusting device of the present invention to which the power supply unit configured as described above is applied, the differential circuit 330 differentiates the position data of the transfer stage 120 and multiplies a predetermined gain value to output the second mixer 340. The second mixer 340 outputs a signal compensated for damping.

결국, 상기 디지털/아날로그(D/A) 변환기(350) 및 고전압 증폭기(360)에서는 제동값이 보상된 전압을 압전 액츄에이터(140)로 공급하여 위치제어를 수행한다.As a result, the digital / analog (D / A) converter 350 and the high voltage amplifier 360 supply a voltage compensated for the braking value to the piezoelectric actuator 140 to perform position control.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 미세위치 조정장치는 전원공급부에 이송 스테이지의 제동값(damping)을 보상할 수 있는 미분회로가 구비되기 때문에 이송 동작시 과도한 오버슈트(over shoot)가 방지되어 안정된 위치제어를 수행할 수 있게 되는 효과가 있다.As described above, the fine position adjusting device of the present invention is provided with a differential circuit capable of compensating for the damping value of the transfer stage in the power supply unit, thereby preventing excessive overshoot during the transfer operation. This has the effect of being able to perform control.

Claims (1)

시스템에 고정지지되고 사각으로 중공된 고정 스테이지와, 상기 고정 스테이지의 중공부에 소정 방향으로 이동이 가능하도록 지지되는 이송 스테이지와, 상기 이송 스테이지의 각 모서리에서 연장되어 고정 스테이지에 연결되는 탄성 힌지와, 일측이 상기 고정 스테이지에 의해 고정지지되고 타측은 상기 이송 스테이지의 측면부에 접촉되는 압전 액츄에이터와, 상기 압전 액츄에이터에 위치조정을 위한 전압을 공급하는 전원공급부를 포함하여 구성된 미세위치 조정장치에 있어서,A fixed stage fixed to the system and hollow in a square, a transfer stage supported to be movable in a predetermined direction in the hollow portion of the fixed stage, an elastic hinge extending from each corner of the transfer stage and connected to the fixed stage; In the fine position adjusting device comprising a piezoelectric actuator, one side is supported by the fixed stage and the other side is in contact with the side portion of the transfer stage, and a power supply for supplying a voltage for position adjustment to the piezoelectric actuator, 상기 전원공급부는 외부에서 입력된 위치지령 신호와 이송 스테이지의 위치 데이터를 입력받아 이송 방향 및 이송 거리를 계산하는 제1 혼합기와, 상기 제1 혼합기의 출력신호를 입력받아 비례미분적분을 수행하는 비례미분적분(PID) 제어기와, 이송 스테이지의 위치 데이터를 입력받아 미분을 수행하고 소정의 이득(gain)을 곱하여 출력하는 미분회로와, 상기 비례미분적분 제어기 및 미분회로의 출력신호를 입력받아 제동값(damping)을 보상시키는 제2 혼합기와, 상기 제2 혼합기의 출력신호를 아날로그 신호로 변환시켜 기준 전압을 출력하는 디지털/아날로그(D/A) 변환기와, 상기 디지털/아날로그 변환기에서 출력되는 기준 전압을 증폭하여 압전 액츄에이터로 공급하여 이송 스테이지를 이동시키는 고전압 증폭기로 구성된 것을 특징으로 하는 미세위치 조정장치.The power supply unit receives a position command signal input from the outside and position data of the transfer stage, and calculates a conveying direction and a conveying distance, and a proportional derivative that receives proportional differentiation by receiving an output signal of the first mixer. A differential controller (PID) controller, a differential circuit that receives position data of a transfer stage, performs a differential and multiplies a predetermined gain, and outputs a braking value by receiving the output signals of the proportional differential controller and the differential circuit a second mixer for compensating for damping, a digital / analog converter for converting an output signal of the second mixer into an analog signal and outputting a reference voltage, and a reference voltage output from the digital / analog converter Microposition comprising a high voltage amplifier for amplifying and feeding the feed stage to a piezoelectric actuator Information devices.
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